存储器是保存数据的载体,是保护数据的最后一道屏障。安全存储对于信息安全意义重大。传统安全存储技术所面临的问题的根源在于存储器与处理器的分离。作为一种新型的纳米电子器件,忆阻器的发现和研究为融合存储与运算两种功能提供了可能。在存储方面,忆阻器由于其存储密度高、耐久性好、功耗低、读写速度快、非易失性好等良好的器件特性引起了广泛关注,已经成为了新型非易失性存储器研究的热点。在运算方面,基于忆阻器的“状态逻辑”运算功能的提出,为实现逻辑运算找到了一条不同于传统逻辑门电路的途径。本文以密码学领域的经典加密算法为切入点,分析经典加密算法的公共操作,设计存储与运算融合的存储加密体系结构,研究通过忆阻器的状态逻辑运算功能实现加密运算的设计方法,分析和设计存储与加密运算相融合的电路结构,并通过全面的实验对系统的开销和性能进行评估。本文的主要工作和创新点体现在:1.设计了基于忆阻器的存储加密体系结构(第二章、第六章)基于忆阻器存储与运算功能兼备的器件特征,本文设计了基于忆阻器的存储加密体系结构。在不需要将纳米交叉杆阵列中的数据读出的情况下,通过在存储阵列外围增加加密运算控制模块,直接对阵列内的忆阻器存储单元上存储的数据进行运算操作。与传统体系结构相比,这样的加密方式减少了数据在“搬移”过程中暴露的机会,提高了存储系统的安全性。同时,由于纳米交叉杆结构天然的并行性,加密运算可以在阵列内的多条字线上以及多个阵列上并行展开。这将极大地提高加密运算的吞吐率。为了评估系统的开销与性能,本文以DES算法为例,设计和实现了加密运算控制模块,并分别面向FPGA和基于标准单元的ASIC进行了综合。评估的结果表明,本系统在较小的面积开销和功耗开销下,可以达到极高的加密运算吞吐率。2.设计和优化了基本加密操作的状态逻辑运算序列(第三章)针对按位异或、查找表、移位操作、加法和乘法操作、有限域GF(28)上的乘法逆、模幂和模乘等基本加密操作的具体运算过程,本文提出了具体的状态逻辑运算序列的设计和优化方法。结合忆阻器状态逻辑操作的特点和经典数字电路已有的设计方法,本文对比了每一种加密操作的多种设计方法,给出每一种操作的复杂度分析。通过与传统数字逻辑电路设计的对比,本文发现了状态逻辑设计的运算特点,如在实现复杂逻辑功能时查找表方式具有较高的计算效率,以及循环次数为变量的循环操作实现效率较低等。本文还设计出了一些在本存储加密体系结构下特有的逻辑功能,如寻址移位、相对移位和条件赋值等。基本加密操作的研究为构建复杂加密算法奠定了理论基础,也为硬件电路的设计提出了具体要求。3.提出了空间和时间可扩展的基于纳米交叉杆结构的状态逻辑运算电路(第四章)在纳米交叉杆结构上以状态逻辑方式实现复杂加密算法的一个重要前提是阵列的规模与运算具有良好的可扩展性。本文从空间和时间两个维度对状态逻辑运算电路的可扩展性进行分析。在空间上,得出了影响阵列可扩展性的关键参数是器件开关阈值电压这一重要结论,并提出通过采用1S1R结构的纳米交叉杆阵列提高空间可扩展性的方法。在时间上,展示了已有电路设计在经过多次运算后由于误差累积导致错误发生的情况,设计了自适应清零电路,将执行蕴含操作时产生的误差在清零操作时消除,提高了运算的可扩展性,避免了额外的刷新操作。通过对电路可扩展性的分析与设计,本文夯实了忆阻器状态逻辑运算功能的电路基础。4.提出了纳米交叉杆存储阵列的读写电路(第五章)在读电路方面,提出了纳米交叉杆存储阵列内的多路复用读出电路,相比已有的读电路可以有效地降低外围CMOS电路的开销,从而更好地发挥忆阻器存储阵列的高密度优势。通过对多个器件和电路参数的讨论,得出忆阻器器件的非线性I-V特性或较高的低阻值特性可以改善多路复用读出电路的可扩展性的结论。在写操作方面,提出了面向纳米交叉杆结构的忆阻器编程电路。在不增加额外器件开销的情况下,利用忆阻器自身的阈值特性实现准确的多值编程,有效提高了存储器的存储密度,相比已有研究对不同忆阻器器件类型具有更好的适应性。在读写电路研究的基础上,本文设计了基于忆阻器的汉明网电路,相比传统的汉明网电路设计,具有存储密度高、电路开销低等方面的优势。通过对读写电路的分析与设计,本文夯实了忆阻器存储系统的电路基础。