椭圆曲线密码处理器是椭圆曲线密码实现的重要方式,椭圆曲线密码处理器关键技术研究具有重要理论和实践意义。同课题组已有一款支持双域576比特以内曲线长度的椭圆曲线密码处理器,其在同类处理器中性能突出,但是资源消耗巨大。本文基于此款椭圆曲线密码处理器,以优化性能资源比为目标,从椭圆曲线密码处理特征入手,针对椭圆曲线密码处理器体系结构和运算单元两个方面开展研究。论文研究了在仿射坐标下实现点加和倍点的调度特征,建立了点加和倍点调度优化模型,提出了异构双路并行的处理器体系结构;在此基础上研究了超长指令字(Very Long Instrustion Word,VLIW)指令面向椭圆曲线密码应用适配特点,吸收超标量结构乱序执行思想,提出了一种VLIW-matrix指令执行模式;针对异构双路并行结构和VLIW-matrix指令执行模式,提出了分层分簇式存储结构,设计了分层式寄存器堆和向量结构存储器,能够有效提高数据调度效率,提升了椭圆曲线密码处理器处理性能。论文研究了椭圆曲线密码处理器运算单元设计,采用在仿射坐标下优化模除运算的设计思路,提出了双比特扫描模除算法,设计了高速模除单元;随后提出了双比特扫描模乘算法,设计了基于加法器的模乘单元;最后,对模除和模乘单元结构进行了统一,设计了以模除结构为基础、可以实现有限域全部运算、功能可裁剪的统一功能单元。理论和实验评估表明,基于本文优化的模除、模乘单元,在仿射坐标下实现点加和倍点超过了投影坐标下实现性能,且功能单元资源极大缩减。最后,本文对提出的椭圆曲线密码处理器体系结构和运算功能单元进行了实现,并从软件模拟、硬件仿真、FPGA验证等不同层面进行了系统验证。性能对比结果表明,本文的设计优化达到了保持较高性能下优化资源的设计初衷,以原处理器38%的资源实现了94%的性能,为设计高效的椭圆曲线密码处理器提供了新的设计思路和实现技术。