可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

?? 目前，在多數(shù)保密通信沒備中，主要采用通用CPU和專用硬件電路控制密碼專用芯片來實現(xiàn)兩種方式的密碼運算。采用前者控制密碼專用芯片時，需要選用一種具有靈活性高、維護容易、升級方便等特點的性能優(yōu)良的通用微處理器GPP(General Purpose Processor)，但由于通用微處理器指令的局限性，使密碼專用芯片達不到其最佳性能，嚴重影晌了保密通信的速度；采用專用硬件電路直接控制密碼專用芯片，雖然可使密碼專用芯片的性能達到最高，但由于其功能只依賴于密碼專用芯片及其外圍器件，使得靈活性差、開發(fā)周期比較長。

??? 由此可見，無論采用上面哪種方式，由于密碼專用芯片的運算處理與控制分離，限制了密碼數(shù)據(jù)處理性能，制約了系統(tǒng)整體速度。針對上述問題，通過分析多種密碼算法，本文提出一種基于處理器設(shè)計思想的顯式并行指令計算結(jié)構(gòu)(EPIC的可編程密碼處理器架構(gòu)，實現(xiàn)了速度與靈活性的折衷。??

1 密碼算法分析??

1.1 典型的密碼算法及其應用??

??? 現(xiàn)針對七種分組密碼算法和兩種雜湊函數(shù)即DES、IDEA、Rijndael、RC6、Serpent、Twofish、Mars、MD5和SHA進行分析。??

??? 分組密碼算法是一個將比特明文映射成n比特密文的雙射函數(shù)，n為其分組長度，它的加密與解密過程具有相同的密鑰，因此又稱為對稱密碼算法。而雜湊函數(shù)是一種將任意長度的消息壓縮為某一固定長度的消息摘要的函數(shù)，它主要用十數(shù)字簽名、消息的完整性檢測和消息的起源認證檢測等方面。??

??? DES算法(數(shù)據(jù)加密標準)是第一代公開的完全說明實現(xiàn)細節(jié)的被世界公認的分組密碼算法。其最初設(shè)計者是IBM公司，并取得了它的專利權(quán)。在隨后的二十多年中，DES算法作為一種典型的分組密碼算法，被廣泛地應用于保護商業(yè)數(shù)據(jù)的安全(如銀行系統(tǒng)等)。??

??? IDEA算法(國際數(shù)據(jù)加密算法)公布于1992年，足IPES標準，因廣泛應用于email加密認證軟件(PGP)中而聞名。??

??? Riindael是1998年公布的，并于2000年在由NIST(美國國家標準技術(shù)研究所)主持的AES評選中獲勝，此后Rijndael算法也稱為AES算法，成為逐漸代替DES的新的加密標準。??

??? RC6、Serpent、Twofish和Mars算法是與Rijndael算法一起參評的AES候選算法，它們都不同程度地體現(xiàn)了分組密碼算法的設(shè)計原則，對應用密碼學的發(fā)展產(chǎn)生了相當大的影響。??

??? MD5消息摘要函數(shù)是由RSA算法的設(shè)計者之一Rivest提出的一種單向散列函數(shù)，它不基于任何假設(shè)和密碼體制，采用了直接構(gòu)造的方法，處理速度非常快。??

??? SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標準(FIPS-180)的安全散列標準，由NIST提出并于1995年推出了其修訂版，通稱為SHA-1。??

1.2 密碼算法中的基本操作??

??? 在分析上述算法的基礎(chǔ)上，提取出各個算法的核心操作類型，并總結(jié)出它們的基本操作分別為以下六類：S盒操作、比特置換操作、算術(shù)運算、邏輯運算、移位操作和有限域乘法運算。其中算術(shù)運算包括模加／減和模乘運算，邏輯運算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成，表1詳細列出了它們在各種算法中的具體應用，如DES算法中主要使用了S盒操作、比特置換、異或和移位操作。??

2 可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計??

??? 在典型的可編程密碼處理器結(jié)構(gòu)(AFPC)中，EPIC結(jié)構(gòu)開發(fā)的是標量操作之間的隨機并發(fā)性，并且增加了功能部件的個數(shù)。不相關(guān)的指令由編譯顯式地編入到一個超長的機器指令字中，并發(fā)射到流水線，在各個功能部件中并發(fā)執(zhí)行，指令級并行度為4～8。這種結(jié)構(gòu)的硬件控制相對簡單，在計算密集型應用時內(nèi)在并行性很明顯。且不需要很多轉(zhuǎn)移預測。在這種結(jié)構(gòu)上運行指令能夠達到較高的實際指令級并行度。正是由于以上特點，EPIC結(jié)構(gòu)在很大程度上符合了密碼算法的需求，即計算密集且順序執(zhí)行。??

??? 可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)的硬什結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個處理器包括三部分：數(shù)據(jù)通路、控制單元和輸入／輸出接口電路。?

???

數(shù)據(jù)通路是處理器的關(guān)鍵部件之一，包含F(xiàn)UO～FU5共6個可并行執(zhí)行的功能單元、32個32bit通用寄存器、4×32個32bit密鑰寄存器和回寫單元。??

??? 功能單元是處理器執(zhí)行指令運算的核心，由若干個密碼運算模塊組成。其中，F(xiàn)UO～FU3內(nèi)部運算模塊的組成與結(jié)構(gòu)完全相同，輸入為3個32bit運算數(shù)據(jù)，其中2個來自通用寄存器堆、1個來自密鑰寄存器堆，輸出的運算結(jié)果亦為32bit。FUO～FU3內(nèi)部分別設(shè)置了7個運算模塊，分別為S盒運算模塊、模加，減運算模塊、模乘運算模塊、32bit移位運算模塊、有限域乘法運算模塊、二輸入邏輯運算模塊、三輸入邏輯運算模塊。FU4內(nèi)部設(shè)置了1個128bit，置換運算模塊，輸入為12個32bit運算數(shù)據(jù)，其中8個來自通用寄存器堆，4個來自密鑰寄存器堆。FU5內(nèi)部設(shè)置了1個128bit移位運算模塊，輸入也為12個32bit運算數(shù)據(jù)，其中8個來自通用寄存器堆，4個來自密鑰寄存器堆。??

??? 上述這些運算模塊功能不是單一的，而是可重構(gòu)的。表2中給出了4個可重構(gòu)運算模塊所支持的模式。??

??? 除了上述運算模式可重構(gòu)外，各運算模塊根據(jù)具體情況還支持運算前增加‘異或 i操作、運算后增加‘異或 i操作或者運算前后都增加‘異或 i操作。由于‘異或 i操作延時很小，它的加入并不影響運算的關(guān)鍵路徑，這就使得密碼運算時減少了單一‘異或 i操作的時鐘，從而減少了整個運算的時鐘數(shù)，并且不影響整體性能。表3中給出了Rijndael算法輪運算流程，采用有限域乘法運算后加入‘異或 i操作，時鐘周期數(shù)由4減為3，10輪運算將減少10個時鐘周期。??

??? 控制單元完成指令存取、指令譯碼、指令存儲器地址生成等工作，協(xié)調(diào)處理器內(nèi)部指令與外部用戶命令正確執(zhí)行。??

??? 輸入／輸出接口電路包括16個32bit輸入寄存器、16個32bit輸出寄存器、4個數(shù)據(jù) 長度計數(shù)器、1個32bit命令寄存器等，完成指令、運算數(shù)據(jù)從32bit數(shù)據(jù)總線裝載到指令存 儲器和輸人寄存器以及運算結(jié)果從內(nèi)部通用寄存器寫入輸出寄存器等操作。??

3 指令系統(tǒng)設(shè)計

??? 指令系統(tǒng)是算法要素和密碼處理器體系結(jié)構(gòu)特性的集中體現(xiàn)，指令系統(tǒng)的設(shè)計必須支 持硬件的并行執(zhí)行，即開發(fā)指令級并行性(ILP)，指令級并行性的開發(fā)程度對發(fā)揮密碼微處理器的硬件特性，提高程序運行性能至為關(guān)鍵。ILP技術(shù)實際上是指一套完整的處理器設(shè)計和編譯技術(shù)，這些技術(shù)通過并行地執(zhí)行獨立的機器操作(如存儲器讀寫、邏輯運算、算術(shù)運算等)來加速程序的執(zhí)行。ILP的大小可以采用每周期平均執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)朱衡量，或者采用整個程序的每條指令平均執(zhí)行的周期數(shù)CPI(CPT=l／IPC)來衡量。在可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)中采用了顯式并行指令計算結(jié)構(gòu)，指令級并行數(shù)達到5。???

3.1 指令分類??

??? 可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)中的指令分為以下幾類：??

(1)靜態(tài)配置指令。它是在密鑰生成及加／解密過程中保持不變或者改變次數(shù)很少的控制信息配置指令，算法確定后，其S盒查找表信息、有限域乘數(shù)矩陣和不可約多項式、若干個置換的控制信息等就確定了，它們不會因為操作模式不同而改變。在加／解密過程中采用將配置指令分離出來的方法，可以大大減少執(zhí)行密碼運算時指令的冗余編碼，從而縮短了指令字的長度，增加了運算指令字中包含有效操作的個數(shù)，有效地提高了加／解密速度并減少了密碼程序的代碼量。??
(2)短指令。它執(zhí)行除置換與128bit移位運算外的各種密碼運算和內(nèi)部寄存器問的數(shù)據(jù)傳輸操作。??
(3)長指令。它執(zhí)行置換與128bit移位運算。??
(4)超長指令。它執(zhí)行立即數(shù)操作和多分支判斷操作。??
(5)控制指令。它執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)、子程序調(diào)用及返回、單分支判斷等控制操作。??

3.2 指令形態(tài)??

?? 在硬件上，多個功能單元的設(shè)置為多條指令的并行執(zhí)行提供了支持，而哪些指令可以并行執(zhí)行，哪些指令不能并行執(zhí)行以及如何將多條指令組裝成一條指令的原則，即稱為指令的拼裝規(guī)則。在此設(shè)計中有以下幾種指令形態(tài)：??

(1) 靜態(tài)配置指令。??
(2) 超長指令。??
(3) 短指令Ⅱ短指令Ⅱ短指令Ⅱ短指令ll控制指令。??
(4) 長指令Ⅱ控制指令。??

???? 其中短指令長度為37bit，控制指令長度為32bit，長指令長度為148bit。無論上述哪種形態(tài)，最終的指令字長度都為192bit(包括指令拼裝標識)，如四個短指令可以與控制指令拼裝成一條指令，長指令也可以與控制指令拼裝成一條指令，但靜態(tài)配置指令與超長指令不能與其他指令拼裝，自身組成一個192bit的指令字。??

4 性能分析??

??? 由于可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)支持5條指令綁定并行執(zhí)行，因此其數(shù)據(jù)路徑定義為5CS(5Combining-Strands)，假設(shè)不采用綁定的數(shù)據(jù)路徑定義為NCS(No-Combining-Strands)，將這兩種情況與Alpha處理器、Cryp-toManiac密碼處理器[9]路程進行比較，四種數(shù)據(jù)路徑下加／解密所需時鐘數(shù)如表4所示。分析比較表明可編程密碼處理器執(zhí)行時鐘大量減少，尤其與通用處理器Al-pha相比，加／解時鐘數(shù)DES算法減少83％，IDEA算法減少92％，Rijndael算法減少9l％，RC6算法減少69％，Twofish算法減少78％。???

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?? 為了驗證可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路和控制通路的正確性，使用Altera StratixlIEP2S180F1508C4器件作為FPCA目標芯片，使用AlteraQuartusII 5.0工具進行綜合，在綜合前和綜合后使用Mentor公司的ModelSim 5.8c分別進行功能仿真和時序仿真，結(jié)果均正確。其具體資源占用情況如表5所示。???

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??? 密碼處理的靈活性和高效性一直是密碼算法使用中的制約因素，采用通用微處理器雖然能獲得較好的靈活性，但卻使一些算法的性能達不到要求；采用專用算法芯片，在獲得很高性能的同時喪失了靈活性。本文針對這一矛盾以EPIC結(jié)構(gòu)微處理器構(gòu)架為出發(fā)點，系統(tǒng)地研究了通用的并行分組密碼處理器模型、各種密碼運算單元、指令集等關(guān)鍵技術(shù)，并最終得以實現(xiàn)，達到了實現(xiàn)性能與靈活性之間的良好折衷。