摘要：提出了一种基于Crossbar互连的可重构分簇式分组密码处理模型RCCPA和面向RCCPA的任务映射方法.所建立的任务就绪列表避免了任务划分的死锁问题，通过开发分组密码组间并行及组内流水特性，提高了RCCPA架构的单元利用率和密码处理性能.在RCCPA架构上使用自动化映射方法适配了AES/DES/IDEA等密码算法，结果表明，该模型与方法有效提高了分组密码算法的处理性能.
关键词：分组密码；可重构；分簇；任务映射
中图分类号：TN 492 文献标识码：A
Research on Reconfigurable Clustered Architecture Model
and Task Mapping Targeted at Block Cipher Processing
CHEN Tao1，2， LUO Xing-guo2， LI Xiao-nan1， CHEN Xun1， CHANG Zhong-xiang1
（1.The PLA Information Engineering Univ， Zhengzhou， Henan 450004， China；
2.National Digital Switching System Engineering & Technological Research Center， Zhengzhou， Henan 450004， China）
Abstract： A Reconfigurable Clustered Architecture Model named RCCPA and Task mapping method were proposed. Based on task ready list， this technique avoids the deadlock problem of the division of tasks. Through the development of block cipher's parallelization between packets and pipeline characteristic of the group， the unit utilization and cryptographic processing performance of the RCCPA architecture were improved. AES / DES / IDEA .etc cryptographic algorithm used automated method of mapping adaptation in RCCPA architecture， and the results show that the proposed model and method effectively improve the processing performance of the block cipher algorithm.
Key words： block cipher； reconfigurable； cluster； task mapping
随着可重构设计技术的发展，面向分组密码处理的可重构计算系统日益增多.针对分组密码处理的可重构系统主要包括：1）基于FPGA实现的可重构处理芯片[1]，该类芯片能够获得接近ASIC的处理性能，但是算法更换时需要重新设计电路、重新配置，存在配置信息多、布局布线复杂、处理粒度与分组密码处理粒度不相符、对开发设计人员要求高等问题.2）面向密码应用的专用指令处理器，如RCBCP[2]和SophSEC[3]等基于VLIW结构的处理芯片，通过开发分组密码算法的指令级并行度，将可并行执行的指令组合成一条指令，在一个指令周期内完成，提高了分组密码算法的实现性能.另一方面通过软件编程的方式实现密码算法，降低了编译器的设计复杂性和用户的开发难度.但是该架构每个时钟周期处理单元最多只能有一种运算逻辑工作，存在资源利用率低的问题.3）基于配置流的粗粒度可重构密码处理架构，如RCPA[4]和RHCA[5]等基于阵列的处理架构.阵列结构能够以较大的并行度和流水深度进行密码处理，但是文献[4]和[5]均没有给出面向其架构的任务划分及映射方法，用户开发难度大.另一方面阵列结构存在互联资源多、布局布线复杂的问题，并且其功能单元采用同构化设计，利用率低下.文献[6]提出的ProDFA结构，通过执行上下文快速更改数据流计算结构，在一定程度上提高了单元的利用率和密码处理性能，通过定义一种配置描述语言，用户可以使用此语言手动完成任务的划分与映射，但是这要求用户对ProDFA结构有深入的了解，同样存在开发难度大的问题.
为提高可重构分组密码架构的单元利用率，降低用户使用的复杂性，实现分组密码算法的在动态可重构架构上的自动任务映射，本文提出了一种基于分级互连结构的可重构分簇式密码处理架构的模型RCCPA（Reconfigurable Clustered Cipher Processing Architecture），RCCPA通过动态配置数据处理路径，提高了密码算法处理性能和单元利用率.在此基础上研究了任务的自动映射问题，提出了面向RCCPA架构的自动映射方法，并在并行优化和流水优化两个方面进行了策略调整，实现了分组密码算法的自动化映射.完成了RCCPA的原型设计，并评估了常用分组密码算法在该架构上的实现性能.
1 可重构分簇式分组密码处理架构
分组密码算法适于分组（或分块数据）内并行、分组间并行或流水处理，并且具有分组（或分块数据）间数据交互少的特点[5].结合分组密码算法处理特点，本文提出的可重构分簇式分组密码处理模型如图1所示.架构采用分簇式设计，包含4个处理簇、配置单元、通用寄存器堆、子密钥寄存器堆、控制逻辑和I/O接口.
