安全芯片中密码算法的多IP核集成方法

信息社会中，基于密码算法设计的安全芯片，能够为用户的敏感信息提供有效的机密性与完整性保护。信息化的不断深入使得人们对信息安全服务的需求呈现使用简单化、功能多样化、高度集成化等趋势。这要求安全芯片在单一的硬件平台上，最大限度地提供多样的密码服务，并且具备标准统一的对外服务接口。功能多样化与高度集成化，已经成为当前以及今后安全芯片设计的必然要求。
    安全芯片的功能多样化设计要求可以由软件方式实现，也可通过集成多个硬件密码算法IP核完成。由于密码算法IP核集成安全性较高，在向外提供密码服务时，数据处理速度较快，且不占用主控制器运算资源，相对于软件实现方法，更适合于安全芯片的实际应用需要。因此，在已有的多功能安全芯片设计中，一般采取多密码算法IP核集成，实现安全芯片功能多样化。

1 密码算法多IP核集成要求及方法
    在单一硬件平台上集成多个密码算法IP核，需要满足三条基本设计要求：
    第一，硬件平台运行频率与IP核运算频率的不一致要求。通常情况下，设计者在进行IP核实现时，出于数据处理速度的需要，一般都会尽量提高IP核运算频率，以实现对数据的高速处理。要求硬件平台与IP核具备同样的时钟频率是不现实的，因为硬件平台的运行频率往往依赖于这一平台所采用的主控制器运行频率，而要提高主控制器的运行频率，以达到与不同IP核运算频率一致，不具有实际可行性。在具体实现多IP核集成时，密码算法IP核运算频率会远高于硬件平台的运行频率，各IP核的运算频率也不尽相同。因此，要实现IP核与硬件平台挂接集成，需首先解决硬件平台与IP核的时钟不一致问题。

第二，硬件平台与IP核、不同IP核之间处理数据位宽的不一致要求。同样是出于提高数据处理速度考虑，设计者在设计IP核时，一般采用较大的数据位宽。实现不同数据位宽的转换，是IP核能否正确处理数据的基本条件。
    第三，能够灵活调用不同IP核的功能，对目标数据进行相应处理。单一硬件平台与多IP核的挂接集成，需要相应机制来最终实现对不同IP核功能的灵活调用。通过IP功能调用机制，硬件平台可以完成多个IP核对不同数据的同步运算处理，也可以单独调用某一IP核进行数据处理。
    基于上述多IP核集成设计要求，当前文献中已有的实现方法主要有：
    方法一，使用第三方专用系统总线，实现多IP核集成。采用第三方专用系统总线，将不同IP核与总线挂接，实现多IP核集成。其优点在于：专用系统总线功能强大，支持不同频率、不同端口的IP核集成，能够进行多个IP核对不同数据的同步运算处理，便于系统设计与实现。但由于需要采用第三方总线，因而芯片的研发成本会相应增加。
    方法二，为每个IP核配备专用双端口数据存储器，实现多IP核集成。采用配备双端口存储器可以满足硬件平台与IP核异频处理要求，能够实现不同数据位宽之间的转换，能够进行多个IP核对不同数据的同步运算处理。在进行系统前端设计时，设计简单且实现方便。但由于密码服务是一个有序的过程，为每个IP核均配备专用存储区，会造成系统资源浪费，且极大地增加了芯片后端设计中的布局布线难度。
    在分析上述两种集成方法基础上，本文基于方法二，给出了一种改进的多IP核集成设计方法。方法采用IP桥接技术，将同一双端口存储器与不同IP核进行动态重构，实现多IP核集成。与方法一相比，采用IP桥接技术实现多IP核集成可以显著减少芯片的研发成本；与方法二相比，改进方法不仅能够有效整合芯片内部资源，还可以降低系统功耗，提高芯片的整体性能。

2 IP桥接技术设计原理与具体实现
    IP桥接技术的核心是IP桥(IP_bridge)的设计与实现。IP_bridge是主控制器与各IP核协处理器的连接桥梁，同时也是各IP核协处理器与专用双端口存储器的连接桥梁。
2．1 IP桥接技术设计原理
    IP_bridge是IP桥接技术设计与实现的核心，是主控制器与各IP核协处理器，以及各IP核协处理器与专用双端口存储器之间的连接桥梁。为实现这一目的，IP_bridge需完成以下功能：IP核选择参数译码；不同IP核与同一数据处理区的动态可重构；根据IP选择参数，配置选定IP核控制指令与运行时钟。
    在IP_bridge满足上述设计要求的前提下，IP桥接技术具体设计原理可作如下表述：将各IP核与IP_bridge、dual_ramx(双端口存储区)整合为系统的一个密码算法IP核重构模块，模块输入为系统输出数据、地址、读／写使能、系统时钟与IP时钟、IP控制指令与IP选择参数，输出为 IP核处理完成数据与协处理器运行状态标识。