基于RISC V的模块复用SM4密码协处理器的设计  

Design of module reuse SM4 cipher coprocessor based on RISC-V

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作  者:王经纶 王海婷 秋小强 陈逸风 WANG Jinglun;WANG Haiting;QIU Xiaoqiang;CHEN Yifeng(School of Information Science and Technology,Qingdao University of Science&Technology,Qingdao 266061,China;Shandong Institutes of Industrial Technology,Jinan 250102,China;Shandong CWISE Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Jinan 250102,China)

机构地区:[1]青岛科技大学信息科学技术学院,青岛266061 [2]山东产业技术研究院,济南250102 [3]山东芯慧微电子科技有限公司,济南250102

出  处:《集成电路与嵌入式系统》2024年第10期49-55,共7页Integrated Circuits and Embedded Systems

基  金:国家自然科学基金项目(62204136)。

摘  要:针对当前网络数据量大,同时人们对网络数据保密的重视及需求的提高等问题现状,设计并实现了基于蜂鸟E203开源RISC V处理器的SM4密码协处理器。以蜂鸟E203 MCU平台为基础,通过5条自定义扩展指令在蜂鸟E203上扩展了SM4密码协处理器,用户可通过在软件端编写程序代码调用协处理器核进行数据的加解密,与无扩展指令相比,其吞吐率可达153.75倍。同时研究SM4加解密算法,针对密钥扩展和加解密部分重复的算法采用模块复用实现,以减小电路面积。在UMC 28 nm工艺下,SM4加密核综合后面积为7098.8μm^(2),时钟频率最高可达200 MHz,数据吞吐率可达775.758 Mbit/s。SM4协处理器在时钟频率为100 MHz下数据吞吐率可达150.588 Mbit/s。In response to the current situation of massive network data volume,increasing attention and demands for network data confidentiality,an SM4 cipher coprocessor based on the Hummingbird E203 open-source RISC V processor has been designed and implemented.Based on the Hummingbird E203 MCU platform,the SM4 cipher coprocessor has been extended through 5 custom extension instructions,allowing users to call the coprocessor core to encrypt and decrypt data by writing program code on the software side.Compared with no extension instructions,its throughput can reach 153.75 times.Simultaneously,by studying the SM4 encryption and decryption algorithm,implement module multiplexing for key extension and repeated encryption and decryption parts to reduce circuit area.Under the UMC 28 nm process,the combined area of the SM4 coprocessor is 7098.8μm^(2),with a maximum clock frequency of 200 MHz and a data throughput rate of 775.758 Mbit/s.The SM4 coprocessor can achieve a data throughput rate of 150.588 Mbit/s at a clock frequency of 100 MHz.

关 键 词:RISC V SM4 协处理器 硬件加速 指令扩展 

分 类 号:TN492[电子电信—微电子学与固体电子学]

 

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