[发明专利]一种快速大数模乘运算电路

说明书

本发明涉及计算方法的硬件实现领域，尤其涉及RSA加密算法中大数模乘、模幂运算的硬件实现电路。

随着通讯技术的发展，信息的传输量越来越大，信息的安全问题也越来越重要，尤其在商业领域，信息传输的安全性、完整性和不可抵赖性直接影响到商家的运作模式和经济利益。在信息时代，高速计算机和全球化的INTERNET网络的发展，使世界不同地区的人们可以相互交换信息，信息访问的合法性显得日益重要。不断发展的各种信息加密、解密技术适应了时代的要求，良好的加密算法使信息传输更可靠、更安全，其中公钥加密算法能更好的满足用户的要求。到目前为止，RSA加密算法是最流行的公开密钥算法，可用作信息加密和数字签名。

RSA加密算法是由R.L.Riverst，A.Shamir，and L.Adleman提出、用三个人名命名的算法。在使用该加密算法的系统中，对于每个用户而言对应着三个很大的二进制整数M、e和d，一般为512位或1024位，数越大所加密的信息越难破解。这三个二进制整数之间有着特殊的关系，其中M和e是公开的，d是保密的，由用户保存，M是模数，e是加密密钥，d是解密密钥。当向某用户发送信息C时，利用对应该用户的加密密钥e，对信息C加密再发向该用户，这里C为明文，E为密文，加密过程可表示为：E＝C^emodM；当用户接到密文信息E后，用对应该用户的解密密钥d对其解密可恢复明文信息C：C＝E^dmodM。

可见，加密、解密过程涉及大数的模幂运算，众所周知模幂运算可分解为多次模乘运算，大数模乘可以由蒙哥马利模乘来实现，所以蒙哥马利模乘是RSA加密算法的核心计算，这种运算很复杂，用软件实现速度慢，难于满足应用要求，采用硬件方法实现RSA加密运算可大大降低运算时间。美国专利US 6,061,706提出了一种蒙哥马利模乘运算硬件电路，由基本处理单元连接而成，在时钟信号控制下进行迭代运算，但该电路完成模长为n位的蒙哥马利模乘运算需要2n+11个时钟周期，运算时间较长。

本发明的目的在于提出一种新的运算时间较短的可用集成电路实现的快速大数蒙哥马利模乘运算电路。

设所需计算模的二进制数长度为n位，本发明的蒙哥马利模乘法实现电路，由PE0，PE1，…，PEn+1共n+2个基本处理单元(PE)连接而成，在最高位基本处理单元之后还连接一个触发器D100，在时钟信号控制下进行迭代运算。

处于所述蒙哥马利模乘电路中间位的基本处理单元PEi包括加法器ADDi、五个触发器D和两个与门，这里i＝1，2，…n；操作数A经过触发器D 105后输向高一位基本处理单元，同时又跟操作数B[i]相与后输入加法器ADDi；中间参数Q经过触发器D106后输向高位PEi+1，同时又跟模数M[i]相与后输入加法器ADDi；两位进位信号C1[i]、C0[i]和运算结果P[i]，分别经过触发器D104、108、107后同时输向加法器ADDi；加法器ADDi是两位加法器，进位中的高位C1[i]输向加法器的高位；输入数据经加法器运算后，得到一位结果数据P[i-1]和两位进位数据C0[i+1]、C1[i+1]。

处于所述模乘电路最低位的基本处理单元PE0包括加法器ADD0、三个触发器D、三个与门和一个异或单元，操作数A和操作数B[0]相与后再和运算结果P[0]经异或单元运算后产生中间参数Q，中间参数Q输入触发器D102，经过触发器D102后一路输向高位基本处理单元PE1，另一路再与模数M[0]相与后输入加法器ADD0；同时操作数A经过触发器D101后一路输向高位PE1，一路跟操作数B[0]相与后输入加法器ADD0；运算结果P[0]经过触发器D103后输向加法器ADD0；加法器ADD0将三个输入信号相加，产生进位信号C[1]输向高位基本处理单元PE1。

处于所述模乘电路最高位的基本处理单元PEn+1包括加法器ADDn+1和三个触发器D，两位进位信号C1[n+1]、C0[n+1]和运算结果P[n+1]，分别经过触发器D109、110、111后同时输向加法器ADDn+1，加法器ADDn+1将三个输入信号相加，输出一位进位信号Co[n+2]和运算结果P[n]。