基于ECC芯片的数字签名系统设计.pdf

中国集成电路
CIC应用
ChinalntegratedCircult

基于ECC芯片的数字签名系统设计*

北京航空航天大学电子工程学院赵明夏宇闻
清华大学微电子所设计室刘雷波白国强

摘要：本文完成一种基于椭圆曲线密码ECC(EllipticCurveCryptosystems)芯片的数字签名系统的设
计，完全采用硬件电路实现电子签章的逻辑控制运算、数据传输和控制，实现了签名产生、签名验证、密
钥产生和密钥交换四项功能，签名速度可达每秒2000次以上。

1.引言密钥交换的工作状态。ECC芯片的管芯图如图1所
示。

电子签章[1]（又称电子签名）是指在数据电文
中所含用于识别签章人身份并表明签章人认可其中
内容的程序或者声音、符号等数据。目前一些单位和
研究团体已提出多种电子签名的方案，并开发出样
品，但它们大都采用软件或软硬件结合的方式。本文
基于椭圆曲线数字签名算法[2,3](ECDSA)，提出了
一种基于椭圆曲线密码（ECC）芯片的数字签名系
统方案，设计了完全由硬件电路实现数据运算、数据
传输和逻辑控制的电子签章系统。

图1ECC芯片管芯图
2.ECC芯片的结构与功能

椭圆曲线密码ECC芯片是自主开发的数字签
名算法芯片，是整个数字签名系统的核心芯片。ECC
芯片实现了基于K-233曲线的完整的椭圆曲线密
码功能，具有两种类型的功能和四种工作状态。它

们分别是实现基于曲线K—233的椭圆曲线数字签图2THECC-100芯片的内部模块结构图
名算法（ECDSA）功能；完成曲线K—233上的多倍
根据椭圆曲线密码算法的特性和THECC-100
点运算，包括密钥对的产生功能；完成ECDSA签名
芯片所具有的密码功能，设计ECC芯片的内部模块
的产生工作状态；完成ECDSA签名的验证的工作
由7部分功能模块组成(如图2所示)。图2中各个
状态；产生椭圆曲线密码的密钥对的工作状态；实现

*国家863计划信息安全技术课题

http：//www.cicmag.com2005·12·（总第79期）69
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应用CIC
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模块的功能分别设定为：INPUT模块用于输入接口3.2控制模块
及输入控制；EEPROM模块用于存储曲线参数、指控制模块包括MCU、FLASH、FPGA和PROM
令集和预留管理熵空间；CONTROLLER模块用于主四个部分，它对运算模块进行逻辑控制，使其按照用
控制器，根据工作状态选择从EEPROM中调用指令户要求完成数字签名工作。下文将介绍这四个部分
集，进行指令译码及执行指令；RNG模块用于随机的功能设计。
数产生器，初始值可从外部读入，也可通过内置值启MCU是电子签章系统的控制中心，用于控制着
动；MOD模块用于modn模运算器，根据输入做各种数字签名的工作方式，调用FLASH中密钥和签名数
模加，模减，模乘，模逆等运算；KP模块用于完成椭据和传输FPGA和USB之间各种操作指令和数据。
圆曲线多倍点运算KP，输入K和P，输出KP；OUT-其控制方式被设定如下：
PUT模块用于输出接口及输出控制，包括暂存已计①当MCU接收到签名产生的指令时，将会从
算好的输出值。FLASH中调出密钥数据，并把密钥数据和操作指令
及从PC机传来的数据按照一定次序传输给FPGA；
3.基于ECC芯片的②当MCU接收到签名验证、密钥交换和密钥
数字签名系统结构简介产生三项操作指令的任一项指令时，把指令和数据
直接送给FPGA，再由FPGA送往ECC进行运算处
理；
基于ECC芯片的数字签名系统结构原理框图如
③ECC运算结束后，数据结果会立即送给FP-
图3所示。该系统由运算模块、控制模块和接口模
GA。MCU将实时的接收FPGA中的数据结果。如果
块组成，下文将对这三个模块功能分别进行介绍。
此次操作是“密钥产生”时，MCU将密钥结果数据
送给FLASH储存起来，否则将结果数据传给USB，
最终通过USB传输给PC机；
④假如系统中储存有用户的签名和资料，当
MCU通过USB接口接收到PC机的指令是调用签
名或资料时，MCU将直接从FLASH中调出数据，并
通过USB接口传输给PC机。
图3基于ECC芯片的数字签名系统结构框图
FLASH用来储存密钥数据、签名数据和其它资
料，由MCU控制支配。
3.1运算模块MCU是异步工作逻辑，ECC是同步工作逻辑，
运算模块是基于ECC芯片的数字签名系统的两者无法直接通讯。因此在ECC和MCU之间加入
核心部分，而运算模块的核心即是上面所述的ECCFPGA实现异步逻辑和同步逻辑之间的转换。除此
芯片。其是根据我国国密办制定的数字签名标准算之外，FPGA还用于传输数据，完成对ECC芯片的逻
法规则，采用基于曲线K-2