FPGA *

Недавно мы применили плату Ethond в качестве мини-роутера и запустили на нём OpenVPN.

Но обнаружилось, что процессор часто нагружается на 100%, а скорость не поднимается выше 15-16 Мбит/с. На канале связи 100 мегабит это очень мало, поэтому мы решили ускорить процесс аппаратно.

Ребята из группы FPGA-разработчиков сделали прошивку на базе открытого IP-core для Altera CycloneV с реализацией шифра AES-128, которая умеет шифровать 8 Гбит/сек и дешифровать 700 Мбит/сек. Для сравнения, программа openssl на CPU (ARM Cortex A9) того же CycloneV может обрабатывать лишь около 160 Мбит/сек.

Эта статья посвящена нашему исследованию по применению аппаратного шифрования AES. Мы сжато представим описание криптографической инфраструктуры в Linux и опишем драйвер (исходный код открыт и доступен на github), который осуществляет обмен между FPGA и ядром. Реализация шифрования на FPGA не является темой статьи — мы описываем лишь интерфейс, с которым происходит взаимодействие c акселератором со стороны процессора.

В статье про VGA интерфейс я написал, что использовал внешнюю память SDRAM  в качестве фрем буфера. Хочу поделиться его реализацией, хотя бы потому что, когда я занимался разработкой этого модуля потратил много времени, ведь стандартные IP-ядра не поддерживают эту микросхему. И, как результат, хочу кому-нибудь помочь в этом вопросе.

Я постараюсь в общем рассказать о верификации цифровых схем.

Верификация в данной области — это важный процесс, требующий привлечения опытных инженеров. Например, специалист по верификации, работающий над системами с ЦПУ, как правило должен владеть скриптовыми языками и языками командных оболочек (Tcl, bash, Makefile и т.п.), языками программирования (С, С++, ассемблер), HDL/HDVL (SystemVerilog [10, Appendix C — история языка][11], Verilog, VHDL), современными методологиями и framework’ами (UVM).

Доля времени, затраченного на верификацию, доходит до 70-80% от всего времени проекта. Одна из основных причин такого внимания в том, что к микросхеме нельзя выпустить “патч” после того, как ее отдали в производство, можно только выпустить “silicon errata” (это не касается проектов ПЛИС/FPGA).

Под цифровыми схемами я подразумеваю:

• сложно-функциональные блоки/intellectual properties (СФБ/IP);
• специализированные заказные микросхемы/application-specific integrated circuit (ASIC);
• проекты программируемых логических интегральных схем/field-programmable gate array (ПЛИС/FPGA);
• системы на кристалле/system-on-crystal (СнК/SoC);
• и т.п.

Всех, кто работает с софт-ядрами, наверное, можно разделить на две категории: первые хотят запустить на своем ядре Linux, вторые — DOOM. Я отношусь ко второй: идея запустить DOOM на ядре YRV, что я синтезирую на отладках, любезно предоставленных FPGA-Systems.ru, преследует меня постоянно и не дает спать.

Как запустить DOOM с ходу, непонятно, ведь у меня все-таки некоммерческий микроконтроллер. Поэтому начну с подготовительного упражнения, чтобы понять, что возможно реализовать на аппаратной части. Когда мы говорим про DOOM, то вспоминаем другие игры любимой компании id Software — Wolfenstein 3D, Catacomb 3D и Hovertank 3D. В них все начинается с алгоритма отсечения лучей (raycasting), с которым и будем поработать. С raycasting можно получить и doom-образный геймплей, надо лишь улучшить разрешение и текстуры.

Осенью стартовал новый поток Школы синтеза цифровых схем — нашей бесплатной образовательной программы о современных приемах проектирования цифровых микросхем. От серийных ASIC и микропроцессоров общего назначения до реконфигурируемых FPGA и специализированных вычислителей. По этим и связанным темам выпущено немало профессиональной литературы. Мы попросили преподавателей Школы — Юрия Панчула и Александра Рябова — выбрать книги, которые помогут при обучении в школе и самостоятельном освоении синтеза цифровых схем.

На просторах интернета есть несколько статей об алгоритме получения хеш-функции Стрибог (ГОСТ 34.11-2012), в том числе и на Хабре. Однако везде в качестве примера приводится реализация на языках программирования C, C#, Python и других. То есть идет последовательное выполнение операций алгоритма. В данной статье я хочу затронуть аппаратную реализацию на языке System Verilog, уделить внимание распараллеливанию вычислений и описанию интерфейсов модулей. Для начала кратко рассмотрим теорию.

В субботу прошло первое занятие Школы Синтеза Цифровых Схем. Записалось 650 человек в 15 городах России и Беларуси, пришли 400 (250 офлайн и 150 онлайн). Российский флаг на мониторе нарисован комбинационной логикой FPGA (первое что пришло в голову рисовать студентам сразу в двух кластерах). Вообще обычно на первом занятии мигают светодиодами, но мы решили пойти дальше и показали им как рисовать картинки. Для этого два счетчика формируют X и Y, а задача студента - реализовать функцию RGB (X, Y).

Из-за наличия зоопарка плат, версий Windows и Linux, а также EDA софтвера, глючных программаторов, и при этом свежих и недотестированных bash-скриптов, возникла ситуация полного ада, особенно у онлайн-пользователей (преподаватели на местах героически справлялись). Возникла ошибка, которая меня реально удивила. И не только меня:

• Конфигурационные транзакции
• Транзакции ввода/вывода
• Транзакции обращения к памяти