加密专用处理器指令集设计

摘要

不同应用领域对处理器的要求差异很大，这使得专用处理器(ASIP)成为了很多特定领域的最优化的选择。专用指令集处理器(ASIP)指令集设计一般都基于对应用算法源码的分析。本文针对 Mibench平台加密标测类中的 sha算法源码，设计了相应 ASIP的指令集，其中 Mibench是密歇根大学的嵌入式 benchmark标测平台。所完成的主要工作分为以下三个部分：
　　1，设计了用于 ASIP设计的细粒度源码分析工具。传统源码分析工具不能为 ASIP设计提供足够的统计信息，于是本文面向 ASIP设计需求设计了源码分析器，该源码分析器基于编译器中间代码并采用 python脚本语言实现，所用的中间代码由 LANCE编译器前端产生。除了给出基本 C运算操作的运行统计信息，load/store信息，跳转信息，本文还给出了中间代码基本块的运行统计信息以及可以用于指导堆栈设计的子函数变量个数统计信息。
　　2，设计了针对 sha加密算法应用的专用指令集。利用本文所设计的分析器对 sha加密算法的 C源码进行了特征提取，并根据这些算法特征设计了专用处理器指令集，该指令集以 OR1K的指令体系结构为初始指令模板，针对应用源码特征扩展而成。所扩展的指令以协处理器的方式与主处理器紧密整合。
　　3，加密专用协处理器结构设计与硬件实现。为了实现所扩展指令集的功能，本文提出了相应的处理器体系结构，为了支持定制指令的多操作数输入和多结果输出功能，本文设计了中间寄存器来解决多操作数的问题。硬件实现的仿真和验证在 Xilinx的 ISE13.1环境下完成。
　　实验结果表明，本文所设计的细粒度源码分析器能很好地指导 ASIP指令集设计，所设计的指令集能以很少的硬件消耗为代价，换取完成 sha加密计算过程时很大的性能提升。
　　在不引入关键路径的前提下，使用DC综合，指令扩展之后处理器面积消耗增加到扩展前的1.123倍。获得了1.78倍于初始处理器的处理速率。

目录

加密专用处理器指令集设计

INSTRUCTION SET DESIGN FOR ENCRYPTION APPLICATION SPECIFIC INSTRUCTION SET PROCESSOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状以及应用前景

1.3 论文研究的主要内容

1.4 论文结构安排

第2章 源码分析器QUANTUM-PROFILER设计

2.1 细粒度源码分析介绍

2.2 细粒度源码分析的相关工作

2.3 细粒度分析策略设计与实现

2.4 QUNTUM-PROFILER的应用

2.5 本章小结

第3章 加密专用指令集设计

3.1 处理器指令扩展方法

3.2 基于开源可扩展构架OR1K指令体系结构的加密指令扩展

3.3 本章小结

第4章 加密专用处理器结构设计与验证

4.1 OR1K CPU CORE体系结构简述

4.2 加密专用协处理器核体系结构

4.3 处理器的功能验证

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢