随着物联网技术的发展与广泛应用,信息系统的安全性和保密性成为越来越多人关注的问题,虽然轻量级加密技术可以为资源有限环境下信息系统的安全运作带来安全解决方案,但更小的设备意味着更加严格的面积限制。因此如何在保证安全性的前提下,设计出更高效、更紧凑的密码算法就成为亟待解决的问题。虽然各类加密算法设计的细节不同,但是内部加密部件类似,如代换-置换网络（SPN）结构,其核心部件是具有扩散功能的线性部件和具有混淆功能的非线性部件,因此针对这两类密码部件设计出一般化的优化方法,可以适用于大部分密码算法。本文主要从以下两个方面进行研究:（1）线性部件的优化在于降低实现扩散矩阵所需的XOR门数量,最短线性规划（SLP）是NP-Hard问题,既在有效时间内无法求得最优解,因此需要采用启发式方法来获取近似最优解。本文在经典启发式方法BP和Paar的基础上,优化了BP算法中4)向量的计算范围,提出了一种基于频度优先的启发式方法。将频度作为新基选择的标准,尽可能选择复用率最高的门。在选择阶段,使用“先占门策略”优先选择可直接配对出输出目标的组合,提高算法整体运行效率。在平局处理阶段,先使用（4和4）双重标准减少平局数量,再使用完全随机化的方法增大取得最优解的可能性,最大程度减少实现扩散功能所需的XOR门数量。并将本文算法应用于AES列混合矩阵优化,得到了电路深度为8,XOR门数量为95个的实现。（2）非线性部件的优化主要在于S盒的设计,其实现需要两个步骤:（2~8）域上乘法逆运算和（2）域上的仿射变换。仿射变换相对容易实现,难点在于（2~8）域上的求逆过程,直接进行求逆运算的乘法复杂度过高,无法适用于资源受限环境。为了降低计算成本,本文使用复合域的方法将（2~8）域的乘法逆运算转化为（2~4）域中的乘法、乘方和逆等一系列简单运算,并对各类运算的实现结构进行优化。同时使用逻辑门数量较少的仿射矩阵,减少路径延迟和面积损耗,从而设计出一种在电路面积和延迟方面优于同类型设计的S盒。