目前，通用微處理器大多是以字為單位進行操作的，它的指令結(jié)構(gòu)ISA（Instruction-set Architecture）不支持小于一個字的數(shù)據(jù)操作。而單比特的置換操作在分組密碼算法中使用頻率非常高，是提高算法安全性的重要手段；而且比特置換操作在處理器中快速高效的特點，也將影響密碼處理的整體性能。但在現(xiàn)有的指令結(jié)構(gòu)處理器中，任意的比特置換通常都采用邏輯操作或查找表的方式實現(xiàn)^[1]，即使一個簡單的置換操作(如循環(huán)移位)，也需要多條指令才能完成。根據(jù)相關(guān)研究可知，一個n比特的置換操作，它的指令級復(fù)雜度是O(n)，處理速度也將隨著n的增大而不斷降低。對于目前實時的網(wǎng)絡(luò)通信來說，這顯然是不可容忍的。因此，針對這一問題在一些專用指令集微處理器ASIP(Application-Specific Instruction-Set Processor)中，增加了特殊的置換指令，如多媒體處理器PLX中增加了MIX、MUX和Perm等指令^[2]，但這些指令并不能滿足n-bit數(shù)據(jù)的任意置換操作。本文提出了一種在處理器中實現(xiàn)比特置換的方法，給出了相應(yīng)的比特置換指令及其操作結(jié)構(gòu)。
1 密碼學(xué)中的比特置換及其一般實現(xiàn)方式
1.1 密碼學(xué)中的比特置換
　　比較置換操作能使輸入數(shù)據(jù)中第i比特置換到輸出數(shù)據(jù)的第j比特上，而且置換過程中各位源數(shù)據(jù)之間不發(fā)生計算關(guān)系。輸入的n比特數(shù)據(jù)需要log2n比特位置信息或配置信息。
　　置換是密碼算法中隱藏明文信息中冗余度的重要手段，通過位置置換可以實現(xiàn)明文到密文的擴散。置換按明密文映射關(guān)系分為三類：直接置換、擴展置換和壓縮置換。直接置換指明密文間是一一映射關(guān)系，且明文的每一位都有到密文的映射；擴展置換指明密文間為一對多的映射關(guān)系，它使得密文對明文的依賴性傳播得更快；壓縮置換指明密文間是一一映射關(guān)系，但并不是明文的每一位都有到密文的映射。置換輸入和輸出位寬根據(jù)算法和置換類型的不同而有所不同。例如DES算法中有64-bit初始置換IP、末尾置換IP-1以及輪運算中的32-bit P置換^[3]。
1.2 邏輯操作方式
　　邏輯操作方式是指采用AND、OR、SHIFT等簡單邏輯操作實現(xiàn)復(fù)雜的比特置換操作。在此方式下，每對1 bit進行置換，處理器需要進行四步操作：①產(chǎn)生目標(biāo)比特的MASK參數(shù)；②提取相應(yīng)比特值(AND指令)；③將該比特移至相應(yīng)位置(SHIFT指令)；④存儲到相應(yīng)寄存器中(OR指令)。由上述過程可知，一個n-bit的置換操作需要4n條指令才能完成。盡管一些處理器中針對這一問題有所改進，將1 bit置換操作的指令壓縮到2條——汲取指令(EXTRACT)和放置指令(DEPOSIT)，但n-bit置換操作仍需要2n條指令，處理性能沒有明顯提高。
1.3 查找表方式
　　查找表方式是另一種實現(xiàn)比特置換的方法，它在速度上與邏輯操作相比有所提高，但需要大量的存儲空間放置控制信息。完成一個n-bit的置換操作需要m個查找表，每個表的容量為2n/m×nbit。以64-bit輸入數(shù)據(jù)為例，當(dāng)m=1時，完成一次任意置換需要一個264×64bit的查找表，這在現(xiàn)有微處理器結(jié)構(gòu)中是無法實現(xiàn)的；當(dāng)m=8時，完成一次任意置換需要8個容量為28×64bit的查找表。每個表代表源操作數(shù)中連續(xù)8-bit的置換，表中除了8-bit置換的目標(biāo)位置外，其他位置均為0，此時共需要23條指令來完成64-bit置換：8條Extract指令獲得表的索引值、8條Load指令置換相應(yīng)比特、7條OR指令鏈接8個8-bit置換后的數(shù)據(jù)。這種方法相對于邏輯操作方式來說指令條數(shù)減少了很多，但它在實際執(zhí)行中，Load指令往往遇到未命中Cache的情況，所以實現(xiàn)n-bit的置換操作需要的復(fù)雜度一般為O(n)。
2 比特置換操作的優(yōu)化實現(xiàn)
2.1 Butterfly結(jié)構(gòu)
　　目前，Butterfly結(jié)構(gòu)^[4]及其他一些相似的結(jié)構(gòu)都廣泛應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域中，如數(shù)字信號處理中的快速傅里葉變換(FFT)等。圖1(a)中給出了8-bit輸入的Butterfly結(jié)構(gòu)，圖1(b)中給出了相應(yīng)的Inverse Butterfly結(jié)構(gòu)。

2.2 Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個Butterfly結(jié)構(gòu)鏈接一個Inverse Butterfly結(jié)構(gòu)組成，它是一種可重排網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)輸入端到輸出端的所有置換。完成n-bit置換操作需log2n級Butterfly變換和log2n級Inverse Butterfly變換。對于一個64-bit置換，則需要2log2n=12級變換，且每一級需要n/2-bit配置信息。在處理器中執(zhí)行置換操作需要一條Butterfly指令和一條Inverse Butterfly指令及l(fā)og2n個n-bit配置信息。
　　圖2給出了一個8-bit輸入的Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能完成(abcdefgh)到(cfghbdea)的置換。根據(jù)配置信息，它的置換過程如下：Butterfly指令完成(abcdefgh)->(abgdefch)->(gdabehcf)->(dgabehfc)；Inverse Butterfly指令完成(dgabehfc)->(gcbaehcf)->(bdgacfeh)->(cfghbdea)。

2.3 比特置換指令
　　比特置換單元內(nèi)部設(shè)置了一定的緩存區(qū)，用于存儲配置信息，如圖３所示的B1、B2、B3和I1、I2、I3。由于不同ASIP中指令格式存在差異，這些內(nèi)部緩存區(qū)是可選擇的。由于Inverse Butterfly指令類似于Butterfly指令，下面以Butterfly指令為例進行說明。對于超長指令字格式(VLIW)，支持多操作數(shù)方式，不需要內(nèi)部寄存器存儲配置信息，其指令可描述為：Butterfly Rd，Rs，B1，B2，B3。其中Rd為置換數(shù)據(jù)目的地址，Rs為置換數(shù)據(jù)源地址，B1、B2、B3為配置信息的外部存儲地址，即一條Butterfly指令包括Rs、B1、B2、B3四個源操作數(shù)。對于精簡指令格式(RISC)，最多支持兩個源操作，相應(yīng)指令可描述為：Butterfly Rd，Rs，B3。即需要將配置信息B1、B2、I1、I2在進行置換操作前裝入到置換單元內(nèi)部緩存區(qū)中，而B3、I3則從外部存儲器中獲得。對于超標(biāo)量結(jié)構(gòu)處理器，假設(shè)其有兩路并行處理通路，則Butterfly指令與Inverse Butterfly指令可并行執(zhí)行。對于所采用的不同指令格式，具體操作指令數(shù)也不同。

3 性能比較
　　如果一個處理器可以支持比特置換操作，則其比特置換操作的延時必須與邏輯運算單元(ALU)的時鐘頻率相匹配。在ALU中主要是乘法器^[5]延時較大，通常占用3~5個時鐘周期" title="時鐘周期">時鐘周期，因此只有使比特置換操作延時小于乘法運算延時，才能在不影響處理器整體性能的前提下，使處理器支持比特置換操作。而邏輯操作方式與查找表方式的比特置換實現(xiàn)方法所占用的時鐘周期都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3個時鐘周期，如表1所示。當(dāng)采用Benes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，僅執(zhí)行兩次Butterfly指令，在性能上得到了很大提高，使n-bit 的比特置換操作的復(fù)雜度從O(n)降至O(log(n))。