專利名稱：可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用于信息安全領(lǐng)域的可重構(gòu)密碼協(xié)處理器芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)，更明確地說涉及可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
保證信息安全的一個(gè)最基本也是最有效的措施是對信息進(jìn)行密碼變換。密碼芯片是構(gòu)成密碼系統(tǒng)的最核心的基本部件。對于某種專用加密芯片，由于硬件電路結(jié)構(gòu)是針對某種特定的加密/解密算法設(shè)計(jì)的，因此算法和硬件電路結(jié)構(gòu)能夠匹配的很好，從而專用密碼芯片的加/解密速度很快。但是，針對特定算法的專用密碼芯片的靈活性極差，只能適應(yīng)一種算法，這極大地限制了它的應(yīng)用范圍。
基于可重構(gòu)密碼邏輯的可重構(gòu)密碼芯片為數(shù)據(jù)加密提供了一條新的途徑，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的特性使其體系結(jié)構(gòu)具有了一定程度的柔性，較好地解決了傳統(tǒng)的剛性體系結(jié)構(gòu)所帶來的體系結(jié)構(gòu)與不同應(yīng)用需求不匹配的問題。同專用密碼芯片相比，可重構(gòu)密碼協(xié)處理器具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)可重構(gòu)密碼協(xié)處理器為密碼設(shè)備的使用者提供了極大的靈活性，用戶可以根據(jù)自己的需求，通過編程在可重構(gòu)密碼協(xié)處理器上實(shí)現(xiàn)各種不同的密碼算法。一旦密碼算法需要升級換代，不必更換密碼芯片，只需修改相應(yīng)的編程軟件即可，非常方便，因此能夠延長密碼系統(tǒng)的使用壽命，保護(hù)用戶的投資利益。(2)可重構(gòu)密碼協(xié)處理器不是針對某一特定密碼算法設(shè)計(jì)的，而是為大量的具有一定共性的密碼算法(主要是對稱密鑰體制算法)提供的一個(gè)通用的硬件實(shí)現(xiàn)平臺，可重構(gòu)密碼協(xié)處理器在投入使用之前并不含有特定的密碼算法信息，所實(shí)現(xiàn)的密碼算法是由用戶在使用之前通過編程確定的。因此，在芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段不會泄露密碼算法的信息，從而提高了密碼系統(tǒng)的安全系數(shù)。(3)基于可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的密碼系統(tǒng)的開發(fā)周期比專用密碼芯片的開發(fā)周期短。(4)用戶可以很方便地隨時(shí)更換所使用的密碼算法，縮短同一密碼算法的使用周期，從而大大增加了密碼分析(攻擊)的難度，從另一個(gè)方面提高了密碼系統(tǒng)的安全性。
移位模塊是可重構(gòu)密碼協(xié)處理器芯片的一個(gè)重要模塊，用于實(shí)現(xiàn)邏輯左移、邏輯右移、循環(huán)左移、循環(huán)右移操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就在于提供一種移位模塊，它能實(shí)現(xiàn)在SF、DIR、SB的控制下，對n位的輸入數(shù)據(jù)D進(jìn)行循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4類操作，而且移位位數(shù)在l～n之間任意可變，從而大大提高可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的靈活性和性能。其中n為自然數(shù)，比如n可以為8、16、32、64、128等。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括以移位方式SF、移位方向DIR、移位位數(shù)SB為控制信號，以D[n-10]為輸入，以Q[n-10]為輸出的移位電路。
移位電路包括以D[n-10]為輸入、以SB為控制信號的n個(gè)多路選通器，以兩個(gè)多路選通器的輸出為輸入、以DIR為控制信號的n個(gè)二選一選通器，以n個(gè)二選一選通器的輸出和過濾字產(chǎn)生子模塊的輸出相與的與門，以n個(gè)二選一選通器的輸出和與門的輸出為輸入、以SF為控制信號的二選一選通器、以該二選一選通器的輸出為輸入、以時(shí)鐘信號CLK控制的鎖存器。n可為8、16、32、64、128等自然數(shù)。
密碼算法具有一個(gè)顯著的特征很多不同的密碼算法具有相同或相似的基本操作成分，或者說同一基本操作成分在不同算法中出現(xiàn)的頻度很高。對DES、IDEA、AES候選算法等34種典型的分組密碼算法和13種典型的序列密碼算法的基本操作成分及其使用頻度做了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)移位運(yùn)算的使用頻度達(dá)到58.82％。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了n位移位模塊，功能主要是實(shí)現(xiàn)在SF、DIR、SB的控制下，對n位的輸入數(shù)據(jù)D進(jìn)行循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4類操作，而且移位位數(shù)在l～n之間任意可變。
通過對大量的密碼算法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)密碼算法所使用的移位操作有循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4種類型。按照重構(gòu)模塊的最大適應(yīng)性設(shè)計(jì)原則，可重構(gòu)密碼邏輯中的移位單元應(yīng)該實(shí)現(xiàn)上述所有4種類型的移位操作，而且移位的位數(shù)任意可變。按照該原則設(shè)計(jì)的移位單元所需要的可控編碼的寬度及其所能實(shí)現(xiàn)的移位變換的個(gè)數(shù)，可由下述定理來描述。
設(shè)一個(gè)n位的移位單元能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4種移位操作，而且移位的位數(shù)在1～n之間任意可變，則該移位單元需要2+[log2n]位可控編碼，而且其能夠?qū)崿F(xiàn)的移位變換的個(gè)數(shù)為4n。
可重構(gòu)密碼邏輯的移位單元有8位、16位、32位、64位、128位等多種類型。上述移位單元能夠?qū)崿F(xiàn)左移、右移、循環(huán)左移、循環(huán)右移任意N位(N≤字長)的功能。移位單元的設(shè)計(jì)原理如下對字長為W的移位單元來說，循環(huán)右移i位相當(dāng)于循環(huán)左移W-i位，因此，循環(huán)右移操作可以轉(zhuǎn)化為循環(huán)左移操作實(shí)現(xiàn)。邏輯移位和循環(huán)移位的結(jié)果中，未被移出的部分是相同的，所不同的是邏輯移位將“0”補(bǔ)充到移空的位置上，而循環(huán)移位將移出的部分補(bǔ)充到移空的位置上，因此，將循環(huán)移位的結(jié)果進(jìn)行修正，就可以得到邏輯移位的結(jié)果。修正的方法稱為“過濾法”，即由移位方向和移位位數(shù)生成過濾字FLTW，過濾字的對應(yīng)于移空位置的位為0、其余位為1(例如字長為4、左移1位的過濾字為1110)，用過濾字與循環(huán)移位的結(jié)果進(jìn)行“與”操作就可以得到邏輯移位的結(jié)果。
由上述可見，循環(huán)左移操作是其它移位操作的基礎(chǔ)，任何移位操作的結(jié)果都可以由循環(huán)左移操作的結(jié)果經(jīng)過修正得到，因此，移位單元應(yīng)該包括兩個(gè)部分循環(huán)左移部分和移位結(jié)果修正部分。
本發(fā)明的任務(wù)就是這樣完成的。
本發(fā)明是可重構(gòu)密碼協(xié)處理器中的一個(gè)核心功能模塊，由于它能夠靈活地實(shí)現(xiàn)循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4種移位操作，而且移位的位數(shù)在l～n之間任意可變，因此對可重構(gòu)密碼協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)不同的密碼算法提供了強(qiáng)有力的支持。


圖1為可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的方框圖。
圖2為實(shí)施例1亦即128位移位模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為實(shí)施例2亦即16位移位模塊循環(huán)左移的修正電路圖。
圖4為實(shí)施例2錯(cuò)位輸入排列法實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位的電路圖。
圖5為實(shí)施例2移位模塊的電路圖。
圖6為實(shí)施例2過濾字產(chǎn)生子模塊的邏輯電路圖。
圖7為128位移位模塊的控制信號的編碼定義。
圖8為128位移位模塊的信號的定義。
圖9為16位移位模塊的SB<30>的編碼及其含義。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1。一種可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊，如圖2所示。這是一種128位移位模塊。它包括以移位方式SF、移位方向DIR、移位位數(shù)SB為控制信號，以D[1270]為輸入，以Q[1270]為輸出的移位電路(1)。
實(shí)施例2。一種可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊，如圖3～圖6所示。它包括以移位方式SF、移位方向DIR、移位位數(shù)SB為控制信號，以D[150]為輸入，以Q[150]為輸出的移位電路。
見圖5，移位電路包括以D[150]為輸入、以SB為控制信號的n個(gè)多路選通器(2)，以兩個(gè)多路選通器(2)的輸出為輸入、以DIR為控制信號的n個(gè)二選一選通器(3)，以n個(gè)二選一選通器(3)的輸出和過濾字產(chǎn)生子模塊的輸出(4)相與的與門(5)，以n個(gè)二選一選通器(3)的輸出和與門(5)的輸出為輸入、以SF為控制信號的二選一選通器(6)、以該二選一選通器(6)的輸出為輸入、以時(shí)鐘信號CLK控制的鎖存器(7)。
下面以16位移位單元為例說明移位單元的設(shè)計(jì)原理。
設(shè)D<150>是16位移位單元的輸入數(shù)據(jù)，SF是移位方式控制信號，SF＝0表示循環(huán)移位，SF＝1表示邏輯移位，DIR是移位方向控制信號，DIR＝0表示左移、DIR＝1表示右移，SB<30>表示移位位數(shù)。
從圖9的編碼對應(yīng)關(guān)系可見，循環(huán)左移i位對應(yīng)循環(huán)右移W-i+1位，而實(shí)際上循環(huán)左移i位相當(dāng)于循環(huán)右移W-i位，因此由循環(huán)左移結(jié)果實(shí)現(xiàn)上表循環(huán)右移關(guān)系時(shí)，必須對循環(huán)左移結(jié)果進(jìn)行修正，即在循環(huán)左移結(jié)果的基礎(chǔ)上再循環(huán)右移1位。
設(shè)循環(huán)左移結(jié)果為RLSFD<150>，修正后的循環(huán)移位結(jié)果記為RSFD<150>，則修正邏輯的電路如圖3所示。
循環(huán)移位子模塊的設(shè)計(jì)循環(huán)移位寄存器的基本設(shè)計(jì)原理是每位輸出來自于一個(gè)多路選通器，每個(gè)多路選通器可以選擇任何一個(gè)輸入作為輸出。具體地說，有兩種實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位的方法輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)位排列法、選通信號錯(cuò)位排列法。
錯(cuò)位輸入排列法是將相鄰選通器的輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)開一位排列，用移位位數(shù)SB<30>作為每個(gè)選通器的控制信號，就可以在單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位數(shù)的循環(huán)移位操作。邏輯電路圖如圖4所示。
選通信號錯(cuò)位排列法是將每個(gè)選通器的輸入數(shù)據(jù)按相同的順序排列，而將相鄰的選通控制信號錯(cuò)位排列，同樣可以在單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位數(shù)的循環(huán)移位操作。
循環(huán)移位的結(jié)果產(chǎn)生以后，再根據(jù)移位方式控制信號對SF對結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。如果是邏輯移位，則要對循環(huán)移位的結(jié)果進(jìn)行過濾，產(chǎn)生邏輯移位操作的結(jié)果，過濾的方法是由過濾字FLTW<150>和循環(huán)移位的結(jié)果進(jìn)行“與”操作。16位移位單元的電路如圖5所示。
過濾字產(chǎn)生子模塊的設(shè)計(jì)過濾字由移位位數(shù)SB<30>和移位方向DIR確定。首先將移位位數(shù)SB<30>輸入到一個(gè)4-16譯碼器，16位譯碼器的輸出經(jīng)反向門輸出、記為DE<150>。若移位位數(shù)是i位，則DE<i-1>＝0，而DE<j>＝1(j≠i-1)；而且，若為左移i位操作，則對應(yīng)的過濾字的右邊的i位全為0，若為右移i位操作，則對應(yīng)的過濾字的左邊的i位全為0。根據(jù)上述規(guī)律，可以得到過濾字產(chǎn)生子模塊的邏輯電路如圖6所示。
實(shí)施例1和實(shí)施例2能進(jìn)行循環(huán)左移、循環(huán)右移、邏輯左移、邏輯右移4種移位操作，而且移位的位數(shù)任意可變，因此能大大提高密碼處理器的靈活性和性能，可廣泛應(yīng)用于可重構(gòu)密碼協(xié)處理器中。
權(quán)利要求
1.一種可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊，它的字長為n位，n可為任意自然數(shù)，如8、16、32、64、128…其特征在于它包括以移位方式SF、移位方向DIR、移位位數(shù)SB為控制信號，以D[n-10]為輸入，以Q[n-10]為輸出的移位電路。
2.按照權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊，其特征在于所說的移位電路包括以D[n-10]為輸入、以SB為控制信號的n個(gè)多路選通器，以兩個(gè)多路選通器的輸出為輸入、以DIR為控制信號的n個(gè)二選一選通器，以n個(gè)二選一選通器的輸出和過濾字產(chǎn)生子模塊的輸出相與的與門，以n個(gè)二選一選通器的輸出和與門的輸出為輸入、以SF為控制信號的二選一選通器、以該二選一選通器的輸出為輸入、以時(shí)鐘信號CLK控制的鎖存器。
全文摘要
一種可重構(gòu)密碼協(xié)處理器的移位模塊，屬于大規(guī)模集成電路技術(shù)。它包括設(shè)計(jì)以移位方式SF、移位方向DIR、移位位數(shù)SB為控制信號，以D[n－1:0]為輸入，以Q[n－1:0]為輸出的移位電路。移位電路包括以D[n－1:0]為輸入、以SB為控制信號的n個(gè)多路選通器，以兩個(gè)多路選通器的輸出為輸入、以DIR為控制信號的n個(gè)二選一選通器，以n個(gè)二選一選通器的輸出和過濾字產(chǎn)生子模塊的輸出相與的與門，以n個(gè)二選一選通器的輸出和與門的輸出為輸入、以SF為控制信號的二選一選通器，以該二選一選通器的輸出為輸入、以時(shí)鐘信號CLK控制的鎖存器。它能進(jìn)行循環(huán)左移右移、邏輯左移右移，大大提高密碼系統(tǒng)的靈活性和性能，可廣泛應(yīng)用于可重構(gòu)密碼協(xié)處理器中。
文檔編號H04L9/06GK1558589SQ20041002354
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者劉志恒, 曲英杰, 丁勇, 何云鵬, 陳永強(qiáng), 張世友 申請人:海信集團(tuán)有限公司