Wykorzystanie systemu wieloprocesorowego w kryptografii symetrycznej w układzie FPGA

System z procesorami MicroBlaze

MicroBlaze [6] jest 32-bitowym soft procesorem zaprojektowanym pod kątem efektywnej implementacji w układach programowalnych firmy Xilinx. Posiada on architekturę typu RISC z big-endianową reprezentacją liczb. Dostępny jest wraz ze środowiskiem EDK (Embedded Development Kit) jako parametryzowana netlista. Za dodatkową opłatą można pozyskać procesor w postaci pliku źródłowego w języku VHDL.

Wewnętrzną strukturę procesora MicroBlaze przedstawia rysunek 4. Elementy wyróżnione kolorem szarym są opcjonalne, konfigurowane przez użytkownika na etapie projektowania.

Rys. 4. Schemat blokowy soft mikroprocesora MicroBlaze [6]

Do elementów konfigurowalnych zaliczamy:

• potok o długości 3 lub 5 poziomów;
• jednostka zarządzania pamięcią (MMU);
• jednostka zmiennoprzecinkowa (FPU) pojedynczej precyzji;
• sprzętowe wspieranie wystąpienia wyjątków;
• szybka magistrala FSL do podłączenia pamięci lub
• koprocesora;
• pamięć cache dla danych i instrukcji;
• obsługa magistrali PLB, OPB, LMB oraz FSL;
• jednocyklowa operacja przesunięcia bitowego;
• sprzętowy blok dzielenia liczb całkowitych;
• sprzętowy blok mnożący;
• interfejs JTAG;
• rozszerzony zestaw instrukcji;
• rozbudowany kontroler przerwań.

W środowisku EDK stworzony został projekt systemu składającego się z dziesięciu procesorów MicroBlaze, nazwany MultiMicroBlaze (MMB), z których każdy dysponuje 16kB pamięci na dane i instrukcje oraz został skonfigurowany z wyłączonymi wszystkimi opcjami rozszerzeń. Połączone były ze sobą poprzez moduły MailBox będące parą kolejek FIFO, każda mogąca pomieścić cztery słowa 32-bitowe, zapewniając w ten sposób komunikacje dwukierunkową. Moduł ten jest podłączony przez niebuforowaną magistralę Direct FSL (Fast Simplex Link) [7] do procesorów. Pierwszy i ostatni procesor wyposażone zostały również w magistralę PLB (Processor Local Bus), do której podłączone zostały kontrolery interfejsów szeregowych RS232. Zastosowano algorytm cyklicznego sprawdzania stanu kolejki z racji zbliżonej złożoności obliczeń na poszczególnych etapów, w konsekwencji powoduje to uproszczenie programu i umożliwia oszacowanie czasu wykonania danego etapu. 

Tworzenie projektu w EDK jest uproszczone do poziomu wyznaczenia połączeń poszczególnych bloków, co w zdecydowanym stopniu przyspiesza proces tworzenia warstwy sprzętowej i ogranicza możliwości popełnienia błędów. Z procedurą tworzenia podstawowych rozwiązań wykorzystujących dwa procesory możemy zapoznać się w [8, 9]. Wprowadza ona jednak pewne ograniczenia w swobodzie konfigurowania. Niewątpliwą zaletą tego rozwiązania jest możliwość tworzenia aplikacji w języku C/C++.

Rysunek 5 przedstawia uproszczony schemat blokowy rozwiązania z procesorami MicroBlaze.

Rys. 5. Schemat blokowy systemu MultiMicroBlaze