物理处于困难环境的医疗设备提供高质量的保健服务

.Σ沙特国王大学学报紧凑的模块化乘法器设计，可在资源有限的远程医疗物联网设备Atef Ibrahima，b，Fayez Gebaliba沙特阿拉伯Alkharj Sattam Bin Abdulaziz王子大学计算机工程和科学学院计算机工程系b加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚维多利亚大学ECE系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年12月22日收到2022年6月14日修订2022年6月14日接受2022年6月25日在线提供保留字：IoT安全远程医疗IoT设备IoT系统网络物理安全密码处理器模块化乘法器系统阵列A B S T R A C T远程保健是向偏远社区和居家用户提供高质量保健的一种新兴模式。这是由于医疗保健费用不断上涨，以及许多患者留在家中而不是延长住院时间的好处。远程医疗依赖于物联网技术，但物联网设备是系统安全性最弱的环节。面临的挑战是在资源有限的物联网设备中实现强大的安全功能。这证明了使用椭圆曲线密码（ECC）优于其他传输和资源消耗方法（如RSA）。有效的模乘运算是ECC系统所需的基本运算因此，该操作的紧凑和高效的实现将显著影响ECC在资源有限的应用中的性能。本文提出了一种紧凑的串行输入/串行输出的基于字的脉动实现模乘。所提出的结构是使用一个正式的和系统的技术映射到处理器阵列的定期迭代算法（RIA）。所提出的方法能够控制处理器阵列的工作负载以及每个处理元件的工作负载。控制处理器字大小允许控制系统速度、延迟和面积。建议的处理器结构节省面积和能源消耗的一个因素高达96.3%和98.5%，分别。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY许可下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 导言和相关工作物联网（IoT）在为远程社区或居家患者提供优质医疗保健服务方面找到了一个方便的应用将长期住院患者转移到他们的家中证明对患者及其家人有益，并降低了不断上升的医疗保健成本（Belcher等人，2021; Dykgraaf等人，2021; Granjal等人，2015; Atzori等人， 2010年）。然而，物联网设备被认为是使用这些设备的任何系统中最薄弱的环节。这是由于物联网设备的计算和能源资源有限，再加上这些设备大多是异构的，很少进行密码更改或操作系统更新。 保护这些物联网设备的实用方法，特别是对于远程医疗，是使用物理不可克隆功能（PUF）来促进认证和安全密钥建立/交换（Fakroon等人， 2021年）。* 通讯作者：沙特阿拉伯，Alkharj，16278，Sattam Bin Abdulaziz王子大学，计算机工程与科学学院，计算机工程系。电子邮件地址：attif_ali2002@yahoo.com（A. Ibrahim），fayez@ece.uvic.ca（F.Gebali）。使用椭圆曲线密码术（ECC）来提供对IoT操作和通信的保护，而不是使用更传统且非常昂贵的方法，诸如RSA（Rivest等人，1978年;Lidl和Niederreiter，1994年）。 ECC提供了与RSA相似的安全性，但具有更短的密钥大小（Di Matteo等人， 2021年）。实现ECC的一个重要步骤是在二进制扩展域GF 2 m中提供有效的模乘，因为这是域算术的关键步骤，包括模幂运算、模平方和求乘法逆（Chiou etal. ， 2006;Kim 和 Jeon ， 2014; Choi 和 Lee ， 2015; Kim 和 Kim ，2018）。模数乘法器可以根据预期应用以串行或并行方式实现。在并行imple- mentation的情况下，乘法器产生的所有输出位在一个单一的时钟周期导致高吞吐量，在消耗许多硬件资源的代价。另一方面，串行实现的目标，灰低速应用程序的计算延迟增加到m个时钟周期的代价。由于我们的目标是资源有限的物联网应用，我们将集中在串行实现所采用的模乘算法。我们可以以位串行方式或字串行方式实现乘法器。字串行实现实现更好的面积和时间https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2022.06.0091319-1578/©2022作者。由Elsevier B.V.代表沙特国王大学出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comA. Ibrahim和F. 杰巴利沙特国王大学学报6848.XJ我J-1ð Þ ¼ ð Þ¼-1X.ΣXJJð Þ ← ð Þ ð Þ ←ð Þ¼ð Þð Þð Þð Þ ←ð Þþð Þð Þ¼ð Þ×ð Þ ð ÞX.X 1/4x.0Z ¼zΣðÞ·· ·xx←x·· ·x0m-1000·· · zz←ð0·· ·00Þ我.Σ¼ðhÞþh···hh01m1--JJXIjXjXij比位串行实现更复杂，使其对于资源受限的IoT设备更模乘器的结构分为：串行-假设Xi1hhXhmodHh;06i6m-1。 以下递归表达式可用于从X i h获得Xi1h。输入/串行输出（SISO）、串行输入/并行输出（SIPO）、并行输入/串行输出（PISO）和可扩展结构。多项式SISO乘数在（Kim等人，2005;Talapatra等人，2010年;郭和Wang，1998; Pan等人，2013; Lee等人，2017）和多项式SIPOXi1hm-1j¼0m-1.xihj！hmodhhJ 1ΣJ在（Hariri et al.，2008; Kumar等人，二○ ○六年;Lee等人，2012; Xie等人， 2015年）。 使用T型高斯正态基的PISO乘数在（Namin等人，2011年）。最后，规模-在（Lee等人，2007; Chen¼j¼0¼xm-1xihmodHhm-1m- 1h jhxHð5Þ例如，2011; Orlando等人，1999;Bayat-Sarmadi等人，2014;Gebali和Ibrahim，2015; Ibrahim等人，2009年;易卜拉欣和j¼0j¼0Gebali，2017）。与其他类型的字串行乘法器结构相比，SISO乘法器结构实现了更好的面积和时间复杂度（Kim等人，2005年; Pan等人，2013年）。所以我们会初始值为X0hXh。当量（5）可以在迭代i以比特级形式表示如下：重点是提取所用算法的SISO结构x i1¼x i阿克斯hj;06j6m- 1 6mJ在这项工作中，我们提出了一个二维（2-D）的字为基础的J-1m-1SISO模块乘法器处理器。探索建设的规则性，模块化，并发性和局部互连的脉动结构的特殊功能，使其更有效的VLSI实现。使用在（ Gebali ， 2011; Ibrahim et al. ， 2018; Ibrahimet al. ， 2016;Ibrahim，2019; Ibrahim等人，2017; Ibrahim et al.，其中xi1/40为06i6m- 1。所以，Eq。（4）可以用递归形式表示为：Zi1hZihyiXih7Z00。所以，Eq。（7）可以在迭代i时以比特级形式表示如下（Choi和Lee，2015）：2017; Gebali和Ibrahim，2016），系统设计师可以控制探索结构的面积和功耗，以适应物联网zi1¼zi yxið8Þ装置. 应用非线性调度函数允许系统设计者控制所得到的处理器阵列此外，该算法的延迟也通过非线性任务调度控制实验结果表明，所提出的乘法器结构在面积和能耗方面都有显著的节省，更适合于资源有限的物联网设备。本文的主要内容如下：第二节给出了二进制扩张域GF2m上所采用的模交织乘法算法的概述。第3节解释了用于探索基于2-D单词的SISO处理的系统方法第四节展示了实验结果和分析的发展单词为基础的乘数结构和它的竞争对手的单词为基础的文献报道最后，本工作的结论见第52. 模交织乘算法假设一个m阶不可约多项式Hh定义二元扩张域GF（2m）。另外，假设在这个域中有两个多项式Xh和Yh我们可以这样写：M联系我们h jhj1j¼0m-1X小时xjh2其中06i6m- 1，06j6m- 1，并且对于06j6m- 1，z0 1/4上述数学表达式的算法形式可以如算法1和2所示获得。算法2是算法1的比特级形式。算法1：交织模乘算法输入：Xh、Yh和Hh输出：ZhXh：YhmodHh：X0hXh，Z0h0演算法：1：对于06i6m- 1 do2： Xi1hh：XihmodHh3：Zi1hZihyiXih4：结束算法2：交织模乘算法在比特级的自适应。输入：Xh、Yh和Hh输出：ZhXhYhmodHh：我的天j¼0m-1 yjhjð3Þ00m-10m-10 00- 11 0j¼0其中hj;xj;yj2GF<$2<$。演算法：1：对于06i6m- 1 do2：对于06j6m-1do我们可以将模乘作为Xh3的乘积：xi1¼xi xhj和Yh，并使用Hh对结果进行简化。以下数学-j j-1m-14：zi1ziyixi数学表达式显示用于执行此操作的交错方法ZhXYmod Hj j j5：结束6：结束锻造X y y1ym-1modH¼y0Xhy1.Xhh1modHh···ym1.Xhhm-1modHhhð4Þ我A. Ibrahim和F. 杰巴利沙特国王大学学报6849¼2×J¼¼ ¼¼de×分别需要计算xi 1和zi 1。 信号xi×3. 基于字的二维SISO乘法器在本节中，我们将遵循第二作者在（Gebali，2011）中详细报告的系统方法来提取基于单词的2D SISO乘数结构。该方法首先提取所采用的乘法器算法的数据依赖图（DG）然后，非线性调度和投影函数被应用到DG的节点，以提取脉动乘法器处理器。这种方法的细节在下面的小节中给出3.1. 算法依赖图与模乘算法相关联的数据依赖图（DG）是从定义等式1中的模乘的迭代获得的。（6）和（8）遵循（Gebali，2011）中提出的指导方针。这两个方程使用两个迭代指数i和j来定义一个2-D整数域D Z2。当我的情况下，DG的细节图5示出了图1。Eqs中的操作（6）和（8）在节点处执行的zi、xi和hj的信号由垂直线表示。信号-我们将不使用线性调度和投影函数，因为它们在选择结果处理器阵列面积、延迟、处理元件工作负载或总体系统工作负载方面提供了很少的选项。在这项工作中，我们使用非线性节点调度和投影技术。这种选择提供了一组丰富的设计选项，以优化脉动阵列面积、延迟、处理元件工作负载和整体系统工作负载。我们的目标是设计一个SISO乘法器，需要提供的输入多项式X，Y和H在字串行的方式。所得到的简化多项式Z也以字串行方式获得。假设系统设计者的目标是同时处理每个多项式的k位，并获得输出多项式的k位以下部分说明了系统设计人员使用的步骤。3.2.1. 非线性任务调度Gebali（2011）中的非线性调度技术用于将域D划分为k k个等时区或聚类。k的选择允许系统设计者控制要同时处理的输入或输出多项式这会间接影响系统面积、速度和延迟。J我们选择以下非线性调度函数来用水平线表示NALYi。更新的信号为DG的每个节点p分配定时：XiJ-1 用蓝色的对角线表示信号xiJ-1JJxim-1lmm，i，KK，m-1-j，K在列m-1处获得，并被水平地广播为示于图1.一、在顶部提供输入信号z0、x0和hj在那里，我在那里，是分配给DG的节点p的时间，J<其中dmin，控制器停用所有MUX（S1/4 0）以将分别保持在右移寄存器SHR-Z、SHR-X、SHR-XL中的所得部分字Z、X、XL以及保持在右旋转寄存器ROR-H中的固定H字依次传递到处理器阵列。此外，在同一时间实例中，更新的比特Xim-1 保存在SHR-Xm寄存器中的数据被传递到处理器阵列块 这些比特与以下比特一起使用：ImYm-1;qki6qk;16q6dke- 1，依次计算

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