- RISC結(jié)構(gòu)微處理器專用存儲單元的研究與實現(xiàn)

密鑰存儲模塊是由一個27×32的RAM組成，通過對如表2所示的多種分組密碼算法密鑰容量的統(tǒng)計和分析可知，深度為128的存儲容量可以滿足密碼運算中密鑰的存儲要求。

2.4 置換及有限域存儲模塊

置換作為擴(kuò)散的首要手段，在密碼算法中得到了廣泛應(yīng)用。例如：在DES中有六種不同種類的置換；Twofish和Serpent中有兩種不同種類的置換。本設(shè)計的bit置換單元是基于64×64的omega-flip網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)共有11級，在進(jìn)行數(shù)據(jù)置換之前，要先對每一級的開關(guān)邏輯進(jìn)行配置。一級omega-flip網(wǎng)絡(luò)需要N/2bit（即32bit）控制信息決定該級開關(guān)的狀態(tài)（交叉或直通），所以該置換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次置換需要11個控制信息。如果用通用指令實現(xiàn)這些控制信息,則至少需要6條指令才能完成配置。

分組密碼應(yīng)用中，有限域乘法運算主要在GF（28）、GF（27）及GF（29）域上。其中，在GF（28）域上的乘法運算最為常見，占到了全部有限域乘法的54.14%。有限域乘法電路運算前需要對乘數(shù)多項式和不可約多項式進(jìn)行靜態(tài)配置，每組136bit，其中128bit為乘法矩陣配置數(shù)據(jù)，8bit作為不可約多項式配置數(shù)據(jù)。

由以上分析可知，本設(shè)計的bit置換和有限域模塊由6個24×32的RAM組成，它一次可以存放六種置換所需要的控制信息，四種有限域運算所需的128bit乘法矩陣配置數(shù)據(jù)和8bit不可約多項式配置數(shù)據(jù)。6個RAM都是雙端口（即2個讀端口），所以給出2個相同的讀地址，6個RAM就可以同時讀出12個配置數(shù)據(jù)。64位的bit置換一次需要的11個控制信息只用一條指令就可以完成配置，大大提高了密碼運算速度。

2.5指令設(shè)計

密碼專用微處理器擴(kuò)展了指令集，增加了密碼指令。加入專用存儲單元后，由于專用存儲單元存放的主要是配置數(shù)據(jù)，結(jié)合運算單元的特點，在擴(kuò)展的專用密碼指令中對原指令格式進(jìn)行了改進(jìn)，使之更適合于密碼算法。改進(jìn)后該指令字中的低11位被作為5位的shift域和6位的func域，其指令格式如表3所示。三個模塊的數(shù)據(jù)都由CONFIGURE指令存儲到專用存儲單元中，密鑰和S盒可以直接參與運算，對于置換和有限域乘法,在其密碼運算指令的shift域中添加專用存儲單元的地址，運算時再將配置信息動態(tài)配置到IU運算單元中，這樣配置和運算用一條指令就可以完成。

表3中：Op為操作碼，Rd為目的寄存器地址，Rs1和Rs2為源寄存器地址。type(1)作為區(qū)分bit置換和有限域。addr(4)為置換和有限域模塊4bit地址，該4bit地址與該地址加1為bit置換和有限域模塊6個RAM的2個讀地址，讀出的數(shù)據(jù)直接送入運算單元內(nèi)部對相應(yīng)模塊進(jìn)行配置。sboxtype(2)2bit為S盒類型選擇，用來區(qū)分8×8、8×32、4×4及6×4四種S盒。Sboxa/b(1)這1bit是訪問S盒時用來選擇RAM組a或RAM組b。

3 性能分析