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A VLIW Architecture Stream Cryptographic Processor for Information Security 被引量:4
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作者 Longmei Nan Xuan Yang +4 位作者 Xiaoyang Zeng Wei Li Yiran Du Zibin Dai Lin Chen 《China Communications》 SCIE CSCD 2019年第6期185-199,共15页
As an important branch of information security algorithms,the efficient and flexible implementation of stream ciphers is vital.Existing implementation methods,such as FPGA,GPP and ASIC,provide a good support,but they ... As an important branch of information security algorithms,the efficient and flexible implementation of stream ciphers is vital.Existing implementation methods,such as FPGA,GPP and ASIC,provide a good support,but they could not achieve a better tradeoff between high speed processing and high flexibility.ASIC has fast processing speed,but its flexibility is poor,GPP has high flexibility,but the processing speed is slow,FPGA has high flexibility and processing speed,but the resource utilization is very low.This paper studies a stream cryptographic processor which can efficiently and flexibly implement a variety of stream cipher algorithms.By analyzing the structure model,processing characteristics and storage characteristics of stream ciphers,a reconfigurable stream cryptographic processor with special instructions based on VLIW is presented,which has separate/cluster storage structure and is oriented to stream cipher operations.The proposed instruction structure can effectively support stream cipher processing with multiple data bit widths,parallelism among stream cipher processing with different data bit widths,and parallelism among branch control and stream cipher processing with high instruction level parallelism;the designed separate/clustered special bit registers and general register heaps,key register heaps can satisfy cryptographic requirements.So the proposed processor not only flexibly accomplishes the combination of multiple basic stream cipher operations to finish stream cipher algorithms.It has been implemented with 0.18μm CMOS technology,the test results show that the frequency can reach 200 MHz,and power consumption is 310 mw.Ten kinds of stream ciphers were realized in the processor.The key stream generation throughput of Grain-80,W7,MICKEY,ACHTERBAHN and Shrink algorithm is 100 Mbps,66.67 Mbps,66.67 Mbps,50 Mbps and 800 Mbps,respectively.The test result shows that the processor presented can achieve good tradeoff between high performance and flexibility of stream ciphers. 展开更多
关键词 stream cipher VLIW architecture processor RECONFIGURABLE application-specific instruction-set
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基于流体系架构的分组密码处理器设计 被引量:2
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作者 李功丽 戴紫彬 +3 位作者 徐进辉 王寿成 朱玉飞 冯晓 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2017年第12期2824-2833,共10页
为提升密码处理器性能,构建了密码处理器性能模型.基于该模型,提出多级资源共享、绑定前/后异或操作、最大化算法并行度等处理器性能提升技术,并根据性能提升技术确定了功能单元的种类和数量.然而功能单元不仅数量较多,而且在操作位宽... 为提升密码处理器性能,构建了密码处理器性能模型.基于该模型,提出多级资源共享、绑定前/后异或操作、最大化算法并行度等处理器性能提升技术,并根据性能提升技术确定了功能单元的种类和数量.然而功能单元不仅数量较多,而且在操作位宽和操作延迟方面均有较大差异,如何有效组织这些功能单元成为了一个关键问题.利用流体系结构可以高效集成大量功能单元的特点,设计并实现了基于流体系结构的可重构分组密码处理器原型,并通过把功能单元划分为基本处理单元,bank间共享单元和簇间共享单元3个层次来解决功能单元处理位宽和操作延迟的差异.在65nm CMOS工艺下对处理器原型进行综合,并在该结构上映射了典型的分组密码算法.实验结果证明:该处理器以较小的面积获得了较高的性能,对典型分组密码算法的处理速度,不仅超越了国际上的密码专用指令处理器,而且高于国内可重构阵列结构密码处理器. 展开更多
关键词 分组密码 流处理器 性能模型 可重构 密码处理器
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基于流体系结构的高效能分组密码处理器研究 被引量:3
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作者 王寿成 严迎建 徐进辉 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期937-943,共7页
针对现有密码处理器存在的问题,借鉴流处理器架构,提出了高效能的可重构分组密码流处理器架构.该架构采用层次化设计思想,通过分块式本地寄存器组的数据组织方式和共享拼接使用运算单元机制,实现了软件流水和硬件流水的协同工作,能够挖... 针对现有密码处理器存在的问题,借鉴流处理器架构,提出了高效能的可重构分组密码流处理器架构.该架构采用层次化设计思想,通过分块式本地寄存器组的数据组织方式和共享拼接使用运算单元机制,实现了软件流水和硬件流水的协同工作,能够挖掘分组内和分组间的指令级并行性并提高功能单元的利用率.在65nm CMOS工艺下对架构进行了综合仿真,并经过了大量算法映射.实验结果证明,该架构在CBC和ECB加密模式下均具有良好的加密性能.与其他密码处理器相比,该架构具有小面积、高效能的特点. 展开更多
关键词 分组密码 流处理器 可重构 软件流水 面积能效比
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面向密码流体系结构的超长指令字可重构研究 被引量:2
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作者 严迎建 王寿成 +1 位作者 徐进辉 陈韬 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第1期206-212,共7页
可重构密码流体系结构是一种面向密码运算的新型体系结构,但存在着超长指令字(VLIW)代码稀疏和Kernel体积过大的问题。该文以可重构密码流处理架构S-RCCPA为研究平台,通过大量密码算法在S-RCCPA架构上的适配分析,提出了VLIW可重构技术,... 可重构密码流体系结构是一种面向密码运算的新型体系结构,但存在着超长指令字(VLIW)代码稀疏和Kernel体积过大的问题。该文以可重构密码流处理架构S-RCCPA为研究平台,通过大量密码算法在S-RCCPA架构上的适配分析,提出了VLIW可重构技术,并设计了Kernel级指令集、VLIW可重构算法及指令可重构单元。实验证明,该技术能够有效提高VLIW的指令密度,同时降低了VLIW的指令宽度,使得整个Kernel体积减小了约33.3%,并将微码存储器的容量由96 k B降为64 k B,有效降低芯片整体面积和系统功耗。 展开更多
关键词 密码流处理器 Kernel级指令 超长指令字 可重构 指令密度
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面向序列密码的比特级抽取指令研究与设计 被引量:1
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作者 陈韬 马超 +2 位作者 罗兴国 李伟 常忠祥 《信息工程大学学报》 2015年第1期123-128,共6页
针对通用处理器中比特级操作效率低下的问题,提出了一种面向序列密码算法的比特级抽取指令,并构造了与之相应的硬件单元。将该单元在CMOS 0.13μm工艺下完成综合,同时通过NIOSⅡ扩展指令的方式把设计的专用指令加入到处理器中进行了性... 针对通用处理器中比特级操作效率低下的问题,提出了一种面向序列密码算法的比特级抽取指令,并构造了与之相应的硬件单元。将该单元在CMOS 0.13μm工艺下完成综合,同时通过NIOSⅡ扩展指令的方式把设计的专用指令加入到处理器中进行了性能评估。结果表明:该指令的加入并不影响处理器的处理器频率,与未经扩展指令的嵌入式RSIC处理器相比,完成相同的抽取操作指令条数从250条减少为1条,有效地提升了序列密码算法的处理性能。 展开更多
关键词 抽取操作 序列密码 处理器
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基于指令级冗余的密码流处理器并发错误检测方法
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作者 戴强 戴紫彬 +2 位作者 王寿成 李功丽 李伟 《计算机应用与软件》 北大核心 2018年第10期286-291,298,共7页
自然故障与恶意故障将降低密码流处理器的可靠性与安全性。针对此情况,提出基于指令级冗余的低开销并发错误检测方法。分析密码流处理器上不同算法实现时的功能单元利用率,验证指令级冗余方法实现的可行性与高效性。提出脆弱性感知的指... 自然故障与恶意故障将降低密码流处理器的可靠性与安全性。针对此情况,提出基于指令级冗余的低开销并发错误检测方法。分析密码流处理器上不同算法实现时的功能单元利用率,验证指令级冗余方法实现的可行性与高效性。提出脆弱性感知的指令复制算法,在满足性能约束条件下优先复制脆弱性高的指令。实验证明,该方法引入的硬件开销仅为1. 5%,且在相同性能开销时,对随机故障与恶意故障的检测能力优于其他指令级冗余方法。全指令复制后典型SP(AES-128)、Feistel(SMS4)、L-M(IDEA)结构算法实现性能开销分别为25.6%、17. 9%、15. 7%,对比于具有相似故障检测能力的其他指令级冗余方法,其性能开销最低。 展开更多
关键词 密码流处理器 并发错误检测 VLIW 指令复制
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可重构密码流体系结构模拟器设计与实现 被引量:1
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作者 王寿成 严迎建 +2 位作者 徐进辉 李功丽 朱玉飞 《计算机工程与设计》 北大核心 2016年第11期2923-2927,共5页
面向可重构密码流处理器RCSP,设计并实现基于SystemC语言的全系统模拟器RCSPSim,提出模拟器的硬件资源建模方法、指令集及译码方案和性能统计方案,实现对RCSP处理器的高效精确模拟。RCSPSim能够准确实现密码算法,进行详细的吞吐率评测,... 面向可重构密码流处理器RCSP,设计并实现基于SystemC语言的全系统模拟器RCSPSim,提出模拟器的硬件资源建模方法、指令集及译码方案和性能统计方案,实现对RCSP处理器的高效精确模拟。RCSPSim能够准确实现密码算法,进行详细的吞吐率评测,为实际处理器开发和优化提供重要的评估和借鉴作用。在单簇(核)前提下,与其它结构的专用密码处理器相比较,RCSPSim在实现典型密码算法时具有较高的吞吐率,验证了可重构密码流体系结构的性能优势。 展开更多
关键词 可重构技术 密码流处理器 流体系结构 SYSTEMC 模拟器
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可重构密码流处理器片外流访存系统的设计
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作者 朱玉飞 戴紫彬 +3 位作者 徐进辉 丁琦 王寿成 李功丽 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2016年第9期78-83,共6页
针对可重构密码流处理器和片外存储器之间存在的"访存瓶颈"问题,设计了该处理器的可重构片外流访存系统,它采用多数据通道流水并行化传输结构和利用突发传输方式的流访存调度策略,优化了对外存访问的效率,提高了密码处理器的... 针对可重构密码流处理器和片外存储器之间存在的"访存瓶颈"问题,设计了该处理器的可重构片外流访存系统,它采用多数据通道流水并行化传输结构和利用突发传输方式的流访存调度策略,优化了对外存访问的效率,提高了密码处理器的性能.实验结果表明,相比于常见的密码处理器访存方式,其访存效率最高可提升近5.9倍. 展开更多
关键词 片外流访存系统 可重构 访存瓶颈 多数据通道流水并行化传输 流访存调度策略 密码流处理器
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基于通用可重构处理器的反馈移位寄存器优化设计研究 被引量:3
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作者 张海洋 杜学绘 +1 位作者 任志宇 陈宇涵 《武汉大学学报(理学版)》 CAS CSCD 北大核心 2017年第2期133-141,共9页
为探索通用可重构处理器(general-purpose reconfigurable processor,GReP)在序列密码算法中的研究与应用,本文对基于反馈移位寄存器(feedback shift register,FSR)的序列密码算法进行特征分析,结合GReP架构特性,提出掩码抽位式反馈函... 为探索通用可重构处理器(general-purpose reconfigurable processor,GReP)在序列密码算法中的研究与应用,本文对基于反馈移位寄存器(feedback shift register,FSR)的序列密码算法进行特征分析,结合GReP架构特性,提出掩码抽位式反馈函数计算模型,以A5算法为例,对算法中对性能影响大、复用性高且具有可重构性的关键部件提出并行化、流水化的优化设计方法,实现了算法的基于GReP的可重构优化.实验表明,基于GReP通用可重构处理器架构的A5算法可重构设计,比在Intel Atom 230平台上的吞吐率提高近一倍,GReP通用可重构处理器在提高序列密码算法处理能力与执行效率方面具有明显优势. 展开更多
关键词 通用可重构处理器 反馈移位寄存器 A5算法 序列密码算法优化
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