基于賽靈思FPGA的硬件加速技術(shù)打造高速系統

設計人員時(shí)常需要通過(guò)增加計算能力或額外輸入（或兩者）延長(cháng)現有的嵌入式系統的壽命。而可編程系統平臺在這里大有用武之地。我們曾經(jīng)希望用安全網(wǎng)絡(luò )連接功能升級一套網(wǎng)絡(luò )可編程系統。安全網(wǎng)絡(luò )連接功能需要加密才能運行安全外殼 (SSH)、傳輸層安全 (TLS)、安全套接層(SSL) 或虛擬專(zhuān)用網(wǎng) (VPN) 等協(xié)議。這種安全需求與把各種系統接入因特網(wǎng)的需求同步增長(cháng)，例如，為了啟用遠程管理與分布式控制系統。

　　因該領(lǐng)域仍在發(fā)展并且標準尚未固定，因此成本主要取決于一次性工程費用。所以，FPGA 技術(shù)能實(shí)現最高價(jià)值。我們的系統基于 Mi s s i n g L i n k Electronics (MLE) 公司的“軟”硬件平臺，其 FPGA 靈活的 I/O 能夠連接各種傳感器和執行器。該平臺采用可編程邏輯實(shí)現片上系統，以 MicroBlaze ™ CPU或 PowerPC® CPU 作為其核心。 CPU 為操作系統與用戶(hù)空間應用軟件運行 MLE Linux 軟件棧。由于采用 MicroBlaze 或PowerPC 作為主 CPU，當運行嵌入式Linux 操作系統外加強大加密功能時(shí)該系統顯然無(wú)法提供所需要的計算性能。況且也無(wú)法改變物理硬件。為了實(shí)現系統加速，我們使用可編程系統把計算從軟件域轉移到硬件側。

　　協(xié)處理硬件可編程系統基本上是一個(gè)或幾個(gè)CPU（ 運行操作系統與應用軟件）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。我們可以在單獨輔助芯片上實(shí)現可編程系統，或者將全部都集成到單個(gè)的器件上。我們可以根據 FPGA 器件和 CPU 之間的通信方式，采用不同方法調節系統性能和功能。

　　其中一種方法就是添加對等處理器，通過(guò)內存映射狀態(tài)和控制寄存器與 CPU實(shí)現同步。因為通過(guò)同一系統總線(xiàn)運行所有通信會(huì )很快降低性能，因此我們實(shí)際上希望把 CPU 數據流與對等處理器分開(kāi)。而采用賽靈思 Central DMA 或多端口儲存器控制器 (MPMC) 等片上系統組件能夠輕松滿(mǎn)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(guò)增加自定義指令（也叫編譯功能）有效地擴展 CPU 的指令集。例如，它適合浮點(diǎn)單元，而且賽靈思結構協(xié)處理器模塊 (FCM) 技術(shù)能輕松支持上述功能。此處的優(yōu)勢是在 CPU 和協(xié)處理器之間使用一條從內存到系統總線(xiàn)的專(zhuān)用通信通道。對于 PowerPC，其為輔助處理單元 (APU)，而對于 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算任務(wù)。

　　AES：黃金標準

　　但是沒(méi)有重大的系統重新設計，又該如何真正加速加密？

　　對于加密，高級加密標準 (AES) 是一個(gè)事實(shí)標準。

　　采用 AES 加密時(shí)，無(wú)法通過(guò)定義減少計算任務(wù)，從而使嵌入式系統很快達到性能極限。如圖 1 所示，其中顯示用Valgrind 分析工具、通過(guò) SCP（SSH 會(huì )話(huà)）進(jìn)行的文件傳輸的分析結果。此時(shí)AES 加密占用三分之二計算任務(wù)。

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

　　采用 128 位 AES 時(shí)，執行加密與解密需要 12 個(gè)回合，每個(gè)回合需要幾步運算。第一項任務(wù)是通過(guò)所謂的密匙擴展過(guò)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行純文本的逐位異或運算。然后進(jìn)行字節代替、行位移和列混合運算，并再次執行回合金鑰的異或運算。

　　最后一個(gè)回合稍有不同，因為其中省略了一些步驟。加密過(guò)程采用所謂的S 盒（其提供非線(xiàn)性）執行替代。我們可以把它安置到一個(gè) 16×16×8 位矩陣中，從而能夠適應常見(jiàn)的賽靈思 BRAM原語(yǔ)。多個(gè) S 盒實(shí)例可以加速 IP 核并在適當的位置為內核提供所需數據，而無(wú)需等待對主存儲器的長(cháng)時(shí)間總線(xiàn)存取。解密過(guò)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，大部分運算按行或列執行，剩下四項運算并行計算 —而硬件對此任務(wù)得心應手。這樣就能夠通過(guò)不同來(lái)源實(shí)現 AES 硬件的各個(gè)部分。為了加速系統，我們從龐大、快速增長(cháng)的 OpenCores.org 資源庫獲取AES 內核。

　　我們刪除了原有的總線(xiàn)接口（因為它適用于另一種 FPGA 架構），另外為APU 添加了一個(gè)接口，以便把 AES 內核作為 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 之間傳輸數據。工作結果非常令人滿(mǎn)意（ 見(jiàn)圖2） 。硬件加速的系統比原實(shí)現快了12 倍。原來(lái)用以 300 MHz運行的獨立的 PowerPC 加密一個(gè)單塊需要 17.8微秒，而采用以 150 MHz 運行的 AESFCM 只需 1.5 微秒。如果只以升級到速度稍快的 CPU來(lái)加速運算，我們采用硬件加速后的 1.5 微秒速度表現超過(guò)基于 Intel Atom 1.6-GHz CPU 的純軟件實(shí)現（其需要 2.7 微秒）。上述結果證明了使用 FPGA 技術(shù)的硬件加速的卓越潛能。

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