TW505839B - Simple algorithmic cryptography engine - Google Patents

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五 Μ 員 工 消 費 例 、發明說明（ 發明背景 ι發明範疇 本發明與處理系統範嘴有關，特 處理器有關。 ”在碼系統中使用的 2·相關技藝之描述 基於對電子化内容資料加密編碼之應用與㈣辦 在叙樂範嘻，數位音訊與視訊記錄加密以保護資^ =受權：複製”戈如在通訊範，，文件加密以防止資料被 未經授權的檢閲，而加密的認證用來驗證文件之眞實性。 一些標準已採用或提議來加密擁有版權的内容資料； 或者，當每次擁有版權的内容資料從一種設備傳到另一 備時，與存取資料相關的安全項目，譬如標鐵，也會採 吳些標準。例如，當一台"符合標準.•之光碟燒錄器， ^一片内含防拷資料之拷貝的光碟片時，記錄會被加密休 濩而/、有符合標準（compliant)”之光碟播放器才可播放 及貝料。"符合標準”之裝置乃執行沿用標準的裝置。假 如孩原始防拷内容資料之複製限制爲"一次拷貝 once )，則该"符合標準”之光碟燒錄器會把此原版拷貝標 上”永不拷貝（copy-never)"的記號。，，符合標準"之光碟燒 錄器會辨認此”永不拷貝”的記號，而不會再複製此 貝假如1^亥^料由非付合標準（non-compliant) π之燒錄 複製，則此資料將不會含有適當的加密項目，而"符合 準之燒錄器或播放器也無法燒錄或播放此複製資料。 標準亦沿用在傳輸性内容資料之加密、簽名及鑑別， 4- 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格⑵0 X 297公髮— 又 設 製 保 拷 器 標

訂---------MMT. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

I A7 — -— 卩 7 五、發明說明（2 ) tit郵件及其附件。吾人可加密内容資料，又或把已加 t全項目附加至内容資料以識別其來源。安全項目的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) r或”連結―)"方式，乃根據識別原始内容資料在 個傳运過程中有否遭到修改的解密程式。 上逑例子説明加密與解密技術，特別是加密的簽名、驗 f與存取«之使用越形增加，故需要在多種電子設備中 2含加密與解密裝置。每一"符合標準"的音訊或視訊設 A ’包括HI定式和可攜式，必需内含處理或交換鑰或其他 ，全項目的使用工具，而且通常必需包含加密的簽名或驗 a裝置’或涵蓋二者。每_電子郵件之傳送或接收設備， 包括多功能設備如蜂襄式電話，將會預期包含簽名或驗證 裝置’或涵蓋二者。因此，協助加密的簽名、驗證與密碼 鑰處理之裝置，在多種系統中是有需求的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 傳統電路設計，雖然是執行數位簽名、驗證與其他鑑別 工作之汉備最省錢的具體實施例，但其成形之加密法卻帶 來具體化演算法過時的風險。至於通用型可程式處理器， 雖可隨密碼學技術轉變而調整其具體化演算法，卻不一定 符合各種需要加密相容性之設備的經濟原則。再者，低成 本通用型可程式處理器則無法達成即時鑑別處理所期許的 效能目的，例如，其可能需要輔助裝置或更高速的處理器 來達成該等目的，這樣便會增加成本。其實，即便低價處 理器加上輔助裝置能符合目的成本，受限於裝載系統的物 理性質’如蜂巢式電話，也會把這些輔助裝置剔除。 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 發明概述 本發明的目的是提供一種用以協助密碼驗證的可程式化 處理系統。本發明進一步目的是提供一種能夠最有效執行 一般加密與解密公用程式功能的密碼處理系統。本發明更 進一步目的是提供低成本密碼處理系統。 本發明藉由提供一種特別適用於密碼處理的處理器架構 與指令集，達成前述及其他目的。有許多技術可用來降低 設計複雜度至最低程度，以及裝置間互相連接的複雜度至 最低程度，藉此減少所需表面面積及關聯的成本。還有許 多技術可用來簡化密碼處理型處理器程式設計的工作，以 及使此類密碼處理程式設計中預期常用之指令的效率最佳 化。在一較佳低成本具體實施例中，利用一單一連接埠隨 機存取記憶體（random-access memory，RAM)來儲存運算 元、於資料路徑中運用少量的資料匯流排與暫存器，以及 使指令内的指令集最佳化以適用於平行運算。因爲密碼處 理的特徵在於處理多種資料項目的運算，所以特別強調對 夕子元運算之有效處理，包括使用與指令字元等同寬度之 常數。本發明揭示一種簡化算述單元，以最小費用 (overhead)，有效支援密碼操作通常需要的功能。在一較 佳具體實施例中利用一種微碼映射指令集，用以協助每個 指令週期中的多重平行運算，並且提供最小費用的直接處 理控制。 圖式之簡單説明 本發月藉由具體範例進一步詳細説明，並以附圖作爲參 -6 - 本紙張尺度適用中®^^I^NS)A4規格⑵Q x 297公髮） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ----------------線. 五、發明說明（4 ) 考，其中： ㈤爲根據本發明鬧釋密碼處 範例方塊圖。 糸、，死 < 貝科路徑架構的 圖2爲根據本發明闡 6 格式。 睪贫碼處理系統的一對範例指令集

圖3爲根據本發明M 範例方塊圖。 閣釋贫碼處理系統之控制路徑架構的 圖4爲根據本發明關猶 的範例方塊圖。 4碼處理系統之微指令映射處理 ::有圖示中，自同之參考數値代表 或功能。而在後續的所 ^双的秤徵 代表圖!所介紹的項目二：，1〇°至199之參考數値 介紹的項目；300至3 9 9、參考數錢表圖2所 至3 9 9又參考數値代表圖3所介紹的項 目；400至499之參考數値代表圖4所介紹的項目。、 發明之詳細説明 基於觀察到密碼系、統之運算，如數位簽名與驗證、公鑰 一私，之交換處理等，通常都包含大量資料變數，但卻是 相對簡單的算述運算；本發明乃得以產生。常見的密碼系 、·充 算法爲數位簽名 ά 算法（Digitai |gignature Aig〇rithm) DSA。另一種使用在數位簽名與驗證、且已提出成爲標準 (ANSI X9·62)的常見演算法爲橢圓曲線數位簽名演算法 (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) ECDSA。此種 /威算法與數位傳輸内容保護（Digital Transmission Content Protection) DTCP系統的結合體，一直爲配備IEEE-1394連 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 接裝置之數位音訊與視訊產品所採用。ECDSA特別適用 於低成本具體實施例，因其使用之橢圓曲線法僅包含加 法、減法、乘法與反轉的簡單數學運算。 數位簽名與驗證所使用的資料變數均很大，通常寬度爲 1 6 0或3 2 0個位元。在一較佳具體實施例中，將使用大小 爲3 2個位元寬的資料字元來平均分割資料項目成五或十 個丰元。該選取的資料字元大小乃設計上之妥協：因爲大 字元需要更多的配線與路由，而小字元則在處理資料項目 時需要額外的字元運算。該認清的事實是，大資料字元會 招致配線與路由巨大的額外負擔，而根據本發明之資料流 與控制架構，則較傳統處理系統受到更多限制。 在一較佳具體實施例中，可選擇單一的唯讀記憶體 (ROM)供指令與常數使用，以及選擇單一的隨機存取記 憶體（RAM)供變數使用，用以降低線路複雜度與路由。 因爲資料常數與資料字元以大小相同爲佳，而且最好與指 令儲存於同一唯讀記憶體内；所以在一較佳具體實施例 中，指令字元與資料字元採用同樣大小。 前逮資料項目的簡單數學運算期許引用最少數量之指 令’然而’適用於寬資料項目，與資料字元同樣大小的指 令罕兀’卻需要運用大量不同指令。體認到處理器速度之 重要性’遂根據本發明來建立有效的3 2位元供每一指令 使用，俾使多重平行運算可實行於每一指令内。 圖1A根據本發明闡釋處理系統之資料流架構1 0 0的範 例方塊圖。如此方塊圖所顯示的簡單性，與傳統3 2位元 本紙張尺度過用干國國豕铋準（CNS)A4規袼（21〇 X 297公釐） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、發明說明（6 處理系統比較，已實行最佳化把路由複雜程度降低。最重 要的意義是，算述單元（) Au 11 〇只不過由 加法器1 1 2及兩個前置運算（pre_〇p )裝置i i 4、1 i 6所組 成。這種簡單性協助平行運算作業以提供一致性。同樣重 要的是’ €憶體1 2 0爲一單一連接埠隨機存取記憶體，只 有最少的輸出扇出（fanout)。這種最少的扇出亦協助平行 運算作業以提供一致性，同時還減少了資料的路由路徑。 以同樣方式，暫存器組130、14〇配置成以AlJ 11〇之輸出 1 11作爲其單一輸入，且同時限制本身輸出。例如，有別 於一般傳統處理器的設計，位址暫存器組13〇的内容僅爲 記憶體120提供定址服務，而不會爲八1; 11〇或其他任何處 理裝置提供輸入。而暫存器組14〇本身不會提供輸出，但 用來提供控制重複運算的條件位元，例如乘法，下面將會 作進:步討論。限制暫存器組13〇、14〇的用途可減少^ 暫存器互相連結的路由需求，且能依服務 组⑴、“。之大小最佳化。例如，位址暫存器== 需能跨越記憶體120位址範圍的寬度，而掃描暫存器組 1 4 0的寬度則只要能存放相關控制旗標即可。 架構_之效率與有效性可依圖2作出最好的説明，圖2 爲根據本發明闌釋一對範例指令格式2〇1、2〇2。如圖所 示，指令格式201、202皆冬古4«旦、…. 含有大量通用指令欄位。因爲 密碼處理需要相對較少的指令類型，所以，由各U扩元 指令組成、包括運用到每—指令内之多重欄位的指令二， 在-較佳具體實施例中就用來執行每一指令内的；行運 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -ώΜ 訂------丨！線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ~ 9 ~ 川5839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 A7 五、發明說明（7 ) 算。多重欄位將討論如後。此等多重欄位不會使用在傳統 乍+元指令集之實施例，因其配置只支援相對較少的指令 類型；此等多重攔位也不會包含於寬字元指令集之實施例 中，因其配置只支援大量的指令類型。 扣令格式攔位2 1 0識別指令所使用的特別格式，並辨別 前述格式201、202及其他格式之間的差異。在一較佳具 體實施例中，將提供三個位元以支援達八種不同格式。根 據本發明，該八種不同格式展現出指令位元與簡化指令攔 位解碼程序的有力關係。吾人可透過選用每一不同格式的 通用欄位來執行通用平行運算，而不需理會格式的類型。 例如，在一較佳具體實施例中，欄位2 3 〇及2 4 〇爲每一格 式類型之通用欄位，因此，欄位2 3 〇及2 4 〇之數値所暗示 的運算、存取記憶體的控制與選擇，均可在每一指令週期 中實行，而與正在執行的特殊指令無關。其他通用搁位， 如攔位212及214，亦包含於每一指令格式。再者，參考 圖4作進-步討論如下，預設給相對一致及可預期之狀能 的約定格式内料使用之難，可提供與格式無關的指令 更多功能的相似性。 ”k跟随（k follows)"攔位212用來傳訊给含有常數、 資料項目k的後續"指令"。欄位212的用途至少提供兩項 優點：容許包含於下-指令内的常触佔用整個指令字元 大小（在一較佳具體實施例中爲32位元）；容許此包本於 下-指令内的値k在下一指令週期載入暫存器r〇。在：傳 統的、指令大小已固定的處理系統，—個位元料 10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公着· I ----—--------^—-------IAW. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505839 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 足於指令字元與常數字元内以辨別二者，是故限定常數字 凡大小較完整指令少一個位元。因此無需説明的，指令内 含有”常數”攔位之替代格式將被提出來使用；在這些格 式中，常數k將少於32個位元，與正常η位元常數値釔相 關的、未指定之較高階位元則被填入零（zer〇_filled)或當 成延伸記號（sign-extended)，依不同之特殊格式而定。這 些縮短數値k，通常作爲計算記憶體位址相對於基本位址 之偏♦値’或相對於分支指令之距離値。此距離値標明由 目前指令位置至下一指定指令間的距離。 更新旗標（update flags) ··攔位2 1 4用來識別與處理系統 結合之條件旗標，在執行指令時是否需要修改。美國專利 申請待決案”條件與位址已解耦之分支指令，，，序號 09/466.404，申凊曰期17.12.1 999，以提及的方式併入本 又，揭7F出分支指令與其他條件指令的解耦機制，包括條 件指令内條件旗標存作後續使用之快速識別法。當欄位 214内含確定値時，圖1之傳統系統旗標118的値，例如 進位、零値、偶數及其他條件旗標，討論如下，將會儲存 但不會更新，直至執行另一於攔位2 i 4内含確定値的指 〇 況隐粗存取控制（mem〇ry狀⑶“ c〇ntr〇l )"欄位2 3 〇判別 記憶體120是否有被存取；如是，則不管其存取是來自讀 取運算或寫入運算。如上述所論，記憶體120是單一連接 埠1己憶體，其扇出爲有所限制⑽，藉此容許相對簡單的記 憶體存取控制。再如上述，攔位2 3 〇通用於所有指令，因 11 - ----------—--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 505839 第089128319號專利申請案 中文說明書修正頁(91年8月） 五、發明説明（9 ) π位址選擇（address select) ”攔位2 4 0判別選擇器1 8 0的 輸入何者是記憶體1 2 0定址所需。該選擇位址可能是間接 裝 位址位置（indirect address location) IDA 185、AU 110 的輸 出 1 1 1、外部位址（external address ) extA 1 88，或位址暫 存器組1 3 0組其中之一。如上述，在所有指令中加入襴位 2 4 0 ’將使記憶體選擇運算平行於其他任何指令。同樣重 要的是，有別於一般傳統處理器的設計，記憶體12〇*au 110間並無任何暫存器元件，因此可容許Au 11〇不需透過 一中繼的”載入暫存器（l〇ad register)”指令，而直接存取 記憶體項目。”位址暫存器變更（addressed代心如 change)”攔位242與位址選擇攔位24〇結合運作，容許在 同扣令週期中，該已定址暫存器進行增量定址或減量定 址，而增量位址或減量位址的記憶體内容則提供給au ιι〇 使用。美國專利申請待決案”循環位址暫存器，，，序號 ~A^6,404，申請曰期1IJX1999,，以提及的方式併入本 文，揭示出循環位址暫存器可容許，，循環增量，，及t，循環減 量·’指令自動調整暫存器的指向器，以提供循環定址功 月匕。、在本發明一較佳具體實施例中，位址選擇搁位2 〇決 定位止暫存器組1 3 〇中每一個暫存器的循環增量及循環減 量功，而位址暫存器變更欄位242則包含這些功能的實 :挎：此技蟄的一種普通技巧般明顯，對位址進行循 :曰:c -供AU 11〇循環增量位址、對内容執行算述運 异、把結果儲存到目的暫存器(討論如下），以及對 -12- ^297¾) ^紙張尺度適财目 A7 B7 五、發明說明（1〇 里=進行循ί衣增量（討論如下），這些程序均在單一指令週 "執行故特別適用於密碼處理及其他應用，包括多字 凡資料項目。 ^外要注意的是，外部位址（external address) extA 188 可谷^外4處理器存取記憶體1 2 〇，而且實際上獨立於處 ^ 0之外。即是説，在本發明一較佳具體實施例 中，例如，王系統可藉由給位址選擇攔位設定一適用値來 存取記憶，，此適用値選取extA 188的輸入來定址記憶體 120。於是主系統可把資料經由輸入以仍1187，直接載入 Z隐體1 2 0中extA 188所定址的位置。該輸入資料可以 =，例如，與電腦文件或標籤結合的散列値，以及用來加 密此散列値以產生與該電腦文件或標籤結合之數位簽名的 密碼鑰。在載入散列値及密碼鑰後，處理系統1〇〇可重新 存取記憶體120，並執行適當的加密功能以提供相關的數 位簽名，该數位簽名將置於記憶體J 2 〇中。然後，主系統 又可經由extA 188重新直接存取記憶體〗2 〇，於是，主系 統經由資料輸出埠extD〇 186，從extA 188所定址的每一 位置躓取記憶體1 2 0内的數位簽名。因此，根據本發明在 廷一方面的特性，藉由外部定址存取記憶體丨2 〇，處理系 統1 0 0將不需直接支援記憶傳輸功能。 . 下四個欄位·· ··右運算元前置運算（right operand pre_op),, 250、左運算元削置運算（left operand pre-op)，，252、π 加 法器功能（adder function)" 260 及"nd選擇（nd select)" 262 ’將控制AU 110及其結合元件暫存器r〇 15〇與選擇器 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） ------------—------訂 —----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第089128319號專利申請案 色>v体 中文說明書修正頁(91年g {广月 五、發明説明（Ή ) —〜 1 6 0的運作。左運算元前置運算攔位2 5 2判別記憶體1 2 〇 内疋址項目是否可直接使用；如否，對AU丨丨〇輸入左運算 元為零。以相同方式，11(1選擇欄位262判別AU 11〇的輸出 111或常數k 165兩者中何者該為暫存器⑼15〇的輸入。右 運异元前置運算攔位2 5 0判別暫存器r〇 i 5 〇的内容是否該 為AU 110右運算元的輸入。右運算元前置運算攔位25〇直 接傳运暫存器r 〇丨5 〇的内容至加法器^ 2 (一個 S ’刖置運算）’暫存器Γ〇 15 〇的内容可以是左移位及右 移位，暫存器r〇 150的内容也可以是反轉；此傳送可視為 指令執行時的一種平行運算。如攔位名稱所暗示，此平行 運算將在指令指定的算術運算前執行。右運算元前置運算 攔位2 5 0亦可谷弄加法器1 1 2的右輸入值為零，並因此協 助記憶體1 2 0傳送一值至記憶體丨2 〇的另一 至暫存器13〇、14。'15。其中之…加法器功= 2 6 0判別A U的左輸入與右輸入相加時是否包含進位值、 或反轉進位，或常數！。因此，前置運算功能114與116 , 以及加法器功能112的組合，提供一元的及二元的加法， 還有減法、乘法與二的除法的功能。如此技藝的一種普通 技巧般明顯，在單一指令週期内，由襴位2 5 〇、2 5 2及 260所提供的，將早先結果移位、以及將其與其他附有進 位位元的運算元相加的功能，根據本發明，特別適用於密 碼處理範疇内常用的乘法處理，以及其他應用，包括多字 元資料項目的乘法處理。 ”目的地暫存器（destination register) ”欄位2 7 0識別Αϋ __ -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 505839 第089128319號專利申請案 中文說明書修正頁(91年8月） 五 、發明説明（12 1 1 0的運其結果1 1 1之路由目的地。如前所逑，在一丰、、佳 具體實施例中，為了降低路由複雜程度，輸出丨i丨的^ 只限於暫存器组130、140 ,以及作為.Au 11〇結^之 暫存器rO 150的輸入。 口 < ’’更新暫存器（update register·)”攔位280結合”更新暫存 器變更（update register change)"襴位2 8 2，用來定義产人 處理過程中其他尚未執行的平行運算。更新暫存器;‘二 位2 82與位址暫存器變更攔位242相似，其可以對更新暫 存器欄位2 8 0所識別的更新暫存器施以增量或減量運算， 包括猶環指標器的增量或減量運算。 裝 如上所論，指令格式20〗會協助乘法運算的平行執行， 即使另一單一指令正利用其執行其他基本功能，例如^術 運算。當協助平行運算時，指令格式襴位2丨〇會提供其識 別的其他替代指令格式給其他基本功能使用。 、V9 产圖2的指令格式202闡釋一使用在一較佳具體實施例的 範例格式，其運用於分支或呼叫運算並平行於其他輔助運 算。如上述，在一較佳具體實施中，襴位212、214、 2 3 0及240通用於所有指令；且如圖2的說明，攔位25〇、 252、260及262通用於格式201及202。因此，結合欄位 2 12、2 14、23〇、240、25〇、252、26〇及 262 的前述 參考運算與分支或呼叫運算將同時執行。如此技藝的一種 普通技巧般明顯，定址、載入，對運算元進行算術運算， 以準備該運算元供另一分支常式或呼叫常式使用，此等功 能對通用於密碼學及其他應用的重複處理程序，提 -15 本紙張尺度適用中國國豕標準(CMS) A4規格(210X297公釐） 505839 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（13 供高效能及效率的技術。 "條件（condition)"欄位22〇結合"反轉條件（_如 ，οη)欄位222，用來決定下一指令所要使用的兩個 後續位置。即是説’假如條件22〇在第―狀態，程式從第 -位址開始執行，其他的從第二位址開始；至於反轉條件 欄位2 2 2則決定前述第—狀態的値爲"眞（“狀）"或"假 \ )如圖2的説明，在一較佳具體實施中，條件攔 位2 2 0使用，、個位i，即可供測試的不同條件達6 4組。特 別注意的是，根據本發明，攔位220其中一個條件包含,， > ^•頁目等於f #條件，而另—條件則對應爲"資料項 目等於壹"的條件。當多字元資料項目對應的每―資料字 ^均爲零時，"資料項目等於零"的條件設爲冑；而當多 字疋資料項目對應的每一資料字元均爲零、但最不重要資 料字元爲壹時，則"資料項目等於壹"的條件設爲眞。至 於其他包含掃描暫存器組140的特殊位元狀態的條件項 目，，如掃描暫存器组140儲存的每—字元之最不重要位 兀與最重要位it，能協助多字&乘數的乘法運算。還有其 他包含選擇位址暫存器组！ 30的位址指標器狀態的條件項 目，則用來協助識別多字元處理運算的開始與結束。如此 技藝的一種普通技巧般明顯，在分支或呼叫指令中使用達 64组不同條件，可提供複雜之重複運算—個有效率及有 效的控制及最佳化方法，例如密碼運算中常執行的 乘法運算。 "下—指令（next instruction)"欄位2 9 〇藉由控制處理系 I ----------------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -16- 505839

五、發明說明（14 ) 統每一個下一指令的位址來控制程式流程。圖3爲根據本 發明闡釋控制路徑架構3 〇 〇的範例方塊圖。處理系統之每 才ετ々3 3 1均由纪憶體提供，如圖3所示，即μ 〇。 指令位址3 7 1的序列決定提供給處理系統個別指令3 3工的 順序。指令3 3 1已格式化，如之前圖2所論。程式計數器 310包含指令位址371，而選擇器340、350與370，以 及加法器3 6 0，則依據下一指令攔位29〇的狀態來決定下 一指令的位址，討論如下。 根據本發明一較佳具體實施例，下一指令欄位2 9 〇提供 下列步驟來決定下一指令： pc<=pc+ 1.

If (cond) I hen pc <= k Else pc <= pc + 1.

If (cond) Then pc <= r0 Else pc <= pc + 1 ·

If (cond) Then pc <= k; push(pc+l) Else pc <= If (cond) 1 lien pc <= pop Else pc <= pc + 1 ·

If (cond) Then pc <= pc + k Else pc <= pc + 1 ·

If (cond) Then pc <= k Else pc <= pop.

If (cond) Then pc <= pc + k Else pc <= pop· 如此技藝的一種普通技巧般明顯，第一下一指令決定步 驟（nextinstruction_determination) i 爲下一指令的後續步 驟，而程式計數器pc的値前進加一。第二第三決定步驟u 及iii各爲一傳統條件分支。假如條件爲眞（或假如條件爲 假且”反轉條件”攔位222爲確定），則程式計數器pc設爲 指定位址k，或設爲預定位址rO (包含於圖1的暫存器⑼ -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） II —----------------^ AW (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (sequence) (branch to k if) (branch to rO if Pc+l· (call if) (return if) (r. branch if) (branch if else return) (r. branch if else relurr Η) ϋ〇 Ιν) v) vi) vii) vlii) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505839 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（15 ) 150);除此之外，則前進加一。第四決定步驟卜爲一傳 統條件呼叫，其中，假如條件爲眞，把下一後續指令位址 pc+1推入堆疊3 2 0，程式計數器p c設爲指定位址k。第五 決定步驟v爲一傳統條件轉回，其中，假如條件爲眞，在 堆疊3 2 0爆出呼叫後，把前一步驟的値推入下一後續位 址，並置於程式計數器内。第六決定步驟“爲一傳統相關 分支指令，其中，一常數（正値或負値）與目前程式計數器 p c相加以決定下一指令的位址。注意單一加法器3 6 〇掌控 程式計數器的增量運算，還有相關分支位址的計算這二 者。 特別重要的是決定步驟v i i及viii此二者。根據本發明在 這一方面的特性，此指令集包含"Branch If，Else Return „ I曰令’其中，假如條件爲眞，程式分支至指定或相關位 址；但假如條件爲假，則堆疊爆出轉回位址以呼叫一副程 式，而程式由該副程式轉回。一條件説明内的，，Else Return"結構指令，此指令對副程式執行重複運算時特別 有效及效率；其中，該相同指令用來分支至一位址以執行 下一迭代，或當所有迭代已完成時轉回。其他決定下一後 續指令的技術變化，在審視這些公佈後就如同此技藝的一 種普通技巧般明顯。 圖4闡釋處理器4 〇 〇的範例方塊圖。處理器4 〇 〇代表一 種符合上述討論特點與性能、有效及有效率的架構。圖4 的範例中，處理線路4 5 0依據微碼指令4 5 5運作，而微碼 指令4 5 5由控制每一開關的控制位元455b，以及處理線路 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------^---------^ (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 505839 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（16 ) 45 0内的狀態裝置所組成。即是説，例如，處理線路45〇 通常由一狀悲機器與微碼指令4 5 5組成，微碼指令4 5 5提 供輸入刺激給狀悲機器’而狀態機器則控制下一狀態的變 遷以及其本身輸出之產生。微碼指令4 5 5，例如，包含一 控制位元，用來決定：是圖1的選擇器16〇已設定提供 的、同時也存在於微碼指令455中的常數k455a ;或是算 述單元AU 110的輸出結果m，何者需要提供至暫存器r〇 1 5 0。微碼指令4 5 5也包含一組控制位元用以決定選擇器 1 8 0所選取的位址輸入，何者需用來定址記憶體〗2 〇 ;此 外，另有一組控制位元決定前置運算裝置1 1 6該執行的運 算；最後，還有一組控制位元決定前置運算裝置i i 4該執 行的運算等等。可認知的，前述指令格式2 〇1、2 〇 2内的 攔位與這些微碼控制位元4 5 5 b是非常一致的。即是說， 根據本發明在這一方面的特性，指令格式2 〇 i、2 〇 2内的 攔位提供微碼指令4 5 5的元件具體而一致的選擇，從而以 最小費用協助處理線路4 5 0的直接控制。 如圖4的説明，指令3 3 1之控制欄位4 1 0與格式欄位2 1 〇 以外的欄位’提供作爲格式映射器的輸入，而預設裝置 4 4 0映射指令3 3 1的每一控制攔位4 1 〇至微碼4 5 5相對應 的控制元件。注意：常數k 4 5 5 a與控制位元4 5 5 b兩者會 影響處理線路4 5 0的運算與結果，且兩者也包含於微碼 4 5 5的控制元件之定義中。 映射/預設裝置440由複數個選擇器441-449組成，而 選擇器441·449會依據指令331指定的格式210，路由控 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注杳？事項再填寫本頁) 505839 A7 B7 五、發明說明（17 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 制攔位4 1 0的每一位元至相對應控制位元4 5 5 b。即是 説’例如圖2中’不同指令格式201和202包含不同搁位 (242、280、282)與（290、220)於指令的位元位置23_ 31。而映射/預設裝置44〇會依據指令331指定的格式 2 1 0，路由不同欄位自指令的相同位元位置至微碼指令的 不同控制元件。 根據本發明在這一方面的特性，即使映射/預設裝置 440缺少指令331的映射攔，藉由每一控制元件455的預 設控制値，仍可適當地控制微碼指令4 5 5的控制元件。即 是説’例如’範例指令格式20 1、202並未包含設定微碼 指令455内常數k 455a的値之常數攔位。在一較佳具體實 施例中，指令3 3 1缺少指定常數攔位的預設解釋爲空運算 (null operation)。即是説，在缺少指定常數値的狀況下， 値k 455a保留如前。或者，假如該指令包含確定的n k跟隨 攔位2 1 2，由ROM 33〇讀取的下一指令Mi，將完全映 射至微碼指令4 5 5的常數k 455a。（爲了更容易了解，類型 映射器4 3 0被解釋爲接收指令3 3 1的格式2 1 〇之控制輸入 而已。爲了支援"k跟隨"的特性，配置類型映射/預設裝 置4 4 0爲：無論何時，當前一指令包含確定的"k跟隨，，攔 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 位2 1 2，即路由完整的指令3 3 i至微碼指令4 5 5的常數k 分段455a)。 在一較佳具體實施例中，結合控制元件4 5 5的多工器/ 選擇器之輸出相依於格式欄位21〇的内容，其輸入則相依 於有效的預設選項。例如，如上所論，較佳具體實施例的 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 公釐） 505839 A7 B7 ----^ 五、發明說明（18 ) -種或更多的格式類型(無解説)包含—少於指令字元全 的常數欄位。當接收這些格式類型時，相對應 2 …49配置爲：選擇零値或記號延伸値，置入常數 k 455a内每一未指足的較高階位 /、A人、b ^ ^，扣令的常數欄 位包含7T個位元，32位元常數k 4 帀数K 心取上面26個位元 將設爲預設値零，或設爲—等於該六個位元中最重要位元 的預設値（記號延伸値），依不同之特殊格式而定。控制位 凡455b同樣被提供預設値，且大部份情形爲零運算。微碼 指令4 5 5之每一控制元件的預設値選擇或條件選擇，可爲 任何値或任何條件；但在一較佳具體實施例中，該預設値 或條件，將設定爲那些符合此技藝内一種普通技巧之一致 性的假定値。即是説，例如，當提供的是縮短的資料常數 時，則較咼階位元歸零；當提供的是位址偏移時，則把較 高階位元當作記號延伸；此二種均爲依此技藝内一種普通 技巧所假定的適當預設値。以相似的方式，控制位元組的 預設條件相對應於格式2 0 2的下一指令攔位2 9 0，被一指 令假定爲與程式計數器的昇級一致的。即是説，當一指令 接收不含下一指令欄位2 9 0的格式2 0 1時，預設解釋模組 4 4 0將設定對應於缺少攔位2 9 0之微碼指令4 5 5適當的控 制元件，進而對選擇器340、350及370設定適當的輸入 以執行程式計數器3 1 0的增量程序，因此對缺少外顯指令 攔位之指令提供一致的、可預期的，以及邏輯的效能。 前述至少説明了本發明的原理。有鑑於此，善於此技藝 的將可設計多種配置，此等配置雖未明述或明示於此，卻 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I --------訂--------線齡 {請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

發明說明（19 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 /、紙表達了本發明的原理，且合於本發明的精神與範疇。 例如’藉由多字元資料項目所定下之條件，可定義條件元 件來識別資料項目中至爲重要的非零字元，以協助多字元 運算之控制，如乘法和加法。其他用以降低該已説明的設 計之複雜度的技術，亦同樣可行。例如，圖1的間接位址 指標器IDA 185可設爲一預定位址，如RAM 12〇的位址〇 ; 從而減少間接位址的定址線路及時間。以相似之方式，可 約束位址暫存器組i 3 〇所定址的資料項目於記憶體i 2 〇指 定的範圍内，如此，暫存器組12〇的寬度便能減少至跨越 此指定範圍内之位址即可，而不需跨越整個記憶體丨2 〇之 位址的寬度，使用範例如偏移基本位址。同樣的，本發明 的原理雖然特別適用於密碼學的應用，但揭示於此的技術 與架構也可應用在其他處理系統，特別是那些處理多資料 項目及/或使用相對簡單但重複運算的系統。再者，雖然 在本範例具體實施例中，採用最小要求之格式以達成低生 產成本的目的，但是仍然可以類似之方式，加入額外的裝 置以改善性能表現或簡化程式設計的工作。此外，本發明 的圖式範例僅供説明用途，例如，圖1説明的單一連接埠 RAM 120，用來提供最少路由&RAM 12〇最小互連面積。 至於一多連接埠RAM，例如二連接埠或三連接埠RAM， 加上一可調解多重定址性能之聯合的格式，藉由應用本發 明的原理，可提供相同指令周期内多重記憶體的存取、存 取記憶體前預設記憶體位址等等功能。其他如此技藝的一 種普通技巧般明顯的系統配置、應用，以及最佳化技術， 有鑑於本發明，均在以下申請專利的精神與範疇内。 ----------—--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -22-

Claims (1)

1. 第089128319號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(91年8月） 六、申請專利範圍 1· 一種處理系統’包含： 一處理器（100，3 00，400)，配置來執行記憶體 (3 3 0 )内之程式指令組（3 3 1 )， 該處理器（100，3 0 0，400)包含： 一程式計數器（3 10)，配置來儲存下一指令位址組 (3 7 1 )，以及 一堆疊（320)，配置來儲存至少一轉回位址，該轉回 位址對應於副程式呼叫指令之執行， 吾亥私式指令組（3 3 1)包含： 一 "branch-else-return "指令使處理器（1 〇 〇，3 G 0， 400)執行： 如有關分支條件為第一狀態，置入一分支位址至程式 計數器（310)作為該下一指令位址（371)，以及 如有關分支條件為第二狀態，置入該至少一轉回位址 至程式計數器（3 1 〇 )作為該下一指令位址（3 7 1 )。 2· —種處理系統，包含： 一處理器（1 0 0，3 0 0，4 0 0 )，配置來執行程式指令組 (3 3 1 )’該程式指令組（3 3 1 )與佔用記憶體（1 2 0 )的多重 字元之資料項目有關·，該處理器（丨〇 〇，3 0 0，4 0 0 )包 含： 一狀態暫存器（11 8 )，包含狀態旗標， 該狀態旗標包含至少一旗標，該至少一旗標相依於對 應選取資料項目的多重字元。 3·如申請專利範圍第2項之處理系統，其中 該至少一旗標至少包含下列其中一項： 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐

   裝 訂

   505839 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍

   一資料為零旗標，指示出：由該多重字元中每一字元 組成的選取資料項目内，其中每一字元含一零值， 一資料為壹旗標，指示出··除了由該多重字元中一最 不重要字元組成的目前資料項目外，其餘由該多重字元 中每一字元組成的選取資料項目内，其中每一字元含一 零值；且該最不重要字元内含一壹值，以及

   一資料為最高旗標，多重字元中最重要且非零字元組 成該選取資料項目。 4· 一種處理系統，包含： 一處理器（1G0，3 0 0，400)，配置來執行指令暫存器 (410)之目前指令（331)，以及 一運算元暫存器（150)，配置來提供一運算元予相依 於目細指令（331)之處理器（1〇〇，300，400)處理；以 訂 及 其中 該目前指令（331)包含一常數跟隨旗標（212)，且處 理器（100，300，400)配置為： 當目前指令（331)之常數跟隨旗標（212)包含一第一 值時，載入一後續字元至運算元暫存器（150)内，以及 當目前指令（331)之常數跟隨旗標（212)包含一第二 值時，載入該後續字元至下一指令週期之指令暫存器 (410)内。 5· —種處理系統，包含： 一處理器（1 0 0，3 0 0，4 0 0 )，配置來執行程式指令組 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X297公釐) ⑽839

   (331)， 一記憶體（120)配置來儲存運算元，每一運算元含有 一對應運算元位址於記憶體（1 2 〇 )内，以及 至少一位址暫存器（130)，配置來儲存運算元位址， 以及 其中 該至少一位址暫存器（130)中每一暫存器，配置為： 由該處理器（100,300, 4 0 0 )接收運算元位.址，以及 提供運算元位址作為記憶體（丨2 〇 )唯一之定址輸入。 6·如申請專利範圍第5項之處理系統，其中 該運算元位址置於運算元位址範圍内，以及 Μ至少一位址暫存器（130)中每一暫存器之大小裁截 至能容納運算元位址範圍跨距的最小尺寸。 7·如申請專利範圍第5項之處理系統，其中 當執行至少一指令時，程式指令組（3 3丨）中至少一指 令執行至少兩位址暫存器之修改作業。 8·如申請專利範圍第5項之處理系統，其中 該處理器（1〇〇 ’ 3 00 ’ 400) ’進—步配置來提供一位 址為零旗標，該位址為零旗標在運算元位址為零時得以 判定， 該運算元位址對應一計數指數，以及 該至少一位址暫存器（130)，進—步配置為··回應該 處理器（100，3 00，400)之減量指令來進行運算元位 址減量，從而可依據該計數指數進行計數運算。 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) ^05839

   9·如申請專利範圍第5項之處理系統，其中 該運算元位址置於運算元位址範圍内，且内含較低位 址與較南位址，以及 、 該程式指令組（3 3 1 )至少包含下列其中一項： 一循環增量指令，其中 於該至少一位址暫存器（130)内進行運算元位址增 量，以及 二在該至少一位址暫存器（130)内之運算元位址大於較 南位址時，於該至少一位址暫存器（130)内重設運算元 位址以相符於較低位址， 一循環減量指令，其中 於孩至少一位址暫存器（1 3 0)内進行運算元位址減 量，以及 在該至少一位址暫存器（130)内之運算元位址小於較 低位址時，於該至少一位址暫存器（1 3 0 )内重設運算元 位址以相符於較高位址， 從而約束該至少一位址暫存器（13〇)内運算元位址於 運算元位址範圍内。 10.如申請專利範圍第9項之處理系統，進一步包含 至少一條件旗標（1 1 8 )，且該條件旗標至少結合下列 其中一項： 藏運算元位址等於較低位址，以及 該運算元位址等於較高位址。 11· 一種處理系統，包含： -4 - 本紙張尺度適财目目家#^iT^ii(210X297公iy 505839

   ABCD 六、申請專利範圍 一處理器（100，300，400)，配置來執行程式指令 (331)， 一記憶體（120)配置來儲存運算元，每一運算元含有 一對應運算元位址於記憶體（1 2 0 )内， 其中 該處理器（100，300，400)包含一算術單元（112)， 以及 該算術單元（112)為 與記憶體（1 2 0 )耦合，因此該算術單元（1 1 2 )僅由記 憶體（1 2 0 )接收第一運算元， 進一步配置為：僅由後述其中一項接收第二運算元 (161):該算術單元（112)之一輸出，以及一常數，以及 進一步配置為：依據第一運算元及第二運算元（161彡 二者中至少其中一者產生輸出。 12·如申請專利範圍第1 1項之處理系統，其中 該算術單元（1 i 2 )僅包含： 一加法器，内含一第一輸入及一第二輸入，依第一輸 入及一第二輸入之算術和作為算術單元（112)的輸出； 一第一運算元選擇器，配置來產生第一輸入作為第一 運算元，以及 一零值； ' 一第二運算元選擇器，配置來產生第二輸入作為下列 其中一項： 該第二運算元（161)， 一第二運算元（161)之反轉， -5· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) - 505839

   一第二運算元（161)之移位，以及 一零值。 13· —種處理系統，包含·· 一處理器（1 〇 〇，3 0 0，4 0 0 )，配置來執行程式指令組 (331)， 程式指令組（3 3 1 )的每一指令依複數個格式類型 (201，202)之一格式類型來格式化， 其中 複數個格式類型（201，202)之每一格式類型包含複 數個欄位（210-290)，其中每一欄位協助運算之執行平行 於每一程式指令之執行。 14·如申請專利範圍第i 3項之處理系統，其中 至少一格式類型（201)之複數個欄位（210-290)的大多 數襴位（212，214，230，240，250，252，260)， 通用於至少另一格式類型（2 02)之複數個攔位（210-290) 的大多數搁位（212，214，230，240，250，252 , 260)〇 15·如申請專利範圍第！ 3項之處理系統，其中 每一格式類型之複數個欄位（210-290 )的大多數欄位對 應於微指令（4 5 5 )之控制元件，該等控制元件控制處理 器（100，300，400)内之開關（160，170，180)與狀 態裝置（150，310，320)的運算。 16·如申請專利範圍第1 3項之處理系統，其中 該處理器（100，300，400)包含： -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

   六、申請專利範圍 〜 -- 一狀態機器（4 5 0)，依每—指令對應之微指令（4 5 5 ) 來執行每一指令， —一格式映射器（4 3 0),依指令之格式類型（21〇)，使 每一指令的每一控制攔位（41〇)與微指令（4 5 5 )内一相 關之控制元件結合，以及 一預設解釋模组（440)，提供一預設條件予微指令 (4 5 5 )内、與每一指令無關的其他控制元件。 17·如申請專利範圍第1 6項之處理系統，其中 該預設條件至少與下列其中一項相依： 該指令之格式類型（210)，以及 该指令之至少一控制搁位。 18. 如申請專利範圍第1 6項之處理系統，其中 該預設條件至少包含下列其中一項： 一載入為零條件，配置來設定至少一其他控制元件之 值為零， 一空條件，配置來脫離至少一不受影響的其他控制元 件， 一載入位元條件，配置來設定至少一其他控制元件之 值等於指令内含之值，以及 一增量條件，配置為使與至少一其他控制元件相關之 值進行增量。 19. 如申請專利範圍第1 3項之處理系統，進一步包含： 一記憶體（1 2 0)含有一資料進入連接埠（丨8 7)與一資 料脫離連接埠（1 8 6 )，此二連接埠配置來協助資料項目 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 505839 --—_ _m ffr DB__ 六、申請專利範圍"~~---- 儲存至該記憶體（i 2 〇 )及自該記憶體（1 2 0 )檢索，以及 其中 複數個襴位（210-290)中，至少一欄位包含一位址選擇 搁位（2 4 0 )， 該選擇欄位（2 4 0 )協助一外部位址連接埠（1 8 8 )進行 選擇作業；該外部位址連接埠（丨8 8 )配置來提供另一處 理器直接存取記憶體（丨2 〇 )内、由該外部位址連接埠 (1 8 8 )定址的位置；且該另一處理器可經由資.料進入連 接埠（187)與資料脫離連接埠（186)儲存及檢索資料項 目。 20·如申請專利範圍第1 3項之處理系統，進一步包含·· 複數個儲存元件（120，130，140)，以及 其中 複數個欄位（2K3-290 )中，至少兩攔位（27〇，28〇)盥 複數個儲存元件（120，130，14〇)中至少兩儲存元件 相結合，以及 當執行至少一指令時，程式指令組（331)中至少一指 令協助至少兩儲存元件之修改作業。 9 ** 8 -