针对AES对称加密算法的指令优化方法及其处理器

摘要

本发明公开了针对AES对称加密算法的指令优化方法及其指令处理器，它主要由数据存储器、代码存储器、寄存器堆和流水线四部分组成；其中：所述流水线包括取址单元、译码单元、执行单元和流水线控制器。利用本发明的指令优化方法，在执行效率方面，通过周期级仿真统计出AES_ASIP运行AES加密算法所需要的时钟周期数，相对ARM处理器减少了57.3x%，极大地提高了算法的执行效率；在代码空间方面在ARM处理器上指令代码占用783bytes内存空间，而在AES_ASIP上指令代码仅占用416bytes，节省了46.6x%的代码内存空间。

主权项

一种针对AES对称加密算法的指令优化方法，其特征是，在满足新指令操作码长度和原有处理器模型中指令操作码长度相同，新指令的操作码和操作数总和不能超出原指令集的指令位数，新指令的执行部件不能过于复杂，新指令执行过程不能降低系统的运行速度，新扩展的指令条数不能过多，降低由此带来的硬件资源开销的前提下，针对AES对称加密算法进行指令集架构扩展优化，优化方法如下：1）在S盒字节置换过程中，仿射变换过程需要对位进行操作，每次仿射变换都需要把八位二进制数的每一位取出，对取位操作采用指令getbit  = , ，该指令的功能是从src寄存器中取出第bitpos位，然后存入dest寄存器的最后一位，执行完成该指令将在一个时钟周期内完成，从而对取位运算进行了加速；2) 仿射变换过程在取出八位二进制数的所有位后，需要对每一位进行五元异或操作，对五元异或操作采用指令xor_5  = , , , , ，该指令的功能是将src1到src5所代表的寄存器中的内容进行异或操作，结果保存在dest所代表的寄存器中，执行完成该指令将在一个时钟周期内完成，从而对异或运算进行了加速；3) 列混淆中使用伽罗瓦域GF内的乘法运算，针对乘法操作采用指令ifand , , , ，该指令的功能是src1和src2相与，如果结果不为0，则xor_src1和xor_src2执行异或，并将结果保存在xor_src1中；如果结果为0，则不执行异或操作，执行完成该指令将在一个时钟周期内完成，从而对域内乘法运算进行了加速；4) 在列混淆中进行矩阵相乘操作时需要多次定位矩阵中数据的位置，对矩阵内数据查找采用指令matrixpos  =  ,  ,  , ，该指令的功能是查找矩阵中指定位置的数据，执行完成该指令将在一个时钟周期内完成，从而对查找指定位置数据运算进行了加速；5) 另外，在列混淆中还用到数据交换操作，实现数据交换采用指令swap ,，该指令的功能是将源操作数src1和src2交换，即将源操作数src1的数值赋给src2同时将src2的数值赋给src1，执行完成该指令将在一个时钟周期内完成，从而对数据交换运算进行了加速；通过上述五条指令的运行，提高AES算法执行效率并且同时降低算法指令代码存储空间。