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D0I:10.13374/j.issnl00I63.2006.12.044 第28卷第12期 北京科技大学学报 Vol.28 No.12 2006年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2006 可重组多功能大数运算器的小规模硬件实现 李蓬勃张晓彤王沁 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要提出了一种面积优先的多功能、可重组的大数值运算器设计方法·基于简单的加法操作， 采用扫描链控制、迭代调用等方法对设计进行优化，实现了14种基本的大数运算功能。每种功能 支持的规格从8位至2048位，给安全芯片用户提供了极大的灵活性，显著减小了代码的开发周期 和成本.由于多种功能尽量复用相同的逻辑资源，本设计在满足体系运算速度的前提下，规模只有 13887门，完全满足安全芯片面积优先的设计约束. 关键词运算器：运算功能；安全芯片：硬件设计 分类号TP309.7;TP332.2 随着各种加解密算法密钥长度的逐步增加， 对规模要求严格的设计需求，提出了一种小规模 在一些具有安全性需求的芯片设计中，大规格数 的大数值运算器设计方法，基于加法操作，在扫 据运算的硬件实现已成为硬件设计的主要考虑因 描链的配合下，全部用逻辑电路实现了包括加减 素和设计难点，比如RSA等基于大数分解的公 乘除及模乘、模幂乘等多种运算功能，各功能支持 钥密码算法，虽然目前密钥长度已达1024位，但 的运算规格从8位一直扩展到2048位.经综合 是仍然不能避免将被破解的厄运，致使密钥还需 验证，在20Mz的主频下，设计规模只有13887 进一步增加.这种运算规格的增长不仅使加解密 门，完全适用于CSTU安全体系的面积优先的设 运算速度降低，而且增加了硬件实现的难度 计要求 目前国内外对大数值运算器的研究，主要集 中在大数模幂乘运算的实现上，其数学表达式为 1CSTU安全芯片体系结构简介 S=Amod N.大数模幂乘一般用模平方和模乘 随着人们对安全需求的不断增加，采用固定 来实现：对于一个指数B,模平方的次数是固定 或单一加解密算法的产品已经无法满足人们的需 的，而模乘的次数是可以优化的，因此可在以下 求，目前的安全产品需要经常更换加解密算法甚 两方面考虑运算加速：(1)减少模乘次数；(2)提 至改变整个安全策略，适应这种需求常用的方法 高大数模乘速度、针对第一种方案提出的加速算 是在基本运算器之上，使用软件编程的方式灵活 法有m进制方法、加法链法、Yacobi法：针对第二 的实现算法的转换.但是面对不断升级的软件破 种方案有估商型系列算法山和Montgomery系列 解技术的挑战，以及软件方式的低速率性，各种加 算法[.以上各种方案或者需要预计算，占用较 解密算法也由软件实现向硬件电路实现过渡，为 大的存储空间，或者需要设置专门的乘法单元，都 解决这一矛盾，可支持多种加解密算法的硬件安 是在牺牲规模的前提下提高运算速度，在对规模 全产品就应运而生，其中基于可重组方式设计的 要求严格的安全芯片中，以上方法不再适用.而 安全芯片无疑又具有领先优势 且，它们也并未涉及其他运算（如加、减、乘、除等 CSTU保密终端安全芯片采用了可重组设计 四则运算)的大规格实现方法 思想，综合分析了当前大量使用的DES,AES, 根据保密终端安全芯片CSTU(China secure IDEA,RSA,MD5等十余种加解密算法的实现过 terminal unit,国家密码委员会审批项目，产品型 程，支持对称、公钥、摘要密码算法及用户隐秘算 号SSX11)对运算速度要求不高（主频20Mz)、 法，提供这些算法实现所需的IP平台，不同的用 收稿日期：2005-12-06修回日期：2006-04-14 户可以根据自己的需要在平台上进行二次开发， 作者简介：李蓬勃(1980一)，男，硕士研究生；张晓彤(1968一)， 形成自己定义的安全算法及策略 男，副教授，博士 CSTU安全芯片可用于保密电话、安全卡证可重组多功能大数运算器的小规模硬件实现 李蓬勃 张晓彤 王 沁 北京科技大学信息工程学院北京100083 摘 要 提出了一种面积优先的多功能、可重组的大数值运算器设计方法．基于简单的加法操作 采用扫描链控制、迭代调用等方法对设计进行优化实现了14种基本的大数运算功能．每种功能 支持的规格从8位至2048位给安全芯片用户提供了极大的灵活性显著减小了代码的开发周期 和成本．由于多种功能尽量复用相同的逻辑资源本设计在满足体系运算速度的前提下规模只有 13887门完全满足安全芯片面积优先的设计约束． 关键词 运算器；运算功能；安全芯片；硬件设计 分类号 TP309∙7；TP332∙2 收稿日期：20051206 修回日期：20060414 作者简介：李蓬勃（1980—）男硕士研究生；张晓彤（1968—） 男副教授博士 随着各种加解密算法密钥长度的逐步增加 在一些具有安全性需求的芯片设计中大规格数 据运算的硬件实现已成为硬件设计的主要考虑因 素和设计难点．比如 RSA 等基于大数分解的公 钥密码算法虽然目前密钥长度已达1024位但 是仍然不能避免将被破解的厄运致使密钥还需 进一步增加．这种运算规格的增长不仅使加解密 运算速度降低而且增加了硬件实现的难度． 目前国内外对大数值运算器的研究主要集 中在大数模幂乘运算的实现上其数学表达式为 S＝ A Bmod N．大数模幂乘一般用模平方和模乘 来实现；对于一个指数 B模平方的次数是固定 的而模乘的次数是可以优化的．因此可在以下 两方面考虑运算加速：（1） 减少模乘次数；（2） 提 高大数模乘速度．针对第一种方案提出的加速算 法有 m 进制方法、加法链法、Yacobi 法；针对第二 种方案有估商型系列算法［1］和 Montgomery 系列 算法［2］．以上各种方案或者需要预计算占用较 大的存储空间或者需要设置专门的乘法单元都 是在牺牲规模的前提下提高运算速度．在对规模 要求严格的安全芯片中以上方法不再适用．而 且它们也并未涉及其他运算（如加、减、乘、除等 四则运算）的大规格实现方法． 根据保密终端安全芯片 CSTU （China secure terminal unit国家密码委员会审批项目产品型 号 SSX11） 对运算速度要求不高（主频20MHz）、 对规模要求严格的设计需求提出了一种小规模 的大数值运算器设计方法．基于加法操作在扫 描链的配合下全部用逻辑电路实现了包括加减 乘除及模乘、模幂乘等多种运算功能各功能支持 的运算规格从8位一直扩展到2048位．经综合 验证在20MHz 的主频下设计规模只有13887 门完全适用于 CSTU 安全体系的面积优先的设 计要求． 1 CSTU 安全芯片体系结构简介 随着人们对安全需求的不断增加采用固定 或单一加解密算法的产品已经无法满足人们的需 求目前的安全产品需要经常更换加解密算法甚 至改变整个安全策略．适应这种需求常用的方法 是在基本运算器之上使用软件编程的方式灵活 的实现算法的转换．但是面对不断升级的软件破 解技术的挑战以及软件方式的低速率性各种加 解密算法也由软件实现向硬件电路实现过渡．为 解决这一矛盾可支持多种加解密算法的硬件安 全产品就应运而生其中基于可重组方式设计的 安全芯片无疑又具有领先优势． CSTU 保密终端安全芯片采用了可重组设计 思想综合分析了当前大量使用的 DESAES IDEARSAMD5等十余种加解密算法的实现过 程支持对称、公钥、摘要密码算法及用户隐秘算 法提供这些算法实现所需的 IP 平台不同的用 户可以根据自己的需要在平台上进行二次开发 形成自己定义的安全算法及策略． CSTU 安全芯片可用于保密电话、安全卡证 第28卷 第12期 2006年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．12 Dec．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．12．044