有限域乘法器的性能分析与优化
有限域gf(2^8)上乘法
二元有限域上的n次不可约多项式二元有限域上的n次不可约多项式是数学中的重要概念，它在代数学、密码学、编码理论等领域有着广泛的应用。
本文将介绍什么是二元有限域、什么是不可约多项式，以及它们的应用。
我们来了解什么是二元有限域。
在数学中，域是一种代数结构，它具有加法和乘法运算，并满足一定的性质。
二元有限域是一个特殊的域，它的元素只有0和1两个，加法和乘法运算定义如下：1. 加法运算：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0。
2. 乘法运算：0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1。
可以看出，二元有限域中的加法运算和异或运算相同，乘法运算和与运算相同。
这种域的特点使得它在计算机科学中具有重要意义，可以方便地表示和计算二进制数。
接下来，我们来介绍不可约多项式。
在代数学中，多项式是由系数和幂次组成的表达式。
而不可约多项式是指不能再分解为更小次数的多项式的多项式。
在二元有限域上，n次不可约多项式是一个幂次为n的多项式，不能被分解为两个次数较小的多项式的乘积。
不可约多项式在代数学和密码学中有着重要的应用。
在代数学中，它们可以用于构造有限域扩张，研究域论的性质。
在密码学中，不可约多项式可以用于构造伪随机数生成器、线性反馈移位寄存器等密码算法。
不可约多项式的选择对于密码算法的安全性和效率都有着重要影响。
以AES密码算法为例，它在密钥扩展阶段使用了有限域GF(2^8)上的不可约多项式，用于生成轮密钥。
这些不可约多项式经过严格的选择，以保证算法的安全性和效率。
通过使用不可约多项式，AES 算法可以在有限域上进行高效的运算，同时保证了密码算法的强度。
除了密码学，不可约多项式还在编码理论中有着广泛的应用。
在纠错码和压缩编码中，不可约多项式可以用于构造生成多项式和校验多项式，用于编码和解码。
通过选择合适的不可约多项式，可以提高编码的纠错能力和压缩效率。
二元有限域上的n次不可约多项式在代数学、密码学、编码理论等领域有着广泛的应用。
有限域多项式乘法
有限域多项式乘法
在有限域上进行多项式乘法涉及到两个主要问题：多项式系数在有限域上的取值和多项式乘法的实现。
首先，对于一个有限域$GF(q)$，多项式系数的取值范围仅为$0,1,\ldots,q-1$，因此在进行多项式乘法时，需要将每个系数限制在这个范围内。
同时，由于有限域上的加法和乘法运算具有特殊性质，因此需要使用相应的算法来实现多项式乘法。
一个简单的多项式乘法算法是“朴素算法”，即按照多项式乘法的定义进行乘法，然后将同次幂的项相加。
但这种算法的时间复杂度为$O(n^2)$，在多项式次数很高时效率较低。
更高效的多项式乘法算法包括FFT算法和NTT算法，它们的时间复杂度为$O(n\log_2 n)$，其中$n$为多项式次数。
这些算法利用了有限域上的特殊性质，通过将多项式转换为点值形式来加速多项式乘法。
因此，在进行有限域多项式乘法时，需要注意多项式系数的取值范围，并选择适当的算法以提高计算效率。
有限域的乘法器设计
有限域的乘法器设计有限域的乘法器设计有限域是一个十分重要的概念，在许多领域中都有着广泛的应用。
在通信领域中，有限域的乘法器是一个非常重要的设计部分。
本文将介绍有限域的基础知识以及有限域乘法器的设计方法。
有限域是一个有限集合，它上面定义了两个运算：加法和乘法。
在有限域上进行的加法和乘法均满足结合律、交换律和分配律，并且存在加法单位元和乘法单位元。
有限域是一个重要的代数结构，与数学、计算机科学、电子工程等领域密切相关。
有限域的乘法器是一个将两个有限域元素相乘并输出结果的电路。
在实际应用中，有限域乘法器可以用于加密算法、信号处理、图像处理、编码等方面。
其中，在编码中，有限域乘法器被广泛应用于纠错编码、冗余编码等领域。
有限域乘法器的设计方法有多种，其中一个常见的方法是基于分治算法。
该方法将问题分解为若干个子问题，分别求解，最终将结果合并。
在有限域乘法器中，一般使用GF(2^m)的域结构，将乘法问题分解为m个1位子乘法问题。
这种方法可以有效降低计算复杂度，并且可以通过优化算法来提高计算效率。
此外，有限域乘法器的设计还可以基于乘法结构和位操作来实现。
其中基于乘法结构的方法将乘法问题转化为并行的加法和移位操作，从而实现高效的计算。
位操作方法则将两个有限域元素表示为二进制位，然后进行位运算，最终得到结果。
这两种方法均可以对乘法器进行优化设计，从而得到更高的计算速度和更小的电路面积。
总之，有限域乘法器是一个重要的电路设计问题，它的设计方法涉及到多个领域，包括数学、电子工程、计算机科学等。
设计一个高效的有限域乘法器可以在许多领域中发挥重要的作用，并且可以为许多实际问题的解决提供有效的支持。
基于FPGA的有限域乘法算法的分析和比较
2008年12月December 2008—247—计 算 机 工 程Computer Engineering 第34 第23期Vol 卷.34 No.23·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2008)23—0247—02文献标识码：A 中图分类号：TP309.7基于FPGA 的有限域乘法算法的分析和比较鲍可进，郑 博(江苏大学计算机学院，镇江 212013)摘 要：介绍椭圆曲线密码系统和超椭圆曲线密码系统中的乘法模块，在现有的3种乘法算法基础上，设计乘法的硬件框图，并用VHDL 语言加以实现，同时对其实现速度和芯片面积进行比较。
实验结果表明，在4个不同乘法器的实现方案中，8 bit 串并混合乘法器的整体性能较优。
关键词：现场可编程门阵列；椭圆曲线密码系统；超椭圆曲线密码系统Analysis and Comparison of Finite Field Multiplier AlgorithmBased on FPGABAO Ke-jin, ZHENG Bo(College of Computer, Jiangsu University, Zhenjiang 212013)【Abstract 】A multiplier module in Elliptic Curve Cryptosystem(ECC) and Hyper-Elliptic Curve Cryptosystem(HECC) is introduced. On the basis of three existed multiplier algorithms, the hardware configuration is designed and implemented by using VHDL. Moreover, the speed of implementation and the chip area are compared separately. Experimental results show the 8 bit parallel mixed multiplier has better performance than other multipliers.【Key words 】Field Programmable Gate Array(FPGA); Elliptic Curve Cryptosystem(ECC); Hyper-Elliptic Curve Cryptosystem(HECC)1 概述有限域乘法运算是实现椭圆曲线密码系统(Elliptic Curve Cryptosystem, ECC)和超椭圆曲线密码系统(Hyper-Elliptic Curve Cryptosystem, HECC)的基础。
适合资源受限环境的GF2m域上乘法器结构
计算机工程与应用!""#$%!图%&’(()*+,-./’并行域乘结构图!!!!!!!!!!!!值%"0+%1!%1!+%0"%0"+!%"!%"+0""相同安全强度234密钥长度#%!+506506+%"!7%"!7+!"76!"76+!%"""!型正规基!!0!1"型正规基1#%"07%引言%86#年!9:;<=>%@和&<AA)/?!B 分别提出了椭圆曲线密码体制"这种新型的公钥密码体制因其每比特最大的安全性!受到人们的青睐"该密码体制特别适合于计算能力#集成电路空间和带宽受限的环境"椭圆曲线的实现很快也成为一个热门的研究方向!椭圆曲线密码体制的硬件实现受到越来越多的关注""#$!!%域的椭圆曲线成为硬件实现的主要类型"有限域上乘法运算的速度直接影响到椭圆曲线密码体制的执行效率"为了提高运行速度!通常选取存在优化正规基的域上的椭圆曲线"优化正规基的类型值越小!其上的有限域乘法运算复杂度越低"在标准C%101上公布的表格中!可以发现DD 型优化正规基的资源比D 型优化正规基的资源丰富"因此!设计基于DD 型优化正规基的乘法器显得更加重要些"表%"#!!!"域上的优化正规基的个数该文提出的有反馈结构的乘法器结构!比&’(()*+,-./’1B乘法器和文献0B 中的方法所使用的门资源有了很大的减少&&’(()*+,-./’乘法器需要!$!!+!%个异或门!文献?0B 中的乘法器需要%$#$!!+!%个异或门!而该设计仅需要6$!+%%个异或门和6!+5个与门!大大地节约了组合逻辑资源"这种乘法器结构用在椭圆曲线密码体制中!使其更适合于资源受限的环境!比如智能卡#无线通信等环境"!研究背景用正规基表示的域元的乘法运算是代价比较大的一种运算!但所幸的是&采用"型优化正规基的方法表示的域元!乘法运算同样也可以是比较简单#有效的"设$!%!&!"#$!!%!&是两个域元的乘积!#E $##!#!’#!%是基底"适合资源受限环境的!"!!#"域上乘法器结构谭丽娟陈运!电子科技大学通信与信息工程学院"成都0%""#7#F+-’<A &=AG.’HI(=J$.)(=K$)J.$KH摘要椭圆曲线密码体制因其每比特最大的安全性受到越来越广泛的重视$而有限域上的乘法运算"成为决定椭圆曲线上的标量乘法运算速度的主要因素$文中基于&’(()*+,-./’乘法器"和另外一种并行乘法器"提出了一种新型的有反馈的并行乘法器结构"结构需要6!!+%%个异或门和!6!+5%个与门$比起原来的乘法器"门数有了很大的减少$因此这种结构比较适合资源受限的环境中应用$关键词正规基椭圆曲线有限域标量乘文章编号%""!+611%+!!""#%%!+""58+"1文献标识码4中图分类号LC1"8$5"#$%&’&()*+,-./,.&0#+.-12,&)(03&4(+0$&5(64-01.6-4"//,.$1-.(6.6!"$!#%7168.9+165%&6:+6$FA)K=/:H<K L)KMH:A:N*OH<P)/(<=*!QM)HNJ.0%""#7%"24-01$-&LM))AA<R=<K K./P)K/*R=:(*(=)-<(S<J)A*K:HK)/H)J J.)=:=M)()K./)(=R)/;<=$LM)-.A=<RA<K’=<:H <H T<H<=)T<)AJ J:-<H’=)(=M)(R))J :T (K’A’/-.A=<RA<K’=<:H :H =M))AA<R=<K K./P)$U’()J :H &’(()*+,-./’-.A=<RA<K’=<:H ’HJ ’R’/’AA)A -.A=<RA<K’=<:H (=/.K=./)!’H)S (KM)-)S<=M T))J;’KV (=/.K=./)<(R.=T:/S’/J <H =M<(R’R)/$Q:-R’/)J =:R/)P<:.((KM)-)(!;.AV :T N’=)(’/)N/)’=A*/)J.K)J <H =M)H)S (KM)-)$W)HK)!<=<(X.<=)(.<=’;A)T://)(:./K)K:H(=/’<H=(’RRA<K’Y =<:H((.KM ’(CZ4’HJ (-’/=K’/J()=K$;&<=(0>4&H:/-’A ;’(<(!)AA<R=<K K./P)!T<H<=)T<)AJ !(K’A’/-.A=<RA<K’=<:H作者简介#谭丽娟!研究生!密码学专业"陈运!副教授!主要研究方向&密码学与信息安全"!"!""#$%!计算机工程与应用乘积子项!%!!!&具体系数"%#!’"!#%""$#$’"!#&’"&#!’!’"$(%#$’"$#$)%项数!$)!"%表!*基表示下域元乘法运算各乘积子项对应的!%的系数!!!!"+""""%!"$)%#+""","%"!’!’"$)%"!+"""%##+"#"#%!#$)%#+#""’#%"!’!’#$)%"!+#""!#%&"""#"#’&""""’##’&"(#’"&#’表示向量的转置$为了提高硬件运行速度%-.//01)23456.提出了一种并行的处理方法%提高整个乘法运算的速度$这种结构需要!"$)%#个%位的移位寄存器和$个)函数处理器$其中)函数处理器是"%#的函数%可以表示为&*+&)"""%"%%!%"$)%%#"%#%%!%#$)%#"7#移位寄存器在硬件上很好实现%所以关键是)函数处理器的设计$但是%通常情况下)函数是很复杂的$针对#型优化正规基%现在有好几种改进算法87%#9%但是对于$型优化正规基的改进算法的文献却很少$对于::型优化正规基%文献8;9中给出了一种乘法器结构$将正规基的基底(转换成一种适合乘法运算的基底,$(+<!%!!%!!%!%!!=%!&%-.%/-"##,+<!%%!!%!&%!%!$=%!&%-.%0+";#12"!$#中的域元3可用基底(和基底,分别表示成&3&"%>!’"!>!!’"&>!!’!’"$>!!%!&%.%0%"?#3&"%!%’"!!!’"&!&’!’"$!$%!+&%+.%0+"@#两个表达式之间的系数确定是此次转换的关键%文献8;9中已证明%两个基的元素!和!+是等价的$因此%系数"+>和"-实际上也是对应的%两者满足置换关系$"-+"+>%-+4%4!8%%$9"!$’%#)4%4!8$’%%!$"9%4+!+"4AB "!$,%##"C #,基下的3&$+&%#"+"%+.%0+#%5&$-&%$#-"%-.%0-#乘法运算的操作如图!所示$表!列举了各个乘积项的!%系数%并且统计了各个乘积项含有的系数个数%其中系数的项数决定了硬件实现所需异或门的个数%总计!$)!,%+!$)%个异或门$,基表示下域元乘法运算&!&35&$+&%$"+"%+.%0+#$-&%$#-"%-.%0-#&$"%+%-%$%+&-"+#-"%+0-.%0"+0-##."$+&%$$0+-&%$"+#-"%+.-.%0"+0-##.$+&%$$-&$0+.%"+#-"%8"!$.%#0"+.-#9.%)8"!$.%#0"+.-#9#&!%.!!.!&&改进的乘法器结构该文并没有直接使用文献8;9中的方法&分别计算每位的乘法结果$这样虽然能使构造乘法器的异或门数量减少到%$#"$!)$#个%但每位乘法结构各不相同%硬件实现上不利于模块化的设计$因此%文章结合-.//01)2456.的并行结构%构造了如图!的乘法器结构$图中!函数处理器是针对图%中的)函数处理器进行的改进$改进后的!函数处理器执行表达式"%"#的操作$操作涉及到!$)!个异或操作%和!$)%个与操作&"%#!,"!#%,"!#&,"&#!,!,"$0%#$,"$#$0%,"$#$"%"#相对图%的另一个改进就是%在进行运算之前和数据输出之前%进行式"C #的变换%该变换的正向和反向变换是可逆的%只是将变换的输入输出进行对换$但是这种方法并不是最优的$按照计算机表示的习惯%脚码统一从"开始标记$则!"的系数可以记作&""#%,""%#","%#!#,!,""$0!#$0&,"$0!#$0%#,"$0%#$0!,"$0%#$0%"%%#计算!%的时候%需要将输入的数据分别循环左移一位$输入的数据分别变成&""$0!"$0&!"%"""$0%#和"#$0!#$0&!#%#"#$0%#%将两个输入代入到公式"%%#中&"""#%,""#$0%#,""%#","%#!#,!,""$0!#$0&,"$0!#$0%#,"$0%#""%!#图&线框中的部分是两个系数中相同的部分%用6表示$则!"和!%的系数分别用!"和!%表示&图!改进的并行乘法器结构图!"图&!"和!%的系数结构图’有反馈的并行有限域乘法器结构!上接(’页"询)*+$电子学报#!"""$!,!,"%!"-!’,$常继传#郭立峰#马黎$可复用软件构件的表示和检索)*+$计算机科学# %...%’#-’..$徐如志#钱乐秋#程建平等$基于/01的软件构件查询匹配算法研究)*+$软件学报#!""&$%’!2"%"$王渊峰#张涌#任洪敏等$基于刻面描述的构件检索)*+$软件学报# !""!$%&!,"%%$王渊峰#薛云皎#张涌等$刻面分类构件的匹配模型)*+$软件学报# !""&$%’!&"!!!!!"3!"#$%!&$%%4#$%%&$%!4#$%%&$%%!%&"!%3!"#$%!&$%!4#$%%&"4#"&$%%!%’"为了利用并行结构#系数计算全部采用位移之后的输入来进行&设循环左移%位的输入分别为!#’$%%#’$%!’#’%#’""和!&’$%%&’$%!(&’%&’""#则容易发现移位操作之后的数据与原数据存在这样的式!%#"的关系&这样表示使得结论更加具有广泛性&#(53#(%%#(!)%#$%!+#$%%#()""#&(53&(%%#(!)%#$%!+&$%%#()""!%#"由于式!%&"和!%’"的运算都是模!加#因此#两式相加#再利用式!%#"便可得到式!%("&以上的改进实际是在处理的时候增加了一个反馈的级联电路&在图!的的基础上进一步改进#可以得到图’的结构&*%3*"4!#$%!&$%!4#$%%&"4#"&$%%"4!#$%!&$%%4#$%%&$%!4#$%%&$%%"3*"4!#’$%%&’$%%4#’$%%&’""4#’%&’""!#’"&’%4#’%&’$6%4#’"&’""!%("对比图!中的结构%图!中包含了$个+函数处理器#而图’中只有一个+函数处理器#和$6%个,函数处理器#其中,函数处理器执行公式!%2"的操作&-(6%和-(分别作为,函数处理器的输入和输出&-(6%表示来自上一个+或,函数处理器的反馈输出&公式中涉及了(个与操作和(个或操作&-()-(6%"!#’$%%&’$%%4#’$%%&’""4#’%&’"" !#’"&’%4#’%&’$6%4#’"&’""#(!)%#$%%+!%2"总体上#两种乘法器结构涉及的与和异或操作的次数如表&所示#有反馈的结构比起改进的并行乘法器结构#无论是与还是异或操作#都有了很大的减少&这对算法的执行效率和面积开销将有很大的影响&实现的结果比较将在第’节给出&’结论使用789:;<的开发工具=><;9>?@@!$!进行综合#选用789:;<的7AB/@@系列中的BA!"7芯片#在%""0CD的时钟约束的条件下#图&)图’中两个乘法器结构综合结果如表’所示*表’中的数据表明了有反馈的并行乘法器的面积开销几乎是改进并行乘法器的一半#但是时间却是其两倍多!每个厂商的器件的逻辑单元数的计算各不相同#逻辑单元数并不是与逻辑门数完全对应的#因此#表’中列出的综合结果的差距是同表&中的门数差别并不是完全一样的"*改进并行乘法器用的是一种是以时间换空间的思想*在资源受限的环境下!如智能卡的使用中"#有反馈的并行乘法器具有更大的优势*文中提出的乘法器结构#有效地减少了组合逻辑的开销#很适合于EAF7应用*实际上#在椭圆曲线密码体制的实现中收到了很好的效果*!收稿日期%!""’年2月"参考文献%$G H0I88:;$J?:KL B88IM9IN O>;P:?IQ O;RM9KS;<MTR)O+$@Q%7UP<QN:?IQO;RM9K8KSR O;RM9KV,##1:N9>;:WK9:?IQ OKXM>9:;HNI:QN:WK!%,#HM;IQS6G:;8<S Y:;8IQ#%.,#%’%2-’!(!$W ZK[8I9D$B88IM9IN O>;P:O;RM9K?R?9:X?)*+$0<9T OKXM#%.,2$’,%!"&-!".&$@BBB H9<QU<;U HM:NILIN<9IKQ?LK;A>[8IN6Z:R O;RM9KS;<MTR)H+$@BBBA%&(&#!"""’$*\X>;<#*0<??:R$OKXM>9<9IKQ<80:9TKU<QU7MM<;<9>?LK;EIQI9:EI8:8U7;I9TX:9IN)A+$JH A<9:Q9#W>X[:;’#%.,($!’"%#,2-(!2#$07C<Q?<Q#0]^<QS#G Z YT<;S<P<$7XKUILI:U0<??:R6\X>;<M<;<88:8X>89IM8I:;LK;<N8<??KL 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2001(01)1.期刊论文朱璇.陈韬.郁滨.ZHU Xuan.CHENG Tao.YU Bin Fn2上基于ONB的椭圆曲线乘法器的设计与实现-微电子学与计算机2005,22(7)文章在介绍有限域运算法则,域上椭圆曲线及点的运算法则的基础上,设计了一个F191 2上基于优化正规基的串行椭圆曲线乘法器,其点乘运算速度可达80.87次/秒,为进一步完成椭圆曲线加密系统提供了硬件基础.2.学位论文李宁基于正规基的椭圆曲线密码算法的研究和IP核实现2010在计算机和网络技术高速发展的今天，公钥密码技术得到了广泛的应用，也是构建安全应用所不可或缺的关键密码技术，然而随着计算能力的提高，RSA、离散对数等密码体制的安全强度不断受到挑战，目前认为安全的模长建议在1024比特以上。
低复杂度二元扩域多项式基和高斯正规基乘法器设计
低复杂度二元扩域多项式基和高斯正规基乘法器设计有限域GF(2m)乘法器被广泛地应用在椭圆曲线密码体制(ECC,Elliptic Curve Cryptography)、纠错码和伽罗瓦/计数器模式(GCM,Galois/Counter Mode)中。
乘法器性能和复杂度决定着这些应用的整体性能和适用性。
在乘法器设计方面,基于多项式基和高斯正规基的乘法运算得到了广泛关注。
因此本文将在这两个方面进行研究,着眼于高性能、低复杂度,对乘法器设计进行深入研究。
本文研究的内容和结果分为下面四部分。
1)在有限域GF(2m)中,虽然基于多项式基的乘法运算简单、易于模块化,但是相比较于其它基底乘法器,多项式基乘法运算不仅需要正常的乘法计算,还需要考虑多项式约减模块。
为此,约减模块中的不可约多项式通常考虑为特殊类型的多项式,如全一多项式、等间距多项式,以及后来的三项多项式和五项多项式。
作为多项式基乘法运算的重要且经典方法,Karatsuba算法能够设计出具有次二次复杂度(Subquadratic complexities)的乘法器架构。
为此本文在Karatsuba算法基础上,提出了(b,2)分法。
接着以(b,2)分法为基础,提出了一种低空间复杂度的字串行乘法器。
再结合Karatsuba算法的k分法,提出了一种可扩展的一般化多项式基乘法器架构。
根据理论分析,所提的乘法器能够在时间和空间复杂度之间取得平衡。
所提出的乘法器具有模块化、有规则的特点,适合于VLSI进行实现。
与其它字串行和可扩展乘法器比较,具有低空间复杂度、低时间复杂度和低能量消耗的优点。
2)高斯正规基,作为特殊类型的正规基,不仅继承了正规基的最大优点,平方操作只需要系数移位,而且还兼具多项式基的一些特性。
通过定义,高斯正规基可转换成回文多项式基表示,偶型高斯正规基乘法运算可表示为两个TMVP(Toeplitz Matrix-Vector Product)之和的形式。
基于VHDL语言的有限域正则基乘法器设计
基于VHDL语言的有限域正则基乘法器设计
李月乔
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2006(46)6
【摘要】有限域的运算已经广泛应用于Reed-Solomon 码、存储领域和各种加密算法中.乘法运算是其中最复杂的一种运算,有限域中的元素可以用各种基表示.文中在给出有限域元素自然基下的表示方法的基础上,推导出了域元素正则基下的表示方法,并给出了正则基下域元素的乘法运算,编写了乘法器的VHDL模型.用XILINX公司的ISE 5.2软件对电路模型进行了仿真,结果表明乘法器的运算结果完全正确.
【总页数】4页(P63-66)
【作者】李月乔
【作者单位】华北电力大学,电气与电子工程学院,北京,102206
【正文语种】中文
【中图分类】TN702
【相关文献】
1.基于VHDL语言的GF(28)上快速乘法器设计 [J], 李月乔;杜曼
2.基于双Booth 2编码的双有限域模乘法器设计与实现 [J], 徐金甫;仲先海;杨洋
3.基于VHDL语言的组合乘法器设计与仿真 [J], 刘姝延;吴志;丁红;马秋明
4.一种基于有限域的快速乘法器的设计与实现 [J], 鲁俊生;张文祥;王新辉
5.基于RS码的可重构有限域乘法器的设计与实现 [J], 谭思炜;潘红兵
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403-乘法器的优化1[7页]
本节主题乘法器的优化1理解优化的原理即可，重点在于会画优化后的乘法器。
北京大学·慕课计算机组成制作人：陆俊林N 位乘法器的工作流程图最低位= 1最低位= 0开始否完成是1.检查“乘数寄存器”的最低位2. 将“被乘数寄存器”左移一位3. 将“乘数寄存器”右移一位4. 是否已到第N 次循环加法：1个周期左移：1个周期右移：1个周期32位乘法需要约100个时钟周期！1a. 将“被乘数寄存器”和“乘积寄存器”的内容相加，结果放入“乘积寄存器”8-bit AdderProductMultiplier0 00 0 1 00 10 0 0 0 000 0Shift rightMultiplicand00 0 0 1 00 00 0 0 0WriteShift leftControl test8-bit8-bit4-bit时钟上升沿到来之前寄存器内容不会发生变化0000100000000000000010008-bit AdderProductMultiplier0 00 0 1 00 1000 0Shift rightMultiplicand00 0 0 1 00 00 0 0 0WriteShift leftControl test8-bit8-bit4-bit0 0 0 0 10 0 0000010000000000000001000时钟上升沿到来时寄存器根据输入改变其内容N 位乘法器的工作流程图最低位= 1最低位= 0开始否完成是1.检查“乘数寄存器”的最低位2. 将“被乘数寄存器”左移一位3. 将“乘数寄存器”右移一位4. 是否已到第N 次循环1a. 将“被乘数寄存器”和“乘积寄存器”的内容相加，结果放入“乘积寄存器”加法：1个周期左移：1个周期右移：1个周期32位乘法需要约100个时钟周期！。
有限域加减乘法
有限域加减乘法有限域加减乘法是代数学中的重要概念，它在密码学、编码理论、有限域理论等领域有着广泛的应用。
本文将介绍有限域加减乘法的基本概念和运算规则，并探讨其在实际应用中的意义。
有限域，又称为伽罗瓦域，是一种具有有限个元素的域结构。
有限域加减乘法即是在有限域上进行加法、减法和乘法运算。
有限域的元素个数称为域的阶数，用q表示。
在有限域上进行加法和减法运算时，需要满足以下几个规则：1. 封闭性：对于任意两个有限域元素a和b，a+b和a-b仍然是有限域中的元素，即加减的结果仍在有限域中。
2. 结合律：对于任意三个有限域元素a、b和c，(a+b)+c = a+(b+c)，(a-b)-c = a-(b+c)。
3. 交换律：对于任意两个有限域元素a和b，a+b = b+a，a-b = b-a。
4. 零元素：有限域中存在一个特殊的元素0，对于任意有限域元素a，a+0 = a，a-0 = a。
5. 负元素：对于任意有限域元素a，存在一个元素-b，使得a+b = 0，这个元素-b称为a的负元素。
在有限域上进行乘法运算时，还需要满足以下规则：1. 封闭性：对于任意两个有限域元素a和b，a*b仍然是有限域中的元素，即乘法的结果仍在有限域中。
2. 结合律：对于任意三个有限域元素a、b和c，(a*b)*c = a*(b*c)。
3. 交换律：对于任意两个有限域元素a和b，a*b = b*a。
4. 单位元素：有限域中存在一个特殊的元素1，对于任意有限域元素a，a*1 = a。
5. 非零元素的逆元素：对于任意非零有限域元素a，存在一个元素a^-1，使得a*a^-1 = 1。
有限域加减乘法在密码学中有着重要的应用。
例如，RSA加密算法中的加解密过程就涉及到有限域加减乘法。
在RSA算法中，需要对大素数进行加减乘法运算，以实现数据的加密和解密。
有限域加减乘法的运算规则保证了加解密的正确性和安全性。
有限域加减乘法还在编码理论中扮演着重要角色。
一种基于有限域的快速乘法器的设计与实现
如图２所示，则Ｄ（ｚ）＝Ａ（ｚ）Ｂ（ｚ）．
Ｄ（ｚ）＝Ａｌ（ｚ）×Ｂｌ（ｚ），
Ｄ（ｚ）＝Ｄｏ（ｚ）＋ｚ‘７２［Ｄｌ（ｚ）一Ｄｏ（ｚ）一
Ｄ２（ｚ）］＋ｚ７Ｄ２（ｚ）．
（１０）
通过式（９）和式（１０）可将系数的乘法次数由原
来的ｎ２减少到３／４”２（见文献［６］）．
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。匝五习 Ｅ互］
困
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图２ Ｄｏ（ｚ）＝ＡＩ（ｚ）×Ｂｌ（ｚ）
设.万=（方%数0据，’0），/ =（%8，’8）是 & 上任意两
点，0 是./ 连线%若 . 和/ 0 和曲线相交于 另一点1，02是1 点和无穷远点3 的连线，也就是 说02是过1 点引’ 轴平行线，02和曲线相交于一点 12，用.%/ 表示%若. 和/ 关于% 轴对称或重合 于% 轴，则./ 垂直于% 轴，这时 0 和椭圆曲线相 交于无穷远点3%如图0所示：
Ｌ ｉ＝１，…，ｎ一２；ｊ＝１，’’‘，ｎ
于是式（３）的计算可如下表示
１
（５）
印
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：
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ｉ＝０，ｌ，·一，” １； ｌ Ｊ＝１，…，ｎ一１，
，
、
ＩＯ， ｉ＜Ｊ，
图0 椭圆曲线的点加
椭圆曲线的乘法是标量乘以点，即 !.=.0> .8>…>.!%椭圆曲线在有限域 #$（8! ）上关于 上述加和乘法构成群%基于椭圆曲线的密码系统主 要的计算表现为标量乘法运算，其中 ! 的值往往很 大，一般情况 下 取 012345% 根 据 下 面 点 加 运 算 规 则 可知，有限域上的乘法运算在整个椭圆曲线密码计 算的计算量%
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中图分类 号 ：Ｎ ０ ；Ｎ １ ． Ｔ ４ ２ Ｔ ９８４
文献标识 码 ： Ａ
文 章编 号 ：０１ ４５ （０８ １ — ０９ ０ １０ — ５１２０ ）１ ００ — ３
Ｅｆ ｃｅ ｃ ｖ ｌ ｔｏ ｎｄ ｏ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ ｂｉ－ ｒ ｌ ｌｍ ｕ ｔｐｌ ｒ ｏ ｅ ｎｉｅ ｆｅ ｄ ｉ ｆ ｉ ｎ ｙ ｅ ａ ｕａ ｉ ｎ ａ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｏ ｔｐａ ａ ｌ ｅ ｌｉ ｉ ｖ ｒ ｆ ｔ ｌ ｅ ｉ ｉ
生成的域 内， 此优 化结 构的 乘法器具 有用 ｍ 的 与 门和 ｍ 。 一１的异 或 门衡量 的 最低 的复 杂度 、 最短 的 关
键 路 径 此 外 ， 结 构 还 易 于设 计 者 使 用 硬 件 实现 该 关键 词 ： 限域 ； 限域 乘法 器 ； 简结构 ； 有 有 精 系统 优 化
ＬＩ ＡＮＧ Ｔｉ ｎ ａ
（ ｎｔｕｅｏ Ｚ ＩＤ ｓ ，Ｚｈｊ ｎ ｉｅｓ），Ｈａ ｇｈ ｕ３ ０ ２ Ｉｓ ｔｔ １ Ｓ ｅｉ ｉ ｆ， ｇ ｅａ ｇ Ｕｎｖｒｉ ｉ ｔ ｎ ｚ ｏ 】 ０ ７，Ｃ ｉａ ｈｎ ）
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｓ ａ ｉ —ｅ ｏ ａ ｏ ｌｃ ｔ ｎｄ ｗｏ ｋ ｅ ｆｃ ｅ ） ｆ ｒ ｔ ｅ ｕｌ ｒｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈｉ ｉ ｒ ｏ ｅ ｉ ｔ ｅ ｄ ｗｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｔａ ｔ ｐ ｔｏ ｔ ｍｐ ｒ ｌｃ ｍｐ ｉ ａ ｉ ａ ｒ ｆｉ ｉ ｎｅ ’ ｏ ｈｅ ｒ ｇ ａ ｔｕ ｔ ｒ ｆ ｍｕ ｐｌ ｖ ｒｆｎｉ ｆ ｌ ｒ ｖ ｌ ｏｎ ｅ ｅｉ
梁 田 （ 江 大 学 超 大 规 模集 成 电路 设 计 研 究 所 ， 江 杭 州 ３ ０ ２ ） 浙 浙 １０ ７
摘 要 ： 估 分 析 了基 于 有 限 域 的 比特 并 行 乘 法 器 的 常 规 结 构 的 时 间 复 杂 度 、 间 复 杂 度 和 工 作 效 率 。 评 空 并在 此 基 础 上 ， 出 了 更 优 化 的 精 简 结 构 比 特 并 行 乘 法 器 ， 究 结 果 证 明 ， 由三 项 式 － ） Ｘ ＋１ 提 研 在 厂 （ ＝ ＋
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图 １ 乘 法 器 结 构 简 图
于移位 多项式 基和弱 共 轭基 的算 法推 导 ， 出矩 阵 乘 得
法 形式 的乘法器 架构 。 本研 究致力 于在 该 乘法 器结 构 的基础 上 ， 出该 提 设 计 的优 化算法 及优 化结 构 ， 现 在 同样 的组 合 逻辑 实
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｆｎ ｔ ｉ ｌ ｉ ｉｅ ｙ ｅ ｄ；ｆｎｉ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｅ ｄ ｍｕｌｉ ｌｅ ；ｒ ｄ ｅ ｔｕｃ ｕ ｅ；ｓ ｓｅ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｅ ｔｐ ｉ ｒ ｅ ｕｃ ｄ ｓ ｒ ｔ ｒ ｙ ｔ ｍ ｐｔｍｉ ａ ｉ ｎ
０ 引 言
有 限域运 算在密 码学 、 字信号 处理 、 码理论 等 数 编
所示 。
ａ１ ａ ． 日 ２ ｏ
－
密运算 中最耗 时 、 最频 繁的运 算 ～。学界 已提 出 了基 于各种 基底 的 比特并 行乘法 器架构 ， 以进一步 用更 少 的组合 逻辑 门实现更 高 的运算速度 和更短 的关键 路
径 。 笔 者 已提 出 在 不 可 约 三 项 式 生 成 的 域 内 ， 过 基 通
领 域 有 着 重 要 而 广 泛 的 应 用 ， 中有 限 域 乘 法 是 加 、 其 解
式 中 ｎｓ 元素 Ａ关 于移位多 项式基 底 Ｓ Ｂ的 系数 ； ～ Ｐ
ｂ ｓ 元 素 Ｂ关 于 弱 共 轭 基 底 ＷＤ 的 系 数 。 一 Ｂ
Ａ与 Ｂ的乘积 Ｃ的运算参 照 的乘法器 结构 如 图 １
第 ２ 卷第 １ ５ １期
２０ ０ ８年 １ １月
机
电
工
程
ＶＯ ． ５ ＮＯ．１ Ｉ２ １
ＮＯ ．２０ Ｖ ０８
Ｍ ｅ ｈａ ｉ ａ ｃ ｎ ｃ ｌ＆ Ｅｌ ｃ ｒｃ ｌ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ Ｍ ａ ａ ｉ ｅ ｅ ｔｉ ａ ｇ ｎｅ ｒ ｎ ｇ ｚｎ
有 限域 乘 法 器 的性 能 分析 与优化 木
』下更短 的关键路 径 。 Ｉ ］
ｃ， 二 是乘 积 ｃ的系数 ， 利用 弱共轭 基底 的定义 和迹 函数线性 性 质 ， 可得 到 ｃ ， ， 表示 为 ａｓ ： ｉ之和 的形式 。 ： 设