可重構(gòu)系統(tǒng)和可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可重構(gòu)系統(tǒng)和可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)及其該可重構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于分組密碼算法的高效實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]可重構(gòu)系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)配置改變其功能，同時(shí)保持較高計(jì)算性能，兼具高性能和高靈活的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，是解決密碼算法等計(jì)算密集型應(yīng)用的理想選擇，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。面向計(jì)算任務(wù)日趨復(fù)雜的應(yīng)用需求，可重構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算資源的規(guī)模與特征限制了計(jì)算性能的提高。傳統(tǒng)的可重構(gòu)系統(tǒng)未能適應(yīng)分組密碼算法中數(shù)據(jù)置換等操作的特點(diǎn)和需求，導(dǎo)致配置信息復(fù)雜度的提升和配置調(diào)度時(shí)間需求的增加，從而影響可重構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，為了解決上述或其它不足，本發(fā)明提供一種可重構(gòu)系統(tǒng)和可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，可以降低流水線深度，提高硬件資源利用率，從而優(yōu)化分組密碼算法中的置換操作，實(shí)現(xiàn)分組密碼算法的高效處理。
[0004]為決上述問(wèn)題，本發(fā)明一實(shí)施例公開(kāi)了一種可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)，包括:N組陣列，一該陣列包括M個(gè)行結(jié)構(gòu)，其中，M、N為大于2的自然數(shù)，一該行結(jié)構(gòu)至少包括:互連單元，具有第一多路選擇器和第二多路選擇器，且在該第一多路選擇器和該第二多路選擇器之間設(shè)置置換網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算單元，具有多個(gè)算術(shù)邏輯單元，且每一該邏輯單元支持單獨(dú)配置；其中，該置換網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)行輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)任意無(wú)重復(fù)置換，該置換后的數(shù)據(jù)經(jīng)由該第二多路選擇器輸入該計(jì)算單元用于運(yùn)算。
[0005]進(jìn)一步地，該置換網(wǎng)絡(luò)包括按字節(jié)置換網(wǎng)絡(luò)和按比特置換網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該第一多路選擇器和置換網(wǎng)絡(luò)組合，對(duì)輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)字節(jié)級(jí)和比特級(jí)的置換，并通過(guò)該第二多路選擇器輸出至該計(jì)算單元。
[0006]進(jìn)一步地，每一組陣列還包括:一輸入單元，具有多個(gè)輸入通道，該輸入單元通過(guò)該多個(gè)輸入通道輸入外部數(shù)據(jù)至第一個(gè)行結(jié)構(gòu)；一輸出單元，具有多個(gè)輸出通道，該輸出單元通過(guò)該多個(gè)輸出通道輸出該第M行輸出數(shù)據(jù)；其中，第N-1組陣列的輸出單元的輸出數(shù)據(jù)輸入到第N組陣列的輸入單元，第N組陣列的輸出單元的輸出數(shù)據(jù)輸入到第N+1組陣列的輸入單元。
[0007]進(jìn)一步地，還包括查找表單元，每一組陣列共享一該查找表單元，且該一組陣列中一個(gè)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行查表操作。
[0008]進(jìn)一步地，所述查找表單元包括多個(gè)查找表，支持不同規(guī)模的查表操作，該一組陣列的多個(gè)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算單元的算術(shù)邏輯單元共享一個(gè)查找表。
[0009]進(jìn)一步地，還包括第三多路選擇器，用于選擇該計(jì)算單元或者該查找表單元的輸出作為該行的輸出。
[0010]為決上述問(wèn)題，本發(fā)明另一實(shí)施例公開(kāi)了一種上述實(shí)施例提供的所述的可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，包括:用于分組密碼計(jì)算，包括以下輪迭代步驟:字節(jié)替換，行移位，列混合，密鑰加。
[0011]進(jìn)一步地，每一組陣列包括第一個(gè)行結(jié)構(gòu)、第二個(gè)行結(jié)構(gòu)、第三個(gè)行結(jié)構(gòu)、第四個(gè)行結(jié)構(gòu):該第一個(gè)行結(jié)構(gòu)用于字節(jié)替換的運(yùn)算；該第二個(gè)行結(jié)構(gòu)用于行移位的運(yùn)算，且不占用該第二個(gè)行結(jié)構(gòu)的多個(gè)計(jì)算邏輯單元；該第二個(gè)行結(jié)構(gòu)的多個(gè)計(jì)算邏輯陣列分配給列混合操作，該列混合的操作數(shù)由該第二個(gè)行結(jié)構(gòu)的三個(gè)置換網(wǎng)絡(luò)提供；該第三個(gè)行結(jié)構(gòu)用于完成矩陣中非I系數(shù)的有限域乘法操作；該第四個(gè)行結(jié)構(gòu)用于完成列混合中間數(shù)據(jù)的處理與密鑰加操作。
[0012]為決上述問(wèn)題，本發(fā)明又一實(shí)施例公開(kāi)了包括上述實(shí)施例所述的可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0014](I)本發(fā)明的可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)，基于傳統(tǒng)的計(jì)算陣列結(jié)構(gòu)，在兩計(jì)算陣列的互連單元中加入了多個(gè)置換網(wǎng)絡(luò)單元；將移位操作直接在兩行計(jì)算單元之間的互連結(jié)構(gòu)中完成，既減少了硬件資源開(kāi)銷，也降低了配置信息的復(fù)雜度。
[0015](2)本發(fā)明的可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)，綜合考慮多種分組密碼算法的特點(diǎn)，將多行算術(shù)邏輯單元和互連單元分為一組，只在每組的頂部與底部有輸入輸出端口，并且每組共享一個(gè)查找表，只允許一行進(jìn)行查表操作，這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了硬件的開(kāi)銷，提高了架構(gòu)的靈活性，而且由于減少了大量的端口，可重構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算時(shí)實(shí)際所需配置信息量得到相應(yīng)減少，提高了系統(tǒng)的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0016]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本人發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0017]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)的框架示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明圖1中可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)中單行結(jié)構(gòu)的框架示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)的映射方案框架示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的另一實(shí)施例可重構(gòu)系統(tǒng)的框架示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)及管理方法實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的陣列及管理方法實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)的框架示意圖，圖2為本發(fā)明圖1中可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)中單行結(jié)構(gòu)的框架示意圖。結(jié)合圖1、2所示，由互連單元和計(jì)算單元組成的行結(jié)構(gòu)按照一定的算法要求組成相應(yīng)大小的陣列，其中按比特置換與按字節(jié)置換網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)相等，計(jì)算邏輯陣列單行的位寬要滿足相應(yīng)算法的密鑰寬度要求。每組陣列中，只有第一行的頂部有數(shù)據(jù)輸入端口，第M行的尾部有數(shù)據(jù)輸出端口，并且每組共享一個(gè)查找表，只允許一行進(jìn)行查表操作，這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了硬件的開(kāi)銷，增加了架構(gòu)的靈活性，而且由于減少了大量的端口，可重構(gòu)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)際所需配置信息量得到相應(yīng)減少，提高了系統(tǒng)的性能。圖中，N組陣列構(gòu)成整個(gè)可重構(gòu)邏輯陣列。整個(gè)陣列是首尾相連的，形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)某些算法的深度流水操作。整個(gè)陣列的層次化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了配置信息的管理方式。
[0023]如圖1所示，可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)，包括:N組陣列，一該陣列包括M個(gè)行結(jié)構(gòu)，其中，M、N為大于2的自然數(shù)。結(jié)合參考圖2，一該行結(jié)構(gòu)至少包括:互連單元，具有第一多路選擇器10?13和第二多路選擇器20?22，且在該第一多路選擇器10?13和該第二多路選擇器20?22之間設(shè)置置換網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算單元，包括多個(gè)算術(shù)邏輯單元，可選擇的為8位算術(shù)邏輯單元，且每一該邏輯單元支持單獨(dú)配置，支持的操作種類由分組密碼算法決定；其中，該置換網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)行輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)任意無(wú)重復(fù)置換，該置換后的數(shù)據(jù)經(jīng)由該第二多路選擇器20?22輸入該計(jì)算單元用于運(yùn)算。
[0024]如圖2所示，三個(gè)load端口表明行與行之間有三個(gè)數(shù)據(jù)通路，用于算法中間數(shù)據(jù)的流水線傳輸；四個(gè)三選一第一多路選擇器負(fù)責(zé)選擇任意一個(gè)數(shù)據(jù)送入置換網(wǎng)絡(luò)。
[0025]其中，置換網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任意無(wú)重復(fù)移位操作，并為計(jì)算單元提供數(shù)據(jù)；每個(gè)算術(shù)邏輯單元(圖2僅以一個(gè)為例)有三個(gè)輸入，兩個(gè)輸出第二多路選擇器，根據(jù)配置信息提供的操作碼完成相應(yīng)操作；兩個(gè)二選一第三多路選擇器負(fù)責(zé)選擇計(jì)算單元或者查找表單元的輸出作為該行的輸出。
[0026]該置換網(wǎng)絡(luò)包括按字節(jié)置換網(wǎng)絡(luò)和按比特置換網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該第一多路選擇器和置換網(wǎng)絡(luò)組合，對(duì)輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)字節(jié)級(jí)和比特級(jí)的置換，并通過(guò)該第二多路選擇器輸出至該計(jì)算單元。鑒于分組密碼算法存在大量按字節(jié)移位操作與少量按比特移位操作的特點(diǎn)，置換網(wǎng)絡(luò)支持字節(jié)級(jí)和比特級(jí)兩種操作，從而既保證置換網(wǎng)絡(luò)的靈活性，同時(shí)避免按比特移位操作時(shí)置換網(wǎng)絡(luò)所需配置信息量過(guò)大的劣勢(shì)。
[0027]其中，每一組陣列還包括:一輸入單元，具有多個(gè)輸入通道，該輸入單元通過(guò)該多個(gè)輸入通道輸入外部數(shù)據(jù)至第一個(gè)行結(jié)構(gòu)；一輸出單元，具有多個(gè)輸出通道，該輸出單元通過(guò)該多個(gè)輸出通道輸出該第M