基于流体系架构的分组密码处理器设计

为提升密码处理器性能,构建了密码处理器性能模型.基于该模型,提出多级资源共享、绑定前/后异或操作、最大化算法并行度等处理器性能提升技术,并根据性能提升技术确定了功能单元的种类和数量.然而功能单元不仅数量较多,而且在操作位宽和操作延迟方面均有较大差异,如何有效组织这些功能单元成为了一个关键问题.利用流体系结构可以高效集成大量功能单元的特点,设计并实现了基于流体系结构的可重构分组密码处理器原型,并通过把功能单元划分为基本处理单元,bank间共享单元和簇间共享单元3个层次来解决功能单元处理位宽和操作延迟的差异.在65nm CMOS工艺下对处理器原型进行综合,并在该结构上映射了典型的分组密码算法.实验结果证明:该处理器以较小的面积获得了较高的性能,对典型分组密码算法的处理速度,不仅超越了国际上的密码专用指令处理器,而且高于国内可重构阵列结构密码处理器.     

基于流体系结构的VLIW二维压缩及并行解压

VLIW（Very Long Instruction Word）指令因为含有较多的空操作导致严重的代码体积膨胀问题,代码压缩是解决这一问题的有效措施.VLIW代码压缩需要解决三个关键问题,一是提高压缩率;二是降低解压操作对性能的影响;三是分支目标重定位.针对流体系结构上的VLIW指令特点,提出了二维压缩,对VLIW进行垂直与水平两个方向上的压缩,且水平解压可以与代码执行并行,并通过设置堆栈寄存器缓存循环入口地址.实验结果表明二维压缩有效解决了VLIW代码体积膨胀问题,可以使指令存储器的面积减少36.48%,并使得整个CISP系统面积减少了7.85%.     

一种基于时隙的邮件消息发布算法

移动计算环境与固定网络计算环境之间的巨大差异使建立专门的移动查询模型成为必要。该文简单介绍了笔者在工作中提出的一种基于“代理/邮箱”机制的移动查询模型,并以省电的查询过程为研究目标,提出了邮箱机制的核心算法———基于固定时隙分配的邮件消息投递算法,用户在每个消息发布周期内,只需对分配给自己的时隙进行监听,其余时间可以进入睡眠状态,从而达到节省电能的目的。通过对算法的分析和模拟结果表明:第一,与传统的查询过程相比,该算法能够大幅度地降低用户查询过程中处于工作状态时间占全部查询响应时间的比例,从而有效地支持了查询的省电性;第二,算法是以一定的延迟增加为代价来换取省电方面的收益,所以更加适用于大量的对查询实时性要求较低的移动查询应用。     

面向密码流处理器的AES算法软件流水实现方法

针对轮函数在分组密码实现过程中耗时过长的问题,提出了面向可重构密码流处理器（RCSP）的高级加密标准（AES）算法软件流水实现方法。该方法将轮函数操作划分为若干流水段,不同流水段对应不同的并行密码资源,通过并行执行多个轮函数的不同流水段,从而开发指令级并行性提高轮函数执行速度,进而提升分组密码的执行性能。在RCSP的单簇、双簇和四簇运算资源下分析了AES算法的流水线划分过程和软件流水映射方法,实验结果表明,该软件流水实现方法使得单分组或多分组不同数据分块的操作并行执行,不仅能够提升单分组串行执行性能,还能够通过开发分组间的并行性来提高多分组并行执行性能。     

基于流体系结构的高效能分组密码处理器研究

针对现有密码处理器存在的问题,借鉴流处理器架构,提出了高效能的可重构分组密码流处理器架构.该架构采用层次化设计思想,通过分块式本地寄存器组的数据组织方式和共享拼接使用运算单元机制,实现了软件流水和硬件流水的协同工作,能够挖掘分组内和分组间的指令级并行性并提高功能单元的利用率.在65nm CMOS工艺下对架构进行了综合仿真,并经过了大量算法映射.实验结果证明,该架构在CBC和ECB加密模式下均具有良好的加密性能.与其他密码处理器相比,该架构具有小面积、高效能的特点.     

流体系结构密码处理器存储系统的研究与设计

以信息安全设备的密码应用需求为基础,融合流体系结构处理器基本架构,设计出流体系结构密码处理器.文章主要研究和设计影响该处理器性能的瓶颈--流存储系统.此系统针对专用密码处理器的存储特点,并采用可配置化设计,满足密码应用对处理器存储系统灵活高效的要求.同时,该设计将层次化-分布-分体式存储、多数据通道流水并行化访存、流访存调度策略相结合,优化存储系统的访存效率,以提高该处理器的整体性能.研究结果表明,相比于典型密码处理器的存储设计,该设计的访存效率最高可提升约6倍.     

基于参数化存储结构的滑动窗口IP核自动生成

为解决目前高级综合方法在处理滑动窗口程序时存在的存储系统设计瓶颈问题,提出了参数化存储体系结构模型.采用三级存储层次,充分开发内层循环、外层循环的数据重用;采用寄存器平移策略,简化硬件设计.与相关工作相比,这种体系结构模型使用相对较少的存储资源,将程序执行速度提高了2.13倍~3.8倍,将执行频率由相关工作的69MHZ提升到了238.7MHZ.     

粗粒度可重构平台中循环自流水硬件实现

循环流水技术运用于粗粒度可重构体系结构可带来显著性能提升.循环控制、流水线同步和存储器有效利用是其中的关键问题.文中介绍了在粗粒度可重构体系结构LEAP上循环自主流水化的硬件实现.该方法基于支持循环迭代自动调度的控制部件、数据驱动ALU和可配置静态交换路由.利用动态调度循环中操作的优势,LEAP可发掘更高的程序并行度;分布式存储访问和高效数据重用则提高了带宽利用率.实验结果表明,相对于通用处理器,LEAP有13.08～535.65倍的性能提升.     

面向密码流体系结构的超长指令字可重构研究

可重构密码流体系结构是一种面向密码运算的新型体系结构,但存在着超长指令字(VLIW)代码稀疏和Kernel体积过大的问题。该文以可重构密码流处理架构S-RCCPA为研究平台,通过大量密码算法在S-RCCPA架构上的适配分析,提出了VLIW可重构技术,并设计了Kernel级指令集、VLIW可重构算法及指令可重构单元。实验证明,该技术能够有效提高VLIW的指令密度,同时降低了VLIW的指令宽度,使得整个Kernel体积减小了约33.3%,并将微码存储器的容量由96 kB降为64 kB,有效降低芯片整体面积和系统功耗。