MD5 VHDL-Pipeline

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Ich versuche, eine dreistufige MD5-Pipeline gemäß diesem Link zu implementieren . Insbesondere die Algorithmen auf Seite 31. Es gibt auch ein anderes Dokument, das die Datenweiterleitung beschreibt. Dies erfolgt in einem FPGA (Terasic DE2-115). In diesem Projekt gibt es keine Schaltpläne, nur VHDL-Code.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity md5core is
    port (
        CLOCK_50        : in std_logic;
        SW              : in std_logic_vector(17 downto 17)
    );
end entity md5core;

architecture md5core_rtl of md5core is
type r_array is array(0 to 64) of std_logic_vector(7 downto 0);
constant R        : r_array := ( x"07", x"0c", x"11", x"16", x"07", x"0c", x"11", x"16", x"07", x"0c", x"11", x"16", x"07", x"0c", x"11", 
                                 x"16", x"05", x"09", x"0e", x"14", x"05", x"09", x"0e", x"14", x"05", x"09", x"0e", x"14", x"05", x"09",
                                 x"0e", x"14", x"04", x"0b", x"10", x"17", x"04", x"0b", x"10", x"17", x"04", x"0b", x"10", x"17", x"04",
                                 x"0b", x"10", x"17", x"06", x"0a", x"0f", x"15", x"06", x"0a", x"0f", x"15", x"06", x"0a", x"0f", x"15",
                                 x"06", x"0a", x"0f", x"15", others => x"00");

type k_array is array(0 to 66) of std_logic_vector(31 downto 0);
constant K        : k_array := (x"d76aa478", x"e8c7b756", x"242070db", x"c1bdceee",
                                x"f57c0faf", x"4787c62a", x"a8304613", x"fd469501",
                                x"698098d8", x"8b44f7af", x"ffff5bb1", x"895cd7be",
                                x"6b901122", x"fd987193", x"a679438e", x"49b40821", 
                                x"f61e2562", x"c040b340", x"265e5a51", x"e9b6c7aa",
                                x"d62f105d", x"02441453", x"d8a1e681", x"e7d3fbc8",
                                x"21e1cde6", x"c33707d6", x"f4d50d87", x"455a14ed",
                                x"a9e3e905", x"fcefa3f8", x"676f02d9", x"8d2a4c8a",
                                x"fffa3942", x"8771f681", x"6d9d6122", x"fde5380c",
                                x"a4beea44", x"4bdecfa9", x"f6bb4b60", x"bebfbc70",
                                x"289b7ec6", x"eaa127fa", x"d4ef3085", x"04881d05",
                                x"d9d4d039", x"e6db99e5", x"1fa27cf8", x"c4ac5665",
                                x"f4292244", x"432aff97", x"ab9423a7", x"fc93a039",
                                x"655b59c3", x"8f0ccc92", x"ffeff47d", x"85845dd1",
                                x"6fa87e4f", x"fe2ce6e0", x"a3014314", x"4e0811a1",
                                x"f7537e82", x"bd3af235", x"2ad7d2bb", x"eb86d391", others => x"00000000");

type g_array is array(0 to 64) of integer range 0 to 15;
constant g_arr      : g_array := (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,
                                          1, 6, 11, 0, 5, 10, 15, 4, 9, 14, 3, 8, 13, 2, 7, 12,
                                          5, 8, 11, 14, 1, 4, 7, 10, 13, 0, 3, 6, 9, 12, 15, 2,
                                          0, 7, 14, 5, 12, 3, 10, 1, 8, 15, 6, 13, 4, 11, 2, 9, 0);                                               

type w_array is array(0 to 15) of std_logic_vector(31 downto 0);
signal W            : w_array;

constant AA        : std_logic_vector(31 downto 0) := x"67452301";
constant BB        : std_logic_vector(31 downto 0) := x"EFCDAB89";
constant CC        : std_logic_vector(31 downto 0) := x"98BADCFE";
constant DD        : std_logic_vector(31 downto 0) := x"10325476";

signal res_A    : std_logic_vector(31 downto 0) := x"00000000";
signal res_B    : std_logic_vector(31 downto 0) := x"00000000";
signal res_C    : std_logic_vector(31 downto 0) := x"00000000";
signal res_D    : std_logic_vector(31 downto 0) := x"00000000";

type in_str_t is array(0 to 5) of std_logic_vector(7 downto 0);
constant in_str    : in_str_t := (x"68", x"65", x"6c", x"6c", x"6f", x"6f");

type pad_str_t    is array(0 to 63) of std_logic_vector(7 downto 0);
signal pad_str    : pad_str_t;

type state_t is (start, padding, init_w, state_1, state_2, state_3, state_4, done);
signal state    : state_t;

signal a, b, c, d, f    : std_logic_vector(31 downto 0) := x"00000000";
signal i                : integer range 0 to 64 := 0;
signal g                        : integer range 0 to 15 := 0;
--signal tmp_b              : std_logic_vector(31 downto 0);

signal akw                  : std_logic_vector(31 downto 0);
signal ak                   : std_logic_vector(31 downto 0);
signal b_tmp                : std_logic_vector(31 downto 0);
begin

    --tmp_b <= std_logic_vector(unsigned(b) + rotate_left(unsigned(a) + unsigned(f) + unsigned(K(i)) + unsigned(W(g)), to_integer(unsigned(R(i)))));

    pipe_p : process(CLOCK_50, SW, a, b, c, d, i)
    begin
        if SW(17) = '0' then
--          ak <= std_logic_vector(unsigned(K(2)) + unsigned(BB));
--          akw <= std_logic_vector(unsigned(W(0)) + 1 + unsigned(K(2)) + unsigned(BB));
            b_tmp <= BB;
        elsif rising_edge(CLOCK_50) and state = state_1 then
            if i = 0 then
                ak <= std_logic_vector(unsigned(K(0)) + unsigned(a));
            elsif i = 1 then
                ak <= std_logic_vector(unsigned(K(1)) + unsigned(a));
                akw <= std_logic_vector(unsigned(W(0)) + unsigned(ak));
            elsif i = 2 then
                ak <= std_logic_vector(unsigned(K(2)) + unsigned(a));
                akw <= std_logic_vector(unsigned(W(1)) + unsigned(ak));
                b_tmp <= std_logic_vector(unsigned(b) + (rotate_left(unsigned(akw) + unsigned(f), to_integer(unsigned(R(0))))));
            else
                ak <= std_logic_vector(unsigned(K(i)) + unsigned(a));
                akw <= std_logic_vector(unsigned(W(g_arr(i-1))) + unsigned(ak));
                b_tmp <= std_logic_vector(unsigned(b) + (rotate_left(unsigned(akw) + unsigned(f), to_integer(unsigned(R(i-2))))));
            end if;
        end if;
    end process pipe_p;


    md5_f_p : process(state, a, b, c, d, i)
    begin 
        case state is
            when state_1 =>
                if i = 0 or i > 4 then
                    f <= (b and c) or ((not b) and d);
                    g <= g_arr(i);
                end if;

            when state_2 =>
            f <= (d and b) or ((not d) and c);
                g <= g_arr(i);

            when state_3 =>
                f <= b xor c xor d;
            g <= g_arr(i);

            when state_4 =>
                f <= c xor (b or (not d));
            g <= g_arr(i);

            when others =>
                f <= x"00000000";
                g <= 0;             

        end case;
    end process md5_f_p;

     md5_p : process(CLOCK_50, SW, a, b, c, d, f, g)
     begin
        if SW(17) = '0' then
            state <= start;
                i <= 0;
                a <= AA;
            b <= BB;
            c <= CC;
            d <= DD;                
            W <= (others => x"00000000");
                pad_str <= (others => x"00");
                --tmp_b := BB;
        elsif rising_edge(CLOCK_50) then
            case state is            
                when start =>

                    pad_str(0) <= in_str(0);
                    pad_str(1) <= in_str(1);
                    pad_str(2) <= in_str(2);
                    pad_str(3) <= in_str(3);
                    pad_str(4) <= in_str(4);
                    pad_str(5) <= in_str(5);
                    state <= padding;

                when padding =>
                    pad_str(6) <= "10000000";
                    pad_str(56) <= std_logic_vector(to_unsigned(in_str'length*8, 8));
                          state <= init_w;

                when init_w =>                
                    W(0) <= pad_str(3) & pad_str(2) & pad_str(1) & pad_str(0);
                    W(1) <= pad_str(7) & pad_str(6) & pad_str(5) & pad_str(4);
                    W(14) <= pad_str(59) & pad_str(58) & pad_str(57) & pad_str(56);
                          state <= state_1;

                when state_1 =>
                          if i = 16 then
                              state <= state_2;
                          else 
                        if i > 2 then
                                    --tmp_b := b;
                                    a <= d;
                                    c <= b;
                                    d <= c;
                                    b <= b_tmp;

--                                  d <= c;
--                                  b <= b_tmp;
--                                  c <= b;
--                                  a <= d;
                                end if;
                                i <= i + 1;
                    end if;

                when state_2 =>
                    if i = 32 then
                        state <= state_3;
                          else                  
                        d <= c;
                        b <= b_tmp;
                                c <= b;
                        a <= d;
                        i <= i + 1;
                    end if;

                when state_3 =>
                    if i = 48 then
                                state <= state_4;
                          else
                        d <= c;
                        b <= b_tmp;
                                c <= b;
                        a <= d;
                        i <= i + 1;
                    end if;

                when state_4 =>
                    if i = 64 then
                                res_A <= std_logic_vector(unsigned(AA) + unsigned(a));
                                res_B <= std_logic_vector(unsigned(BB) + unsigned(b));
                                res_C <= std_logic_vector(unsigned(CC) + unsigned(c));
                                res_D <= std_logic_vector(unsigned(DD) + unsigned(d));
                                state <= done;
                    else
                        d <= c;
                        c <= b;
                                b <= b_tmp;
                        a <= d;
                        i <= i + 1;
                    end if;

                when done =>
                    state <= done;

                when others =>
                    state <= done;

            end case;
        end if;
    end process md5_p;
end architecture md5core_rtl;

Mit diesem Code erhalte ich bin der ersten Phase der Runde 0 die richtigen Werte , aber danach scheint nichts mehr zu passen. Wie in dieser Simulation zu sehen ist, ist die erste Stufe in Runde 0 korrekt, danach jedoch nicht. Dies ist bei Verwendung ain diesem Ausdruck:

ak <= std_logic_vector(unsigned(K(0)) + unsigned(a)); -- using a

Simulation

Aber ... Wenn ich das zweite Dokument richtig verstehe, sollte ich es canstelle von a(Datenweiterleitung) verwenden, aber dann funktioniert auch die erste Stufe in Runde 0 nicht. Das heißt, wenn ich das mache, bekommt die erste Stufe in Runde 0 auch die falschen Zahlen.

ak <= std_logic_vector(unsigned(K(0)) + unsigned(c)); -- changed to c

Für die bestimmte Zeichenfolge im Code ( helloo) sind die folgenden Werte korrekt (erste 3 Stufen von Runde 0).

i:0 => a:271733878, b:3679623978, c:4023233417, d:2562383102, f:2562383102, g:0
i:1 => a:2562383102, b:268703616, c:3679623978, d:4023233417, f:3421032412, g:1
i:2 => a:4023233417, b:566857930, c:268703616, d:3679623978, f:4291410697, g:2

AKMDas Dokument befindet sich übrigens akwim Code.

Alle Tipps oder Vorschläge, um mich in die richtige Richtung zu bringen, wären sehr dankbar. Code wäre ideal. Wenn etwas unklar ist, werde ich die Frage bearbeiten und versuchen, das zu korrigieren.

fpga  vhdl 
— jgr
quelle
Machst du das mit einem Mikrocontroller? Welche Art? Was ist dein Setup? Schema? Bitte geben Sie weitere Informationen :-)
Ich habe weitere Informationen hinzugefügt. Bitte lassen Sie mich wissen, ob ich diese weiter verbessern kann.
— jgr
Ich glaube nicht, dass Sie vollständig verstehen, wonach Sie hier fragen. Es scheint, dass Sie mit dem Erstellen von Pipelines und verwandten Themen wie dem Umgang mit den Datenabhängigkeiten zwischen den Phasen und der ordnungsgemäßen Initialisierung der Phasen nicht wirklich vertraut sind. Sie lehren, dass ein Buch erforderlich wäre, keine Webseite. Und ich bezweifle, dass jeder, der diesen Algorithmus bereits in einer Pipeline implementiert hat, ihn Ihnen kostenlos zur Verfügung stellen wird. Ein solches geistiges Eigentum hat einen echten Wert.
— Dave Tweed
Meinetwegen. Sie haben natürlich recht. Ich bin nicht so vertraut mit dem Bau von Pipelines, habe nur 6 Monate Erfahrung mit VHDL. Um ehrlich zu sein, habe ich auch nicht viel gehofft, aber wenn man nicht weiterkommt und um Hilfe bittet, scheint das immer eine gute Option zu sein.
— jgr

Antworten:

5

Ich denke, Sie haben die Kommentare des Autors zum Pipelining des Algorithmus falsch verstanden. Sie können die Berechnung für B nicht einfach weiterleiten, ohne auch den Rest des Prozesses zu leiten.

Ich würde empfehlen, um den Einstieg zu erleichtern, den Pipeline-Ansatz vollständig zu vergessen und den Algorithmus nur mit einer nicht-Pipeline-Implementierung der B-Berechnung zum Laufen zu bringen.

Sobald Sie korrekte Ergebnisse erhalten und mehr Leistung benötigen, können Sie sich mit dem Pipelining befassen. Dann können Sie sehen, wie die Zwischenergebnisse in jedem Taktzyklus ausgerichtet sind und was erforderlich ist, um sie synchron zu halten.

— Dave Tweed
quelle
Danke für deine Antwort. Ich habe bereits eine funktionierende Version ohne Pipeline, und der Holdup in Bezug auf f (max) ist die Berechnung von b. Wie ich jedoch verstehe, wäre es ausreichend, die Berechnung von b per Pipelining durchzuführen, aber ich denke, ich muss es (erneut) lesen.
— jgr
Ja. Achten Sie besonders auf die Indizes i-1, i, i + 1, i + 2 usw. für alle Variablen, die Phasen in der Pipeline für alle beteiligten Variablen darstellen. Außerdem gibt es in Tabelle 2.1 des Papiers mehrere Fehler. In der dritten Gleichung, die sollte (weshalb die Variablen genannt AK). und in der zweiten Gleichung die sollte . A i + 2 M i + 1 M i + 1Bi−1Ai+2Mi+1Mi+1
— Dave Tweed
Vielen Dank! Ich habe es noch einmal durchgelesen, als Sie erwähnt haben, dass ich nicht einfach eine Pipeline berstellen kann. Meinten Sie das, was sie in der Zeitung (für A) als Datenweiterleitung bezeichnen ?
— jgr
Ja, das gehört dazu. Zum Beispiel ist der Wert von der gleiche wie . Ai+2Ci
— Dave Tweed
Ok, das AKist wirklich so CK. Dies wird immer komplexer: /
— jgr
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