MD5 VHDLパイプライン

このリンクに従って、3ステージのMD5パイプラインを実装しようとしています。特に31ページのアルゴリズム。データ転送について説明している別のドキュメントもあります。これはFPGA（Terasic DE2-115）で行われます。このプロジェクトには回路図はなく、VHDLコードのみです。

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;

このコードを使用してb、ラウンド0の最初のステージで正しい値を取得しましたが、その後は何も適合しないようです。このシミュレーションでわかるように、ラウンド0の最初のステージは正しいですが、その後は正しくありません。これはa、この式で使用する場合です。

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

シミュレーション

しかし... 2番目のドキュメントを正しく理解していればc、a（データ転送）の代わりに使用する必要がありますが、ラウンド0の最初のステージも機能しません。つまり、これを行うと、ラウンド0の最初のステージでも間違った数値が取得されます。

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

コード（helloo）の特定の文字列については、次の値が適切です（ラウンド0の最初の3段階）。

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

ちなみに、AKMドキュメントはakwコード内です。

私を正しい方向に導くためのヒントや提案をいただければ幸いです。コードが理想的です。不明な点がある場合は、質問を編集して修正します。

fpga vhdl

— jgr
ソース

マイクロコントローラーでそれをやっていますか？何？あなたのセットアップは何ですか？回路図？詳細をご

さらに情報を追加しました。さらに改善できるかどうかお知らせください。

— jgr 2013年

ここで何を求めているのか完全に理解しているとは思いません。パイプラインの構築や、ステージ間のデータ依存関係の処理、ステージの適切な初期化などの関連する問題について、あまり詳しくないように思われるかもしれません。ウェブページではなく本を必要とすることを教える。そして、このアルゴリズムのパイプライン化された実装をすでに行った人が無料でそれをあなたに提供するつもりではないかと思います。そのような知的財産には真の価値があります。

— Dave Tweed

けっこうだ。あなたはもちろん正しいです。私はパイプラインの構築にそれほど慣れていません。VHDLの経験は6か月しかありません。正直言って、私もあまり望んでいませんでしたが、困ったときはいつでも助けを求めるのが良い方法のようです。

— jgr 2013年

アルゴリズムのパイプライン化に関する論文の著者のコメントを誤解したと思います。Bの計算をパイプライン処理して、残りのプロセスをパイプライン処理することはできません。

始めるために、パイプラインアプローチを完全に忘れて、アルゴリズムをパイプライン化されていないB計算の実装で動作させることをお勧めします。

正しい結果が得られたら、さらにパフォーマンスが必要な場合は、パイプライン化を検討できます。次に、各クロックサイクルで中間結果がどのように整列するか、および同期を保つために何が必要かを確認できます。

— デイブ・ツイード
ソース

ご回答有難うございます。すでにパイプライン化されていないバージョンが動作しており、f（max）に関するホールドアップはbの計算です。しかし私が理解しているように、bの計算をパイプライン化することで十分だということですが、私はそれを（もう一度）読む必要があると思います。

— jgr

B_{i - 1}

$B_{i-1}$

A_{i + 2}

$A_{i+2}$

M_{i} + 1

$M_i + 1$

M_{i + 1}

$M_{i+1}$

ありがとうございました！私はもう一度読みましたが、パイプライン化できないと述べたときb、彼らは紙のデータ転送と呼んでいるものを意味していましたAか？

— jgr

はい、それはその一部です。たとえば、値

A_{i + 2}

$A_{i+2}$

C_{i}

$C_i$

はい、そうAKですCK。これはますます複雑になります：/

— jgr