JP2002140236A - マイクロプロセッサおよびデータ保護方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチタスク環境下で、秘密保護の保持に必
要最小限な暗号データの転送でコンテキストの切り替え
を可能にする。 【解決手段】 マイクロプロセッサは、暗号化されたプ
ログラムを第１の暗号鍵（プログラム鍵）を用いて復号
化する命令復号処理部と、復号化されたプログラムによ
って実行されていたデータを第２の暗号鍵（データ鍵）
を用いて暗号化／復号化するデータ暗号／複号処理部を
有する。マイクロプロセッサの鍵ペア管理部は、第１お
よび第２の鍵をペアにして格納する鍵ペアテーブルを有
する。この鍵ペアを特定するタグを、実行プログラムに
関連するデータとともにレジスタファイルに格納する。
鍵ペア管理部のデータ鍵生成部は、新たなプログラム鍵
が与えられた場合に、この鍵で復号されたプログラムが
実行するデータを暗号化／複号化するためのデータ鍵を
生成する。この鍵のペアは、新規の鍵ペアとして鍵ペア
テーブルに格納される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチタスクのプ
ログラム実行環境を支援するマイクロプロセッサと、こ
のマイクロプロセッサによるデータ保護方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】計算機システムでプログラムを実行する
にあたり、保護機能を持つプロセッサが求められてい
る。現在実用化されているプロセッサにおいては、仮想
メモリ管理おける保護機能や、周辺入出力デバイスへの
アクセスの制約などの機構は、マルチタスクの実行環境
を提供する計算機システムの安全性を確保するうえで、
必須の条件とされている。

【０００３】さらに近年では、保護機構を考える上で、
それ自体が保護されるべき一群のプログラムが特に重要
な保護対象となってきている。たとえば、著作権により
保護されているプログラムは、著作権を侵害する形で実
行することが認められない。また、第三者から秘匿すべ
きデータを扱うプログラムもある。秘匿すべきデータを
扱うプログラムが、その実行状態とともに解析される可
能性があるとしたら、データの秘匿性が保証できなくな
り、厳重な保護が要求される。

【０００４】これらプログラムを安全に実行するため
に、暗号学的に安全性を保証するシステムが提案され、
実用化されている。その一つが、耐タンパ・ソフトウェ
アである(David Aucsmith et.al; ``Tamper Resistant
Software: An Implementation'', Proceeding of the 1
996, Intel Software Developer's Conference)。これ
は、プログラムの一部あるいは全部を暗号化して配布・
保存し、これを利用する直前に自らプログラムとデータ
を復号化して実行し、終了時に必要であれば再び暗号化
する技術である。

【０００５】しかし、耐タンパソフトウェア技術は、基
本的に逆アセンブラ、デバッガなどの解析ツールによる
解析を繁雑にするだけのものである。プログラムがプロ
セッサによって実行可能である以上、プログラムの開始
時から順を追って解析していけば必ずプログラムの実行
過程を解読分析することが可能である。つまり、プログ
ラムの配布の過程においては、安全ではあっても、一旦
実行するに至ると、実行する計算機システムにアクセス
する手段をもつ第三者からは、プログラムとそのデータ
を秘匿することはできないものであった。

【０００６】ソフトウェアによって暗号・復号化を行な
うのではなく、暗号化／複号化の処理機能自体をマイク
ロプロセッサに内蔵し、復号したプログラムをマイクロ
プロセッサの外部から隠匿するという一連の技術があ
る。これらは、Hampsonによる米国特許第4,47,902号、H
artmanの米国特許第5,224,166号、Davisの米国特許第5,
806,706号、Takahasiの米国特許第5,825,878号、Leonar
d et.alの米国特許第6,003,117号、特開平11-282756号
などに開示されている。

【０００７】マイクロプロセッサに暗号／複号処理機能
を内蔵する方式に特徴的なことは、マイクロプロセッサ
が、秘密データを外部から物理的に隠蔽された形で保持
できる点にある。すなわち、マイクロプロセッサの破壊
的な検査によっても秘密が開示されない形で、秘密デー
タが保持される。これを次のように利用する。公開鍵暗
号系でいう秘密鍵を、秘密データとしてあらかじめマイ
クロプロセッサに内蔵させる。プログラムは、たとえば
プログラムベンダーにより、ある暗号鍵(共通鍵暗号系
を用いることが一般的である)で暗号化されて、マイク
ロプロセッサに配布される。このとき、暗号鍵を、プロ
セッサの秘密鍵に対応する公開鍵でさらに暗号化してプ
ログラムに添付する。

【０００８】この機構により、プログラム自体を安全な
形で提供することが可能であり、その実行過程を逆アセ
ンブルなどの解析手法を用いて復元することはできな
い。また、プログラムの暗号鍵を知ることなくプログラ
ムを意図する形に改変することは、暗号学的に困難であ
る。

【０００９】しかし、暗号プログラムを実行するこれら
のマイクロプロセッサには、大きな問題点があった。そ
れは、これらマイクロプロセッサは、通常、マルチタス
ク環境を実現するオペレーティング・システム（以下、
「ＯＳ」という）のもとで使用されることである。マル
チタスク環境においては、コンテキスト・スイッチとい
う操作でマイクロプロセッサを時分割することで、複数
のプログラムを見かけ上同時に実行する。このコンテキ
スト・スイッチの過程において、ＯＳは、プロセッサの
実行状態の全てを読み書きすることが可能である。した
がって、ＯＳの挙動を解析すること、あるいはＯＳ自体
を改竄することにより、暗号で保護されているはずのプ
ログラムも、その実行状態が全て解析されるおそれがあ
る。

【００１０】この問題に対して、従来技術は部分的な解
決策を提案している。たとえば、特開平第11-282756号
公報は、アプリケーションの持つ秘密情報を保存するた
めにプロセッサ内に設けられた秘密メモリの技術を開示
している。この例では秘密メモリの中のデータへアクセ
スするために、予め定められた参照値を必要とする。し
かしながら、同一のプロセッサで複数のプログラムが走
っている場合に、特にオペレーティング・システムか
ら、秘密データのアクセス権を得るための参照値をどの
ように保護するかは、なんら開示されていない。

【００１１】また、特許出願番号第２０００−１３５０
１０号公報に開示される技術では、コンテキスト・スイ
ッチをハードウェアで行ない、そのときにレジスタファ
イルの内容を暗号化した上でメモリに一時的に退避する
ことにより、オペレーティング・システムからプログラ
ムの実行状態を隠匿している。これにより、メモリに退
避したプロセッサの実行状態を解析して秘密データを復
元することは暗号学的に困難となり、暗号プログラムの
安全性を保証することができる。しかしながら、この技
術にも、次のような問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】第１の問題は、暗号に
よる保護の対象がレジスタファイルに限定されている点
である。マイクロプロセッサ内部に、レジスタファイル
以外に多数あるいは大容量のメモリを持つ場合も想定さ
れ、その場合、コンテキスト・スイッチングの負荷は容
量に比例して大きくなると思われる。しかし上記公報に
は、これら内部メモリをどのように保護するか、あるい
はコンテキスト・スイッチの負荷をいかに軽減するか
は、まったく開示されていない。

【００１３】たとえばプロセッサが大容量の内部メモリ
を持つ場合、従来の技術では、メモリのすべてを保護で
きないため、保護データの漏洩は避けられない。また、
すべてを保護しようとすると、大容量のため暗号処理に
伴う性能劣化を招き、実用化する上での大きな制約とな
っている。

【００１４】大容量のキャッシュ・メモリを持つプロセ
ッサにおいて、コンテキスト・スイッチの負荷を軽減さ
せるために用いられる手法に、キャッシュの連想メモリ
部でのヒット・ミスヒットの判定に用いるタグに、キャ
ッシュされているデータを所有するプロセスを特定する
識別子を含ませるという方法が知られている(以下、プ
ロセス・タグ方式と呼ぶ)。

【００１５】しかし、この方法を単純に適用することは
難しい。プロセスとは、オペレーティング・システムが
プロセッサを仮想化するために用いる概念であり、プロ
セッサそのものがプロセスを特定する識別子を扱うこと
は困難だからである。また、仮に、プロセッサがプロセ
スを特定する識別子によってデータへのアクセスを保護
する仕組みを持つとしても、プロセス識別子がオペレー
ティング・システムの管理下にある以上、オペレーティ
ング・システムの改竄による秘密の漏洩に対しては、と
るべき措置がない。

【００１６】第２の問題点は、コンテキストのスイッチ
ングがハードウェアで固定されており、すべてのレジス
タが保存あるいは復帰されることになり、柔軟性に欠け
る点である。たとえば、頻繁に起きる例外の処理のとき
には、レジスタファイルの一部だけを保存・復帰すると
いった最適化が望まれるが、特許出願番号第２０００−
１３５０１０号公報に開示される技術では、レジスタフ
ァイルの内容がすべて一括して保存・復帰される。

【００１７】そこで、本発明の第１の目的は、プログラ
ム自体の秘密と、プログラムが扱うデータの秘密の双方
を暗号学的に保証するとともに、マルチタスク環境下で
コンテキスト・スイッチの負荷を軽減させることのでき
るマイクロプロセッサを提供することにある。

【００１８】本発明の第２の目的は、マルチタスク環境
下で、必要な部分だけのデータの保存・復帰を可能にす
るために、保護対象の処理の最適化を行なうことにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記第１および第２の目
的を同時に達成するために、本発明では、基本的に、公
開鍵暗号系によるプログラムの暗号化鍵の配布方式を前
提とし、公開鍵暗号系で与えられる、暗号プログラムを
復号するためのプログラム鍵（第１の鍵）と、このプロ
グラムによって処理されたデータを暗号化／複号化する
ためにマイクロプロセッサが生成するデータ鍵（第２の
鍵）とを、鍵ペアとして関連付けて保持する鍵管理方式
を提案する。この方式によれば、マイクロプロセッサ
は、暗号化されたプログラムを第１の鍵を用いて復号化
し、第１の鍵に対応する第２の鍵を生成するとともに、
これらの鍵の組み合わせに対して識別子を与える。第１
の鍵と第２の鍵は、鍵ペアとして鍵ペアテーブルに書き
込まれ、前記識別子はこの鍵ペアを特定するために以降
の処理で使用される。復号化されたプログラムの実行中
には、このプログラムの復号に用いた第１の鍵の鍵ペア
に与えられた識別子を提示しておく。割り込みなどによ
り、復号されたプログラムの実行が中断される場合は、
このプログラムによって処理されていたデータを、現在
の識別子に対応する第２の鍵で暗号化し、外部のメモリ
等に退避させる。処理されたデータに対するアクセス権
の判定には、鍵ペアの一致を用いることで、プロセス間
のデータの保護を暗号学的に保証する。

【００２０】このような方式を実現するために、本発明
に係るマイクロプロセッサは、暗号化されたプログラム
を第１の暗号鍵（たとえばプログラム鍵）を用いて復号
化する命令復号処理部と、復号化されたプログラムによ
って実行されていたデータ（すなわちプロセスの実行状
態）を第２の暗号鍵（たとえばデータ鍵）を用いて暗号
化／復号化するデータ暗号／複号処理部と、第１および
第２の鍵をペアにして格納する第１の記憶領域（たとえ
ば鍵ペアテーブル）を有する鍵ペア管理部と、この鍵ペ
アを特定するタグ（識別子）を、前記プログラムに関連
するデータとともに格納する第２の記憶領域（たとえば
レジスタファイル）とを有する。

【００２１】プログラム鍵とデータ鍵のペアは不可分に
格納され、これをプログラムの側から操作するときに
は、鍵ペアをプロセッサに固有の秘密鍵で暗号化した形
でのみ操作される。これにより、暗号化プログラムの実
行にあたり、プログラム自体の解析を暗号学的に困難と
し、かつプログラムの実行状態の解析をオペレーティン
グ・システムからも困難とする。また、鍵ペアを特定す
るタグを対応する各データに添付することによって、暗
号処理を伴うデータ転送を、秘密保持に必要最小限の範
囲で行なうことができる。

【００２２】暗号化プログラムを復号するためのプログ
ラム鍵は、公開鍵暗号系で与えられる。マイクロプロセ
ッサは、データ鍵生成部をさらに有し、新たなプログラ
ム鍵が与えられた場合に、このプログラム鍵で復号され
たプログラムによって実行されるデータを暗号化／複号
化するためのデータ鍵を生成する。このようにして生成
された鍵のペアは、鍵ペアテーブルに格納される。

【００２３】マイクロプロセッサは、現在実行中のプロ
グラムに用いられている有効な鍵ペアの識別子である、
実効鍵ペア識別子を格納する第３の記憶領域（システム
レジスタ）を有する。プログラムが、ユーザモードで実
行しているときに、割り込みなどによりカーネルモード
に遷移すると、実効鍵ペア識別子は、カーネルモードを
示す特定の値に切り替わる。これにより、ユーザモード
のプログラムと、割り込み処理プログラムとを明確に区
別することができる。割り込み処理プログラムが、ユー
ザモードのプログラムによって第２の記憶領域に納めら
れていたデータを外部に一時的に退避させるにあたっ
て、データ暗号／復号処理部は、そのデータに付随する
識別子が指定する暗号鍵を用いて、外部メモリに転送す
る。これにより、割り込み等による例外発生時にも、デ
ータの安全は保護される。

【００２４】鍵ペアテーブルは、第１の鍵（プログラム
鍵）と第２の鍵（データ鍵）を１対１対応でペアにし
て、複数の鍵ペアを格納する。

【００２５】あるいは、鍵ペアテーブルは、第１の鍵の
インデックスと、第２の鍵のインデックスとを関連付け
て格納する参照格納領域と、第１および第２の鍵を個別
に格納する鍵格納領域とを含む構成としてもよい。この
場合、鍵のインデックス自体はサイズが小さく、参照領
域の記憶容量は少なくてすむ。また、個別に格納された
第１および第２の鍵は、インデックスによって指定され
ることになるので、たとえば、マルチタスク環境下で、
同じひとつのプログラムに対して異なる種類のデータが
処理されている場合など、インデックスを用いて、プロ
グラムの鍵と、処理データの鍵とを適正に組み合わせて
複数の鍵ペアを特定することが可能になる。

【００２６】マイクロプロセッサは、第２の記憶領域と
第３の記憶領域に接続されるメモリアクセス部をさらに
有する。メモリアクセス部は、転送すべきデータに添付
された鍵ペアの識別子と、実効鍵ペア識別子とに基づい
てデータ転送の可否を判断するデータ転送判定部を有す
る。

【００２７】マイクロプロセッサはまた、第２の記憶領
域と第３の記憶領域に接続される論理演算部をさらに有
する。論理演算部は、演算のオペランドに添付された識
別子と、実効鍵ペア識別子とに基づいて演算実効の可否
を判断する演算実効判定部を有する。

【００２８】このように、鍵ペアを特定する識別子を、
マイクロプロセッサ内で扱うデータに付加し、データ転
送や演算操作の際に、データに付随する鍵ペアの識別子
をアクセス権や演算可否の判断に用いることによって、
データの安全性を一層向上することができる。

【００２９】第２の記憶領域は、複数のエントリから成
り、各エントリが、プログラムに関連するデータと、そ
のデータに用いられる鍵ペアを特定する識別子とを有す
る。この構成により、たとえば割り込みによりカーネル
モードでの処理が希望され、第３記憶領域の実効鍵ペア
識別子の値がカーネルモードを示す値を取った場合に、
所望のエントリのデータおよび対応する識別子だけを暗
号化して、外部メモリに退避させることが可能になる。
すなわち、割り込み発生時に、第２記憶領域内にあるデ
ータ全体の退避に加えて、その一部だけを暗号化して退
避させることが可能になる。

【００３０】本発明のその他の特徴、効果は、以下の詳
細な説明でいっそう明確になる。

【００３１】

【発明の実施の形態】＜第１実施形態＞図1から図１５
を参照して、本発明の第一実施形態にかかるマイクロプ
ロセッサを説明する。本発明において、マイクロプロセ
ッサは、暗号化プログラムをマルチタスク環境下で実行
することを前提とする。

【００３２】図1は、本発明の第一実施形態に係るマイ
クロプロセッサ１０１の機能構成を示すブロック図であ
る。マイクロプロセッサ１０１は、プログラムを実行す
るプロセッサ・コア２０１、プログラムの命令列を一時
的に格納する命令キャッシュ３０１、このプログラムに
よって処理されるデータを一時的に格納するデータキャ
ッシュ４０１、暗号化されたプログラムを実行時に復号
してプロセッサコアに供給する命令復号処理部５０１、
復号されたプログラムによって実行されていたデータを
暗号化あるいは復号化するデータ暗号／複号処理部６０
１と、鍵ペア管理部７０１を有する。

【００３３】命令復号処理部５０１において、暗号化プ
ログラムの復号には、公開鍵系で与えられるプログラム
鍵を用いる。また、プログラムが実行していたデータの
暗号化／複号化には、プログラム鍵に対応して生成され
たデータ鍵を用いる。第１実施形態の特徴として、鍵ペ
ア管理部７０１は、このプログラム鍵とデータ鍵とを１
対１対応でペアにして格納する鍵ペアテーブルを有する
が、これについての詳細は後述する。

【００３４】また、プロセッサ・コア２０１は、システ
ムレジスタ２１０と、レジスタファイル２３０を含む。
システムレジスタ２１０は、現在実行中のプログラムの
ための鍵ペアを特定するタグ（識別子）を提示する。レ
ジスタファイルは、プログラムデータあるいは処理デー
タを、それに対応する鍵ペアのタグとともに格納する。
これらの機能の詳細については後述する。

【００３５】マイクロプロセッサ１０１はさらに、プロ
セッサ・バス１０２、外部バス・インタフェース１０３
を有し、マイクロプロセッサの外部にあるメモリや周辺
デバイスと外部バス・インタフェース１０３を介して接
続される。

【００３６】プロセッサ・コア２０１、命令キャッシュ
３０１、データ・キャッシュ４０１は、図１において破
線１０４で示される保護領域内にある。マイクロプロセ
ッサ１０１の保護領域１０４は、外部あるいはＯＳから
保護される領域であり、この領域内部ではデータは平文
状態で取り扱われる。一方、保護領域１０４の外部で
は、秘匿すべきデータは必ず暗号化されている。保護領
域外部から、暗号化されたデータが保護領域１０４の内
部に読み込まれるときに、それが命令として読み込まれ
るときには命令復号化部５０１で復号化され、データと
して読み込まれるときには、データ暗号復号化部６０１
で復号化される。復号化にあたって使用するプログラム
鍵およびデータ鍵は、鍵ペア管理部７０１から供給され
る。

【００３７】上述したように、第１実施形態の特徴とし
て、復号化された平文状態のデータには、暗号操作を経
たことを示す属性として、復号処理に用いた鍵ペアを特
定するタグが付加され、プロセッサコア２０１内のレジ
スタファイル２３０に格納される。

【００３８】図２および図３は、マイクロプロセッサ１
０１の処理操作の大まかな流れを示す。

【００３９】まず、図２に示すように、ステップＳ２１
で、マイクロプロセッサ１０１の外部のメモリに格納さ
れた暗号化プログラムの命令列を、現在実行中のプログ
ラムの有効な鍵ペア（以下、「実効鍵ペア」と称する）
のプログラム鍵を用いて復号化する。現在の実効鍵ペア
は、システムレジスタに鍵ペアのタグが提示されている
ので、このタグに基づいて知ることができる。図２の例
では、実効ペアタグの値は＃１である。このタグ値に基
づいて、鍵ペア管理部の鍵ペアテーブルからタグ＃１に
対応するプログラム鍵を読み出す。

【００４０】次に、ステップＳ２３に示すように、復号
化されて平文状態になった命令列にしたがって、プログ
ラムを実行する。このプログラムの実行、すなわち演算
操作の結果得られたデータには、鍵ペアタグが添付され
て、レジスタファイル２３０に格納される。

【００４１】次にステップＳ２５に示すように、レジス
タファイルのデータをいったんデータキャッシュ４０１
に転送する。

【００４２】最後に、ステップＳ２７に示すように、こ
のデータに添付された鍵ペアタグに基づいて、鍵ペアテ
ーブルからデータ鍵を取りだし、データ鍵でデータを暗
号化する。暗号化されたデータを外部メモリに転送する
（退避させる）。

【００４３】図３は、退避させたデータの復帰処理フロ
ーである。まず、復帰するにあたって使用するべき鍵ペ
アタグを特定する。そして、外部メモリから暗号化され
たデータをマイクロプロセッサ内部に取り込む。鍵ペア
タグが指定するデータ鍵を鍵ペアテーブルから取り出
し、これを用いてデータを復号し、保護領域の内にある
データキャッシュ４０１にキャッシュする。

【００４４】次に、ステップＳ３３に示すように、デー
タキャッシュ４０１上の平文データをレジスタファイル
２３０に転送する。そして、ステップＳ３５に示すよう
に、レジスタファイル２３０上のデータに対する演算操
作を再開する。

【００４５】図４から図１１は、このような操作を行な
うマイクロプロセッサ１０１の各構成要素の詳細図であ
る。これらの図に基づいて、各要素の構成と、鍵ペア・
タグによる保護機能について説明する。

【００４６】図４は、プロセッサ・コア２０１の詳細な
構成例を示す。以下の説明においては、MIPS Technolog
ies社のRISC型マイクロプロセッサのアーキテクチャ
に、本発明に基づく変更を加えたものを例にとって説明
する。より具体的には、プロセッサのパイプライン構成
については、MIPS Technologies社のＲ３０００系のも
のを、命令セットについては、MIPS-IないしはMIPS-IV
命令セットを例にとって説明するが、これは本発明の適
用範囲をMIPS Technologies 社のプロセッサに限定する
ものではない。

【００４７】なお、図４のプロセッサ・コア２０１の５
つのパイプラインステージＩＦ（instruction fetc
h）、ＲＦ（register read）、ＥＸ（execution）、Ｍ
ＥＭ（memory access）、ＷＢ（write back）を左端に
示す。

【００４８】プロセッサ・コア２０１は、システムレジ
スタ２１０と、命令フェッチ・デコーダ２２０と、レジ
スタファイル２３０と、演算部２５０と、メモリアクセ
ス部２６０を含む。

【００４９】システムレジスタ２１０は、MIPS R3000の
CP0に相当するシステム・レジスタをもとにして、仮想
アドレス管理や例外処理機能に追加して、現在実行して
いるプロセスを特定する有効な鍵ペアのタグを格納する
実効鍵ペアタグ・レジスタ２１１を備える。すなわち、
実効鍵ペアタグ・レジスタ２１１は、現在実行中の有効
なプログラムと、このプログラムによって処理されてい
るデータとを暗号処理する鍵のペアを示すタグを格納し
ている。

【００５０】命令フェッチ・デコーダ２２０は、プログ
ラムカウンタ２２１と、命令バッファ２２２と、命令実
行制御部２２３を含む。命令実行制御部２２３の制御の
もとに、プログラムカウンタ２２１の指すアドレスか
ら、命令を命令バッファ２２２にフェッチし、これをデ
コードして、各データ・パスを制御する信号(図中では
省略)を生成する。

【００５１】第１実施形態では、命令キャッシュ３０１
への読み出し要求のパラメータとして、命令アドレスに
加えて、現在実行中のプロセスを示す実効鍵ペアタグ・
レジスタ２１１の値も送られる。

【００５２】レジスタファイル２３０は、各レジスタ２
３１において、レジスタデータ部２３１−１とともに、
本発明に特徴的なレジスタタグ部２３１−２を持つ。レ
ジスタタグ部２３１−２は、そのレジスタに格納された
データの暗号による保護属性を示す鍵ペア・タグが格納
される。

【００５３】命令実行パイプラインのＲＦ（レジスタ・
リード）フェーズでは、レジスタデータ部２３１−１の
内容がオペランド・バス２４０に、レジスタタグ部２３
１−２の内容がオペランドタグ・バス２４１に置かれ
る。

【００５４】算術論理演算部２５０は、命令実行パイプ
ラインのＥＸフェーズに相当する。第１実施形態では、
算術論理演算部２５０は、通常の演算器（演算データパ
ス）２５１の他に、演算オペランドタグ判定部２５２を
備える。図５に示すように、演算オペランドのタグ判定
部２５２は、少くとも、演算の種類、演算のオペランド
に付加されたタグの値、および実効鍵ペア・タグの三つ
の値に応じて、演算の実行の可否を決定する機能を持
つ。演算の種類は、実効制御部２２３からタグ判定部２
５２に入力され、タグ値は、レジスタファイルのタグ部
２３１−２から入力される。現在の実効鍵ペア・タグ
は、システムレジスタ２１０の実効鍵ペア・タグ・レジ
スタ２１１から入力される。タグ判定部２５２によって
実行が否決された場合には、プロセッサ・コア２０１
は、再開のできない例外を発生し、その命令はアボート
される。実行が可決された場合には、命令に実行結果が
存在すれば、その結果のデータがリザルト・バス２８０
に、結果の鍵ペア・タグがリザルトタグ・バス２８１に
置かれる。

【００５５】メモリアクセス部２６０は、命令実行パイ
プラインのＥＸ／ＭＥＭフェーズに相当する。第１実施
形態では、メモリアクセス部２６０は、通常のアドレス
計算部２６１の他に、データ転送タグ判定部２６２を有
する。メモリアクセス部２６０は、データ・キャッシュ
４０１への読み書き要求のパラメータとして、アドレス
計算部２６１で求めたデータ・アドレスに加えて、オペ
ランドに付加されたタグの値あるいは実効鍵ペア・タグ
の値の、いずれか一方も送出する。データ転送タグ判定
部２６２は、少くとも、データの転送元、データの転送
先、転送するデータに付加されたタグの値、および実効
鍵ペア・タグの四つの値に応じて、転送の実行の可否を
決定する機能を持つ。実行が否決された場合には、プロ
セッサ・コアは、再開のできない例外を発生し、その命
令はアボートされる。実行が可決された場合には、命令
に実行結果が存在すれば、その結果のデータがリザルト
・バス２８０に、結果の鍵ペア・タグがリザルトタグ・
バス２８１に置かれる。

【００５６】鍵ペア管理部インタフェース２７０は、本
発明に固有のものであり、後述する鍵ペア管理部７０１
を制御するためのものである。

【００５７】命令実行パイプラインのWBステージでは、
リザルト・バス２８０上のデータと、リザルトタグ・バ
ス２８１上の鍵ペア・タグが、必要であれば、レジスタ
ファイル２３０に書き戻される。

【００５８】図６は、現在の実効鍵ペア・タグを提示す
るシステムレジスタ２１０の構成図である。実効鍵ペア
・タグ・レジスタ２１１は、現在実行中のプログラムの
有効な鍵ペアのタグを提示する。第１実施形態では、鍵
ペア・タグのうち、２つのタグ値を、特別な用途のため
に予約している。

【００５９】一つは、暗号処理を行わないことを示すた
めのタグ値である(これをゼロ・タグと呼ぶ)。命令復号
処理部５０１と、データ暗号処理部６０１においては、
鍵ペア・タグとしてゼロ・タグ（Tag-0）が提示される
と、暗号操作を行わずに、データ(あるいは命令)をその
まま転送する。

【００６０】もう一つは、プロセッサの動作モードとし
て、カーネルモードが選択されている時に用いるために
予約されているタグ値（tag-K）である。このタグ値に
対応する鍵ペアには、カーネルモードで実行するプロセ
ス(通常の計算機システムにおいては、オペレーティン
グ・システム)のプログラム鍵およびデータ鍵が登録さ
れる。

【００６１】実効鍵ペア・タグ・レジスタ２１１は、カ
ーネルモードでの鍵ペア・タグを格納するカーネル鍵ペ
アタグ・レジスタ２１１ー１と、ユーザモードでの鍵ペ
ア・タグを格納するユーザ鍵ペアタグ・レジスタ２１１
−２を備え、そのときのプロセッサの実効モードにより
いずれかが選択されて、以下の処理で有効な鍵ペアタグ
（実効鍵ペアタグ）として出力される。

【００６２】図７は、命令キャッシュ３０１の詳細な構
成例を示す。命令キャッシュ３０１は、複数の命令キャ
ッシュライン３０２の配列で構成される。本発明のキャ
ッシュラインは、キャッシュ中のアドレスの検索方法は
公知の手法で行うが、本発明に特徴的な要素として、各
命令キャッシュラインは、そのラインにキャッシュされ
ているプログラムデータの保護属性を示す、すなわちキ
ャッシュされているプログラムデータに作用させるべき
プログラム鍵を示す鍵ペア・タグを格納する領域３０２
−１を有する。鍵ペア・タグ領域３０２−１の大きさ
は、後述する鍵ペアテーブルの全エントリをインデック
スできるだけのビット数があればよい。たとえば６４エ
ントリの鍵ペアテーブルを用いるとすれば、６ビットあ
れば十分である。なお、プログラムデータの外部メモリ
での所在を示すアドレスや、その状態を示す領域も、各
キャッシュラインに設けられている。

【００６３】図８は、データ・キャッシュ４０１の詳細
な構成例を示す。データキャッシュ４０１は、複数のデ
ータキャッシュライン４０２の配列で構成される。デー
タキャッシュラインもまた、そのラインにキャッシュさ
れている処理データの保護属性を示す、すなわちキャッ
シュされている処理データに作用させるべきデータ鍵を
示す鍵ペア・タグを格納する領域４０２−１を有する。
外部メモリのアドレスおよび状態を示す領域が設けられ
ているのは、命令キャッシュ３０１と同様である。

【００６４】図９は、命令復号処理部５０１の詳細な構
成例とその動作を示す。命令復号処理部５０１は、復号
化処理の対象となっているプログラムデータやその暗号
鍵を一時的に保持するコマンドデータ・レジスタ５０２
と、共通鍵による復号化を行う命令復号演算器５０３
と、これらを制御するための命令復号制御部５０４とか
ら構成される。

【００６５】命令復号処理部５０１はまず、命令キャッ
シュ３０１から読み出し要求を受ける。このときのパラ
メータは、外部メモリのアドレスと、読み出したプログ
ラムデータに対して作用させる暗号鍵（プログラム鍵）
を特定する鍵ペア・タグである。まず、アドレスをパラ
メータとして外部メモリに読み出し要求を出す。また、
鍵ペア・タグをパラメータとして、鍵ペア管理部７０１
にプログラム鍵の読み出し要求を出す。

【００６６】これらの読み出し要求に応じて外部メモリ
から送られてきた暗号化プログラムデータとプログラム
鍵は、コマンドデータ・レジスタ５０２に格納される。
命令復号演算器５０３は、コマンドデータ・レジスタ５
０２上の暗号化されているプログラムデータに対してプ
ログラム鍵を作用させ、暗号プログラムデータを復号化
する。復号化が完了すると、平文のデータが命令キャッ
シュへと出力される。

【００６７】図１０は、データ暗号処理部６０１の詳細
な構成例とその動作を示す。データ暗号処理部６０１
は、プログラムによって処理された平文状態あるいは暗
号状態のデータを一時的に格納するコマンドデータ・レ
ジスタ６０２と、共通鍵による暗号化／復号化を行なう
データ暗号／復号演算器６０３と、これらを制御するた
めのデータ暗号制御部６０４とから構成される。

【００６８】データ暗号処理部６０１は、データキャッ
シュ４０１から読み出しおよび書き込み要求を受ける。
読み出し要求は、たとえば割り込みによる例外発生時
に、一時的に外部のメモリに退避させておいたデータ
を、割り込み処理後に呼び戻す場合に、発せられる。書
き込み命令は、割り込み発生時に、それまで処理してい
たデータを護るためにいったん暗号化して外部のメモリ
に書き込む場合に発せられる。

【００６９】読み出し要求のパラメータは、外部メモリ
のアドレスと、読み出したデータに対して作用させる暗
号鍵を特定する鍵ペア・タグである。まず、アドレスを
パラメータとして外部メモリに読み出し要求を出す。ま
た、鍵ペア・タグをパラメータとして鍵ペア管理部７０
１にデータ鍵の読み出し要求を出す。外部メモリに暗号
化された状態で格納されていた処理データと、鍵ペア管
理部７０１からのデータ鍵は、コマンドデータ・レジス
タ６０１に格納される。データ暗号演算器６０２は、コ
マンドデータ・レジスタ６０２上のデータに対してデー
タ鍵を作用させ、暗号化されていたデータを復号化す
る。復号化が完了すると、平文のデータがデータ・キャ
ッシュへと出力される。

【００７０】一方、書き込み要求のパラメータは、処理
データを書き込むべき（すなわち一時的に退避させるべ
き）外部メモリのアドレスと、転送するデータと、デー
タに対して作用させる暗号鍵を特定する鍵ペア・タグで
ある。まず、鍵ペア・タグをパラメータとして鍵ペア管
理部７０１にデータ鍵の読み出し要求を出す。データ暗
号／復号演算器６０３は、コマンドデータ・レジスタ６
０２上の平文データに対してデータ鍵を作用させ、平文
データを暗号化する。暗号化が完了すると、暗号化され
たデータが外部メモリへと出力される。

【００７１】図１１は、鍵ペア管理部７０１の詳細な構
成例を示す。鍵ペア管理部７０１は、プロセッサ・コア
２０１とのインタフェース７０２と、命令復号処理部５
０１とのインタフェース７０３と、データ暗号処理部６
０１とのインタフェース７０４と、鍵ペア・テーブル７
１０と、鍵ペア制御部７２０とから構成される。

【００７２】鍵ペア・テーブル７１０は、複数の鍵ペア
のエントリー７１１を有する。それぞれの鍵ペアは、プ
ログラム鍵７１１−１とデータ鍵７１１−２とから構成
される。本発明でいう鍵ペア・タグとは、この鍵ペアの
配列からなる鍵ペア・テーブル７１０のインデックスで
ある。鍵ペア・テーブル７１０の動作は、以下で説明す
る三つの読み出し操作と、一つの書き込み操作である。

【００７３】（１）プログラム鍵の読み出し 命令復号処理部５０１と鍵ペア管理部７０１との間で行
われる動作であり、命令復号処理部インタフェース７０
３と接続されるポートを介する読み出し操作である。命
令復号処理部５０１のレジスタにある鍵ペア・タグ（す
なわちインデックス）によって特定される鍵ペアのプロ
グラム鍵を取り出して出力する。

【００７４】（２）データ鍵の読み出し データ暗号／復号処理部６０１と鍵ペア管理部７０１と
の間で行われる動作であり、データ暗号処理部インタフ
ェース７０４と接続されるポートを介する読み出し操作
である。データ暗号／復号処理部６０１のレジスタにあ
る鍵ペア・タグ（すなわちインデックス）により特定さ
れる鍵ペアのデータ鍵を取り出して出力する。

【００７５】（３）鍵ペアの読み出し プロセッサ・コア２０１と鍵ペア管理部７０１との間で
行われる動作であり、鍵ペア制御部７１０と接続される
ポートを介する読み出し操作である。鍵ペア・タグによ
り特定される鍵ペアのプログラム鍵とデータ鍵の両方を
出力する。

【００７６】（４）鍵ペアの書き込み 鍵ペア制御部７２０と接続されるポートを介する書き込
み操作であって、パラメータとして与えられるプログラ
ム鍵とデータ鍵とを、インデックスにより指定される鍵
ペアテーブル上の鍵ペアとして格納する。

【００７７】鍵ペア管理部７０１の鍵ペア制御部７２０
は、プロセッサ・コア２０１からの要求に従い、次の三
つの操作を行なう。

【００７８】（１）新しい鍵ペアの登録 新規の暗号プログラムを実行する場合、その暗号プログ
ラムを復号するためのプログラム鍵と、このプログラム
によって実行処理されたデータを暗号化／復号化するた
めのデータ鍵をペアにして新規に登録する必要がある。
鍵ペア制御部７２０は、プロセッサ・コア２０１から、
プログラム鍵をプロセッサの公開鍵で暗号化したプログ
ラム鍵データと、これに用いられることになる鍵ペア・
タグを提示される。プログラム鍵データは、鍵登録用レ
ジスタ７２１に格納され、一方、鍵ペア・タグは鍵ペア
・テーブル７１０へのインデックスとして用いられる。

【００７９】公開鍵暗号処理部７２２は、プロセッサの
秘密鍵を用いて、鍵登録用レジスタ７２１上の鍵データ
を復号化し、鍵ペア・レジスタ７２４のプログラム鍵格
納領域７２４−１に格納する。また、データ鍵生成部７
２３は、任意の手段、たとえば乱数発生機能でデータ鍵
を生成し、これを鍵ペア・レジスタ７２４のデータ鍵格
納領域７２４−２に格納する。鍵ペア制御部７２０は、
これら二つの鍵がレジスタ７２４に格納されると、鍵ペ
ア・テーブル７１０の鍵ペア書き込み操作に基づいて、
鍵ペア・テーブル７１０に新規の鍵ペアを登録する。

【００８０】（２）既存の鍵ペアの読み出し 鍵ペア制御部７２０は、プロセッサ・コア２０１から、
必要な鍵ペア・タグを提示する。この鍵ペア・タグは鍵
ペア・テーブル７１０へのインデックスとして用いられ
る。鍵ペア・テーブル７１０は、その読み出し操作によ
って、インデックスが指定する鍵ペアを取り出し、その
結果を鍵ペア制御部７２０の鍵ペア・レジスタ７２４に
格納する。鍵ペア暗号処理部７２５は、鍵ペア・レジス
タ７２４上に格納されている平文状態のプログラム鍵７
２４−１とデータ鍵７２４−２とを、一つのデータとし
てプロセッサの秘密鍵を用いて暗号化し、その結果を暗
号化鍵ペア・レジスタ７２６に格納する。鍵ペア制御部
７２０は、暗号化鍵ペア・レジスタ７２６上のデータを
プロセッサ・コアへの出力とする。

【００８１】（３）既存の鍵ペアの書き込み 鍵ペア制御部７２０は、プロセッサ・コア201から、鍵
ペア・タグ、およびプロセッサの秘密鍵で暗号化された
鍵ペアである鍵ペア・データが提示される。鍵ペア・デ
ータは暗号化鍵ペア・レジスタ７２６に格納され、鍵ペ
ア・タグは鍵ペア・テーブル７１０へのインデックスと
して用いられる。 鍵ペア暗号処理部７２５は、暗号化
鍵ペア・レジスタ７２６上のデータを、プロセッサの秘
密鍵を用いて復号化する。結果として得られた平文デー
タは、プログラム鍵およびデータ鍵の２つの鍵として、
鍵ペア・レジスタ７２４に格納される。鍵ペアテーブル
７１０は、その書き込み操作に基づいて、レジスタ７２
４上の鍵ペアを書き戻す。

【００８２】本発明のマイクロプロセッサには、内部に
データを格納するためのメモリが複数存在する。さら
に、外部メモリ・インタフェース１０３を介してアクセ
スされる外部メモリが存在する。これらのうち、マイク
ロプロセッサの内部にあって、鍵ペア・タグを格納する
領域が付加されているメモリ（たとえばシステムレジス
タ２１０、レジスタファイル２３０など）を、「内部メ
モリ」と呼ぶ。内部メモリのうち、さらにこれがキャッ
シュ・メモリ（たとえば命令キャッシュ３０１、データ
キャッシュ４０１など）である場合には、「内部キャッ
シュ・メモリ」と呼ぶ。プロセッサの外部にあるメモ
リ、あるいは、プロセッサの内部にあるが鍵ペア・タグ
を格納する領域を持たないメモリは、「外部メモリ」と
呼ぶ。

【００８３】以下で、これらのメモリの間でのデータ転
送の詳細について述べる。メモリ間の転送には、転送元
と転送先が、内部であるか外部であるかによって、(i)
内部メモリから内部メモリへ、(ii)内部メモリから外部
メモリへ、(iii)外部メモリから内部メモリへ、(iv)外
部メモリから外部メモリへ、の４通りの場合がある。

【００８４】また、本実施形態では、ＲＩＳＣ型のプロ
セッサを仮定しているので、データ転送を転送の要因別
に分けるとすると、次のように場合分けされる。なお、
転送の際に転送先が持つべき鍵ペア・タグの指定につい
ても、示す。

【００８５】（１）プロセッサ・コア２０１の命令フェ
ッチデコーダ２２０による命令フェッチの結果生じるデ
ータ転送 このときの転送先の鍵ペア・タグは、現在実行中の実効
鍵ペアのタグである。

【００８６】（２）プロセッサ・コア２０１のメモリ・
アクセス部２６０でロード命令あるいはストア命令が実
行された結果生じるデータ転送 このときの転送先の鍵ペア・タグは、現在実行中の実効
鍵ペアのタグである。ただし、本発明では、MIPSのロー
ド命令、ストア命令に加えて、新たに、転送先が持つべ
き鍵ペア・タグを命令のオペランドとして指定するタグ
指定付きロード命令、ストア命令を追加する。これらの
命令の命令フォーマットや、オペランドの指定方法につ
いては、任意である。

【００８７】（３）プロセッサ・コア２０１の算術論理
演算部２５０で命令が実行された結果生じるデータ転送 RISC型のプロセッサにおいては、演算命令は、レジスタ
のみをデータ転送先とするので、この場合のデータ転送
は、レジスタファイル２３０上のレジスタ間のデータ転
送でしかあり得ない。転送先の鍵ペア・タグは、現在の
実効鍵ペアのタグである。

【００８８】次に、本実施形態において、秘匿すべきデ
ータを保護するための機構について説明する。データの
保護は、算術論理演算部２５０の演算オペランド・タグ
判定部２５２、メモリ・アクセス部２６０のデータ転送
タグ判定部２６２、および命令実行制御部２２３におい
て実現される。いずれにおいても、共通したタグ判定規
約に従って、データ転送の成立の可否が決定される。判
定の基準に用いるものは、データの転送元を特定する
識別子、転送するデータに付加された鍵ペア・タグ
(「データタグ」と呼ぶ)、および転送先の持つべき鍵
ペア・タグ(「転送先タグ」と呼ぶ)である。

【００８９】データ転送に伴うタグ判定の規約として最
低限必要な規約を、以下にリストする。実施の形態によ
っては、さらに転送を否決する形で限定する規約を加え
てもよい。また、データ転送に伴い、必要であれば暗号
処理が施される。

【００９０】（１）内部メモリ間のデータ転送であっ
て、転送元が内部キャッシュであるときには、データタ
グと転送先のタグが一致しているときに限り、転送を許
可する。データはそのまま転送され、転送先には、デー
タタグが付加される。

【００９１】（２）内部メモリ間のデータ転送であっ
て、転送元が内部キャッシュではないときは、無条件に
データ転送を許可し、データタグを転送先のタグとす
る。

【００９２】（３）内部メモリから外部メモリへのデー
タ転送にあたっては、無条件にデータ転送を許可する。
このとき、データは、データタグが指定する鍵ペアの保
持する暗号鍵（データ鍵）で暗号化される。すなわち、
内部メモリから外部メモリへデータを転送する場合は、
まず、データ暗号処理部６０１でデータタグが指定する
鍵ペアの保持するデータ鍵を用いて暗号化される。命令
フェッチは、読み出し専用であり、外部に書き出すとい
う操作は存在しない。

【００９３】（４）外部メモリから内部メモリへのデー
タ転送にあたっては、無条件にデータ転送を許可する。
このとき、データは、転送先タグが指定する鍵ペアの保
持する暗号鍵で復号化される。すなわち、外部メモリか
ら内部メモリにデータを転送する場合は、それが命令フ
ェッチに由来するデータ転送である時には、命令復号処
理部５０１を経由して、転送先タグが指定する鍵ペアの
保持するプログラム鍵を用いて復号化される。命令フェ
ッチ以外では、データ暗号処理部６０１を経由して、転
送先タグが指定する鍵ペアのデータ鍵を用いて復号化さ
れる。

【００９４】（５）外部メモリ間のデータ転送には、本
実施形態のプロセッサは関与しない。従って、外部メモ
リ間のデータ転送の挙動については、従来技術と同様で
ある。

【００９５】次に、このような保護機能を用いた処理の
例として、オペレーティング・システム（ＯＳ）の基本
的な処理であるコンテキスト・スイッチについて、図１
２〜１４を参照して説明する。前述の通り、例として用
いるのは、MIPS Technologies社のR3000系プロセッサで
ある。

【００９６】前提条件として、ステップＳ１２０１に示
すように、暗号化されたプログラムprogram-1がユーザ
・モードで実行されている。そのプログラムを復号する
ためのプログラム鍵progkey-1と、この鍵の新規登録時
に生成されたデータ鍵datakey-1とが、鍵ペアとして鍵
ペア・テーブル７１０に格納されている。この鍵ペアを
特定する鍵ペア・タグをtag-1とする。

【００９７】ここで、外部からの割り込み等を理由とし
て、プロセッサに例外が発生したとする。プロセッサ
は、ステップＳ１２０３に示すように、現在のプログラ
ムカウンタの値を例外復帰用レジスタに退避させる。こ
のとき、実効鍵ペア・タグも例外復帰用レジスタに退避
される。ステップＳ１２０５に示すように、プロセッサ
の動作モードはユーザ・モードからカーネル・モードに
遷移する。タグの値は実効鍵ペアのタグ値から、カーネ
ル・モード用に予約されたタグ値tag-Kに切り替わる。
動作モードとタグ値の切り替えによって、ステップＳ１
２０７に示すように、ＯＳの一部である例外処理ルーチ
ンが起動される。例外処理ルーチンが終了したら、ステ
ップＳ１２０９に示すように、再度ユーザ・モードに切
り替わり、コンテキストが復帰する。

【００９８】図１３は、例外処理ルーチンＳ１２０７の
詳細なステップを示す。まず、ステップＳ１３０１に示
すように、例外発生時に実行していたプログラムのコン
テキスト、すなわちレジスタファイル２３０の内容を、
外部のメモリに格納するストア命令を実行する。さら
に、ステップＳ１３０３で、退避した実効鍵ペアタグ(t
ag-1）が特定する鍵ペアを、鍵ペア管理部７０１からレ
ジスタファイル２３０に読み出す(既存の鍵ペア読み出
し操作)。なお、レジスタファイル２３０に読み出した
鍵ペアデータは、ＯＳのデータであるため、tag-Kが付
加されている。ステップＳ１３０５で、鍵ペアデータを
メモリに転送する。この一連の操作において、ＯＳが不
当にユーザモードのデータ（これにはtag-1が付加され
ている）に算術論理演算を行ったとすれば、それは前述
した演算の制約条件から不許可となる。一方、ユーザモ
ードでのデータを外部に転送する操作は、データ転送の
制約条件で許可されるデータ転送である。この時点でユ
ーザのコンテキストはレジスタファイル２３０の外に退
避されたが、その退避先がデータキャッシュ上（内部メ
モリ）であるか、外部メモリにまで到達したかは、デー
タキャッシュの状態に依存する。ただし、ＯＳの動作と
いう視点からは、レジスタファイル２３０からのコンテ
キストの退避は完了している。そして、ステップＳ１３
０７で割り込み処理を実行する。

【００９９】図１４は、例外処理ルーチンが完了した後
の、ユーザのコンテキストの復帰処理（すなわちプログ
ラムの再開）のフローを示す。まず、ステップＳ１４０
１で、メモリに退避させておりた鍵ペアをＯＳのデータ
としてメモリからロードする。ステップＳ１４０３で、
この鍵ペアをtag-1に対応する鍵ペアとして鍵ペア・テ
ーブル７１０に格納する(既存の鍵ペア書き込み操作)。
ステップＳ１４０５で、メモリに退避してあったコンテ
キストをレジスタファイル２３０に復帰させる。このと
きに行うのは、転送先タグ付ロード命令である。転送先
タグとしてはtag-1を指定する。さらに、ステップＳ１
４０７で、例外復帰用レジスタに、復帰するプログラム
カウンタの値と、実効鍵ペア・タグ(tag-1)とを格納す
る。最後に、ステップＳ１４０９で、例外復帰命令(MIP
S-IVではERET命令)を用いてユーザ・モードに遷移する
ことで、コンテキスト復帰が完了する。この一連の操作
でのデータ転送も、前述したデータ転送の規約条件で許
可されるデータ転送である。

【０１００】コンテキストの保存と復帰の際に、tag-1
が付加されているデータが保護されていることは、以下
のことからも確認される。まず、データ転送の規約条件
により、tag-1以外の鍵ペア・タグを実効鍵ペア・タグ
として実行しているときには、tag-1のデータは演算の
対象となり得ない。一方、tag-１で特定されるプログラ
ム鍵で復号されたプログラムの実行中は、実効鍵ペア・
タグの値はtag-1であり、マイクロプロセッサ内部の処
理について、ＯＳは知ることができない。実行されてい
たデータが、割り込み等によって外部メモリへと転送さ
れるときには、tag-1で特定される鍵ペアのデータ鍵で
暗号化される。このデータ鍵は、プロセッサの秘密鍵を
知ることなしに得ることは不可能である。また、コンテ
キスト復帰時には、タグ付きロード命令でデータを取り
戻したが、このタグはＯＳの実効鍵ペア・タグとは異な
るタグなので、ＯＳからのアクセスは許可されない。逆
に、ＯＳ自身の実効鍵を、復帰したユーザのコンテキス
トの鍵ペア・タグであるtag-1にすりかえたとしても、
このときは、ＯＳにとって知ることのできないプログラ
ム鍵をもって、自らの命令列を復号することになり、予
期できない命令を実行することになる。

【０１０１】このように、プログラム鍵とデータ鍵を鍵
ペアとして不可分に扱うことにより、特権モードで実行
するプログラムからも、秘密データを秘匿することが可
能となる。

【０１０２】＜第２実施形態＞図１５は、本発明の第２
実施形態にかかるマイクロプロセッサで使用する鍵ペア
テーブル８１０の構成図である。第１実施形態において
は、一つのプログラム鍵と一つのデータ鍵とを１対１対
応で関連付けて扱う方法について述べたが、第二の実施
形態においては、一つのプログラム鍵に複数のデータ鍵
を関連付けて扱う方法について述べる。

【０１０３】マルチタスク環境下では、同じひとつのプ
ログラムについて、異なる種類のデータ処理がなされる
場合もある。そのような場合は、プログラムの復号鍵
（プログラム鍵）はひとつであるが、実行処理されたデ
ータを暗号化／復号化するためのデータ鍵は別々であ
る。これら別々のデータ鍵のすべてについてプログラム
鍵とのペアを作って格納しようとすると、膨大な記憶容
量を要することになる。

【０１０４】そこで第２実施形態では、プログラム鍵の
インデックスとデータ鍵のインデックスとをペアにして
格納し、さらに、プログラム鍵およびデータ鍵をばらば
らに格納しておく。

【０１０５】図１５は、第２実施形態の鍵ペア・テーブ
ル８１０の構成例を示す。鍵ペア・テーブル８１０は、
鍵自体を保持する鍵テーブル８２０と、鍵を間接参照す
る形でインデックスで構成した鍵ペア参照テーブル８３
０とで構成される。

【０１０６】鍵テーブル８２０は、プログラム鍵とデー
タ鍵とを個別にエントリした配列から構成される。一
方、鍵ペア参照テーブル８３０は、鍵ペアを表わすもの
ではあるが、鍵のペアを直接格納するのではなく、プロ
グラム鍵のインデックス８３１−１と、データ鍵のイン
デックス８３１−２から構成される。これらのインデッ
クスを用いて、ある特定のプログラムと、このプログラ
ムによって実行される複数種類のデータとを特定するこ
とが可能になる。たとえば、図１４の例では、インデッ
クスを用いて、プログラム鍵＃３で復号化された同じプ
ログラムについて、データ鍵＃４で暗号化／復号化され
るデータと、データ鍵＃５で暗号化／復号化されるデー
タとを、それぞれ組み合わせることができる。

【０１０７】鍵テーブル８２０の動作は、次の読み出し
操作と、書き込み操作である。

【０１０８】（１）鍵の読み出し パラメータとして与えられるインデックスにより特定さ
れる鍵エントリの共通鍵が、鍵テーブル８２０から取り
出される。

【０１０９】（２）鍵の書き込み まず、使用されていない鍵エントリを一つ割り当てる。
その鍵エントリに、パラメータとして与えられる共通鍵
（プログラム鍵またはデータ鍵）を格納する。割り当て
た鍵エントリを特定するインデックスを出力する。

【０１１０】鍵ペア・テーブル８１０の動作は、第１実
施形態で述べた鍵テーブル７１０の動作と基本的に同じ
である。ただし、鍵ペア・テーブル８１０は、鍵テーブ
ル８２０と鍵ペア参照テーブル８３０とに分割されてい
ることから、鍵の読み出し、書き込みの詳細について
は、次のようになる。

【０１１１】（１）プログラム鍵の読み出し 命令復号処理部インタフェース７０３と接続されるポー
トを介する読み出し操作である。参照テーブル８３０の
インデックスペアで特定される鍵のうち、プログラム鍵
のインデックスを用いて鍵テーブル８２０の鍵読み出し
操作を行ない、その結果を出力する。

【０１１２】（２）データ鍵読み出し データ暗号処理部インタフェース７０４と接続されるポ
ートを介する読み出し操作である。参照テーブル８３０
のインデックスペアで特定される鍵のうち、データ鍵の
インデックを用いて鍵テーブル８２０の鍵読み出し操作
を行ない、その結果を出力する。

【０１１３】（３）鍵ペアの読み出し 鍵ペア制御部７２０と接続されるポートを介する読み出
し操作である。参照テーブル８３０のインデックスペア
により特定されるペアのプログラム鍵とデータ鍵の双方
のインデックスを用いて、それぞれの鍵を鍵テーブル８
２０から読み出し、得られた２つの鍵を出力する。

【０１１４】（４）鍵ペアの書き込み 鍵ペア制御部７２０と接続されるポートを介する書き込
み操作である。パラメータとして与えられるプログラム
鍵とデータ鍵とを、それぞれ鍵テーブル８２０の書き込
み操作で鍵テーブル８２０に格納する。結果として得ら
れる鍵エントリのインデックスを、参照テーブル８３０
のプログラム鍵インデックスとデータ鍵インデックスに
格納する。

【０１１５】鍵ペア・テーブル８１０は、鍵ペア制御部
７２０から見て同じ動作を提供するインタフェースを備
えている。したがって、鍵ペア制御部７２０の動作であ
るところの、新規鍵ペアの登録、既存の鍵ペアの読み出
し、既存の鍵ペアの書き込み、の３つの操作は、第１実
施形態で述べたものと同一である。

【０１１６】ただし、第２実施形態では、一つのプロセ
スが複数のデータ鍵を用いる手段を提供するために、鍵
ペア・テーブル８１０と鍵ペア制御部７２０に、第１実
施形態での操作の他に、次の操作を追加する。

【０１１７】まず、鍵ペア・テーブル８１０に追加する
操作は、以下の通りである。

【０１１８】＊データ鍵の書き込み 鍵ペア制御部７２０と接続されるポートを介する書き込
み操作であって、パラメータとして、プログラム鍵イン
デックスと、データ鍵と、鍵ペア・タグを受け取る。ま
ず、データ鍵を、鍵テーブル８２０の書き込み操作で、
鍵テーブル８２０に格納する。結果として得られる鍵エ
ントリのインデックスと、パラメータとして受け取った
プログラム鍵インデックスとを、鍵ペア・タグがインデ
ックスとして指定する鍵ペアのプログラム鍵インデック
ス８３１−１とデータ鍵インデックス８３１−２のそれ
ぞれに格納する。

【０１１９】次に、鍵ペア制御部７２０に以下の操作を
追加する。

【０１２０】＊新しいデータ鍵の登録 プロセッサ・コア２０１からは、データ鍵を所有するプ
ロセスを特定する第１の鍵ペア・タグと、新たに登録す
るデータ鍵を特定するための第２の鍵ペア・タグと、登
録するデータ鍵を第１の鍵ペア・タグのプログラム鍵で
暗号化した鍵データとが提示される。鍵データは、鍵ペ
アデータではないが、暗号化鍵ペア・レジスタ７２６に
格納される。

【０１２１】まず、第１の鍵ペア・タグをインデックス
として、鍵テーブル８２０の鍵ペアの読み出し操作を行
い、鍵ペアを鍵ペア・レジスタ７２４に読み出す。

【０１２２】鍵ペア暗号処理部７２５は、暗号化鍵ペア
・レジスタ上のデータを、暗号化された鍵とみなして、
鍵ペア・レジスタ７２４のプログラム鍵７２４−１を用
いて復号化し、その結果を鍵ペア・レジスタ７２４のデ
ータ鍵７２４−２に格納する。

【０１２３】鍵ペア制御部７２０は、第１の鍵ペア・タ
グを利用して読み出したプログラム鍵のインデックス
と、鍵ペア・レジスタ７２４のデータ鍵７２４−２と
を、鍵ペアテーブル８１０のデータ鍵書き込み操作を用
いて、鍵ペアとして登録する。

【０１２４】この操作により、登録したデータ鍵のイン
デックスと、そのデータ鍵とともに用いられるプログラ
ム鍵のインデックスとを一組にした新しい鍵インデック
スのペアが作成される。

【０１２５】言い換えれば、複数の鍵ペアを、プログラ
ム鍵が共通であることによりグループ化する操作であ
る。しかも、グループに追加する操作においては、プロ
グラム鍵による暗号処理を必要とするため、プログラム
鍵を知るプロセスにのみ可能なものである。

【０１２６】上述のデータ鍵登録操作は、プログラム鍵
で暗号化したデータとして与えるものであるが、プログ
ラム鍵ではない別の鍵、たとえばプロセッサの公開鍵あ
るいは別のデータ鍵で暗号化したデータとして与えると
いう変形も可能である。このときは、プログラム鍵に基
づいたグループ化ではなく、別の鍵をもとにしたグルー
プ化となり、プログラム間で鍵を共有する状況に適用で
きる。

【０１２７】第１実施形態において、データ転送および
演算操作に対して、鍵ペア・タグの値が一致すること
を、その操作が成功するための条件する制約機構につい
て述べた。第２実施形態においては、異なる鍵ペア・タ
グであっても、同一のプロセスが生成した鍵ペアであれ
ば、データ転送や演算操作を許可するものとする。すな
わち、データ転送や演算操作の成立条件判定に、第１実
施形態での鍵ペア・タグの値そのものに加え、その鍵ペ
ア・タグが指定する鍵ペアの、プログラム鍵インデック
スとデータ鍵インデックスを条件判定に用いる。

【０１２８】第１実施形態で例示した、オペレーティン
グ・システムによるコンテキスト・スイッチの実施例
は、第２実施形態においても同様に動作する。

【０１２９】第１および第２実施形態を、ともに機能を
実現する要素をブロック図を用いて説明したが、これら
は機能の論理的な分割方法を示したものであり、機能ブ
ロックのプロセッサ上での物理的な配置を示すものでは
ない。例えば、実施形態の説明で鍵ペアは一つのテーブ
ルに一組にして保持するものとしたが、プロセッサ上の
物理的な配置としては、プログラム鍵を集めたテーブル
は命令復号処理部の近くに、データ鍵を集めたテーブル
はデータ暗号処理部の近くに配置する、といった物理的
な構成方法を除外するものではない。

【０１３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プログラムを復号化するためのプログラム鍵と、データ
を暗号化するためのデータ鍵とが、暗号学的に不可分の
ものとしてプロセッサ内部で扱われるため、プログラム
を実行する主体であるプロセスを、オペレーティング・
システムを介することなく、プロセッサが保護すること
が可能となる。したがって、他のユーザ・プログラムの
みならず、オペレーティング・システムからも、プログ
ラムの持つ秘密情報を守ることができる。

【０１３１】また、本発明によれば、プロセッサによる
保護の対象であるプロセスを識別するためのタグをプロ
セッサ内部のデータに付加することにより、保護の対象
となるデータを、復号化した状態で内部メモリに保持し
たまま、プロセスの切替えを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るマイクロプロセッ
サの全体構成例を示す図である。

【図２】本発明の基本的な処理フローのうち、データを
暗号化して退避させる流れを示す図である。

【図３】本発明の基本的な処理フローのうち、退避させ
たデータを復帰させる流れを示す図である。

【図４】図１に示すプロセッサ・コアの構成図である。

【図５】図４に示す算術論理演算部の詳細図である。

【図６】図４に示すシステムレジスタの詳細図である。

【図７】図１に示す命令キャッシュの図である。

【図８】図１に示すデータキャッシュの図である。

【図９】図１に示す命令暗号処理部の図である。

【図１０】図１に示すデータ暗号／復号処理部の図であ
る。

【図１１】図１に示す鍵ペア管理部の図である。

【図１２】本発明のマイクロプロセッサにおける割り込
み発生時の処理フローを示す図である。

【図１３】図１２の例外処理ルーチンの詳細を示す図で
ある。

【図１４】図１２のコンテキスト復帰ステップの詳細を
示す図である。

【図１５】本発明の第２実施形態にかかる鍵ペア・テー
ブルの図である。

【符号の説明】

１０１ マイクロプロセッサ １０２ プロセッサ・バス １０３ 外部バス・インタフェース ２０１ プロセッサ・コア ２１０ システム・レジスタ群（第３の記憶領域） ２３０ レジスタ・ファイル（第２の記憶領域） ２５０ 算術論理演算部 ２５２ 演算オペランド・タグ判定部 ２６０ メモリ・アクセス部 ２６２ データ転送タグ判定部 ２７０ 鍵ペア管理部インタフェース ３０１ 命令キャッシュ ４０１ データ・キャッシュ ５０１ 命令復号処理部 ６０１ データ暗号／復号処理部 ７０１ 鍵ペア管理部 ７１０、８１０ 鍵ペア・テーブル（第１の記憶領域） ７２０ 鍵ペア制御部 ７２５ 鍵ペア暗号化部 ７２６ 暗号化鍵ペア・レジスタ ８２０ 鍵テーブル ８３０ 鍵ペア参照テーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺本 圭一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 尾崎 哲 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 藤本 謙作 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5B017 AA03 BA07 CA15 CA16 5B076 FA13 FC08 5B098 DD01 5J104 AA01 AA16 EA02 EA04 EA25 JA21 NA02

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 暗号化されたプログラムを第１の暗号鍵
   を用いて復号化する命令復号処理部と、 前記復号化されたプログラムの実行対象であるデータ
   を、第２の暗号鍵を用いて暗号化／復号化するデータ暗
   号／複号処理部と、 前記命令復号処理部およびデータ暗号／復号処理部に接
   続され、前記第１および第２の鍵を鍵ペアとして関連付
   けて格納する第１の記憶領域を有する鍵ペア管理部と、 前記鍵ペアを特定する識別子を、前記プログラムに関連
   するデータとともに格納する第２の記憶領域とを備える
   マイクロプロセッサ。
2. 【請求項２】 前記プログラムを復号するための第１の
   暗号鍵は、公開鍵暗号系で与えられ、 前記鍵ペア管理部は、前記第１の暗号鍵が与えられた場
   合に、当該第１の暗号鍵で復号されたプログラムによっ
   て実行されるデータを暗号化／複号化するための第２の
   暗号鍵を生成する鍵生成部をさらに備えることを特徴と
   する請求項１に記載のマイクロプロセッサ。
3. 【請求項３】 前記マイクロプロセッサは、現在実行中
   のプログラムに用いられている有効な鍵ペアの識別子を
   格納する第３の記憶領域をさらに有し、 前記第３記憶領域の有効な鍵ペアの識別子の値が、特定
   の値を取る場合に、前記データ暗号／復号処理部は、前
   記第２の記憶領域に格納されていたデータを、そのデー
   タに付随する識別子が指定する暗号鍵を用いて外部メモ
   リに転送することを特徴とする請求項１に記載のマイク
   ロプロセッサ。
4. 【請求項４】 前記第１の記憶領域は、前記第１の鍵と
   第２の鍵を１対１対応で関連付けて格納することを特徴
   とする請求項１に記載のマイクロプロセッサ。
5. 【請求項５】 前記第１の記憶領域は、前記第１の鍵の
   インデックスと、前記第２の鍵のインデックスとをペア
   にして格納する参照格納領域と、前記第１および第２の
   鍵を個別に格納する鍵格納領域とを含むことを特徴とす
   る請求項１に記載のマイクロプロセッサ。
6. 【請求項６】 前記マイクロプロセッサは、前記第２の
   記憶領域および第３の記憶領域に接続されるメモリアク
   セス部をさらに有し、 前記メモリアクセス部は、転送すべきデータに添付され
   た鍵ペアの識別子と、前記第３記憶領域に格納されてい
   る現在有効な鍵ペアの識別子とに基づいてデータ転送の
   可否を判断するデータ転送判定部を有することを特徴と
   する請求項３に記載のマイクロプロセッサ。
7. 【請求項７】 前記マイクロプロセッサは、前記第２の
   記憶領域および第３の記憶領域に接続される論理演算部
   をさらに有し、 前記論理演算部は、演算のオペランドに添付された識別
   子と、前記第３の記憶領域に格納されている有効な鍵ペ
   アの識別子とに基づいて演算実行の可否を判断する演算
   実行判定部を有することを特徴とする請求項３に記載の
   マイクロプロセッサ。
8. 【請求項８】 前記第２の記憶領域は、複数のエントリ
   から成り、各エントリが、プログラムに関連するデータ
   と、そのデータに用いられる鍵ペアを特定する識別子と
   を有し、 前記第３記憶領域の有効な鍵ペアの識別子の値が特定の
   値をとる場合に、前記データ暗号／復号化処理部は、所
   望のエントリのデータおよび対応する識別子を暗号化し
   て外部メモリに格納することを特徴とする請求項３に記
   載のマイクロプロセッサ。
9. 【請求項９】 前記第３記憶領域の有効な鍵ペアの識別
   子は、例外発生時に前記特定の値をとることを特徴とす
   る請求項３に記載のマイクロプロセッサ。
10. 【請求項１０】 前記鍵ペア管理部は、前記第１および
    第２の鍵のペアをプロセッサの秘密鍵で暗号化して格納
    する暗号化鍵ペア格納領域をさらに有することを特徴と
    する請求項２に記載のマイクロプロセッサ。
11. 【請求項１１】 暗号化されたプログラムを第１の鍵で
    復号するステップと、 前記第１の鍵に対応して、前記復号したプログラムによ
    って実行されるデータを暗号化／復号化するための第２
    の鍵を生成するステップと、 前記第１の鍵と第２の鍵とを関連付けた鍵ペアとして格
    納するステップと、 前記鍵ペアに、該鍵ペアを特定する識別子を与えるステ
    ップと、 前記プログラムの実行中に例外が発生した場合に、前記
    識別子に基づいて前記第２の鍵を読み出し、前記データ
    を第２の鍵で暗号化して外部のメモリに退避させるステ
    ップとを含むデータ保護方法。
12. 【請求項１２】 前記例外の終了後に、前記暗号化して
    退避させたデータ外部メモリから読み出して、前記識別
    子に基づき、前記第２の鍵で復号するステップをさらに
    含む請求項１１に記載のデータ保護方法。
13. 【請求項１３】 前記鍵ペアとして格納するステップ
    は、前記第１の鍵と第２の鍵とを１対１対応で直接組み
    合わせて格納することを特徴とする請求項１１に記載の
    データ保護方法。
14. 【請求項１４】 前記鍵ペアとして格納するステップ
    は、前記第１の鍵のインデックスおよび第２の鍵のイン
    デックスを生成し、第１の鍵のインデックスと第２の鍵
    のインデックスとをペアにして格納するステップを含む
    ことを特徴とする請求項１１に記載のデータ保護方法。