基于FPGA PCI的并行计算平台实

BRIDGE FPGA的程序采用自顶向下的设计方法，其逻辑结构如图2所示，按功能可分为以下部分：顶层模块PCI_FPGA_PARALLEL;与PCI9054的接口模块PCI接口;数据缓存及仲裁部分：数据缓存模块FIFO、寄存器模块regpart、数据回传模块deserial、内部总线仲裁和流控模块CORE接口等。

PCI接口部分实现与PCI9054芯片的接口时序，使得复用的地址和数据分开，产生地址空间的选取及使能信号，便于后端处理。

仲裁逻辑部分：

(1)实现对地址空间内数据缓冲区、各种寄存器的读写，以及根据配置寄存器的内容对算法CORE和桥FPGA做相应的操作(配置、启动、停止、复位等)。

(2)利用缓冲区及FIF0的队列长度信号wrusedw、rdusedw、full和empty进行数据流控制。数据由PC机下载时首先进入缓冲区，每一块算法CORE均对应一个数据下行FIFO，由FIFO当前状态来判定是否从缓冲区中取数。具体逻辑模型如图3所示。

(3)返回结果引入本地中断机制，当有正确结果产生、或无正确结果但密钥匹配完成、或系统异常状态，均产生中断信号并填写中断类型寄存器，经级联后产生向PC机的中断。中断判决如图4所示。

(4)实现与算法core间的协议逻辑，控制多种数据流的下行以及结果的返回。

2 MD5算法简介

MD5(Message Digest 5)报文摘要算法是一种应用广泛的提取数字指纹的算法标准，它由MIT的密码学专家、RSA算法的发明人之一Rivest设计发明。MD5算法结构如图5所示。

对任意长度的信息输入，MD5都将产生一个长度为128bit的输出，这一输出可以被看作是原输入报文的“报文摘要值(Message Digest)”。

MD5的特点：

(1)两条不同的报文具有相同的报文摘要值的可能性极小。

(2)对于预先给定的报文摘要值，要想寻找到一条报文，使得其报文摘要值与某个给定的报文摘要值相等，在计算上是不可能的。

(3)根据报文的摘要值，要想推测出原来的报文是极端困难的。

MD5算法被广泛地应用于网络数据完整性检查以及各种数据加密技术中。

Yahoo邮箱密码算法是基于两次MD5算法。共算法步骤如下：

stepl：对一个密码字段(例如：dfeag~hyt)，用MD5算法加密：h=md5 (dfertgrhyt)。

step2：将step1所得结果转换为32Bytes的hex值：hex(h)。

step3：将step2所得结果与一个yahoo提供的chanllenge值简单级联：string=hex(h)+chanUenge

step4：将step3所得结果再进行一次MD5运算：hash=md5(strmg)。

由于未得到实际Yaheo邮箱密码生成参数(例如challenge码)，本文构造了相近算法以测试本系统性能。

测试方案如下：

提供一个已知的challenge值与相应的Hash值，从提供的字典中提取合适密码，由生成算法计算出对应的Hash值与提供的Hash值匹配来校验匹配的密码。密钥字典的产生有两种方式：人为构造字典及系统自加、穷举产生密钥。

3 实测性能分析

实际系统中算法CORE运算时钟为20MHz，64bit数据宽度输入;采用多级流水线设计及运算速度就是系统运行时钟的速度。除运算初期流水线建立过程和运算结束时流水线完成过程，运算速度均可视为20MHz;实际制成的系统为四片算法FPGA并行运算，实际吞吐量为4×20M×16bit=1.28Gb;经Ahem Quartus 4.1综合，实际仲裁逻辑占用3725个逻辑单元。综合频率最高为156.2MHz，单算法逻辑占用7718个逻辑单元，综合频率最高为37.10MHz。

典型的普通PC机定点运算需要多个指