[发明专利]软硬协同的分段扫描式蒙哥马利模幂计算系统及可读存储介质

说明书

本发明提供了一种软硬协同的分段扫描式蒙哥马利模幂计算系统。SoC平台内置ARM处理器和FPGA资源。ARM端主要做整体任务调度，以及进制分段扫描算法所必备的数据预处理。将处理好的数据存入SRAM的特定地址中，之后启动FPGA进行运算。FPGA端实现模块化设计，包括地址生成模块，模逆模块，CIOS蒙哥马利模乘模块，分段扫描式蒙哥马利模幂控制模块等。本发明实现256bit模幂，采用6bit的分段扫描方式，需要进行()的数据预处理，存入SRAM。具体的蒙哥马利模乘模块采用CIOS算法实现，将大位宽256bit乘法进行64bit拆分，减少大位宽乘法所带来的面积消耗，同时对CIOS算法进行流水化方面的优化，将原来的两个内循环进行流水处理，仅增加少量周期完成两个内循环，提高执行效率。

技术领域

本发明涉及加解密运算领域，尤其涉及一种软硬协同的分段扫描式蒙哥马利模幂计算系统及可读存储介质。

背景技术

近年来，随着计算机和电子商务的发展，人类进入了信息时代，在信息爆炸的今天，隐私的安全需求日益增多，人们对于信息的快速加密，安全传输，机密保存有了更进一步的需求。信息安全不仅关系到国家的安危，战争的走向，经济的发展等大的方面，而且关系到个人的身份信息，银行账户，信息传递等等切身利益。因此密码学的发展在电子信息领域中有更加迫切的需求，在密码学中，最基本的，是信息加密、解密分为对称加密和非对称加密，这两者的区别在于是否在加密解密时是否使用了相同的密钥。

前者由于加密和解密使用的是同一个秘钥，计算量小、加密速度快、加密效率高，但是秘钥的管理和分发非常困难，不够安全。后者加密和解密使用不同的秘钥，安全性更高，公钥是公开的，秘钥是自己保存的，不需要将私钥给别人，但是加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。

RSA加密算法是一种非对称加密算法。在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。目前普遍认为，RSA的安全性来源于大数分解，目前并没有合适的算法来处理大数分解。RSA算法的最核心运算是有限域的模幂运算，软件处理模幂运算由于运算量过于庞大，速度一直是RSA算法的最大限制，因此模幂运算的硬件加速有广泛的应用前景。

为了加速模幂的运算过程，许多模幂优化算法需要在模幂运算前，在软件层面进行预计算，再将与计算的值作为输入值传递到FPGA，因此单纯的软件计算和FPGA运算无法兼顾两者。单纯的软件计算大数模幂效率太低，而单纯的FPGA灵活性较差，对于预计算的进行以及结果传输由较大的约束性。

发明内容

发明目的：提出一种软硬协同的分段扫描式蒙哥马利模幂计算系统，该方案结合2^k分段扫描算法和蒙哥马利算法，可以自主完成整模幂运算的数据预计算以及结果数据的传输，传输到指定的FPGA地址，并启动FPGA来进行具体的模幂运算，充分利用了软件的灵活性以及FPGA的加速效果，灵活且高效的不同的模数N的模幂运算，更好的满足实际应用的需求，从而解决现有技术存在的上述问题。

第一方面，提出一种软硬协同的分段扫描式蒙哥马利模幂计算系统，具体由以下技术方案实现：

本发明具体实施是基于SoC软硬协同实现的256bit蒙哥马利模幂运算(M^EmodN)，ARM端用于完成整体的任务调度，以及生成2^k进制分段扫描算法需要的预计算和修正系数，FPGA端完成计算密集的模幂运算。

ARM端产生2^k进制分段扫描算法所需要的预算值，以及修正系数factor。本发明采用6bit分段扫描的方式，根据2^k进制分段扫描算法的具体流程，共需要(2⁶)个预计算值以及1个修正系数。

除此之外ARM端需要开发驱动模块，用于与数据预处理模块建立双向通信，驱动FPGA，与FPGA建立数据的双向通信。