近年来,随着无线移动通讯、物联网等技术的快速推广应用,嵌入式设备越来越多地融入人们的日常生活。这些设备在为用户提供各式各样的服务和体验的同时,还保存着大量的用户信息。一旦在嵌入式设备中存储的敏感信息发生泄漏,将会给用户带来巨大的损失。因此嵌入式设备中的安全问题越来越受到重视。在嵌入式设备中,嵌入式处理器连接各个外部设备,负责系统的数据交换与处理,是整个设备的核心。如果能够在嵌入式处理器中构建安全运行机制,嵌入式系统的安全性将会得到有效改善。然而,嵌入式处理器的设计受到性能、成本以及功耗上诸多限制。过去针对桌面系统的安全设计无法在嵌入式环境下继续适用。因此,为嵌入式处理器展开安全运行机制的设计与实现研究显得尤为紧迫。论文针对嵌入式系统所面临的主要安全性威胁,从保护数据的机密性以及完整性的角度,设计了两种适用于嵌入式处理器的安全运行机制,研究了不同的实现结构对性能、功耗、成本等设计指标的影响,并将新的安全运行机制分别应用到嵌入式处理器的运行和启动过程中,从而达到改善嵌入式系统安全性的目的。论文的具体工作按照以下五个方面展开。首先,论文分析了嵌入式设备在软件、系统以及芯片三个实现层次上的安全威胁。具体讨论了嵌入式设备可能面临的恶意软件攻击、系统级硬件攻击、芯片级的侵入攻击以及芯片级的非侵入攻击这四种攻击方式,并对这些攻击方式的特点予以了分析,总结出系统级硬件攻击是嵌入式设备所面临的最普遍,也最可行的攻击方式。然后,针对嵌入式系统所面临的系统级硬件攻击归纳了嵌入式处理器所应具有的安全设计规则。在此安全设计规则的指导下,论文接下来对嵌入式处理器的加密机制展开了研究。提出了一种新的存储器加密Cache(MEC)结构。这种新结构通过并行化的加密与访存操作提高加密过程的性能,同时MEC还结合嵌入式处理器的行为对各个程序的密钥进行管理。这样MEC结构在提高嵌入式处理器加解密性能的同时还通过合理的密钥管理降低了不必要的功耗开销,增强了系统的安全性。仿真结果表明MEC的性能优于传统的加密方式。为了能进一步评估MEC的可行性,本文将MEC结构应用到一块以无线传感器网络为背景的轻量级嵌入式处理器中。在满足性能要求的同时,以低成本、低功耗为设计目标,通过评估加密单元的多种实现方式,确定了MEC结构在嵌入式处理器中的最优实现。通过对MEC进行硬件实现,功耗仿真试验表明MEC结构在数据写回时具有更低的功耗开销。MEC结构完全适用于要求严苛的嵌入式工作环境中。另一方面,论文对嵌入式处理器完整性保护机制进行研究,提出了一种多粒度的存储器散列机制(MMH)。MMH包括了两个方面的内容：多粒度Merkle(MGT)树以及散列Cache。为了能提高完整树在嵌入式处理器中的性能,MGT树采用细粒度的散列方式计算完整树中的低层次节点；采用粗粒度的散列方式计算完整树中的高层次节点。这样MGT树在降低低层次节点计算开销的同时,提高了高层次节点的命中率,从而提高了MGT树的性能。此外,为了提高对散列节点的检索速度,本文还设计了一种散列Cache结构用来对MGT树进行缓存。通过在算法层次以及电路层次的设计,MMH机制相比与传统方式具有更优的性能、更低的功耗以及初始化时间。最后,通过将MMH机制应用到嵌入式处理器的启动过程中,论文提出了一种快响应的安全启动机制(FSBM)。区别于过去的安全启动方式,新的安全启动机制根据启动过程的不同阶段,采用不同的散列粒度的MMH进行完整性计算以提高启动的系统启动的速度。此外,为了改善启动过程的安全性,FSBM还根据保护对象的不同,将完整树划分为“冷区”和“热区”,并采取不同的安全认证方式予以保护。FSBM在启动过程中对用户信息进行了认证,从而以防止来自于非法用户的内部破坏。通过在FPGA中对FSBM的测试表明,FSBM具有更低的启动延迟时间,并且可以在嵌入式处理器中予以实现。