Pipeline MD5 VHDL

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Estou tentando implementar um pipeline MD5 de três estágios, de acordo com este link . Em particular, os algoritmos na página 31. Há também outro documento que descreve o encaminhamento de dados. Isso é feito em um FPGA (Terasic DE2-115). Não há esquemas neste projeto, apenas código 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;

Usando esse código, obtenho valores corretos bno primeiro estágio do round 0, mas depois nada parece se encaixar. Como visto nesta simulação, o primeiro estágio no round 0 está correto, mas depois não. Isto é ao usar anesta expressão:

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

simulação

Mas ... Se eu entendi o segundo documento corretamente, deveria estar usando em cvez de a(encaminhamento de dados), mas o primeiro estágio no round 0 também não funciona. Ou seja, quando faço isso, o primeiro estágio da rodada 0 também obtém os números errados.

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

Para a sequência específica no código ( helloo), os seguintes valores estão corretos (3 primeiros estágios do round 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

A propósito, AKMno documento está akwno código.

Todas as dicas ou sugestões sobre como me levar na direção certa serão muito apreciadas. Código seria o ideal. Se algo não estiver claro, editarei a pergunta e tentarei corrigi-la.

fpga vhdl jgr
fonte
Você está fazendo isso com um microcontrolador? Que tipo? Qual é a sua configuração? Esquemas? Por favor, forneça mais informações :-)
Adicionei mais algumas informações. Informe-me se posso melhorar ainda mais.
JGR
Eu não acho que você entenda completamente o que está pedindo aqui. Parece que você não está familiarizado com a construção de pipelines e questões relacionadas, como lidar com as dependências de dados entre os estágios e obter os estágios inicializados corretamente. Ensinar a você que exigiria um livro, não uma página da web. E duvido que qualquer pessoa que já tenha feito uma implementação em pipeline desse algoritmo apenas a disponibilize gratuitamente. Propriedade intelectual como essa tem valor real.
Dave Tweed
Justo. Claro que você esta certo. Não estou familiarizado com a construção de dutos, tenho apenas 6 meses de experiência com VHDL. Seja honesto demais, eu também não esperava muita coisa, mas quando você está parado, pedir ajuda sempre parece uma boa opção.
JGR

Respostas:

5

Acho que você não entendeu os comentários do autor do artigo sobre o pipeline do algoritmo. Você não pode simplesmente canalizar a computação para B sem também canalizar o restante do processo.

Eu recomendaria, para fins de introdução, que você se esquecesse completamente da abordagem de pipeline e apenas começasse o algoritmo trabalhando com uma implementação não pipelined da computação B.

Depois de obter os resultados corretos, e se precisar de mais desempenho, poderá analisar o pipeline. Em seguida, você poderá ver como os resultados intermediários se alinham em cada ciclo do relógio e o que é necessário para mantê-los sincronizados.

Dave Tweed
fonte
Obrigado pela sua resposta. Eu já tenho uma versão sem pipeline de trabalho e o atraso em relação a f (max) é o cálculo de b. Pelo que entendi, é que pipelining o cálculo de b seria suficiente, mas acho que vou ter que lê-lo (novamente).
JGR
BEu-1 1UMAEu+2MEu+1 1MEu+1 1
Obrigado! Eu o li novamente, quando você mencionou que eu não podia apenas pipeline b, você quis dizer o que eles chamam de encaminhamento de dados no jornal (para A)?
JGR
UMAEu+2CEu .
Dave Tweed
Ok, AKé mesmo CK. Isso fica cada vez mais complexo: /
jgr 26/01