一種有限域快速低功耗模乘電路設(shè)計與實現(xiàn)

程桂花 羅永龍 齊學梅 左開中

摘要： 有限域的運算是密碼學的基礎(chǔ)，而在有限域的運算中模乘運算是核心運算之一。為此，分析了模乘運算的原理及特點，使用Verilog HDL設(shè)計模乘電路，通過FPGA實現(xiàn)了基于有限域的模乘運算。電路應(yīng)用雙沿寄存器結(jié)構(gòu)，并且規(guī)模小、速度快、功耗低能實現(xiàn)有限域通用模乘運算對加密算法的硬件實現(xiàn)具有實際價值。

關(guān)鍵詞： 有限域； 模乘； 模2運算； 硬件設(shè)計

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號：1006-8228（2012）04-21-03

Design and implementation of a modular multiplication circuit of low power and high speed

Cheng Guihua1,2, Qi Xuemei1,2, Luo Yonglong1,2, Zuo Kaizhong1,2

（1. College of Mathematics and Computer Science， Anhui Normal University， Wuhu， Anhui 241000， China；

2. Research Center of Network and Information Security， Anhui Normal University， Anhui Normal University）

Abstract： The finite field arithmetic is the base of cryptography and modular multiplication is one of core operations. Based on analysis of finite field modular multiplication, the authors design a modular multiplication circuit in Verilog HDL, and its modular multiplication is realized by FPGA in finite fields. The circuit uses double-edge-triggered register, and realizes small-scale, low power consumption and high speed. It implements modular multiplication to reduce its scale and it has practical value for hardware implementation of encoding algorithm.

Key words： finite fields； modular multiplication； modular 2 arithmetic； hardware design

0 引言

加密是保證信息安全的主要途徑之一，被廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)的各個方面，如智能卡、手機銀行、無線局域網(wǎng)和傳感網(wǎng)等便攜式設(shè)備中。因此設(shè)計快速、低功耗的硬件加密模塊至關(guān)重要。加密算法基于有限域的運算，而模乘運算是有限域運算的核心運算之一，其運算速度對加密算法的實現(xiàn)起著重要作用，其功耗的高低會直接影響使用性能。

模乘運算是基于有限域的多項式乘法的模運算，一般通過移位和模2加運算代替多項式乘法和除法運算。文獻[1-5]從算法的角度對如何提高模乘運算效率進行了討論。本文分析了模乘運算的原理與特點，綜合軟硬件知識設(shè)計了一種小規(guī)模、快速、低功耗的模乘運算電路模乘電路使用Verilog HDL設(shè)計，在Quartus II開發(fā)軟件中仿真，通過FPGA實現(xiàn)。電路引入雙沿工作的寄存器，在系統(tǒng)工作時鐘頻率不變的情況下，不僅使模乘運算的速度加倍，還可使電路的功耗大大降低。

1 模乘算法

有限域GF(2n)上二進制多項式系數(shù)運算以2為模，運算時不考慮進位和借位。模2加減是按位執(zhí)行“異或”運算，模2乘除則采用模2加減計算部分積和部分余數(shù)。若被乘數(shù)f(x)、乘數(shù)g(x)、模m(x)多項式定義如式⑴⑵⑶所示：

則有限域GF(2n)上模乘運算如公式⑷[6]所示。

若直接根據(jù)公式⑷在GF(2n)上執(zhí)行多項模乘運算，需要用到多項式乘法和除法運算，時間開銷較大，也難以用軟件硬件實現(xiàn)[7-8]，因此我們將式⑷變換為式⑸[6]：

式⑸表明：xi×g(x)多項式模乘運算可以重復(fù)使用i次式⑸來實現(xiàn)。這樣一來，在有限域GF(2n)上，式（4）定義的多項式模乘運算可以直接使用兩個n位的二進制整數(shù)相乘，并通過多個中間結(jié)果作移位和模2加來實現(xiàn)。

2 模乘運算器電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 電路設(shè)計

基于式⑸的模乘運算器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。加電后電路按如下時序工作：

第一步，當Clr端收到負脈沖“ ”時，fxl、gxr和fgxm寄存器異步裝入初值（如圖1所示）。

第二步，當寄存器fxl的最高位為“1”，fxl mx →fxm，實現(xiàn)模乘運算；否則fxl→fxm。當寄存器gxr的最低位為1時，fgxm fxm→fxm1；否則fgxm→fxm1。

第三步，在時鐘信號的作用下，電路同時完成如下三項工作：一是將fxm1存入fgxm寄存器；二是將fxm左移一位（低位補“0”）存入fxl寄存器；三是將gxr寄存器內(nèi)容右移一位（高位補“0”）。重復(fù)第二、三步直到gxr寄存器為全“0”時，運算結(jié)束。fgxm寄存器的內(nèi)容為所需的多項式模乘運算的乘積，通過fgx輸出。

圖1模乘運算器電路結(jié)構(gòu)示意圖

模乘運算電路的規(guī)模取決于所采用的控制電路的規(guī)模。在圖1中，將模運算（fxm）和左移操作合二為一，減少了電路的運算步驟與工作延時；利用乘數(shù)寄存器gxr右移時空出的高位補“0”，當gxr寄存器的值為全“0”時完成一次模乘運算。這樣設(shè)計，一方面不需要額外增加控制電路，減少了模乘運算器電路的規(guī)模；另一方面加速了運算過程，完成一次模乘運算平均只需n/2個時鐘邊沿信號。

2.2 快速低功耗設(shè)計

模乘運算器的主要邏輯部件之一是寄存器，時鐘信號是寄存器必備的輸入信號之一。傳統(tǒng)的寄存器僅對時鐘的上升沿或下降沿敏感，十個單邊沿觸發(fā)器[9]，在另一方向上的時鐘跳變成為一種冗余跳變，所對應(yīng)的功耗也是多余的。如果能對時鐘信號的兩個邊沿都能敏感，不僅可以降低電路的功耗，還可以使模乘運算器的運算速度加倍，從而提高系統(tǒng)的效率。依據(jù)文獻[10]的設(shè)計思想和主從觸發(fā)器的工作原理，我們利用“與非“門”組成雙沿觸發(fā)器的寄存器并用于模乘運算器器電路中（如圖1中的fxl、gxr和fgxm寄存器），使模乘運算速度加倍、功耗減半。兩種模乘運算器的工作波形如圖2所示。

由圖2可知，相對于單邊沿寄存器組成的模乘運算器而言，在相同頻率時鐘的作用下，雙邊沿寄存器組成的模乘運算器運算速度加倍，同時避免了時鐘冗余跳變，從而大幅降低了模乘運算器電路的功耗。

(a) 單邊沿模乘運算器波形圖

(b) 雙邊沿模乘運算器波形圖

圖2單、雙邊沿乘法器時序?qū)Ρ葓D

3 仿真波形與實例分析

我們應(yīng)用Verilog HDL語言設(shè)計基于有限域高速、低功耗的模乘運算器電路模型，并用Visual FoxPro語言進行了軟件驗證，證明所有運算結(jié)果完全正確。選擇EP2C5Q208CN芯片，在Quartus II開發(fā)工具中配置、綜合和優(yōu)化后通過Quartus II中的Programmer工具下載到芯片中，可以快速穩(wěn)定地實現(xiàn)模乘運算操作且占用面積小，達到預(yù)期設(shè)計目標。

圖2是f(x) =x6+x4+x3+x2+x+1，g(x) =x5+x4+x2+1在有限域GF(28)中以m(x)=x8+x4+x3+x+1為模的多項式模乘運算仿真波形；模乘運算過程如表1所示。

在有限域中,每個多項式都可以表示為二進制整數(shù)，反之亦然，也就是說m(x)=x8+x4+x3+x+1等價于二進制數(shù)100011011B或十六進制數(shù)11BH，f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH、g(x)=x5+x4+x2+1=35H。圖2中的各數(shù)值為相應(yīng)多項式系數(shù)的十六進制表示。

由表1可知，計算步驟1、2在單邊沿模乘運算器中需要使用T1和T2兩個時鐘的上升沿，而在雙邊沿模乘運算器中只需要使用一個時鐘T1的上升沿和下降沿完成，這不僅加速了運算過程，同時也減少了時鐘的冗余跳變，降低了功耗。

表1中計算步驟1為初始化操作。計算步驟2中，首先因gxr(x)=x5+x4+x2+1=35H多項式系數(shù)的第0位為1，模乘部分積fgxm(x)=fgxm(x)+fxm(x)=0+x6+x4+x3+x2+x+1=x6+x4+x3+x2+x+1=5FH；其次fxm(x)、gxr(x)分別左移和右移一位得到fxl(x)=x7+x5+x4+x3+x2+x=0BEH、gxr(x)=x4+x3+x1=1AH、并因移位前fxm(x)多項式系數(shù)的最高位為0，fxm(x)=fxl(x)=x7+x5+x4+x3+x2+x，這為下一步驟中模乘部分積的計算準備好數(shù)據(jù)；重復(fù)上述操作，直到多項式gxr(x)=0，通過finsh輸出正脈沖“ ”，表示完成一次模乘運算，運算結(jié)果通過fgx輸出。

表1 模乘運算過程（f(x)=x6+x4+x3+x2+x+1、g(x)=x5+x4+x2+1、m(x)=x8+x4+x3+x+1）

[[步驟&fxl(x)&gxr(x)&fxm(x)&fgxm(x)&時鐘

（圖2（a））&時鐘

（圖2（b））&1&=x6+x4+x3+x2+x+1&=x5+x4+x2+1&=x6+x4+x3+x2+x+1&=0&T1↑&T1↑&2&=21fxm(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x&=2-1gxr(x)

=x4+x3+x1&=fxl(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x6+x4+x3+x2+x+1&T2↑&T1↓&3&=21fxm(x)

=x8+x6+x5+x4+ x3+ x2&=2-1gxr(x)

=x3+x2+1&=fxl(x) mod m(x)

=x6+x5+x2+x1+1&=fgxm(x)

=x6+x4+x3+x2+x+1&T31↑&T2↑&4&=21fxm(x)

=x7+x6+x3+x2+x1&=2-1gxr(x)

=x2+x1&=fxl(x)

=x7+x6+x3+x2+x1&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x5+x4+x3&T4↑&T2↓&5&=21fxm(x)

=x8+x7+x4+x3+x2&=2-1gxr(x)

=x1+1&=fxl(x) mod m(x)

=x7+x2+x1+1&=fgxm(x)

=x5+x4+x3&T5↑&T3↑&6&=21fxm(x)

=x8 +x3+x2+x1&=2-1gxr(x)

=1&=fxl(x) mod m(x)

=x4+x2+1&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x7+x5+x4+x3+ x2+x&T6↑&T3↓&7&=21fxm(x)

=x5+x3+ x1&=2-1gxr(x)

=0&=fxl(x)

=x5+x3+ x1&=fgxm(x)+ fxm(x)

=x7+x5+x3+ x1&T7↑&T4↑&8&因gxr(x)=0，模乘運算完成，fgxm(x) = x7+x5+x3+ x1為模乘的乘積&]]

4 結(jié)束語

通過“移位”和“異或”基本邏輯實現(xiàn)有限域模乘運算，電路規(guī)模小、運算效率高；電路引入雙沿工作的寄存器，在系統(tǒng)工作時鐘頻率不變的情況下，不僅使模乘運算的速度加倍，還可避免時鐘信號的冗余跳變，使電路的功耗大大降低。

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