多協(xié)議仲裁加解密讀寫CPU內(nèi)存的IP核設(shè)計

羅 平，王瑞雪，覃海洋

(重慶大學(xué)城市科技學(xué)院 電氣信息學(xué)院，重慶 402167)

0 引 言

芯片IP核內(nèi)部可能有多個訪存通路，同步高效地控制多個協(xié)議完成對內(nèi)存的安全讀寫變得愈加重要。嵌入式CPU大都采用簡單優(yōu)先級反轉(zhuǎn)仲裁或固定優(yōu)先級仲裁算法來完成對多協(xié)議訪存請求仲裁，即按固定的規(guī)律來對內(nèi)存訪問請求進(jìn)行仲裁[1]，這種方法很容易導(dǎo)致緊急的訪存請求被阻塞或者某一個協(xié)議請求一直無法得到及時響應(yīng)，這極大降低了CPU的訪存效率。雖然一些仲裁器采用了動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整算法，即根據(jù)主設(shè)備訪問不同從設(shè)備，調(diào)整自身的優(yōu)先級，以提高總線的傳輸效率，但其本質(zhì)上還是一種固定優(yōu)先級[2]。同時，雖然大多數(shù)CPU有采用內(nèi)存保護(hù)功能來防止非法用戶讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)依然有被讀出的可能性，傳統(tǒng)的保護(hù)方法著重于防止數(shù)據(jù)被讀出，但是一旦數(shù)據(jù)被非法獲得，數(shù)據(jù)內(nèi)容將是明文呈現(xiàn)給非法用戶[3]。

基于這類實際問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種能夠飽和仲裁控制多協(xié)議對CPU內(nèi)存單元進(jìn)行高效偽隨機(jī)加解密讀寫的數(shù)字電路。

1 系統(tǒng)整體框架

整個設(shè)計主要包含同步邏輯，仲裁邏輯，加密邏輯，自定義訪存邏輯，圖1是系統(tǒng)整體框架。

如圖1所示，訪存協(xié)議0和訪存協(xié)議1均對內(nèi)存有讀寫需求，訪存協(xié)議0來自于時鐘域0，訪存協(xié)議1和內(nèi)存都處于時鐘域1。同步握手協(xié)議模塊用于在兩個協(xié)議同時發(fā)起請求時，將訪存協(xié)議0的請求同步到時鐘域1來；飽和仲裁模塊可對訪存協(xié)議0和訪存協(xié)議1的訪存請求進(jìn)行飽和仲裁，根據(jù)仲裁結(jié)果對某個協(xié)議進(jìn)行訪問授權(quán)；LFSR(linear feedback shifter register)偽隨機(jī)加密發(fā)生器[4]、POLY和地址提取模塊完成對訪存讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作；自定義訪存協(xié)議模塊實現(xiàn)對內(nèi)存的直接讀寫訪存；所模塊功能均在狀態(tài)機(jī)的控制下實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 功能實現(xiàn)

2.1 跨時鐘域握手協(xié)議

因為在本次設(shè)計中，協(xié)議0和協(xié)議1分別屬于兩個時鐘域，所以訪存請求也來自于不同的時鐘域，為了消除可能出現(xiàn)的競爭冒險現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行同步，同時為了正確的傳輸控制請求信號，采用握手協(xié)議?？鐣r鐘域握手協(xié)議如圖2所示。

圖2 跨時鐘域握手協(xié)議

協(xié)議0處在時鐘域0，協(xié)議1與內(nèi)存控制邏輯均處在時鐘域1。因此，為了保證協(xié)議0訪存請求的正確性，先要將在時鐘域0的協(xié)議0同步到時鐘域1，采用兩級寄存器打拍進(jìn)行，具體的做法是用另一邊的時鐘去捕捉對面時鐘域的請求信號，通過使用兩級寄存器來減小亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的幾率，以實現(xiàn)將兩個請求信號同步到一個時鐘域進(jìn)行處理。當(dāng)時鐘域1捕捉到協(xié)議0的請求req后，將響應(yīng)信號ack傳回時鐘域0，此時也采用兩級寄存器打拍進(jìn)行同步，當(dāng)時鐘0域捕捉到響應(yīng)信號后，方可釋放請求信號，這樣既可以抑制亞穩(wěn)態(tài)的傳輸，又可以正確地傳輸控制信號。

2.2 飽和仲裁算法

對于CPU訪存過程，一個優(yōu)秀的仲裁算法，當(dāng)具有一定的預(yù)測能力，如此才能更加精準(zhǔn)高效給出總線控制權(quán)。當(dāng)協(xié)議0和協(xié)議1同時請求內(nèi)存訪問時，因為內(nèi)存訪問操作都具有連續(xù)性，若采用傳統(tǒng)的仲裁算法，會導(dǎo)致協(xié)議0和協(xié)議1的訪存操作在中途被對方頻繁打斷，相互阻塞，會嚴(yán)重地降低CPU的執(zhí)行效率[5]。所以基于此現(xiàn)象，提出了飽和仲裁算法進(jìn)行優(yōu)先級仲裁。飽和仲裁器包含一個飽和計數(shù)器，其為一種有4個狀態(tài)的2位飽和計數(shù)器，可分為協(xié)議0弱執(zhí)行(P=2′b01)、協(xié)議0強(qiáng)執(zhí)行(P=2′b00)、協(xié)議1弱執(zhí)行(P=2′b10)、協(xié)議1強(qiáng)執(zhí)行(P=2′b11)這4種狀態(tài)，當(dāng)一個訪存請求被執(zhí)行，對應(yīng)的狀態(tài)機(jī)被修改。請求不執(zhí)行，則向“弱執(zhí)行”方向降低狀態(tài)值；如果請求被執(zhí)行，則向“強(qiáng)執(zhí)行”方向提高狀態(tài)值。這種方法的特點是，某一個訪存請求必須連續(xù)兩次不被執(zhí)行，才能從強(qiáng)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而改變執(zhí)行狀態(tài)。飽和仲裁算法如圖3所示。

圖3 飽和仲裁算法

若上電復(fù)位處于協(xié)議0弱執(zhí)行狀態(tài)(P=2′b01)，此時，只要協(xié)議0請求(Req0=1′b1)到來，則必選擇執(zhí)行協(xié)議0請求，且由協(xié)議0弱執(zhí)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為協(xié)議0強(qiáng)執(zhí)行狀態(tài)(P=2′b00)。處于協(xié)議0強(qiáng)執(zhí)行狀態(tài)時，只要協(xié)議0請求到來，則必選擇執(zhí)行協(xié)議0請求，并維持執(zhí)行狀態(tài)機(jī)不變；若此時只有協(xié)議1請求((Req0=1′b0)&(Req1=1′b1))到來，則選擇執(zhí)行協(xié)議1請求，且狀態(tài)由0強(qiáng)執(zhí)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為0弱執(zhí)行狀態(tài)，可以此類推其它剩余狀態(tài)。通過簡單推算，以傳統(tǒng)的輪詢算法作比較，假定A和B協(xié)議每次連續(xù)訪存操作次數(shù)相等，那么采用飽和此仲裁算法，CPU的訪存效率為傳統(tǒng)輪詢算法的兩倍；以固定優(yōu)先級算法作比較，假定A的優(yōu)先級高于B的優(yōu)先級，且A是B協(xié)議每次連續(xù)訪存操作次數(shù)的兩倍，在最佳情況下，采用此飽和仲裁算法，CPU的訪存效率為固定優(yōu)先級算法的3倍。由此可見，由于CPU訪存具有連續(xù)性，此飽和仲裁算法正是利用這一特點進(jìn)行預(yù)測仲裁，這是它的核心所在[6]。

2.3 以地址為種子的偽隨機(jī)加解密算法

主流的加密算法(如RSA,MD5,DES等)，安全性能較高，但是對于通用型數(shù)字SOC芯片而言，若集成此類IP，會加大芯片成本和復(fù)雜度[7]。因此，為了保護(hù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和代碼，可采用偽隨機(jī)加密算法對其進(jìn)行加密。因為CPU訪存與地址強(qiáng)相關(guān)，所以利用地址作為種子的偽隨機(jī)加解密算法為較好的選擇。如圖4所示。

圖4 加解密框架

先對地址進(jìn)行鎖存和不規(guī)則的變換處理，然后使用LFSR偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，LFSR即是線性反饋移位寄存器，由移位寄存器和組合邏輯反饋組成，給定前一狀態(tài)的輸出，將該輸出的線性函數(shù)再用作輸入的移位寄存器。在數(shù)字電路實現(xiàn)中，一個n階的LFSR由n個D觸發(fā)器和若干個異或門組成，為便于設(shè)計，此設(shè)計中采用EE型LFSR，其多項式如式(1)所示

G(x)=gmxm+gm-1xm-1+…g1x+g0

(1)

與公式所對應(yīng)的數(shù)字電路如圖5所示。

圖5 LFSR多項式電路

其中g(shù)m為反饋系數(shù)，取值只能為0或者1，取為0時表明不存在該反饋電路，取為1時表明存在該反饋電路，g0恒為1。由此可知，LFSR需要多個時鐘周期的移位才能產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，若按此進(jìn)行設(shè)計，會極大降低CPU的訪存效率。因此，在此設(shè)計中，為了保證訪存效率，可將Dm～D0設(shè)定為固定值，而將變換后的地址代替其直接作為輸入，一個周期后從Qm～Q0得到輸出，而地址會時刻變化且內(nèi)部進(jìn)行變換，這樣的話，既保證了數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，又保證了數(shù)據(jù)在一個時鐘周期內(nèi)加解密完成，然后用產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與可配置的二項式POLY相加，將得到的結(jié)果與讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行異或操作，從而實現(xiàn)對內(nèi)存單元內(nèi)數(shù)據(jù)的加密寫入和解密讀出，其中POLY為一個可配置寄存器值，這樣的話，用戶可根據(jù)需求，隨時微調(diào)加密算法，極大地保護(hù)內(nèi)存數(shù)據(jù)的安全[8]。例如，若數(shù)據(jù)和訪存地址均為32位，初始Dm～D0設(shè)為32′h87654321，訪存地址變換后為32′h75318642，那么與之所對應(yīng)的偽隨機(jī)數(shù)列輸出為32′hf254c563，POLY設(shè)為32′h92413，非加密數(shù)據(jù)為32′h80，那么加密后的數(shù)據(jù)應(yīng)為32′hf25de9f6。由此可見，將訪存地址和偽隨機(jī)數(shù)列強(qiáng)相關(guān)起來，且修改LFSR的用法，可以實現(xiàn)在一個時鐘周期內(nèi)完成對內(nèi)存數(shù)據(jù)的高效加解密。

2.4 自定義內(nèi)存訪問協(xié)議

圖6為自定義內(nèi)存訪問協(xié)議，其特性包括：寫為單周期，讀為雙周期；無需等待周期或回應(yīng)信號；支持字節(jié)寫入；控制信號簡單。

圖6 自定義寄存器配置協(xié)議

clk為自定義協(xié)議時鐘，上升沿有效。sel為讀寫使能信號，當(dāng)其為高時，內(nèi)存處于可讀寫狀態(tài)。addr為訪問地址，決定讀寫內(nèi)存的位置。wr為讀寫選擇信號，當(dāng)其為高時，為寫操作；為低時，為讀操作。be為寫數(shù)據(jù)byte enable信號，可以控制其完成對字的部分寫入。wdata為寫數(shù)據(jù)，僅當(dāng)wr為高時有效。rdata為讀數(shù)據(jù)，當(dāng)wr為低時，讀數(shù)據(jù)在下一個周期輸出有效，這是因為內(nèi)存需要一個時鐘周期來鎖存讀地址和準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，然后在下一個時鐘周期才能輸出數(shù)據(jù)[9]。

3 功能性仿真

為了測試加密算法效果，對加密算法搭建相應(yīng)的python模型進(jìn)行仿真，如圖7所示。其中，圓點代表原始打算寫入數(shù)據(jù)，其值為步長為1的等差序列數(shù)據(jù)，三角形代表加密后的數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)為要訪問的地址，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)值。由圖可見，以地址為種子的偽隨機(jī)加解密算法能夠高效安全地完成對原始數(shù)據(jù)的隨機(jī)加密。

圖7 加密算法仿真

完成RTL代碼設(shè)計后，編寫了Testbench、Testpattern和Tracer，并對設(shè)計進(jìn)行功能性仿真。仿真過程中需要產(chǎn)生FSDB波形文件，然后導(dǎo)入波形觀測軟件[10]。仲裁邏輯電路，需要觀察兩種訪存請求發(fā)生時，是否能正確完成仲裁，部分仿真波形如圖8所示。

圖8 仲裁器仿真波形

其中，clk和rst_n分別為系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)復(fù)位信號；P_reg 為權(quán)重寄存器；grant_TWP表示當(dāng)前仲裁結(jié)果；twp_req_keep 和cfg_req分別為協(xié)議0請求和協(xié)議1請求信號，可見其在飽和仲裁算法的控制下，高效實現(xiàn)了兩種協(xié)議的仲裁響應(yīng)。加密邏輯電路，需要觀測原始數(shù)據(jù)是否被正確加密，部分仿真波形如圖9所示。

圖9 加密器仿真波形

圖10 自定義協(xié)議仿真波形

其中，cfg_addr為讀寫地址；cfg_rdata、cfg_wdata為讀寫數(shù)據(jù)；cfg_cmd為讀寫請求，可見在用戶自定義協(xié)議規(guī)范下能夠精準(zhǔn)完成內(nèi)存的讀寫。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種能夠仲裁控制多協(xié)議對CPU內(nèi)存單元進(jìn)行高效加解密讀寫的數(shù)字IP，提出了飽和仲裁算法和以地址為種子的偽隨機(jī)加密算法，設(shè)計了自定義的訪存協(xié)議。區(qū)別于傳統(tǒng)訪存電路設(shè)計，該設(shè)計能夠更加高效安全地實現(xiàn)多協(xié)議內(nèi)存訪問，且設(shè)計在55 nm SOC芯片項目中得到驗證，在CPU主頻200 MHz情況下，多協(xié)議訪存正常。依照文中設(shè)計思路，可在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展更多的訪存協(xié)議，以實現(xiàn)多協(xié)議對內(nèi)存的高效安全訪問，或?qū)⒃O(shè)計應(yīng)用于其它讀寫控制，如Flash訪問控制。同時，可以根據(jù)不同的訪存場景，修改飽和計數(shù)器的寬度，實現(xiàn)不同協(xié)議間優(yōu)先級的彈性選擇。