可适配模乘运算指令研究

在分析DES、AES、IDEA等41种分组密码算法结构的基础上,研究了常用的不同位宽及不同模数的模乘运算。提出了专用的模乘运算指令,通过适配两个参数with与type,可灵活地完成16bit、32bit算术乘法以及模2~(16)+1乘的运算,并且实现了支持其执行的硬件单元。最后,以专用模乘运算指令为基本指令,给出了模2~(32)-1乘、模2~(64)乘运算的实现方法。     

面向分组密码的高速可重构模运算单元设计北大核心CSCD

模运算单元是粗粒度可重构密码阵列(Coarse Grain Reconfigurable Cryptographic Array,CGRCA)的关键部件,通过重构不同处理位宽和模数的算术类密码算子来覆盖更多类型的分组密码,然而现有的模运算单元的执行延迟高且功能覆盖率低,限制了CGRCA整体性能的提升。文章通过分析分组密码模运算特性,提出一种可重构模运算方法,统一了该类算子的数学表达方式,并设计了一种可重构模运算单元(Reconfigurable Modulo Arithmetic Unit,RMAU),该单元支持5种模乘运算、3种模加运算和3种乘法累加运算。同时,通过舍弃部分积中的无用比特位、扩展Wallace树压缩求和过程、精简模修正电路执行路径,降低了该单元的关键路径延迟。基于CMOS 180 nm工艺测试了RMAU的功能与性能,实验结果表明,文章所提的RMAU具备高功能覆盖率,与模乘RCE单元、可扩展模乘结构和RNS乘法器相比,计算延迟分别降低了39%、44%和47%。     

GF(2m)上椭圆曲线密码协处理器的硬件实现

给出了一款GF(2m)上椭圆曲线密码协处理器的描述。对于椭圆曲线密码学中最关键的模乘运算采用蒙格玛利模乘算法，并且对这种算法进行改进，得到一种通用性较强的算法。对于硬件实现中遇到的判断寄存器是否为零，给出了一种快速方法。该协处理器共分为6部分，分别为：主控制单元，椭圆曲线点乘单元，椭圆曲线点加单元，椭圆曲线点倍单元，有限域加法单元，蒙格玛利模乘算法单元。     

有限域模乘专用指令设计

针对椭圆曲线密码算法中有限域模乘运算的需求,提出其专用模乘指令。利用指令域中的组参数实现算法多组模乘运算,通过对参数进行配置,使指令支持运算长度拓展,在模乘运算单元中实现Montgomery模乘算法,并设计素域和二进制域统一的硬件流水线,以及双域乘法器单元结构。实验结果表明,该有限域模乘指令和硬件运算单元具有较高的执行效率和较好的灵活性。     

一种高性能大数模运算单元及其应用

为了加速公钥密码系统的实现速度,设计支持大教模乘和模加减运算的模运算单元是关键.目前的方法多关注于这两种运算的分别实现,为了改善这种方式导致的硬件单元吞吐量低的问题,提出了一种流水线结构的高性能大数模运算单元.基于改进的Montgomery模乘算法,采用流水线技术,把模乘电路分成3个流水线阶段,并把模加减电路结合到第3阶段,得到一种能同时计算模乘和模加减的模运算单元.仿真结果显示,模运算单元以较少的资源占用率获得了较高的吞吐量,非常适合做高性能的公钥密码系统的基本硬件运算单元.     

GF(2~m)上椭圆曲线密码体制的硬件实现

特征为2的有限域GF(2m)较适合椭圆曲线密码算法的硬件实现。该文通过对GF(2m)上模运算的分析,将所有的模运算转化成模乘和模加,并对LSD乘法器的进行了改进,所设计的运算单元能进行GF(2m)上所有的模运算,利用该运算单元所实现的椭圆曲线密码算法具有面积小,速度快的优点,适合用于处理能力和存储空间受限的设备中。     

可扩展公钥密码协处理器的设计与实现

在信息安全领域中,公钥密码算法具有广泛的应用.模乘、模加(减)为公钥密码算法的关键操作,出于性能上的考虑,往往以协处理器的方式来实现这些操作.针对公钥密码算法的运算特点,本文提出了一种可扩展公钥密码协处理器体系结构以及软硬件协同流水工作方式,并且改进了模加(减)操作的实现方法,可以有效支持公钥密码算法.同时,该协处理器体系结构也可根据不同的硬件复杂度及性能设计折衷要求,进行灵活扩展.     

并行设计的高性能随机椭圆曲线加密协处理器

为加速椭圆曲线加密的运算,本文提出了一种新的并行设计的椭圆曲线加密处理器结构。该处理器采用的模运算单元的特点是含有两个模乘、一个模加和一个模平方模块。两个模乘可以并行运算,而且在模乘运算的同时可并行完成模加或模平方的运算。Xilinx公司的VirtexE XCV2600 FPGA硬件实现结果表明,完成有限域GF(2163)上任意椭圆曲线上的一次标量乘的全部运算只需3064个时钟,时间消耗为31.17μs,资源消耗为3994个寄存器和15527个查找表,适合高性能椭圆曲线加密应用的要求。     

可编程可伸缩的双域模乘加器研究与设计

模乘和模加减作为椭圆曲线公钥体制的核心运算,在ECC算法实现过程中使用频率极高。如何高效率、低成本地实现模乘模加减是当前的一个研究热点。针对FIOS类型Montgomery模乘算法和模加减算法展开研究,结合可重构设计技术,并对算法进行流水线切割,设计实现了一种能够同时支持GF(p)和GF(2n)两种有限域运算、长度可伸缩的模乘加器。最后对设计的模乘加器用Verilog HDL进行描述,采用综合工具在CMOS 0.18μm typical工艺库下综合。实验结果表明,该模乘加器的最大时钟频率为230 MHz,不仅在运算速度和电路面积上具有一定优势,而且可以灵活地实现运算长度伸缩。     

一种Montgomery模幂乘硬件流水线实现算法

文章提出了一种基于Montgomery算法的模幂乘硬件流水线实现算法,该算法的核心是把模N乘上一个系数,使倍增后的模之低若干位(二进制)全为1,然后用倍增后的模进行Montgomery算法模幂乘运算。采用该算法,可以设计出用于实现RSA的高频流水线运算部件。     

Single-level schematic realization of basic operations of modular arithmetic in unitary codes

Some problems in the schematic realization of basic operations of modular arithmetic (operations of addition and multiplication modulo 5 and modulo 7) for the case of data representation in unitary codes are considered. Single-level logical schemes of modular adders and multipliers synthesized using EXCLUSIVE OR with a threshold are presented. These logical schemes are more efficient (in both complexity and depth) than the existing analogs.     

How to use the Schickard calculator

In recent years, a number of Schickard calculator replicas have appeared both in various museums and private collections. For the owners of these calculators, and for others, it may be interesting to learn how to operate them. The calculator is composed of the following units: the multiplication unit, the adding machine and the memory unit. These three units are independent of one another; they are not mechanically interconnected. The calculator provides the means to perform the following basic operations: multiplication, addition and subtraction.     

基于DNA下推自动机二进制减法和乘法的实现

提出了基于DNA下推自动机二进制减法和乘法的实现方法.一位二进制借位减法,是通过预先构造好的DNA下推自动机模型在一个试管中以该模型的运行方式自动完成运算.m位二进制借位减法,是在一位二进制减法的基础上,按照从低位到高位的顺序,将低位产生的借位作为高位试管操作巾的输入符号串,从而完成高位的减法运算.两位二进制乘法中包含移位和加法操作,在两个试管中分别设计好DNA下推自动机模型,分别完成被乘数与乘数各位的移位操作,同时结合相应的生物操作,将其作为另一个试管加法操作中的输入符号串,则加法操作中产牛的结果即为所求.在此基础上,m位二进制乘法可通过移位操作的并行性和加法操作的串行性来完成运算.这些实现方法为DNA下推自动机实现基本的算术运算提供了比较完整的运算机制.     

ECC kP+lQ点乘算法的优化研究

作为椭圆曲线密码体制的核心运算,点乘和kP+lQ点乘在ECC的多方密码协议中都要用到,其运行效率决定ECC的实现效率,对ECC的推广应用具有重要意义。本文以计算多点乘的Shamir NAF算法为基础,通过对NAF加减法链序列的观察,改进预运算针对kP+lQ对算法进行优化,实验显示优化后的算法效率有了一定程度提高。     

Cortex-M3内核浮点型运算的研究与实现

通过分析Cortex-M3内核的结构与浮点型格式,充分利用Cortex-M3内核中的分支预测、单周期乘法、硬件除法等众多功能强大的特性,使用Thumb-2指令集实现了单精度浮点型的加、减、乘、除与比较运算,并给出了加减法运算的流程图和除法运算的源程序.     

Babbage's Analytical Engine Plans 28 and 28a. The programmer's interface

Between 1843 and 1846 Charles Babbage worked intensively on the design of Plan 28 of his Analytical Engine. Most of his effort was devoted to the development of the great operations of multiplication, division, and addition/subtraction of strings of operands. These were carefully elaborated, and the implementations of both multiplication and division have a decidedly modern flavor. Some of Babbage's time was spent on small operations including implementations of conditional branches. Here we find revealed for the first time a workable, if unpolished, user instruction set for the programmer of his Analytical Engine.     

A versatile Montgomery multiplier architecture with characteristic three support

We present a novel unified core design which is extended to realize Montgomery multiplication in the fields GF(2ⁿ), GF(3^m), and GF(p). Our unified design supports RSA and elliptic curve schemes, as well as the identity-based encryption which requires a pairing computation on an elliptic curve. The architecture is pipelined and is highly scalable. The unified core utilizes the redundant signed digit representation to reduce the critical path delay. While the carry-save representation used in classical unified architectures is only good for addition and multiplication operations, the redundant signed digit representation also facilitates efficient computation of comparison and subtraction operations besides addition and multiplication. Thus, there is no need for a transformation between the redundant and the non-redundant representations of field elements, which would be required in the classical unified architectures to realize the subtraction and comparison operations. We also quantify the benefits of the unified architectures in terms of area and critical path delay. We provide detailed implementation results. The metric shows that the new unified architecture provides an improvement over a hypothetical non-unified architecture of at least 24.88%, while the improvement over a classical unified architecture is at least 32.07%.     

DNA计算机算术运算的自装配模型（II）—乘法

DNA计算机与传统电子计算机相比具有高度并行性、容量大、速度快等特点。它也是以加、减、乘、除等简单算术运算和异或等逻辑运算为基本运算单元。在自装配加法的基础上,设计了DNA自装配乘法模型,算法的时间复杂度为[O(1)],空间复杂度为[O(n)],并给出实例验证了算法的有效性。该算法具有编码简单、效率高、通用性强等优点。