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硬件加密使数据加密的稳定性和速度得到巨大提高,密码芯片的设计方法成了热门的研究方向。传统的设计方法一般采用专用的密码处理器,耗用庞大的研究资源。随着半导体技术和深亚微米工艺加工技术的发展,已经能够将系统级设计集成到单个芯片中,SoC(片上系统)技术给我们提供了新的密码芯片设计思路,即通过通用处理器和密码算法单元的软硬件结合,设计出可扩展、可重配置和可重定目标的密码芯片(安全处理器IP核)。
基于平台的SoC设计方法使系统设计者能够更专注于系统级的设计,根据系统的设计需要制订系统平台结构,选择处理器核、其它IP核以及片上总线方式。其中,高性能的处理器核是SoC设计中最核心的部分,所以为各种密码协处理器设计一个通用的安全器处理器主控平台成为研究的主要任务。
本文的研究工作主要有以下部分:
(1)本文详细比较了目前主流的几款处理器核的特点和功能。在SoC设计中,广泛使用的32位处理器核有ARM公司的ARM处理器、IBM的Power PC处理器、MIPS公司的MIPS处理器、Gaisler Research公司的Leon2、OpenCores组织公布的OpenRISC1200和Altera公司的NiosII等,其中后三位是开放源核。通过比较,ARM和Leon2在电路性能、可靠性、可扩展性等方面具有较大优势,但Leon2良好的可配置性使其成为建立片上系统微处理器的一个优选方案。
(2)本文具体介绍了Leon2核和Leon2配置方法。设计者可以通过自顶而下的设计思路,根据系统的功能、性能需求,有针对性地修改功能单元和部分指令集。由于配置采用了模块化设计,避免了手动裁剪源代码的操作。文中,具体结合基于安全处理器平台的配置,对该方法进行了实现。
(3)我们通过仿真和综合检验Leon2的平台硬件设计。通过仿真,完全实现了处理器平台的功能,保证了功能的完全性和数据的稳定性;通过综合比较配置前后的资源使用情况,肯定了配置方案的可行性。
(4)探讨了基于Leon2的安全处理器设计方法。我们依据安全性、可配置性和高运算能力等方面,制定了一个简单的安全处理器的内部结构、设计方案、设计流程等主要内容。
本文提出了一种用通用处理器核快速设计安全处理器主控平台的设计方法,且该平台的AMBA总线结构可灵活结合各种密码协处理器核。设计出来的主控平台,下载到FPGA上结合AES密码协处理器,可得到一个简单的安全处理器IP核。