一種基于AOP的多項(xiàng)式基GF(2<sup>227</sup>)高速模乘法器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)據(jù)信息加解密領(lǐng)域，及其涉及一種基于全一約減式AOP (all one polynomial，即約減式的每一個(gè)權(quán)重系數(shù)均為I)的多項(xiàng)式基GF(2227)高速模乘法器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及以及廣泛的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)上流通的數(shù)據(jù)越來(lái)越多越來(lái)越大，并且人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸笤絹?lái)越高，這樣對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全的研宄帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，因此密碼學(xué)如今成為了信息安全的核心。密碼學(xué)中公鑰密碼體制得到了廣泛的研宄和使用，在對(duì)公鑰密碼學(xué)的研宄中，一種更加節(jié)省資源加解密效率更高的密碼體制被提出，即橢圓曲線密碼學(xué)。
[0003]1985年，Neal Koblitz和Victor Miller分別提出了橢圓曲線密碼系統(tǒng)(Elliptic Curve Cryptography-ECC)，自從ECC誕生之后它的安全性和實(shí)現(xiàn)效率就被眾多的數(shù)學(xué)家和密碼學(xué)家所廣泛研宄，目前它被認(rèn)為是已知的公鑰密碼體制中每比特加密強(qiáng)度最高的一種，同RSA密碼算法相比，它具有更高的安全性能，計(jì)算速度快，存儲(chǔ)空間占用小。在ECC系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)中，基于二元域的多項(xiàng)式基的實(shí)現(xiàn)方式被廣泛的使用，而在ECC系統(tǒng)中，點(diǎn)乘模塊是影響處理速度等性能的關(guān)鍵，而點(diǎn)乘模塊中模乘模塊又是它的核心，所以對(duì)模乘的研宄更是關(guān)鍵所在。
[0004]因此為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，減少資源消耗，尋求更好的模乘模塊的實(shí)現(xiàn)方式成為了研宄關(guān)注的焦點(diǎn)，研宄機(jī)構(gòu)對(duì)于NIST推薦的幾種位寬已經(jīng)有了很廣泛和深入的研宄，所以有一些研宄機(jī)構(gòu)開(kāi)始著眼于一類具有特殊類型約減多項(xiàng)式的位寬，本發(fā)明就是針對(duì)這種特殊類型，即AOP類型，設(shè)計(jì)了一種新的模乘法器單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對(duì)二元域多項(xiàng)式基下的基于AOP型約減多項(xiàng)式的模乘法器，它實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)位寬為m的操作數(shù)的相乘取模操作，得到位寬為m的結(jié)果，在此發(fā)明中m = 227，即實(shí)現(xiàn)C(x) = (A(x) XB(x))modf(x)，其中 f(x) =X1M0
[0006]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述操作，采用串并結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，每次處理操作數(shù)B (X)的字長(zhǎng)w = 57，在部分積疊加路徑中插入寄存器，流水執(zhí)行。本發(fā)明包括的操作單元:(1)主控狀態(tài)機(jī)；(2)數(shù)據(jù)加載以及分配部分；(3) A(X) XBi(X)部分積產(chǎn)生以及部分積疊加部分；(4)部分積累加以及最終數(shù)據(jù)結(jié)果寄存以及模乘結(jié)束標(biāo)志信號(hào)給出。
[0007]本發(fā)明根據(jù)上述所述，在檢測(cè)到高電平使能信號(hào)的時(shí)候開(kāi)始執(zhí)行操作，啟動(dòng)主控狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)控制各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的給出，控制流水執(zhí)行并且寄存邏輯單元的運(yùn)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的操作。
[0008]所述的數(shù)據(jù)加載以及分配部分是在狀態(tài)機(jī)控制下，寄存輸入的操作數(shù)，并按照數(shù)字串行方式，分階段給出所需模乘運(yùn)算單元所需的操作數(shù)。
[0009]所述的部分積產(chǎn)生以及部分積疊加部分，部分積產(chǎn)生是采用模乘約減同時(shí)進(jìn)行的方式，在傳統(tǒng)乘法器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)227*57的模乘，產(chǎn)生57個(gè)227bit的部分積，部分積疊加是將上述57個(gè)部分積進(jìn)行模加得到227*57的最終結(jié)果。
[0010]所述的部分積累加，是將每一次執(zhí)行模乘單元得到的227*57結(jié)果累次相加，最終得到227*227的模乘結(jié)果，完成一次完整的模乘操作并給出一個(gè)周期的輸出允許信號(hào)。
[0011]本發(fā)明在部分積疊加部分中插入了寄存器，切斷了模乘操作的路徑，從而減小關(guān)鍵路徑長(zhǎng)度，通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制使得整個(gè)操作流水執(zhí)行，是在多消耗寄存器資源的條件下提高時(shí)鐘頻率，提升模乘操作的效率。
【附圖說(shuō)明】
[0012]本發(fā)明提供了系統(tǒng)的模塊框圖以及子模塊的框圖，整個(gè)發(fā)明的相關(guān)圖示簡(jiǎn)述如下，便于更好的理解本發(fā)明。
[0013]圖1所示是本發(fā)明整體數(shù)據(jù)流圖。
[0014]圖2所示是控制數(shù)據(jù)流的主控狀態(tài)機(jī)。
[0015]圖3所示是模乘模塊部分結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖4所示是模乘模塊中2級(jí)異或樹(shù)鏈。
[0017]圖5所示是模乘模塊中約減模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖6所示是流水執(zhí)行方式各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行的操作。
[0019]圖7所示是本發(fā)明模乘整體設(shè)計(jì)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)表述更加清晰，下面對(duì)整個(gè)發(fā)明結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施方式做更加詳細(xì)的描述。
[0021]圖1所示是本發(fā)明整體數(shù)據(jù)流圖，也就是整體模乘模塊的結(jié)構(gòu)框圖，整體模塊100包括了四個(gè)子部分，簡(jiǎn)述如下:
[0022]輸入數(shù)據(jù)加載以及分配寄存器堆102 ;
[0023]模乘整體模塊104 ；
[0024]模加模塊106 ；
[0025]部分積寄存器堆108。
[0026]在主控狀態(tài)機(jī)的控制下，分時(shí)給出各個(gè)邏輯單元的操作數(shù)據(jù)，然后寄存相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，整體模乘采用數(shù)字串行的執(zhí)行方式，數(shù)字串行字長(zhǎng)w = 57，采用LSB的執(zhí)行方式，處理的操作數(shù)據(jù)位寬最大為227bit，一次模乘可得到227*57模乘運(yùn)算結(jié)果，為了提高執(zhí)行頻率以及吞吐率，采用流水執(zhí)行，經(jīng)過(guò)4次模乘模塊運(yùn)算可以得到最終模乘運(yùn)算結(jié)果。
[0027]輸入數(shù)據(jù)加載以及分配寄存器堆102是在主控狀態(tài)機(jī)的控制下，加載了輸入的兩個(gè)模乘操作數(shù)A，B，并且正確的分配并給出每一次計(jì)算227*57所需要的輸入數(shù)據(jù)，如第一次 227*57 模乘，給出 A, BJB1= B[56:0]);第二次 227*57 模乘給出 A 57，B2(A57= AXx57, B2=B[113:57]);第三次 227*57 模乘給出 A114, B3(A114= AXx 114，B3= B[170:114]);第四次227*57 模乘給出 A171, B3(A171= AXx171，B4= {I ‘b0，B[226:171]})。
[0028]模乘整體模塊104的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在此不贅述，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)圖3的詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]模加模塊106完成兩個(gè)操作數(shù)相加并取模的操作，如果兩個(gè)操作數(shù)A，B，那么模加的結(jié)果即為(A+B)mod(2)，也就是兩個(gè)操作數(shù)按位相加而沒(méi)有進(jìn)位，進(jìn)一步用硬件實(shí)現(xiàn)即兩個(gè)操作數(shù)按位異或A~B，通過(guò)異或陣列就能夠?qū)崿F(xiàn)此模塊。
[0030]部分積寄存器堆108寄存了每一次227*57模乘的運(yùn)算累加結(jié)果，并將之前的累加結(jié)果作為模加模塊106的一個(gè)輸入操作數(shù)，此模塊分時(shí)寄存了C1, C^C2, CACfC3, Ci+CfQ+C；，其中Ci是每一次模乘的運(yùn)算結(jié)果，最后寄存了 227*227的模乘結(jié)果，并作為輸出數(shù)據(jù)。
[0031]圖2所示是模乘模塊的主控狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)200包含了9個(gè)狀態(tài)，分別為IDLE, LOAD, PARTIAL REGFILE1, PARTIAL REGFILE2, PARTIAL REGFILE3, RESULTI, RESULT2,RESULT3, FINAL RESULT。外部的控制狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的只有模乘使能信號(hào)Mul_en_i，當(dāng)它為高電平時(shí)，啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，跳轉(zhuǎn)到LOAD狀態(tài)，順序執(zhí)行之后狀態(tài)，如果過(guò)程中出現(xiàn)了未知狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)。下面分別描述各個(gè)狀態(tài)。
[0032]狀態(tài)IDLE，是空閑狀態(tài)，此時(shí)所有寄存器值都是初始值0，這個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)使能信號(hào)是否為高，準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，此外此狀態(tài)將把模乘結(jié)果輸出標(biāo)志信號(hào)清零，當(dāng)從FINALRESULT跳轉(zhuǎn)到IDLE的時(shí)候，會(huì)拉高模乘結(jié)果輸出標(biāo)志信號(hào)，為保證此信號(hào)只保持一個(gè)時(shí)鐘周期，在IDLE時(shí)將其清零。
[0033]狀態(tài)LOAD是將輸入的兩個(gè)操作數(shù)A，B寄存并將每一次227*57的輸入數(shù)據(jù)給出。
[0034]狀態(tài)PARTIAL REGFILE1是將第一次227*57生成的部分積部分疊加結(jié)果寄存，也就是將結(jié)果寄存在圖3中的寄存器堆304，并將第二次227*57的輸入數(shù)據(jù)給出，輸入數(shù)據(jù)已在詳述102的內(nèi)容中體現(xiàn)。
[0035]狀態(tài)PARTIAL REGFILE2是將寄存器堆304結(jié)果進(jìn)一步通過(guò)而異或樹(shù)鏈邏輯疊加之后的結(jié)果寄存，也就是將結(jié)果寄存在圖3中寄存器堆308，同時(shí)將第二次227*57生成的部分積部分疊加結(jié)果寄存，即將結(jié)果寄存在圖3中的寄存器堆304，并將第三次227*57的輸入數(shù)據(jù)給出。
[0036]狀態(tài)PARTIAL REGFILE3將寄存器堆308結(jié)果進(jìn)一步通過(guò)而異或樹(shù)鏈邏輯疊加之后的結(jié)果寄存，也就是將結(jié)果寄存在圖3中寄存器堆3012，并將寄存器堆304結(jié)果進(jìn)一步通過(guò)而異或樹(shù)鏈邏輯疊加之后的結(jié)果寄存在308，同時(shí)將第三次227*57生成的部分積部分疊加結(jié)果寄存在304，并將第四次227*57的輸入數(shù)據(jù)給出。
[0037]狀態(tài)RESULT1將3012的結(jié)果通過(guò)異或門(mén)陣列并通過(guò)106模塊與108內(nèi)容相加的結(jié)果寄存在108中，此時(shí)就得到了第一次模乘結(jié)果