小面积RSA硬件加密引擎的VLSI设计

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要非对称密钥算法被广泛应用于数据加密和数字签名等领域，而在众多非对称密钥算法中，RSA是目前公认的最为成熟和完善的算法。但因其算法的复杂性，硬件实现开销一直较大，无法满足嵌入式系统这类资源受限环境应用中对成本与功耗的要求。针对此，本论文设计了一种应用于资源受限环境下的小面积RSA硬件加密引擎，并予以ASIC实现。本论文首先深入分析了RSA的各种实现算法，比较了它们在面积、性能上的优劣，进而在兼顾实现面积和加密速度的原则下采用改进的基2Montgomery模乘算法和“平方-和-乘”算法作为模乘和模幂的实现算法，设计并实现了RSA硬件加密引擎。在加密引擎的设计中，提出

2、采用256位数据宽度处理的方式代替传统的1024位数据宽度处理，通过折叠数据通道，精简电路结构，并使用片内SRAM，减小实现面积；另外，将RSA核心模块中的4输入加法运算，用优化的进位保存加法器实现，通过优化关键路径延迟，提高最高工作频率。本论文实现了小面积RSA的VLSI设计，使用EDA工具进行了逻辑仿真，FPGA验证和综合，采用HHNEC0.25umCMOS标准单元库完成版图设计，并成功流片。分析结果表明，1024位密钥长度的RSA硬件加密引擎，整个设计的规模约为24K等效门，最大工作频率为100MHz，处理一组1024位的数据加解密需时275ms。相比于实用芯片西门子SLE66CX1

3、60S，本实现面积缩小了55.63%，达到了实用芯片的应用水平。关键词：VLSI设计，RSA算法，模乘，模幂I华中科技大学硕士学位论文AbstractRSAisrecognizedasoneofthemostwidelypreferredalgorithmsusedinasymmetric-keycryptography,whichiswidelyusedindataencryptionanddigitalsignatureauthentication.However,becauseofthecomplexityalgorithm,thehardwareimplementationhass

4、uchalargeoverheadthatitisnotsuitableinresource-constrainedsystemsapplications.Inordertosolvethisproblem,VLSIimplementationofanarea_optimizedRSAencryptionengineisdevelopedtomeetthepracticalapplicationoftheRSAalgorithmforhardwareimplementation.TheauthoranalysesfirstlysomealgorithmsforRSAimplementati

5、on,secondly,bycomparingthem,choosesmodifiedradix-2versionMontgomeryalgorithmandR-Lalgorithmtocalculatemodularmultiplicationandmodularexponentiation.Then,consideringthetradeoffamongspeed,chipareaandflexibility,aRSAencryptionenginebasedon256bitsdatawidthprocessisdesigned,whichgreatlyreducestheareaof

6、RSA;inaddition,CSAandCLAwasusedtoimplementa4inputadder,whichalsoincreasesthemaximumoperatingfrequency,speedsupthecomputationspeed.Inthisdissertation,theRSAencryptionenginehasbeenimplementedandsign-offsuccessfully.Simulationandverificationresultsshowthattheencryptionanddecryptionoftheencryptionengi

7、nefunctionscorrectly;thesynthesisresultsshowthatbesidesthebasicfunctionimplementation,theimprovedRSAdesignintroducedanareareductionof55.63%comparedwiththeSLE66CX160SofSiemens,ithas24Kgatescountwithamaximumclockfr