陳　帆　徐金甫　李　偉

(解放軍信息工程大學(xué)密碼工程學(xué)院　河南 鄭州 450001)

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面向多任務(wù)密碼處理的多核核間通信單元設(shè)計(jì)與研究

陳帆徐金甫李偉

(解放軍信息工程大學(xué)密碼工程學(xué)院河南 鄭州 450001)

為了解決面向多任務(wù)密碼處理的多核核間通信機(jī)制的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)一種混合通信機(jī)制。在分析多核處理架構(gòu)及核間通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，融合了簇內(nèi)共享存儲(chǔ)通信和簇間NoC通信機(jī)制，同時(shí)引入了DMA通信機(jī)制，提出構(gòu)建混合通信機(jī)制，進(jìn)一步提升通信效率。其次,給出核間通信同步機(jī)制的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，解決了同步和存儲(chǔ)一致性沖突問題。最后,基于DesignComplier對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比其他方案，該方案具有較小的資源代價(jià)和較高的性能指標(biāo)，獲得了滿意的通信吞吐率。

多核密碼處理器密碼運(yùn)算核間通信同步機(jī)制

0　引　言

信息安全領(lǐng)域中，單核密碼處理器已無法滿足密碼算法日益增長(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和高速性，因此多核密碼處理器應(yīng)運(yùn)而生[1]。隨著處理器數(shù)目的增加，如何有效地實(shí)現(xiàn)核與核之間的通信互聯(lián)成為了突破多核密碼處理器性能的關(guān)鍵[2]。

本文針對(duì)多核密碼處理器的密碼處理特性和核間通信需求，分析了密碼算法處理特征，提出了符合密碼算法硬件實(shí)現(xiàn)的混合核間通信架構(gòu)，設(shè)計(jì)了核間通信同步模塊，實(shí)現(xiàn)了多核處理器核間高效同步通信，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)估。

1　多任務(wù)密碼算法與核間通信機(jī)制分析與研究

1.1多任務(wù)密碼算法分析與研究

當(dāng)前的密碼算法正朝著大位寬、多協(xié)議配合完成加密算法的趨勢(shì)發(fā)展[3]。多任務(wù)密碼處理結(jié)構(gòu)是針對(duì)密碼算法執(zhí)行過程，按照多核并行處理模型的數(shù)據(jù)流特征將其拆分為多個(gè)處理子任務(wù)，并將子任務(wù)分別映射至各處理核單元，在時(shí)間與資源上保證密碼算法執(zhí)行的并行性。多核并行處理模型的數(shù)據(jù)流特征包括：基于任務(wù)拆分的多核并行處理模型、基于算法拆分的多核并行處理模型和安全協(xié)議多核并行處理模型[4]。

多核系統(tǒng)任務(wù)拆分工作流程如圖1所示。

圖1　多任務(wù)處理模型

任務(wù)分配單元按照密碼處理任務(wù)的需求將多核系統(tǒng)重組成最佳執(zhí)行模式，最大限度地提升密碼處理的并行性。通過對(duì)多任務(wù)密碼處理模型的分析可知，多任務(wù)密碼算法實(shí)現(xiàn)加密處理任務(wù)的效率直接取決于核間數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)效性。因此，多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可通過優(yōu)化核間通信單元及數(shù)據(jù)同步單元來提升多任務(wù)密碼算法的實(shí)現(xiàn)效率。

1.2多核系統(tǒng)核間通信單元分析

目前，在密碼多核處理器中，解決核間通信問題的方法主要有兩類。一類是共享存儲(chǔ)通信。如TI公司的OMAP4430[5]，斯坦福大學(xué)的Hydra[6]等均采用共享存儲(chǔ)通信，具有編程簡(jiǎn)單、易于利用軟件編程實(shí)現(xiàn)通信調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)。但是由于訪存帶寬的限制，其可擴(kuò)展性較差，隨著處理核數(shù)增加，核間通信延遲顯著增加，硬件開銷也會(huì)迅速增加。另一類是消息傳遞通信。如麻省理工學(xué)院的RAW處理器[7]，英特爾公司的80-Tile處理器[8]等均采用消息傳遞通信，具有較高的帶寬和良好的可擴(kuò)展性，適用于處理器數(shù)據(jù)較多的情況。但是隨著處理核數(shù)目的增加，片上網(wǎng)絡(luò)的通信延遲會(huì)明顯增加，同時(shí)局部還會(huì)出現(xiàn)擁塞情況。

表1　共享存儲(chǔ)與消息傳遞核間通信機(jī)制對(duì)比

通過分析表1總結(jié)的兩種通信方式的特點(diǎn)及適用情景可知，當(dāng)前主流的兩種核間通信方式在針對(duì)不同通信需求的情況下各具優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)按照實(shí)際通信情況進(jìn)行合理選配不同機(jī)制。

1.3多任務(wù)密碼算法對(duì)核間通信的需求分析

通過多核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)密碼算法，最大的優(yōu)勢(shì)之一就是多核系統(tǒng)相比于單核密碼處理器能夠提供更高的性能，而這種性能的提升并不是基于單核密碼處理器的簡(jiǎn)單堆疊，而是通過充分挖掘多任務(wù)密碼算法中的并行性，通過多核系統(tǒng)中高效的核間通信機(jī)制與同步技術(shù)有效地調(diào)度各處理器核單元，以此利用多核處理器在處理器數(shù)目上的優(yōu)勢(shì)來提高系統(tǒng)吞吐率。

基于上述分析，本文需要解決兩個(gè)問題。第一，建立一種高效的核間通信機(jī)制。該機(jī)制能夠支持較大的通信量和較小的通信延遲，同時(shí)能夠便于擴(kuò)展。第二，設(shè)計(jì)一種便于硬件實(shí)現(xiàn)且高效的數(shù)據(jù)同步方式，同時(shí)要能夠與本文設(shè)計(jì)的通信機(jī)制有機(jī)銜接。

2　混合核間通信機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1混合核間通信機(jī)制

針對(duì)多任務(wù)密碼算法對(duì)多核系統(tǒng)的通信要求，本文建立了一種混合通信機(jī)制。通過在設(shè)計(jì)中優(yōu)化各通信機(jī)制的硬件實(shí)現(xiàn)，將多種通信方式集成在多核系統(tǒng)中。不同通信機(jī)制對(duì)應(yīng)不同通信需求、多種通信機(jī)制并行配合使用，以此高效發(fā)揮各通信機(jī)制的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)簇內(nèi)相鄰核間通信，系統(tǒng)采用基于共享存儲(chǔ)的通信方式，在簇內(nèi)建立雙緩沖結(jié)構(gòu)的共享存儲(chǔ)單元，以此實(shí)現(xiàn)相鄰運(yùn)算核心間數(shù)據(jù)的交互。雙緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要解決了數(shù)據(jù)“發(fā)送者”與“接收者”速度不一致、計(jì)算不同步所造成的數(shù)據(jù)遺失問題。第一級(jí)緩沖主要解決運(yùn)算核心與第二級(jí)緩沖之間速度匹配問題，用較快的存儲(chǔ)速度接收并暫存運(yùn)算核心的計(jì)算結(jié)果，再以與第二級(jí)緩沖相匹配的速度將數(shù)據(jù)傳遞存儲(chǔ)至第二級(jí)緩沖。第二級(jí)緩沖主要由共享存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)，其作用是：主要依靠其較大的存儲(chǔ)容量將第一級(jí)緩沖中的數(shù)據(jù)保存起來，等待數(shù)據(jù)接收者讀取，完成核間數(shù)據(jù)交互。利用雙緩沖結(jié)構(gòu)的共享存儲(chǔ)通信避免了簇內(nèi)通信數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，以存儲(chǔ)器的訪問為代價(jià)有效減輕了片上網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)荷。

針對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)中簇間運(yùn)算核心間的通信，系統(tǒng)采用基于片上網(wǎng)絡(luò)的通信方式。通過“數(shù)據(jù)包頭+數(shù)據(jù)包”的方式進(jìn)行通信。本文設(shè)計(jì)的簇間通信數(shù)據(jù)包包頭格式如表2所示。其中數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度代表了本次通信中數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)；數(shù)據(jù)包包號(hào)代表了本次通信在本次運(yùn)算任務(wù)中的執(zhí)行位置；任務(wù)編號(hào)代表了本次通信所屬的運(yùn)算任務(wù)。

表2 數(shù)據(jù)包格式

通過建立簇間片上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通信方式，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)算核心間通信數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，保證了系統(tǒng)中任意運(yùn)算核心間通信的靈活性。同時(shí)，由于片上網(wǎng)絡(luò)通信方式中，數(shù)據(jù)包的傳遞在路由節(jié)點(diǎn)層，僅受路由節(jié)點(diǎn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，與路由節(jié)點(diǎn)的規(guī)模無關(guān)。系統(tǒng)的擴(kuò)展則只增加了路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，而不影響路由節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。因此片上網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包通信方式保證了系統(tǒng)較好的擴(kuò)展性。

由于片上網(wǎng)絡(luò)的通信方式在數(shù)據(jù)交互時(shí)采用有限數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)包進(jìn)行交互，因此當(dāng)大批量的數(shù)據(jù)在片上網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行交互時(shí)，片上網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重，容易產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。因此針對(duì)簇間大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，本文引進(jìn)了DMA傳輸方式也稱為“直接存儲(chǔ)器存取方式”[9]。該通信方式能夠?qū)⑾嗯R共享存儲(chǔ)單元之間存儲(chǔ)的通信數(shù)據(jù)成批量進(jìn)行傳輸，以減輕片上網(wǎng)絡(luò)通信壓力，同時(shí)減小通信時(shí)延。

通過三種通信機(jī)制的混合集成，在編寫各個(gè)處理器核單元的執(zhí)行程序時(shí)，根據(jù)通信的需求選用對(duì)應(yīng)的通信機(jī)制。既保證了不同通信機(jī)制的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，又實(shí)現(xiàn)了多路通信的并行執(zhí)行，降低了單一通信機(jī)制的通信負(fù)載。

2.2混合核間通信機(jī)制的硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的混合通信機(jī)制硬件實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2　混合核間通信硬件結(jié)構(gòu)圖

在該多核通信系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)通過路由節(jié)點(diǎn)(Router)進(jìn)行互聯(lián)與擴(kuò)展，其中每個(gè)Router上連接四個(gè)密碼處理核單元(CoreX)構(gòu)成一個(gè)簇。在簇中，各處理核單元能夠獨(dú)立的與Router進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過Router對(duì)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在整個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。同時(shí)在每個(gè)簇內(nèi)構(gòu)建一個(gè)共享存儲(chǔ)單元(Crossmemory)，各處理核單元能夠采用統(tǒng)一尋址的方式對(duì)Crossmemory進(jìn)行數(shù)據(jù)讀/寫操作，以此實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)處理核單元的共享存儲(chǔ)通信。在鄰簇之間的共享存儲(chǔ)單元間，建立一個(gè)DMA通道，DMA通道通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制通道的開關(guān)，兩個(gè)簇中不同處理器核單元能夠單獨(dú)發(fā)出控制信號(hào)，以控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。各處理器核單元本地設(shè)計(jì)了一個(gè)同步單元(mailbox)，通過mailbox實(shí)現(xiàn)各通信機(jī)制的數(shù)據(jù)同步。

由文獻(xiàn)[10]中，對(duì)算法操作特征的統(tǒng)計(jì)可知，分組密碼的最大處理位寬一般不超過128bit、大部分序列密碼處理的數(shù)據(jù)最大位寬都超過了128bit、雜湊算法本身獨(dú)立的最大操作位寬一般不會(huì)操作128bit，但是其輸出大小一般都超過了128bit。因此在本文設(shè)計(jì)的多核系統(tǒng)中，DMA通道定為256bit位寬，確保大多數(shù)密碼算法通過DMA通道在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。因?yàn)镽outer與Crossmemory因?yàn)榕c處理核單元要進(jìn)行交互，所以數(shù)據(jù)位寬應(yīng)與處理核單元保持一致，定為32bit。

2.3核間通信同步單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于對(duì)多任務(wù)密碼算法的分析可知，同步單元必須支持以下兩種工作模式：①同步通信，即通信雙方工作在同一對(duì)應(yīng)任務(wù)下，通信數(shù)據(jù)均為本次任務(wù)所需數(shù)據(jù)。②異步通信，即通信雙方工作在不同對(duì)應(yīng)任務(wù)下，目的核未將任務(wù)1的數(shù)據(jù)讀取完畢，源核已開始同步任務(wù)2的數(shù)據(jù)。

針對(duì)同步單元的要求，本文設(shè)計(jì)的郵箱同步模塊，可以在硬件開銷較小的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)一致性的保護(hù)。解決了多個(gè)處理器核訪問共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元時(shí)數(shù)據(jù)的讀寫先后順序的問題。同步電路硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　郵箱同步單元硬件結(jié)構(gòu)圖

同步單元中針對(duì)本簇的另外三個(gè)核及簇間NoC同步，對(duì)應(yīng)分別設(shè)計(jì)了一組寄存器。與處理器核對(duì)應(yīng)的寄存器組由兩個(gè)8bit的寄存器(Mreg**)組成，與NoC同步對(duì)應(yīng)的寄存器組只包含一個(gè)8bit寄存器(Mreg0)。同步信號(hào)的傳遞通過硬連線的方式進(jìn)行傳遞。在本地處理核單元中，由本核發(fā)送查詢地址將指定寄存器中數(shù)據(jù)與預(yù)取數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果返回給本地處理器核。如果比對(duì)結(jié)果有效則清零相應(yīng)寄存器。

同步機(jī)制設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的密碼運(yùn)算支持任務(wù)數(shù)、乒乓等不同的同步模式。針對(duì)不同的模式，在同步單元提供了兩種同步方式——置數(shù)方式和“自加一”方式。通過模式選擇信號(hào)采用不同的工作模式。同步過程中，由置數(shù)模式可控制通信任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，由“自加一”模式可實(shí)現(xiàn)不同處理核之間的乒乓操作及規(guī)整的通信數(shù)據(jù)。

3　性能評(píng)估

本文利用VCS仿真工具對(duì)三種通信機(jī)制進(jìn)行了功能仿真，驗(yàn)證了其功能的準(zhǔn)確性及時(shí)鐘關(guān)系，驗(yàn)證結(jié)果如表3、表4所示。利用DesignComplier綜合工具對(duì)本文設(shè)計(jì)的同步單元進(jìn)行了綜合驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。通過仿真、驗(yàn)證結(jié)果與文獻(xiàn)中給出的處理器進(jìn)行對(duì)比可知，本文提出的通信機(jī)制具有執(zhí)行效率高、通信延遲短的優(yōu)點(diǎn)，同步單元具有硬件開銷小、同步效率高的特點(diǎn)。

表3　傳輸256 bit數(shù)據(jù)時(shí)共享存儲(chǔ)通信機(jī)制對(duì)比情況

(備注：對(duì)比中，不考慮同步機(jī)制帶來的影響，假設(shè)同步機(jī)制相同，且同步機(jī)制產(chǎn)生指令周期數(shù)為x。)

表4　傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)NoC通信機(jī)制對(duì)比情況

(備注：本文結(jié)構(gòu)下在鄰簇傳輸情況下，NoC通信機(jī)制利用3條指令周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包，DMA通信機(jī)制利用3條指令周期傳輸256bit數(shù)據(jù))

由表3、表4可知，在傳輸相同數(shù)據(jù)量時(shí)，本文提出的傳輸機(jī)制能夠有效地提升數(shù)據(jù)傳輸速度，且隨著通信核之間距離的增大，速度提升越明顯。因此驗(yàn)證結(jié)果表明，本文改進(jìn)取得了預(yù)期結(jié)果。

表5　同步單元性能對(duì)比

由表5可知，本文設(shè)計(jì)的同步單元硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占用硬件資源少，支持模式多，同步靈活，同步延遲短，同步效率高的特點(diǎn)。相比文獻(xiàn)提出的同步單元，本設(shè)計(jì)顯著地提升同步單元的性能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4　結(jié)　語

針對(duì)密碼多核處理器中核間通信問題，本文深入研究了多核密碼處理器的核間通信問題及同步機(jī)制。針對(duì)密碼運(yùn)算，本文改進(jìn)了文獻(xiàn)[7,8]中提出的適用于通用多核處理器的共享存儲(chǔ)通信機(jī)制和核間信息傳遞通信機(jī)制，提出了簇間數(shù)據(jù)高速傳輸機(jī)制——DMA通信機(jī)制。和通用處理器中核間通信機(jī)制相比，在實(shí)現(xiàn)密碼算法過程中，本文提出的結(jié)構(gòu)效率更高、支持通信方式更靈活；與通用處理器中同步單元模塊相比，本文提出的同步單元設(shè)計(jì)，硬件開銷更小、同步效率更高，與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的融合性更高。綜合結(jié)果表明，該通信機(jī)制與同步單元能夠靈活高效地實(shí)現(xiàn)核間通信需求，具有很好的應(yīng)用前景。

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DESIGNANDRESEARCHONMCP-ORIENTEDINTER-CORECOMMUNICATIONUNITFORMULTIPLECORES

ChenFanXuJinfuLiWei

(College of Cryptography Engineering,PLA Information Engineering University,Zhengzhou 450001,Henan,China)

Inordertosolvetheproblemofoptimisingimplementationinregardtomulti-taskcipherprocessing-orientedinter-corecommunicationmechanismformultiplecores,wedesignedamixedcommunicationmechanism.Basedonanalysingthemulti-coreprocessingarchitectureandthecharacteristicofinter-corecommunication,inthispaperwefirstproposetoconstructthemixedcommunicationmechanismbyintegratingthecommunicationmechanismofshared-memorywithinclustersandthemessagepassingmechanismamongclustersmeanwhileintroducingthedirectmemoryaccess(DMA)communicationmechanism,andthisfurtherimprovesthecommunicationefficiency.Secondly,wepresenttheoptimisingimplementationofinter-corecommunicationsynchronisationmechanismandthissolvestheproblemofconsistencyconflictinsynchronisationandstorage.Finally,weevaluatethedesignschemethroughexperimentbasedonDesignComplier.Experimentalresultsshowthattheschemehaslessresourcecostandhigherperformanceindicatorscomparedwithotherschemes,andachievessatisfiedcommunicationthroughputaswell.

Multi-corecipherprocessor(MCP)CipheroperationInter-corecommunicationSynchronisationmechanism

2014-10-24。陳帆，碩士生，主研領(lǐng)域：大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)。徐金甫，副教授。李偉,講師。

TP309.7

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.076