Pipeline MD5 VHDL

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J'essaie de mettre en œuvre un pipeline MD5 en 3 étapes selon ce lien . En particulier les algorithmes de la page 31. Il existe également un autre document qui décrit le transfert de données. Cela se fait dans un FPGA (Terasic DE2-115). Il n'y a aucun schéma dans ce projet, seulement du code VHDL.

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;

En utilisant ce code, j'obtiens des valeurs correctes pour bdans la première étape du tour 0, mais par la suite rien ne semble correspondre. Comme on le voit dans cette simulation, la première étape du tour 0 est correcte, mais par la suite non. C'est lors de l'utilisation adans cette expression:

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

simulation

Mais ... Si je comprends bien le deuxième document, je devrais utiliser à la cplace de a(transfert de données), mais la première étape du tour 0 ne fonctionne pas non plus. C'est-à-dire que lorsque je fais cela, la première étape du tour 0 obtient également les mauvais numéros.

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

Pour la chaîne particulière dans le code ( helloo), les valeurs suivantes sont correctes (3 premières étapes de la ronde 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

Soit dit en passant, AKMdans le document estakw dans le code.

Tout conseil ou suggestion pour m'amener dans la bonne direction serait très apprécié. Le code serait idéal. Si quelque chose n'est pas clair, je vais modifier la question et essayer de rectifier cela.

fpga  vhdl 
— jgr
source
Faites-vous cela avec un microcontrôleur? Quel genre? Quelle est votre configuration? Schémas? Veuillez fournir plus d'informations :-)
J'ai ajouté plus d'informations, faites-le moi savoir si je peux encore l'améliorer.
— jgr
Je ne pense pas que vous compreniez bien ce que vous demandez ici. Il semblerait que vous ne connaissiez pas vraiment bien la construction de pipelines et les problèmes connexes tels que la gestion des dépendances de données entre les étapes et l'initialisation correcte des étapes. Vous enseigner qui nécessiterait un livre, pas une page Web. Et je doute que quiconque a déjà fait une implémentation en pipeline de cet algorithme va juste vous le donner gratuitement. La propriété intellectuelle comme celle-ci a une réelle valeur.
— Dave Tweed
C'est suffisant. Vous avez bien sûr raison. Je ne connais pas très bien la construction de pipelines, je n'ai que 6 mois d'expérience avec VHDL. Pour être honnête, je n'espérais pas grand-chose non plus, mais quand vous êtes coincé, demander de l'aide semble toujours être une bonne option.
— 17h11

Réponses:

5

Je pense que vous avez mal compris les commentaires de l'auteur de l'article sur le pipeline de l'algorithme. Vous ne pouvez pas simplement canaliser le calcul pour B sans également canaliser le reste du processus.

Pour commencer, je recommanderais d'oublier complètement l'approche par pipeline et de simplement faire fonctionner l'algorithme avec une implémentation non pipelinée du calcul B.

Une fois que vous obtenez des résultats corrects, et si vous avez besoin de plus de performances, vous pouvez envisager de les canaliser. Ensuite, vous pourrez voir comment les résultats intermédiaires s'alignent sur chaque cycle d'horloge et ce qu'il faut pour les synchroniser.

— Dave Tweed
source
Merci pour votre réponse. J'ai déjà une version non pipelinée qui fonctionne, et le hold-up concernant f (max) est le calcul de b. Si je comprends bien, c'est que le pipelining du calcul de b serait suffisant, mais je suppose que je devrai le lire (encore).
— jgr
Bi−1Ai+2Mi+1Mi+1
Je vous remercie! Je l'ai relu, lorsque vous avez mentionné que je ne pouvais pas simplement faire un pipeline b, vouliez-vous dire ce qu'ils appellent le transfert de données dans le journal (pour A)?
— jgr
Ai+2Ci
Ok, AKc'est vraiment le cas CK. Cela devient de plus en plus complexe: /
— jgr
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