基于賽靈思FPGA的硬件加速技術(shù)打造高速系統(tǒng)

設(shè)計(jì)人員時(shí)常需要通過增加計(jì)算能力或額外輸入（或兩者）延長現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)的壽命。而可編程系統(tǒng)平臺(tái)在這里大有用武之地。我們?cè)?jīng)希望用安全網(wǎng)絡(luò)連接功能升級(jí)一套網(wǎng)絡(luò)可編程系統(tǒng)。安全網(wǎng)絡(luò)連接功能需要加密才能運(yùn)行安全外殼 (SSH)、傳輸層安全 (TLS)、安全套接層(SSL) 或虛擬專用網(wǎng) (VPN) 等協(xié)議。這種安全需求與把各種系統(tǒng)接入因特網(wǎng)的需求同步增長，例如，為了啟用遠(yuǎn)程管理與分布式控制系統(tǒng)。

　　因該領(lǐng)域仍在發(fā)展并且標(biāo)準(zhǔn)尚未固定，因此成本主要取決于一次性工程費(fèi)用。所以，FPGA 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)最高價(jià)值。我們的系統(tǒng)基于 Mi s s i n g L i n k Electronics (MLE) 公司的“軟”硬件平臺(tái)，其 FPGA 靈活的 I/O 能夠連接各種傳感器和執(zhí)行器。該平臺(tái)采用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)，以 MicroBlaze ™ CPU或 PowerPC® CPU 作為其核心。 CPU 為操作系統(tǒng)與用戶空間應(yīng)用軟件運(yùn)行 MLE Linux 軟件棧。由于采用 MicroBlaze 或PowerPC 作為主 CPU，當(dāng)運(yùn)行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)外加強(qiáng)大加密功能時(shí)該系統(tǒng)顯然無法提供所需要的計(jì)算性能。況且也無法改變物理硬件。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加速，我們使用可編程系統(tǒng)把計(jì)算從軟件域轉(zhuǎn)移到硬件側(cè)。

　　協(xié)處理硬件可編程系統(tǒng)基本上是一個(gè)或幾個(gè)CPU（ 運(yùn)行操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件）的組合，外加一個(gè) FPGA。FPGA 在其中用作靈活的接口“適配器”及協(xié)處理硬件。我們可以在單獨(dú)輔助芯片上實(shí)現(xiàn)可編程系統(tǒng)，或者將全部都集成到單個(gè)的器件上。我們可以根據(jù) FPGA 器件和 CPU 之間的通信方式，采用不同方法調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能和功能。

　　其中一種方法就是添加對(duì)等處理器，通過內(nèi)存映射狀態(tài)和控制寄存器與 CPU實(shí)現(xiàn)同步。因?yàn)橥ㄟ^同一系統(tǒng)總線運(yùn)行所有通信會(huì)很快降低性能，因此我們實(shí)際上希望把 CPU 數(shù)據(jù)流與對(duì)等處理器分開。而采用賽靈思 Central DMA 或多端口儲(chǔ)存器控制器 (MPMC) 等片上系統(tǒng)組件能夠輕松滿足上述愿望。

　　另外，也可以增加一個(gè)協(xié)處理器，這種情況下能通過增加自定義指令（也叫編譯功能）有效地?cái)U(kuò)展 CPU 的指令集。例如，它適合浮點(diǎn)單元，而且賽靈思結(jié)構(gòu)協(xié)處理器模塊 (FCM) 技術(shù)能輕松支持上述功能。此處的優(yōu)勢(shì)是在 CPU 和協(xié)處理器之間使用一條從內(nèi)存到系統(tǒng)總線的專用通信通道。對(duì)于 PowerPC，其為輔助處理單元 (APU)，而對(duì)于 MicroBlaze，則是快速單工鏈路 (FSL)。

　　圖 1 — 在采用 Valgrind 工具的 SCP 傳輸中，AES 加密占用三分之二的計(jì)算任務(wù)。

　　AES：黃金標(biāo)準(zhǔn)

　　但是沒有重大的系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，又該如何真正加速加密？

　　對(duì)于加密，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 是一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　采用 AES 加密時(shí)，無法通過定義減少計(jì)算任務(wù)，從而使嵌入式系統(tǒng)很快達(dá)到性能極限。如圖 1 所示，其中顯示用Valgrind 分析工具、通過 SCP（SSH 會(huì)話）進(jìn)行的文件傳輸?shù)姆治鼋Y(jié)果。此時(shí)AES 加密占用三分之二計(jì)算任務(wù)。

　　AES-128采用秘鑰和 128 位塊大小，使用許多并發(fā) 8 字節(jié)運(yùn)算。AES 屬于分組密碼，基于按 4x4 字節(jié)陣列組織的固定分組大小運(yùn)算。我們?cè)?jīng)采用 128位分組大小，它能抵擋所有已知攻擊，安全性甚至強(qiáng)于 192 位和 256 位版本。

　　采用 128 位 AES 時(shí)，執(zhí)行加密與解密需要 12 個(gè)回合，每個(gè)回合需要幾步運(yùn)算。第一項(xiàng)任務(wù)是通過所謂的密匙擴(kuò)展過程從密鑰中算出回合金鑰。每個(gè)回合都采用純文本自身的回合密匙執(zhí)行純文本的逐位異或運(yùn)算。然后進(jìn)行字節(jié)代替、行位移和列混合運(yùn)算，并再次執(zhí)行回合金鑰的異或運(yùn)算。

　　最后一個(gè)回合稍有不同，因?yàn)槠渲惺÷粤艘恍┎襟E。加密過程采用所謂的S 盒（其提供非線性）執(zhí)行替代。我們可以把它安置到一個(gè) 16×16×8 位矩陣中，從而能夠適應(yīng)常見的賽靈思 BRAM原語。多個(gè) S 盒實(shí)例可以加速 IP 核并在適當(dāng)?shù)奈恢脼閮?nèi)核提供所需數(shù)據(jù)，而無需等待對(duì)主存儲(chǔ)器的長時(shí)間總線存取。解密過程大同小異，其采用相同密鑰，但方向相反，并且使用不同 S 盒。

　　快 12 倍

　　在加密和解密中，大部分運(yùn)算按行或列執(zhí)行，剩下四項(xiàng)運(yùn)算并行計(jì)算 —而硬件對(duì)此任務(wù)得心應(yīng)手。這樣就能夠通過不同來源實(shí)現(xiàn) AES 硬件的各個(gè)部分。為了加速系統(tǒng)，我們從龐大、快速增長的 OpenCores.org 資源庫獲取AES 內(nèi)核。

　　我們刪除了原有的總線接口（因?yàn)樗m用于另一種 FPGA 架構(gòu)），另外為APU 添加了一個(gè)接口，以便把 AES 內(nèi)核作為 FCM 協(xié)處理器連接到 PowerPC上。我們共使用 8 個(gè)所謂的 UDI 指令在PowerPC 和 AES FCM 之間傳輸數(shù)據(jù)。工作結(jié)果非常令人滿意（ 見圖2） 。硬件加速的系統(tǒng)比原實(shí)現(xiàn)快了12 倍。原來用以 300 MHz運(yùn)行的獨(dú)立的 PowerPC 加密一個(gè)單塊需要 17.8微秒，而采用以 150 MHz 運(yùn)行的 AESFCM 只需 1.5 微秒。如果只以升級(jí)到速度稍快的 CPU來加速運(yùn)算，我們采用硬件加速后的 1.5 微秒速度表現(xiàn)超過基于 Intel Atom 1.6-GHz CPU 的純軟件實(shí)現(xiàn)（其需要 2.7 微秒）。上述結(jié)果證明了使用 FPGA 技術(shù)的硬件加速的卓越潛能。

　　圖 2 — 硬件加速系統(tǒng)（中間綠條）快于獨(dú)立的 PowerPC 或 Atom 處理器。