AES专用指令处理器的研究与实现

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1、AES专用指令处理器的研究与实现夏辉1贾智平1张峰1李新1陈仁海1EdwinH.-M.Sha21(山东大学计算机科学与技术学院山东济南250101)2(美国德州大学达拉斯分校计算机科学系德克萨斯75083)(sprit_xiahui@mail.sdu.edu.cn)TheApplicationSpecificInstructionProcessorforAESXiaHui1，JiaZhiping1，ZhangFeng1，LiXin1，ChenRenhai1，andEdwinH.-M.Sha21(SchoolofCom

2、puterScienceandTechnology，ShandongUniversity，Jinan，Shandong250101，China)2(Department of Computer Science，University of TexasatDallas，Richardson，Texas75083，USA)Abstract　Encryptionalgorithmhasbeenwidelyusedintheembeddedtrustedcomputingdomain,howtoimproveitsexecut

3、ionefficiencyhasbecomeanimportantissue.TheAdvancedEncryptionStandard(AES)algorithmisanewencryptionalgorithmwhichhasbeenwidelyadoptedinthefieldoftrustcomputationduetoitshighsecurity,lowcostandhighenforceability.Thispaperemploysanewinstructionsetarchitecture(ISA)

4、extensionmethodtooptimizethisalgorithm．Basedonelectronicsystemlevel(ESL)methodology，acommercialprocessortoolonthebasisoflanguageforinstruction-setarchitectures(LISA)isusedtoconstructanefficientAESapplicationspecificinstructionprocessor(AES_ASIP)withtheobjective

5、toimprovetheAESalgorithmexecutionefficiency．FinallytheAES_ASIPmodelisimplementedtotheFPGA(Field-ProgrammableGateArray)platform．AseriesofsimulationshavebeenconductedtoevaluatetheperformanceoftheAES_ASIPmodel．Experimentalresultsshowthatourprocessorimproves58.4x%i

6、ntheexecutionefficiencyandsaves47.4x%inthecodestoragespacecomparedtotheARMISAprocessor．Keywords　AdvancedEncryptionStandard；ElectronicSystemLevel；InstructionSetArchitecture；ApplicationSpecificInstructionProcessor；Field-ProgrammableGateArray摘要　随着加密算法在嵌入式可信计算领域的广泛

7、应用，如何提高其执行效率成为研究的热点问题．高级加密标准(AES)凭借其在安全性、费用开销和可执行性等方面的内在优势，成为使用最为广泛的对称密钥加密算法．文中采用指令集架构(ISA)扩展优化的方法对AES算法进行指令扩展优化．基于电子系统级(ESL)方法设计流程，使用基于LISA语言的处理器生成工具构建了一个高效AES专用指令处理器(AES_ASIP)模型，最终实现于FPGA中．经过一系列的仿真和验证，对比ARM处理器指令集架构，实验结果显示AES_ASIP以增加少许硬件资源为代价，提高了算法58.4x%的执行效率并

8、节省了47.4x%的指令代码存储空间．关键词　AES；电子系统级；指令集架构；专用指令处理器；FPGA中图法分类号TP391文章类别：信息安全0引言加密技术是一种保护秘密信息或敏感信息的重要手段．加密算法被广泛应用于可信路由、TPM可信根测量、实体认证、数字签名和数据加密传输等方面．对称密钥加密技术凭借其安全性、高效性和灵活性，　已广泛用于保证