SM2专用指令协处理器设计与实现

• 作者: 王腾飞 张海峰 许森
• 来源期刊: 计算机工程与应用
• 学科: 工学
• 关键词: SM2算法 专用指令 协处理器 流水线技术 现场可编程门阵列(FPGA)
• 年，卷（期）: 2022,（2）
• 所属期刊栏目: 网络、通信与安全|Network, Communication and Security
• 页码范围: 102-109
• 页数: 8页
• 分类号: TP391
• 语种: 中文
• DOI: 10.3778/j.issn.1002-8331.2008-0066

摘要

国家商用密码算法SM2是基于椭圆曲线密码学(ECC)而制定的公钥密码协议,已被国际标准化组织(ISO)确立为国际标准.在实际应用中,SM2算法计算过程的复杂性使其面临实现效率低的问题,并且在实现过程中还会出现与密钥相关的侧信道信息泄露.为了解决上述问题,设计了一种适用于SM2的专用指令硬件协处理器.协处理器包含接口逻辑、取指单元、译码单元、执行单元、程序存储单元和数据存储单元,借鉴通用CPU的流水线技术,将指令的实现过程分为取指、译码、执行、写回四级流水,以提高计算效率.经过在Xilinx ZYNQ-7 FPGA上的实验验证,协处理器可以通过自动执行程序存储单元中的指令序列正确实现SM2加密、解密、签名、验签的计算过程,计算一次标量乘的时间约为2.25 ms,共占用7146个Slice,其指令序列还可以按照软件实现方式进一步优化,说明协处理器具有速度快、面积小、灵活性高的特点.经过理论分析,协处理器可以实现常时的指令序列,具有一定的抵御侧信道攻击的安全性.