Hardware Design and Implementation of Hash Functions with Embedded Scan-Based Techniques
Date Issued
May 2025
Author(s)
Advisor
Abstract
Για την παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε και υλοποιήθηκε η εφαρμογή μονοπατιών ολίσθησης (Scan paths) στις υλοποιήσεις υλικού, αλγορίθμων κατακερματισμού και ανάμιξης SHA-1 και SHA-256, οι οποίες περιγράφονται από διάφορες επίσημες δημοσιεύσεις και τη NIST (National Institute of Standards and Technology) των Η.Π.Α.
Αρχικά έγινε μελέτη των συγκεκριμένων αλγορίθμων από τις διάφορες δημοσιεύσεις και έγινε ανάλυση των μαθηματικών μοντέλων που περιγράφονται σε αυτές. Στη συνέχεια έγινε υλοποίηση των αλγορίθμων σε γλώσσα προγραμματισμού C++ για επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του αλγορίθμου. Μετά την ολοκλήρωση των αλγορίθμων σε γλώσσα C++ υλοποιήθηκαν οι αρχιτεκτονικές σχεδιασμών υλικού τεσσάρων σταδίων διασωλήνωσης (pipeline) σε γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL (Very High speed integrated circuits hardware Description Language). Για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε ως δεδομένο ο αριθμός σταδίων διασωλήνωσης, καθώς σκοπός ήταν η μελέτη εφαρμογής των Scan path για αύξηση της ελεγξιμότητας. Ακόμη, έγινε προσομοίωση των δύο σχεδιασμών με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης Modelsim της εταιρίας Mentor Graphics για εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας και χρονισμού. Έπειτα, με την χρήση του εργαλείου Vivado της εταιρίας AMD (Xilinx), έγινε σύνθεση των σχεδιασμών σε υλικό και εφαρμογή σε FPGA. Σημαντική ήταν η συμβολή των διαφόρων οδηγών των εργαλείων, κυρίως του Vivado της εταιρίας AMD που δίνεται στο Παράρτημα Α.
Έχοντας πλέον υλοποιημένους τους δύο αλγορίθμους έγιναν οι απαραίτητες μετατροπές στις μονάδες αποθήκευσης του κυκλώματος (Registers), έτσι ώστε να δημιουργηθούν τα μονοπάτια ολίσθησης, όπως περιγράφονται από διάφορες επίσημες δημοσιεύσεις. Ακολούθως, με τη χρήση των C μοντέλων που προανάφερα, εξάχθηκαν ενδιάμεσα διανύσματα δοκιμής – δηλαδή διανύσματα εισόδων εξόδων για κάθε υπομονάδα του συστήματος – τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις με σκοπό την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας των μονοπατιών ολίσθησης.
Τέλος, στη διπλωματική αυτή εργασία, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων ως προς την επιφάνεια και την ταχύτητα των υλοποιήσεων, με μονοπάτια ολίσθησης και χωρίς αυτά.
Αρχικά έγινε μελέτη των συγκεκριμένων αλγορίθμων από τις διάφορες δημοσιεύσεις και έγινε ανάλυση των μαθηματικών μοντέλων που περιγράφονται σε αυτές. Στη συνέχεια έγινε υλοποίηση των αλγορίθμων σε γλώσσα προγραμματισμού C++ για επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του αλγορίθμου. Μετά την ολοκλήρωση των αλγορίθμων σε γλώσσα C++ υλοποιήθηκαν οι αρχιτεκτονικές σχεδιασμών υλικού τεσσάρων σταδίων διασωλήνωσης (pipeline) σε γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL (Very High speed integrated circuits hardware Description Language). Για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε ως δεδομένο ο αριθμός σταδίων διασωλήνωσης, καθώς σκοπός ήταν η μελέτη εφαρμογής των Scan path για αύξηση της ελεγξιμότητας. Ακόμη, έγινε προσομοίωση των δύο σχεδιασμών με τη χρήση του εργαλείου προσομοίωσης Modelsim της εταιρίας Mentor Graphics για εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας και χρονισμού. Έπειτα, με την χρήση του εργαλείου Vivado της εταιρίας AMD (Xilinx), έγινε σύνθεση των σχεδιασμών σε υλικό και εφαρμογή σε FPGA. Σημαντική ήταν η συμβολή των διαφόρων οδηγών των εργαλείων, κυρίως του Vivado της εταιρίας AMD που δίνεται στο Παράρτημα Α.
Έχοντας πλέον υλοποιημένους τους δύο αλγορίθμους έγιναν οι απαραίτητες μετατροπές στις μονάδες αποθήκευσης του κυκλώματος (Registers), έτσι ώστε να δημιουργηθούν τα μονοπάτια ολίσθησης, όπως περιγράφονται από διάφορες επίσημες δημοσιεύσεις. Ακολούθως, με τη χρήση των C μοντέλων που προανάφερα, εξάχθηκαν ενδιάμεσα διανύσματα δοκιμής – δηλαδή διανύσματα εισόδων εξόδων για κάθε υπομονάδα του συστήματος – τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις με σκοπό την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας των μονοπατιών ολίσθησης.
Τέλος, στη διπλωματική αυτή εργασία, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων ως προς την επιφάνεια και την ταχύτητα των υλοποιήσεων, με μονοπάτια ολίσθησης και χωρίς αυτά.
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
s.eleftheridades-2025-bsc-abstract.pdf
Size
339.07 KB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
40e48137e6ae5709157b487a62319875