基于FPGA與PCI總線的并行計(jì)算平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)前對于各種加密算法。除了有針對性的破解算法，最基本的思想就是窮舉密鑰進(jìn)行匹配，通常稱為暴力破解算法。由于暴力破解算法包含密鑰個(gè)數(shù)較多，遍歷的時(shí)間超過實(shí)際可接受的范圍。如果計(jì)算速度提高到足夠快。這種遍歷的算法因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡便而具有實(shí)際應(yīng)用的前景。

　　PCI總線（外設(shè)互聯(lián)總線）與傳統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)——ISA總線（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線）相比，具有更高的傳輸率（132MBps）、支持32位處理器及DMA和即插即用等優(yōu)點(diǎn)，用于取代ISA總線而成為目前臺式計(jì)算機(jī)的事實(shí)I/O總線標(biāo)準(zhǔn)，在普通PC機(jī)和工控機(jī)上有著廣泛的應(yīng)用。PCI總線為滿足在插卡和系統(tǒng)存儲器中高速傳輸數(shù)據(jù)的要求提供了很好的途徑。

　　PCI總線是一種獨(dú)立于處理器的局部總線，因此通過PCI總線插入擴(kuò)展板，利用并提升普通PC機(jī)和工控機(jī)對大規(guī)模數(shù)字信號處理的運(yùn)算能力和速度是一項(xiàng)非常具有實(shí)用意義的工作。

　　隨著數(shù)字技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為代表的ASIC器件得到了迅速普及和發(fā)展，器件集成度和速度都在高速增長。FPGA既具有門陣列的高邏輯密度和高可靠性，又具有可編程邏輯器件的用戶可編程特性，可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，降低產(chǎn)品成本，縮短設(shè)計(jì)周期。FPGA與通用CPU相比又具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）FPGA一般均帶有多個(gè)加法器和移位器，特別適合多步驟算法中相同運(yùn)算的并行處理。通用CPU只能提供有限的多級流水線作業(yè)。

　?。?）一塊FPGA中可以集成數(shù)個(gè)算法并行運(yùn)算。通用CPU一般只能對一個(gè)算法串行處理。

　?。?）基于FPGA設(shè)計(jì)的板卡功耗小、體積小、成本低，特別適合板卡問的并聯(lián)。

　　本文介紹的基于PCI總線的FPGA計(jì)算平臺的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：通過在PC機(jī)上插入擴(kuò)展PCI卡，對算法進(jìn)行針對并行運(yùn)算的設(shè)計(jì)，提升普通PC機(jī)對大計(jì)算量數(shù)字信號的處理速度。本設(shè)計(jì)采用5片F(xiàn)PGA芯片及相關(guān)周邊芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一并行高速計(jì)算平臺，并在該平臺上完成了DES和MD5等算法的加密和解密。文中通過基于MD5算法設(shè)計(jì)的加密方案（仿Yahoo郵箱的密碼校驗(yàn)）進(jìn)行暴力破解，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性以及速度快、性價(jià)比高等顯著優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)利用普通PC機(jī)或工控機(jī)進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)流下載和結(jié)果采集，大計(jì)算量的數(shù)字運(yùn)算利用IP-CORE技術(shù)并行地在FPGA中進(jìn)行。將數(shù)字信號處理的算法設(shè)計(jì)為一個(gè)單元模塊，并根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)對布局和布線進(jìn)行優(yōu)化，該單元模塊重復(fù)利用的技術(shù)被稱為IP-CORE技術(shù)。在本系統(tǒng)中利用TP-CORE的可重復(fù)利用性，通過仲裁邏輯調(diào)度數(shù)據(jù)的分配，從而實(shí)現(xiàn)算法的并行處理。

　　1.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)中采用5片ALTERA公司的STRATIX EP1Sl0FPGA芯片，其中4片作為數(shù)字信號處理算法CORE的載體（文中稱為算法FPGA）;l片作為連接PC機(jī)與運(yùn)算CORE的橋接芯片、加載程序、并行總線裁決和中斷判決等仲裁邏輯的載體。與PCI總線的接口使用PLX公司的PCI9054芯片。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

　　BRIDGE FPGA的程序采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，按功能可分為以下部分：頂層模塊PCI_FPGA_PARALLEL;與PCI9054的接口模塊PCI接口;數(shù)據(jù)緩存及仲裁部分：數(shù)據(jù)緩存模塊FIFO、寄存器模塊regpart、數(shù)據(jù)回傳模塊deserial、內(nèi)部總線仲裁和流控模塊CORE接口等。

　　PCI接口部分實(shí)現(xiàn)與PCI9054芯片的接口時(shí)序，使得復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)分開，產(chǎn)生地址空間的選取及使能信號，便于后端處理。

　　仲裁邏輯部分：

　?。?）實(shí)現(xiàn)對地址空間內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、各種寄存器的讀寫，以及根據(jù)配置寄存器的內(nèi)容對算法CORE和橋FPGA做相應(yīng)的操作（配置、啟動(dòng)、停止、復(fù)位等）。

　?。?）利用緩沖區(qū)及FIF0的隊(duì)列長度信號wrusedw、rdusedw、full和empty進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制。數(shù)據(jù)由PC機(jī)下載時(shí)首先進(jìn)入緩沖區(qū)，每一塊算法CORE均對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)下行FIFO，由FIFO當(dāng)前狀態(tài)來判定是否從緩沖區(qū)中取數(shù)。具體邏輯模型如圖3所示。

　?。?）返回結(jié)果引入本地中斷機(jī)制，當(dāng)有正確結(jié)果產(chǎn)生、或無正確結(jié)果但密鑰匹配完成、或系統(tǒng)異常狀態(tài)，均產(chǎn)生中斷信號并填寫中斷類型寄存器，經(jīng)級聯(lián)后產(chǎn)生向PC機(jī)的中斷。中斷判決如圖4所示。

　?。?）實(shí)現(xiàn)與算法core間的協(xié)議邏輯，控制多種數(shù)據(jù)流的下行以及結(jié)果的返回。

　　2 MD5算法簡介

　　MD5（Message Digest 5）報(bào)文摘要算法是一種應(yīng)用廣泛的提取數(shù)字指紋的算法標(biāo)準(zhǔn)，它由MIT的密碼學(xué)專家、RSA算法的發(fā)明人之一Rivest設(shè)計(jì)發(fā)明。MD5算法結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　對任意長度的信息輸入，MD5都將產(chǎn)生一個(gè)長度為128bit的輸出，這一輸出可以被看作是原輸入報(bào)文的“報(bào)文摘要值（Message Digest）”。

　　MD5的特點(diǎn)：

　　（1）兩條不同的報(bào)文具有相同的報(bào)文摘要值的可能性極小。

　　（2）對于預(yù)先給定的報(bào)文摘要值，要想尋找到一條報(bào)文，使得其報(bào)文摘要值與某個(gè)給定的報(bào)文摘要值相等，在計(jì)算上是不可能的。

　?。?）根據(jù)報(bào)文的摘要值，要想推測出原來的報(bào)文是極端困難的。

　　MD5算法被廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完整性檢查以及各種數(shù)據(jù)加密技術(shù)中。

　　Yahoo郵箱密碼算法是基于兩次MD5算法。共算法步驟如下：

　　stepl：對一個(gè)密碼字段（例如：dfeag~hyt），用MD5算法加密：h=md5 （dfertgrhyt）。

　　step2：將step1所得結(jié)果轉(zhuǎn)換為32Bytes的hex值：hex（h）。

　　step3：將step2所得結(jié)果與一個(gè)yahoo提供的chanllenge值簡單級聯(lián)：string=hex（h）+chanUenge

　　step4：將step3所得結(jié)果再進(jìn)行一次MD5運(yùn)算：hash=md5（strmg）。

　　由于未得到實(shí)際Yaheo郵箱密碼生成參數(shù)（例如challenge碼），本文構(gòu)造了相近算法以測試本系統(tǒng)性能。

　　測試方案如下：

　　提供一個(gè)已知的challenge值與相應(yīng)的Hash值，從提供的字典中提取合適密碼，由生成算法計(jì)算出對應(yīng)的Hash值與提供的Hash值匹配來校驗(yàn)匹配的密碼。密鑰字典的產(chǎn)生有兩種方式：人為構(gòu)造字典及系統(tǒng)自加、窮舉產(chǎn)生密鑰。

　　3 實(shí)測性能分析

　　實(shí)際系統(tǒng)中算法CORE運(yùn)算時(shí)鐘為20MHz，64bit數(shù)據(jù)寬度輸入;采用多級流水線設(shè)計(jì)及運(yùn)算速度就是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘的速度。除運(yùn)算初期流水線建立過程和運(yùn)算結(jié)束時(shí)流水線完成過程，運(yùn)算速度均可視為20MHz;實(shí)際制成的系統(tǒng)為四片算法FPGA并行運(yùn)算，實(shí)際吞吐量為4×20M×16bit=1.28Gb;經(jīng)Ahem Quartus 4.1綜合，實(shí)際仲裁邏輯占用3725個(gè)邏輯單元。綜合頻率最高為156.2MHz，單算法邏輯占用7718個(gè)邏輯單元，綜合頻率最高為37.10MHz。

　　典型的普通PC機(jī)定點(diǎn)運(yùn)算需要多個(gè)指令周期，包括取指令、取數(shù)據(jù)、計(jì)算、保存數(shù)據(jù)等指令周期，而一個(gè)x86指令周期又由多個(gè)CPU時(shí)鐘周期組成，大大降低了實(shí)際運(yùn)算速度。由于單個(gè)CORE以20MHz時(shí)鐘流水線運(yùn)算，相當(dāng)于一臺普通PC機(jī)的運(yùn)算速度，因此多個(gè)CORE并行運(yùn)算即可達(dá)到多臺PC機(jī)并行運(yùn)算的效率。

　　采取密鑰字典自FPGA窮舉產(chǎn)生方式，可發(fā)揮算法CORE的最大效能。若采取密鑰字典自PC機(jī)下載方式，則實(shí)際速率由PCI總線最高速率決定。但由于字典可以人為選取，大大降低了密鑰選取的盲目性。本系統(tǒng)接入普通PC機(jī)上32bit、32MHz的PCI總線，單算法CORE連續(xù)運(yùn)算（64bit×20MHz）即可滿足PCI總線全速下載。若使用64bit、66MHz的PCI總線或PCI EXPRESS，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)際吞吐量。

　　本文提出了一種基于FPGA的適合大規(guī)模數(shù)字信號處理的并行處理結(jié)構(gòu)，利用CORE的可置換性，可以針對不同應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算設(shè)計(jì)不同的CORE，系統(tǒng)通用性的特點(diǎn)非常顯著。一臺普通PC機(jī)中可以同時(shí)插入數(shù)塊PCI卡。每塊卡上的任意一塊算法FPGA都可提供相當(dāng)或超過一臺普通PC機(jī)的運(yùn)算速度。而每增加一塊算法FPGA，在效率提高一倍的前提下，功耗增加不超過10W，而體積幾乎不變，成本也只是比普通PC機(jī)增加了五分之一。因此。本文提出的并行結(jié)構(gòu)具有極高的性價(jià)比。

　　如果將PCI總線接口模塊集成到FPGA中以取代PCI9054芯片，將進(jìn)一步降低硬件成本，減少硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度;因?qū)嶋H運(yùn)算速度與算法的并行度和優(yōu)化有密切的關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)不同應(yīng)用的CORE以及相關(guān)算法的優(yōu)化是下一步要進(jìn)行的重要工作。