409

W dzisiejszych czasach trudno sobie wyobrazić dziedzinę szero-

ko rozumianej telekomunikacji, w której cyfrowe przetwarzanie sy-
gnałów DSP (Digital Signal Processing) nie miałoby zasadniczego
znaczenia. Odnosi się to do wszystkich warstw systemu telekomuni-
kacyjnego: od urządzeń przetwarzających obrazy, dźwięki, dane
alfanumeryczne na sygnały (i odwrotnie), przez sieci telekomunika-
cyjne przenoszące i komutujące te sygnały, aż po systemy urzą-
dzeń, zapewniających dostarczanie różnorakich treści, zwanych po-
wszechnie usługami. Można tu wymienić takie przykłady, jak: mode-
my telefoniczne, systemy cyfrowego szerokopasmowego dostępu
abonenckiego DSL (Digital Subscriber Line), dostępu radiowego,
rozpoznawanie mowy i mówców, telewizja cyfrowa wysokiej roz-
dzielczości, telefonia komórkowa i satelitarna czy związana z więk-
szością wymienionych systemów – kryptografia. Trzeba podkreślić,
że tak szerokie zastosowanie techniki cyfrowej w telekomunikacji
znalazło zastosowanie dopiero w momencie opanowania technolo-
gii wytwarzania na wielką skalę scalonych układów specjalizowa-
nych ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Coraz większą
popularnością w tym zakresie cieszą się procesory sygnałowe – mi-
krokomputery skonstruowane specjalnie do cyfrowego przetwarza-
nia sygnałów. Obecnie z procesorami sygnałowymi w wielu zastoso-
waniach mogą konkurować układy programowalne i reprogramo-
walne.

Dynamiczny rozwój cyfrowych technik telekomunikacyjnych daje

się zauważyć zwłaszcza w systemach multimedialnych. Ogólnie
można powiedzieć, że telekomunikacyjny system multimedialny to
zespół środków technicznych i procesów, umożliwiających przekaz
i prezentację wiadomości za pomocą przynajmniej dwóch, wzajem-
nie zsynchronizowanych, środków przekazu, takich jak: mowa, mu-
zyka, ruchomy obraz, tekst, grafika itp. Powszechnie jest on utożsa-
miany z takimi usługami, jak: wideotelefonia, wideokonferencja, wi-
deo na żądanie (lub prawie na żądanie), telepraca, teleedukacja,
telezakupy itd. W takim systemie wyróżnia się trzy podstawowe ele-
menty funkcjonalne: serwer usług multimedialnych, terminale multi-
medialne oraz sieć dostępu do usług. Zadaniem sieci jest przenie-
sienie sygnałów dotyczących usług – oferowanych przez serwery –
do terminali, a także wymiana danych między serwerami. Płaszczy-
zna transportowa takiej sieci jest na ogół bardzo dobrze rozwinięta
i przystosowana do przenoszenia sygnałów cyfrowych z dużą szyb-
kością. Najczęściej są w niej stosowane kable światłowodowe
i szybkie techniki transmisyjne: SDH, ATM, Frame-Relay itp. Najbar-
dziej krytycznym elementem tego systemu jest abonencka sieć do-
stępowa, przenosząca sygnały multimedialne od węzłów sieci trans-
portowej do terminalu i na odwrót. Ze względu na istniejącą infra-
strukturę kablową tej sieci (najczęściej symetryczna para
przewodów miedzianych, tzw. skrętka), stało się konieczne opraco-
wanie systemów umożliwiających transmisję cyfrową do (i od) abo-
nenta z dużą szybkością.

W tej części sieci powszechnie przyjmowana szerokość pasma

podstawowego 300 Hz – 3400 Hz nie wynika z własności linii trans-
misyjnej, lecz z przepustowości filtrów stosowanych (dla transmisji
telefonicznej) w punktach styku z siecią transportową. Wspomniana
skrętka umożliwia (oczywiście po usunięciu filtrów) wykorzystanie
pasma do 1 MHz, a jedynym ograniczeniem szybkości transmisji cy-
frowej jest długość kabla i jakość jego wykonania. Efektywne zwięk-
szenie wykorzystania pasma do transmisji dwukierunkowej osiąga
się przez stosowanie odpowiednich kodów liniowych oraz przez sto-
sowanie cyfrowej kompensacji (kasowania) echa (Echo Canceller)
w układach rozgałęźnych po stronie abonenta i po stronie sieci.

Na przykład w sieciach ISDN dla dostępu podstawowego

(2B + D) do transmisji o szybkości 144 kbit/s (2 kanały po 64 kbit/s
+ 16 kbit/s dla kanału sygnalizacyjnego) wykorzystuje się kod linio-
wy 2B1Q (2-Binary 1-Quatenary) oraz technikę kompensacji echa.
Sprowadza się ona do wytworzenia w nadajniku przez adaptacyjny
filtr cyfrowy sygnału identycznego z przebiegiem echowym i odjęcia
go od całkowitego sygnału odbieranego.

Podobną zasadę kasowania echa stosuje się w systemach dostę-

powych DSL. Opracowano (i dalej się rozwija) systemy HDSL (High
data rate Digital Subscribe Line), ADSL (Asymmetric Digital Sub-
scribe Line), VDSL (Very high data rate Digital Subscribe Line) o róż-
nych przepływnościach i różnych technikach kodowania.

Kodowanie liniowe i cyfrowe kasowanie echa w systemach do-

stępowych i sieciach ISDN to niewielka część szerokiego zakresu
stosowania cyfrowego przetwarzania sygnałów. Ogromne znacze-
nie mają techniki kodowania sygnałów telefonicznych i wizyjnych,
umożliwiające zmniejszenie przepływności kanałów służących do
ich przenoszenia, a także wykrywanie i ewentualnie korekcję błędów
transmisji. Wystarczy powiedzieć, że w systemach radiokomunikacji
ruchomej szybkość strumienia sygnału mowy zmniejsza się
z 64 kbit/s (w systemach PCM) do szybkości poniżej 10 kbit/s.

W społeczeństwie informacyjnym wiele dziedzin życia gospodar-

czego i kulturalnego korzysta z elektronicznego przekazywania da-
nych. Ogromnego znaczenia nabiera zatem poufność, a nawet taj-
ność przekazywanych informacji. Z coraz większym przekonaniem
przyjmowany jest pogląd, że ochrona danych będzie odgrywała
podstawową rolę w funkcjonowaniu przyszłych systemów informa-
cyjnych. Dotyczy ona głównie aplikacji telekomunikacyjnych, takich
jak telefonia bezprzewodowa i komórkowa, faksy, pagery, płatna te-
lewizja, komercyjne produkty audio/wideo itp. Jednak najważniej-
szym obszarem, w którym decydujące znaczenie mają mechanizmy
ochrony informacji, jest komunikacja cyfrowa, a w szczególności
sieć internetowa.

Mechanizmy ochrony komunikacji cyfrowej są realizowane za po-

mocą specjalnych protokołów bezpieczeństwa i w formie algoryt-
mów kryptograficznych stały się częścią wielu standardowych roz-
wiązań, jak IPSec (protokół internetowy), SSL (Secure Socket
Layer), szyfrowane komórki sieci ATM oraz różnych standardów
ANSI dla bankowości. Eksplozja wzrostu usług internetowych w za-
kresie handlu i biznesu, w tym operacji finansowych i obrotu kapita-
łowego, spowodowała, że realizacja mechanizmów zabezpieczenia
przed nieuprawnionym dostępem do informacji stała się ogromnym
wyzwaniem.

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

Tadeusz ŁUBA*, Krzysztof JASIŃSKI*, Bogdan ZBIERZCHOWSKI*

Programowalne układy

przetwarzania sygnałów

i informacji – technika cyfrowa

w multimediach i kryptografii

*

Instytut Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej
e-mail: [e-mail], [e-mail],
[e-mail]

Jak widać, zakres zastosowań układów cyfrowych w telekomuni-

kacji będzie coraz większy i niedobrze byłoby, gdyby w rozwoju tej
techniki i jej ogromnych rynkowych możliwości nie uczestniczyły fir-
my polskie. Zrozumienie tych szans jest szczególnie istotne w dobie
rewolucyjnego rozwoju technologii układów programowalnych [26].
Dotychczasowe sukcesy polskich firm w komercyjnych aplikacjach
techniki cyfrowej w telekomunikacji potwierdzają tę tezę. Doskona-
łym przykładem może tu być firma ADB Polska, założona przed pię-
ciu laty przez pracowników naukowych Politechniki Zielonogórskiej.
Z dużym powodzeniem opracowuje ona i sprzedaje w milionach
sztuk – również na rynki zagraniczne – urządzenia telewizji cyfrowej.

W artykule opisano podstawowe właściwości układów programo-

walnych oraz możliwości ich zastosowania w przetwarzaniu sygna-
łów i informacji. Omówiono przykłady eksperymentalnych i przemy-
słowych aplikacji multimedialnych oraz realizacje algorytmów kryp-
tograficznych. Przedstawiono nową ofertę na rynku cyfrowych
układów telekomunikacyjnych – produkty wirtualne. Wskazano tak-
że na ogromne znaczenie syntezy logicznej w tych zastosowaniach.

ROLA UKŁADÓW PROGRAMOWALNYCH
W ROZWOJU TECHNIKI CYFROWEJ
DLA POTRZEB PRZETWARZANIA
SYGNAŁÓW I INFORMACJI

W technice cyfrowej w ostatnich latach obserwuje się ogromne

zmiany w metodach projektowania układów i systemów cyfrowych
oraz w technologiach wykonywania urządzeń cyfrowych. Z punktu
widzenia technologii jest to postęp od układów katalogowych i płyt-
ki drukowanej do specjalizowanych układów ASIC i specjalizowa-
nych procesorów ASIP (Application Specific Instruction Set Proces-
sors) o złożoności sięgającej milionów bramek. W szczególności
udoskonalenia procesu technologicznego, polegające na reduko-
waniu wymiarów elementów półprzewodnikowych i zwiększaniu
liczby warstw metalizowanych połączeń, a także nowe techniki pro-
gramowania umożliwiły opracowanie generacji struktur FPLD (Field
Programmable Logic Devices) z możliwością reprogramowania i re-
konfiguracji [21], [30]. Te cechy układów FPLD umożliwiają imple-
mentacje algorytmów DSP, niekiedy znacznie lepsze w porównaniu
z implementacjami na procesorach sygnałowych.

Obecnie produkowane układy FPLD, w zależności od struktury,

klasyfikuje się na układy matrycowe – CPLD (Complex PLD) oraz
układy komórkowe – FPGA.

Elementem charakterystycznym dla architektury CPLD jest wyko-

rzystanie w układach wielu struktur typu PAL (Programmable Array
Logic) zgrupowanych w bloki SPLD (Simple PLD). Bloki te są ze so-
bą połączone szybką, programowaną matrycą połączeniową, jak to
pokazano na rys. 1. Jej zadaniem jest przesyłanie sygnałów między

wejściami zewnętrznymi a wewnętrznymi blokami logicznymi oraz
między tymi blokami.

Niezależnie od wykonania, ważnymi parametrami matrycy połą-

czeniowej, będącej krytycznym fragmentem układów CPLD, są:
zdolność łączeniowa i czas propagacji sygnału. Pod pojęciem zdol-
ności łączeniowej rozumie się możliwość łączenia dowolnych ele-
mentów struktury programowalnej. Producenci układów rozwiązują
związane z tym problemy w różny sposób, czego efektem są różno-
rodne architektury matryc połączeniowych, w „dużych” układach
CPLD – także wielopoziomowe. Architektura matrycy połączeniowej
i technologia zastosowana do jej realizacji mają duży wpływ na czas
propagacji sygnału. We współczesnych układach CPLD czas propa-
gacji sygnału przez matrycę połączeniową nie przekracza zazwyczaj
0,8... 3 ns (m. in. matryce GRP firmy Lattice, PIA – Altera, PIM – Cy-
press, ZIA – Xilinx). Dostępne są także układy, w których czas pro-
pagacji skrócono do ok. 100... 200 ps (ZIA, AIM – Xilinx).

Grupą układów programowalnych o architekturze i budowie ele-

mentarnych komórek logicznych, znacznie odmiennej od architektu-
ry i budowy komórek układów SPLD i CPLD, są struktury FPGA
(Field Progammable Gate Array). Na rys. 2 pokazano ułożenie komó-
rek logicznych oraz traktów połączeniowych, charakterystyczne dla
większości układów FPGA.

410

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 1. Struktura CPLD. Oznaczenia: PIA (Programmable Inter-

connect Array) – matryca połączeniowa, SPLD – prosta struktura PLD
typu PAL

O

O

Rys. 2. Struktura FPGA. Oznaczenia: PIP (Programmable Intercon-

nect Point) – programowalne punkty połączeniowe, RC (Routing
Channels) – trakty połączeniowe, I/O – bloki wejściowo-wyjściowe, LB
(Logic Blocks) – bloki logiczne

Praktycznie wszystkie obecnie produkowane układy programo-

walne są wyposażone w reprogramowalne matryce pamięciowe.
Najczęściej są stosowane dwa rodzaje matryc: z komórkami pamię-
ci SRAM (Static RAM) i trwałej EEPROM, a coraz rzadziej PROM lub
EPROM. Układy reprogramowalne CPLD i FPGA oferuje na świecie
kilku producentów. Są to zarówno układy z matrycami SRAM, jak
i EEPROM. Nieulotne matryce EEPROM charakteryzują się ograni-
czoną liczbą dopuszczalnych cykli reprogramowania, zazwyczaj od
100 do 1000, gwarantują natomiast długi czas przechowywania za-
pisanych w nich konfiguracji (do 100 lat) bez zasilania.

W aplikacjach wymagających dużej pojemności logicznej są sto-

sowane przede wszystkim struktury FPGA, w których rolę elementu
pamięciowego spełnia komórka pamięci nietrwałej SRAM. Po każ-
dorazowym włączeniu zasilania niezbędne jest wprowadzenie da-
nych o konfiguracji, czyli tzw. inicjalizacja konfiguracji matrycy. Pro-
ces rekonfiguracji we wszystkich układach FPGA przebiega podob-
nie, przy czym – w zależności od typu układu – czas inicjalizacji
struktury waha się od 1ms (układy serii AT6000) aż do 320 ms (ukła-
dy FLEX10K). Dzięki wykorzystaniu standardowych interfejsów sze-
regowych SDI (Serial Data Interface) w układach FPGA oraz JTAG-
ISP w układach CPLD, dane konfiguracyjne można „załadować” do

411

struktury programowalnej za pomocą lokalnego sterownika lub spe-
cjalnego interfejsu programującego. Strumień danych konfiguracyj-
nych jest zwykle przechowywany w standardowej pamięci stałej
o dowolnej organizacji lub w specjalnej pamięci szeregowej.

Ze względu na właściwości matryc pamięciowych, do stosowania

w aplikacjach rekonfigurowalnych są predestynowane układy
FPGA.

Głównym celem rekonfiguracji systemu jest dostosowanie struk-

tury funkcjonalnej, dostępnej w ramach jego architektury podstawo-
wej, do wymagań realizowanych algorytmów. W przypadku realiza-
cji algorytmów, które „nie mieszczą” się w całości w strukturze sys-
temu, istnieje konieczność ich rozłożenia na sekwencje podzadań
realizowanych kolejno w odpowiednich konfiguracjach. Warunkiem
niezbędnym do realizacji całego algorytmu jest zdolność systemu
rekonfigurowalnego do wymiany danych konfiguracyjnych wraz
z przekazaniem wyników uzyskanych w bieżącej konfiguracji do
kontynuowania obliczeń w następnej konfiguracji. Taki sposób re-
konfiguracji systemu podczas jego działania jest wyróżniany termi-
nem run-time.

Obecnie stosuje się kilka metod rekonfiguracji układów FPGA

[40]. Najprostszym implementacyjnie, ale niezbyt efektywnym spo-
sobem rekonfiguracji, jest zmiana konfiguracji (tzw. kontekstu) całej
struktury programowalnej. Polega ona na szeregowym wprowadze-
niu strumienia nowych danych konfiguracyjnych. Wadą tej metody
jest konieczność przerwania pracy całego układu, co w konsekwen-
cji może obniżyć wydajność całego systemu. Układy wyposażone
w taki mechanizm rekonfiguracji są nazywane jednokontekstowymi.
Większość obecnie produkowanych układów FPGA można uważać
za układy jednokontekstowe o różnych czasach rekonfiguracji.

Bardziej efektywnym sposobem rekonfiguracji jest rekonfiguracja

częściowa. Jest ona możliwa pod warunkiem przerwania pracy ukła-
du, podobnie jak w przypadku układów jednokontekstowych, cho-
ciaż dzięki możliwości wymiany tylko niezbędnej części danych kon-
figuracyjnych średni czas rekonfiguracji może być – zależnie od
przyjętego sposobu przydziału zadań – znacznie krótszy.

Do najbardziej znanych układów rekonfigurowalnych należą

struktury AT40K/KA/KAL, AT6000 oraz FPSLIC AT94 (wszystkie
wymienione rodziny są to układy FPGA, produkowane przez firmę
Atmel [13]) oraz Virtex/Virtex II i Virtex E (produkowane przez firmę
Xilinx).

Ogromną zaletą układów AT40K/KA/KAL oraz AT6000 jest możli-

wość ich częściowej rekonfiguracji bez konieczności „wyłączania”
pozostałej, nie poddawanej rekonfiguracji, części układu. Uzyskanie
tak dobrego efektu użytkowego jest możliwe dzięki zaawansowane-
mu mechanizmowi wymiany danych konfiguracyjnych CacheLogic,
w który wyposażono wszystkie układy obydwu rodzin.

Zupełnie inną architekturę i nieco inne walory użytkowe mają

układy AT94, nazywane w nomenklaturze producenta także FPSLIC
(Field Programmable System Level Integrated Circuit). Integrują one
bowiem w jednej strukturze rekonfigurowalną matrycę FPGA oraz 8-
bitowy mikrokontroler RISC. Budowa, właściwości (w tym możli-
wość częściowej rekonfiguracji) i podstawowe parametry matryc re-
konfigurowalnych są identyczne jak dla matryc stosowanych w ukła-
dach AT40K. Możliwości użytkowe układów AT94K znacznie
zwiększa fakt zintegrowania w ich strukturze szybkiego mikrokontro-
lera o architekturze RISC, którego wydajność dochodzi do 40 MIPS.
Szczegółowy opis architektury układów FPSLIC można znaleźć m.
in. w artykule [40].

Do stosowania w aplikacjach nie wymagających częściowej re-

konfiguracji struktury układu doskonale nadają się układy z rodzin
Virtex oraz APEX, które należą obecnie do grupy najwyżej zaawan-
sowanych technologicznie układów FPGA. O ich dużych zaletach
decydują m. in. mechanizmy sprzętowej implementacji pamięci róż-
nego typu (w tym FIFO oraz DualPort FIFO), możliwość łączenia blo-
ków logicznych w bloki funkcjonalne bez wykorzystywania lokal-
nych zasobów połączeniowych, a także krótki czas rekonfiguracji.

Jednak nie tylko z tych powodów układy FPGA mają przeważają-

ce zalety w implementacjach algorytmów DSP. Decydującym czyn-
nikiem w coraz powszechniejszym zastosowaniu układów FPGA do
syntezy układów DSP jest ich specyficzna, ziarnista i potokowa
struktura wewnętrzna. Zalety tej struktury objawiają się już na pozio-
mie najprostszych – ale wyjątkowo typowych w DSP – układów
mnożenia skalarnego z akumulacją. Na rys. 3 pokazano uproszczo-
ną strukturę mnożenia szeregowego, realizowanego w jednowymia-

rowej matrycy systolicznej. Każde ogniwo tego układu można bez-
pośrednio zrealizować w pojedynczych komórkach struktur FPGA,
a niezależność tej struktury od liczby bitów przetwarzanych słów jest
dodatkową zaletą decydującą o wydajności i skalowalności realizo-
wanych algorytmów. Układy szeregowego mnożenia bitowego znaj-
dują zastosowanie w realizacjach filtrów typu FIR [26], [36].

Komórkowa budowa struktur FPGA, a w szczególności możli-

wość grupowania często wykorzystywanych bloków tablic odwzoro-
wań (tablic prawdy) LUT (Look Up Table) w wielowyjściowe pamię-
ci, znakomicie ułatwia realizację układów arytmetyki rozproszonej
DA (Distributed Arithmetic) [26]. Strukturę układu DA pokazano na
rys. 4. Zaletą architektury DA jest wygodna i efektywna implementa-
cja w strukturach FPGA. Przeprowadzone eksperymenty [36] wska-
zują, że równoległe i rozproszone układy mnożące implementowa-
ne w strukturach FPGA są 6 razy szybsze przy zaledwie 2,5-krotnym
zwiększeniu zasobów sprzętowych.

Rekonfigurowalne układy FPGA, które zapoczątkowały nową erę

w dziedzinie projektowania układów DSP, stanowią również dosko-
nałe medium implementacyjne do realizacji algorytmów szyfrują-
cych w różnych zastosowaniach, takich jak protokoły bezpieczeń-
stwa komunikacji w sieciach, ochrona i potwierdzanie autentycz-
ności informacji i dokumentów oraz do realizacji maszyn wyszukują-
cych klucze w kryptoanalizie.

Głównym atutem układów rekonfigurowalnych jako medium kon-

strukcyjnego jest ich zdolność „adaptacyjna”, polegająca na możli-
wości dostosowania architektury logicznej do typu, kształtu i właści-
wości realizowanych funkcji. Do efektywnego wykorzystania
możliwości tych układów, zarówno pod względem optymalizacji lo-
gicznej, jak też parametrów fizycznych (szybkość, moc, powierzch-
nia) jest potrzebna gruntowna znajomość funkcji i własności imple-
mentowanych algorytmów. Środkiem do osiągnięcia tak określone-
go celu jest wiedza o sposobach odwzorowywania podstawowych
operacji i funkcji algorytmu w strukturę podstawową matrycy rekon-
figurowalnej oraz wybór logicznej reprezentacji danych, odpowied-
niej do specyfikacji algorytmu architektury.

Większość algorytmów szyfrowania można przedstawić za po-

mocą grafu przepływu danych, który jest zbudowany zaledwie z kil-
ku różnych komponentów, realizujących mniej lub bardziej złożone
operacje arytmetyczne i funkcje logiczne. Poniżej przedstawiono li-
stę najczęściej stosowanych operacji i funkcji.

M

Proste operacje arytmetyczne, takie jak dodawanie i odejmowa-

nie.

M

Operacje na krótkich słowach binarnych o nietypowych długo-

ściach.

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 3. Jednowymiarowa systoliczna matryca sumatora; D – prze-

rzutnik

O

O

Rys. 4. Architektura DA. Oznaczenia: RP – rejestry przesuwające,

POT – rejestr potokowy, R – rejestr wyjściowy

M

Operacje mnożenia – mnożenie ogólne (dowolne wartości ope-

randów), mnożenie modularne, mnożenie z obcięciem wyniku, mno-
żenie przez stałą, mnożenie z użyciem kodowania nadmiarowego
operandów etc.

M

Równoległe operacje logiczne.

M

Sekwencje operacji logicznych.

M

Tablice odwzorowań LUT, np. nieliniowe typu S-box.

M

Operacje rotacji i przesunięcia.
Dla każdej z wymienionych operacji można wyznaczyć efektyw-

ne odwzorowanie w strukturze matrycy rekonfigurowalnej. Zastoso-
wanie takich „wzorów” realizacyjnych do projektowania algorytmów
kryptograficznych pozwala lepiej wykorzystać walory systemów re-
konfigurowalnych.

EKSPERYMENTALNE I PRZEMYSŁOWE
APLIKACJE MULTIMEDIALNE

Wraz z wprowadzeniem rekonfigurowalnych struktur logicznych

pojawiły się nowe możliwości ich zastosowań w dziedzinie przetwa-
rzania obrazów i dźwięku. Pierwszą architekturą komputera konfigu-
rowanego ze strukturami FPGA była wirtualna maszyna, pomyślana
jako programowalna pamięć aktywna PAM (Programmable Active
Memory); miała ona formę rekonfigurowalnego koprocesora stero-
wanego standardowym procesorem. Rola procesora sprowadzała
się do zarządzania konfiguracją macierzy układów FPGA, które peł-
niły funkcje koprocesora, i współpracy z tym koprocesorem, analo-
gicznie jak w konwencjonalnych komputerach.

Przykładami zastosowania platformy PAM do realizacji specjali-

zowanych maszyn liczących są między innymi: system DECPeRLe
zaprojektowany przez Digital Equipment Corporation’s Paris Re-
search Laboratory [38] i system SPLASH, opracowany w Super-
computer Research Center [3].

Systemy PeRLe-0 i PeRLe-1 cechuje wielka efektywność rozwią-

zywania zadziwiająco szerokiej klasy problemów obliczeniowych.
Są one zbudowane z macierzy dwuwymiarowej układów FPGA
komunikującej się z otoczeniem zewnętrznym za pomocą szyny
o dużej przepływności.

Oprócz 16 układów macierzy 4x4 FPGA system zawiera 1 MB

pamięci statycznej RAM na każdej z krawędzi macierzy FPGA. Układ
został zaprojektowany do przyspieszenia realizacji zadań wymaga-
jących dużych mocy obliczeniowych przy założeniu, że części reali-
zowanego algorytmu, które stanowią jego „wąskie gardło”, będą
przekazywane do wykonania układowi. Do specyfikacji zadań zosta-
ło zaprojektowane specjalne środowisko programowe [4], które
łączy w sobie cechy kompilatorów złożonych języków programowa-
nia oraz systemów do projektowania sprzętu. Lista problemów, któ-
re efektywnie rozwiązywano za pomocą DEC PeRLe, zawiera wiele
istotnych zadań z dziedziny przetwarzania obrazu i dźwięku, jak na
przykład: mnożenie dużych liczb całkowitych, kompresja danych,
rozwiązywanie równań Laplace’a, synteza dźwięku, rozpoznawanie
wzorca, splot w dziedzinie dwuwymiarowej, kompresja obrazu.

Innym przykładem wysoko wyspecjalizowanej maszyny liczącej

jest system SPLASH zaprojektowany w Supercomputer Research
Center [3], [8] oraz jego następca SPLASH-2. Podobnie jak system
DEC PeRLe, współpracuje on ze stacją roboczą, przyspieszając jej
działanie w tych sytuacjach, gdy nie może ona uporać się z zada-
niem wymagającym dużych mocy obliczeniowych. Architektura
SPLASH-2 została zaprojektowana jako macierz systoliczna na po-
jedynczej płytce o 16 elementach obliczeniowych, z których każdy
zawiera układ FPGA oraz lokalną pamięć. Analogicznie jak w przy-
padku PeRLe, stworzono środowisko programistyczne, dające moż-
liwość tworzenia aplikacji. Miało ono wbudowany symulator języka
VHDL [1], [2], język opisu logiki LDG [9] oraz model programowy
SIMD [10]. Za pomocą systemu SPLASH uruchomiono i przetesto-
wano wiele aplikacji. Otrzymane wyniki świadczą o jego dużej efek-
tywności. Lista przykładowych problemów rozwiązanych za pomocą
systemu SPLASH-2 zawierała m. in. następujące zadania: wyszuki-
wanie tekstu, przetwarzanie obrazów, ustalanie zmiennego przecin-
ka oraz splot w dziedzinie dwuwymiarowej.

Eksperymenty przeprowadzone z

architekturami PeRLe

i SPLASH pokazały, że pojedyncza platforma obliczeniowa zbudo-
wana z układów FPGA może zapewnić imponującą efektywność dla

bardzo szerokiej rodziny zastosowań. Tak wysoki poziom efektyw-
ności był możliwy do osiągnięcia dzięki zaprojektowaniu dla każde-
go z wymienionych problemów specjalizowanej architektury. Me-
chanizmy rekonfiguracji gwarantują, że z wykorzystaniem tego sa-
mego sprzętu można realizować niezliczoną liczbę różnych
architektur logicznych. Osiągnięcie wysokiej efektywności syste-
mów PeRLe i SPLASH było możliwe dzięki:
M

wyspecjalizowaniu bloków funkcjonalnych;

M

wykorzystaniu współbieżności;

M

optymalizacji procesów i interfejsów komunikacyjnych;

M

wyspecjalizowaniu układów wejściowo-wyjściowych.
Niewątpliwie eksperymenty te stały się bezpośrednią przyczyną

zastosowania układów programowalnych w komercyjnych (przemy-
słowych) aplikacjach telekomunikacyjnych. Typowym przykładem
mogą być satelitarne systemy telemetryczne firmy TSI TelSys [16],
w których rekonfigurowalna matryca składająca się z 12 układów
APEX20K100 spełnia rolę rekonfigurowalnego systemu DSP, auto-
matycznie dostosowującego się do protokołu transmisyjnego śle-
dzonej misji satelitarniej (EOS, SBIRS-High, DRTS, Heliosat).

Możliwość rekonfiguracji układów CPLD wykorzystała firma LG

Information & Telecommunications. W jej ofercie znajdują się urzą-
dzenia stosowane w systemach komórkowych CDMA (Code Divi-
sion Multiple Access), W-CDMA (Wideband CDMA) oraz WLL (Wire-
less Local Loop). We współpracy z firmą Hanaro Telecom [12] firma
LGIE wdrożyła do produkcji modemy W-CDMA, w których zastoso-
wano po cztery układy EPF10K100. Zastosowanie układów rekonfi-
gurowalnych wiąże się z możliwością szybkiego i w miarę bezpro-
blemowego dostosowania toru obróbki sygnału do modyfikacji
wprowadzanych w zaleceniach ITU, które mają na celu m. in. zwięk-
szenie przepływności kanałów transmisyjnych, przy jednoczesnym
zawężeniu zajmowanego pasma.

Układy rekonfigurowalne znalazły zastosowanie także we współ-

czesnych telewizyjnych systemach retransmisyjnych, czego przykła-
dem może być rodzina procesorów wizyjnych D1 firmy Snell & Wil-
cox [12]. Według danych producenta, zastosowanie układów rekon-
figurowalnych spowodowało obniżenie kosztu wykonania takiego
procesora o ok. 30% w stosunku do klasycznych rozwiązań opar-
tych na procesorach sygnałowych.

Amerykańska firma Metalithic Systems jest producentem profe-

sjonalnego, studyjnego sprzętu audio, w tym wielu cyfrowych
konsol mikserskich. W 1999 roku inżynierowie tej firmy opracowali

412

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 5. Schemat blokowy systemu ze zdalnie rekonfigurowanym

blokiem sprzętowym; 1, 2, 3, 4 – etapy rekonfiguracji

413

128-kanałową konsolę, wykonaną na układach Spartan firmy Xilinx,
w której możliwość rekonfiguracji układów wykorzystano do budowy
różnego rodzaju efektów audio, w tym cyfrowego pogłosu i kompre-
sji szumów [15].

Szczególnym przykładem w grupie opracowań komercyjnych

jest propagowana od 1998 roku przez firmę Xilinx idea budowania
sprzętu rekonfigurowanego przez Internet – IRL (Internet Reconfigu-
rable Logic), co schematycznie pokazano na rys. 5 [17].

Pierwsze komercyjne aplikacje IRL opracowały i wdrożyły w 1999

roku firmy Bosch i Siemens, które testują możliwości stosowania
układów zdalnie rekonfigurowalnych w aplikacjach samochodo-
wych [17]. Na początku 2001 roku, w wyniku prac prowadzonych
wspólnie z LG Electronics oraz konsorcjum: Xilinx, Celoxica oraz
WindRiver, powstały – wykorzystujące układy Virtex E – zdalnie re-
konfigurowalne: odtwarzacz MP3 oraz internetowy telefon VoIP
[14]. Urządzenia te mają zostać wdrożone do masowej produkcji
przed końcem 2003 roku.

UKŁADY PROGRAMOWALNE
W KRYPTOGRAFII

Wśród pierwszych implementacji szyfrów blokowych w układach

programowalnych szczególnie interesujące były dwa opracowania.
Pierwsze powstało w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technicz-
nym w Lozannie pod akronimem CryptoBooster [25]. CryptoBooster
spełnia funkcje rekonfigurowalnego, modułowego koprocesora
kryptograficznego, który współpracuje z głównym komputerem jako
akcelerator operacji kryptograficznych. Próbnym modułem wykona-
nym w tej architekturze była realizacja symetrycznego szyfru bloko-
wego IDEA. Przeprowadzone testy wykazały, że pod względem
szybkości i przepustowości koprocesor nadaje się do zastosowań
w szybkich sieciach, jak ATM, SONET i GigaEthernet.

Drugi przykład to projekt wykorzystujący rekonfigurowalny proce-

sor PipeRench opracowany w Carnegie Mellon University [37]. Ory-
ginalna warstwowa architektura procesora PipeRench, zaprojektowa-
na w CMU, została zoptymalizowana pod względem implementacji
kryptograficznych. Jej głównymi cechami są: wirtualizacja, potokowa
organizacja ścieżki danych i zerowy pozorny czas rekonfiguracji. Wir-
tualizacja umożliwia implementację algorytmów nie mieszczących
się w całości w fizycznej strukturze systemu. W architekturze
PipeRench zrealizowano szereg algorytmów, jak CRYPTON, IDEA,
RC6 i Twofish.

Na podstawie analizy wielu zastosowań sprzętowych [5] realiza-

cji algorytmów kryptograficznych można określić funkcje i wymaga-
nia, jakie powinien spełniać elastyczny system kryptograficzny. Są
to:

M

możliwość zmiany algorytmu w trakcie pracy,

M

możliwość wprowadzania nowych algorytmów,

M

duża szybkość przetwarzania danych,

M

łatwa obsługa interfejsu użytkownika,

M

modyfikowalność oprogramowania sterującego (upgradable

firmware),

M

modyfikowalność sprzętu.
Traktując powyższe warunki jako założenia do konstrukcji syste-

mu kryptograficznego, współpracującego z głównym komputerem
PC na zasadzie koprocesora, można zaproponować konstrukcję,
której uproszczona architektura jest przedstawiona na rys. 6. Zasad-
niczymi blokami takiego systemu są:
M

koprocesor kryptograficzny z pamięcią buforową,

M

układ sterujący,

M

biblioteka algorytmów.
Koprocesor kryptograficzny wykonuje wszelkie operacje zwią-

zane z szyfrowaniem i deszyfrowaniem danych. Po włączeniu zasi-
lania koprocesor rezydujący w strukturach FPGA nie jest jeszcze
zaprogramowany. Na sygnał wyboru algorytmu, wydany przez
użytkownika za pośrednictwem interfejsu, układ sterujący przepi-
suje do koprocesora z biblioteki algorytmów odpowiedni zbiór
konfiguracyjny. Po skonfigurowaniu koprocesor jest gotowy do
pracy. Transmisja danych szyfrowanych i deszyfrowanych pomię-
dzy systemem a komputerem odbywa się za pośrednictwem ma-
gistrali ISA. Tą samą drogą, z komputera do systemu, są przeka-
zywane nowe zbiory modyfikujące lub rozszerzające bibliotekę al-
gorytmów.

Naszkicowana wyżej koncepcja elastycznego systemu krypto-

graficznego została wykorzystana przez autorów przy opracowaniu
prototypu wieloalgorytmowego koprocesora kryptograficznego, któ-
ry zrealizowano w ramach prac badawczych w Instytucie Telekomu-
nikacji PW. Prototyp koprocesora został wykonany w formie karty do
komputerów klasy PC. Schemat blokowy karty koprocesora,
uwzględniający szczegółowo sygnały magistrali ISA, jest przedsta-
wiony na rys. 7. Karta wymaga wstępnej inicjalizacji kilku wewnętrz-
nych rejestrów, których zawartość ustawia się przez interfejs progra-
mowy w komputerze. Ich wartości definiują szczegółowo następują-
ce funkcje i parametry karty:

M

wybór algorytmu kryptograficznego – DES, X_DES_X,

DES3_EEE, DES3_EDE;

M

tryb pracy algorytmu – ECB, CBC, OFB_64, CFB_01, CFB_08,

CFB_16, CFB_64;

M

tryb współpracy z magistralą ISA – normal lub pipeline;

M

funkcje karty – szyfrowanie/deszyfrowanie, wpisywanie kluczy

i wektora stanu początkowego.

Przed rozpoczęciem cyklu szyfrowania/deszyfrowania są testo-

wane wybrane komórki rejestru stanów w celu ustalenia prawidłowo-
ści przeprowadzonej inicjalizacji. Aby zapobiec lub przynajmniej
utrudnić ataki hackerów, wprowadzono dodatkowe mechanizmy
ochronne zapewniające bezpieczeństwo kluczy i bloków danych za-
równo jawnych, jak i zaszyfrowanych. Zastosowane mechanizmy
wykrywają pewne odstępstwa od oczekiwanych prawidłowych se-
kwencji instrukcji inicjujących proces szyfrowania/deszyfrowania
i blokują reakcje koprocesora na sygnał startu GO lub niszczą za-
wartość rejestrów kluczy i rejestru stanu początkowego.

Algorytm DES został zaprojektowany według amerykańskiej nor-

my FIPS 46, zaś tryby pracy opracowano na podstawie normy FIPS
81. Algorytmy DES-EDE i DES-EEE, mimo iż nie są aktualnie ujęte
w normach, należą obecnie do najczęściej używanych szyfrów

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 6. Architektura elastycznego systemu kryptograficznego

O

O

Rys. 7. Schemat blokowy wieloalgorytmowego koprocesora kryp-

tograficznego

w protokołach bezpieczeństwa stosowanych w sektorze bankowym
na całym świecie. Tryby pracy, pozwalające dopasować właściwości
szyfru do wymagań otoczenia, są zgodne z międzynarodowymi nor-
mami ISO/IEC 8372 i ISO/IEC 10116.

Główna część projektu została wyspecyfikowana w języku

AHDL dla środowiska MAX+PLUS II firmy ALTERA, z przeznacze-
niem dla rodziny układów rekonfigurowalnych FLEX 10K. W proto-
typie wykorzystano układ FLEX 10K30. Eksperymenty symulacyjne
przeprowadzone z algorytmem DES, uwzględniające zastosowanie
w koprocesorze układu FLEX 10K50, wykazały, że maksymalna
częstotliwość zegara systemowego może wynosić około 70 MHz.
Odpowiada to maksymalnej szybkości przetwarzania rzędu 190
Mbit/s. Dla algorytmu potrójny DES osiągalna szybkość wynosi
około 66 Mbit/s.

NOWY STANDARD SZYFROWANIA:
ALGORYTMY – ANALIZA I WYBÓR
OPTYMALNYCH IMPLEMENTACJI

Przedstawione powyżej przykłady implementacji algorytmów

kryptograficznych były jedną z wielu prób poszukiwania optymal-
nych realizacji nowych algorytmów szyfrujących, które w XXI wieku
mogłyby zastąpić dotychczasowy światowy standard DES.

Wydarzeniem o przełomowym znaczeniu – kamieniem milowym

w dziedzinie ochrony systemów informacyjnych i bezpieczeństwa
w sieciach teleinformatycznych – stał się konkurs zorganizowany
przez amerykański NIST (National Institute of Standards and Tech-
nology). Wyłoniona w ostatniej rundzie konkursu grupa najlepszych
algorytmów kryptograficznych została poddana niezwykle gruntow-
nym badaniom teoretycznym i szczegółowej analizie ich walorów
praktycznych, zwłaszcza implementacji sprzętowych wybranej gru-
py szyfrów pod względem oceny ich wydajności i przydatności
w przyszłych systemach kryptograficznych. Analizowane implemen-
tacje szyfrów zostały zrealizowane w kilku ośrodkach akademickich
na podstawie tych samych założeń funkcjonalnych, wspólnej meto-
dologii i wspólnych narzędzi projektowania, tej samej technologii
i tych samych architektur układów rekonfigurowalnych. Za podsta-
wę oceny implementacji zgłoszonych na forum III Konferencji Kan-
dydatów AES (Advanced Encryption Standard) posłużyły przyjęte
i uzgodnione wcześniej miary parametrów związanych z szybkością
przetwarzania i złożonością realizacji.

Głównymi kryteriami przyjętymi przez NIST do oceny i kwalifika-

cji szyfrów w konkursie na nowy standard były: bezpieczeństwo,
efektywność w realizacjach sprzętowych i programowych oraz ela-
styczność. Spośród tych czterech parametrów efektywność realiza-
cji sprzętowej okazała się szczególnie ważnym czynnikiem, umożli-
wiającym zróżnicowanie konkurujących algorytmów, przy założeniu,
że:
M

porównanie było oparte na zbiorze obiektywnych i zgodnie ak-

ceptowanych miar,
M

istniały dostrzegalne różnice pomiędzy „kandydatami”,

M

ustalono wyraźną zgodność pomiędzy wynikami uzyskanymi

przez niezależne grupy.

W celu osiągnięcia większej jednolitości i czytelności porównań

wyników otrzymanych przez różne grupy, zaproponowano zgodną
terminologię, która może być użyta do opisu różnych architektur
i parametrów wydajności szyfrów blokowych.

Wybór technologii

Algorytmy kryptograficzne mogą być realizowane zarówno w for-

mie programu, jak i sprzętu. Implementacje programowe są projek-
towane i kodowane przy użyciu języków programowania, takich jak
C, C

++

, Java czy asembler, a następnie wykonywane w uniwersal-

nych mikroprocesorach, procesorach sygnałowych lub kartach inte-
ligentnych. Implementacje sprzętowe są projektowane i specyfiko-
wane za pomocą języków opisu sprzętu, takich jak VHDL i Verilog
HDL i realizowane z wykorzystaniem jednej z dwóch technologii:
specjalizowanych układów scalonych typu ASIC lub rekonfigurowal-
nych matryc logicznych FPGA.

Do porównania i oceny wymienionych technologii pod względem

ich przydatności do zastosowań kryptograficznych można posłużyć

się zestawieniem parametrów użytkowych, własności funkcjonal-
nych i charakterystyki procesu projektowania.

Do grupy parametrów użytkowych, które mają istotny wpływ na

efektywność przetwarzania danych, należą: możliwość przetwarza-
nia równoległego i potokowego, zmienna długość słowa i szybkość
działania. Do najważniejszych właściwości funkcjonalnych, decydu-
jących o elastyczności i bezpieczeństwie implementacji kryptogra-
ficznej, zalicza się: możliwość wymiany algorytmu w trakcie pracy
(algorithm agility), zabezpieczenie przed penetracją (tamper resi-
stance) i kontrolę dostępu do kluczy. Charakterystykę procesu pro-
jektowania określają między innymi: języki specyfikacji, długość
cyklu projektowania, koszty narzędzi do projektowania, koszty testo-
wania, utrzymania i modyfikacji. Z porównania parametrów użytko-
wych wynika, że układy ASIC i FPGA mają wyraźną przewagę nad
implementacją programową pod względem efektywności przetwa-
rzania. Istotna różnica pomiędzy technologią ASIC i FPGA dotyczy
szybkości działania układów FPGA, które są wolniejsze, co wynika
z opóźnień wprowadzanych przez elementy programowalnych połą-
czeń i proces rekonfiguracji. Pod względem funkcjonalnym następu-
je większe zróżnicowanie: największe bezpieczeństwo zapewnia
ASIC, natomiast wadą jest całkowity brak możliwości modyfikacji.
W przypadku układów ASIC i FPGA proces projektowania jest po-
dobny w sposobie specyfikacji (język opisu sprzętu), weryfikacji (sy-
mulator) i testowania (płyta prototypowa). Zasadnicza różnica po-
między nimi polega na tym, że układy FPGA nie wymagają projektu
warstwy fizycznej (layout), wytwarzania i testowania defektów fizycz-
nych. Konsekwencją tego są: znacznie krótszy cykl projektowania
i dużo tańsze narzędzia do projektowania i testowania. Z porównań
wynika, że implementacje oparte na FPGA mają przewagę nad tech-
nologią ASIC pod względem kosztów i długości cyklu opracowania
prototypu, możliwości wielokrotnego i szybkiego rekonfigurowania
i możliwości eksperymentalnego testowania dużej liczby różnych ar-
chitektur. Ponadto implementacje na układach FPGA zapewniają
znacznie wyższy stopień zgodności i wiarygodności porównań. Są
bowiem weryfikowane na podstawie dokładnych symulacji funkcjo-
nalno-czasowych gotowych struktur i eksperymentalnego testowa-
nia prototypu.

Założenia, porównywane parametry
i zasady projektowania

Ogólny model sprzętowej implementacji symetrycznych szyfrów

blokowych jest pokazany w formie schematu blokowego na rys. 8.
Według tego schematu zostały zrealizowane wszystkie szyfry
z ostatniej rundy konkursu AES. Schemat ten składa się z następu-
jących części:

M

modułu szyfrowania/deszyfrowania, w którym są kodowane i de-

kodowane bloki danych wejściowych,

M

bloku generacji kluczy pochodnych, w którym wyznacza się zbiór

kluczy wewnętrznych na podstawie jednego klucza zewnętrznego,

M

pamięci kluczy wewnętrznych, w której są przechowywane klu-

cze utworzone w bloku generacji kluczy lub dostarczone przez inter-
fejs wejściowy z zewnątrz,

414

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 8. Schemat blokowy realizacji sprzętowej szyfrów blokowych

415

M

interfejsu wejściowego, służącego do wprowadzania danych wej-

ściowych i kluczy oraz do buforowania danych wejściowych oczeku-
jących na kodowanie/dekodowanie,

M

interfejsu wyjściowego, używanego do buforowania danych prze-

tworzonych i przesyłania ich do zewnętrznej pamięci,

M

jednostki sterującej, w której są wytwarzane sygnały sterujące

pracą pozostałych bloków.

W celu ujednolicenia procedury projektowania implementacji

szyfrów, przyjęto wstępnie następujące założenia:

M

długość klucza 128 bitów, co upraszcza porównywanie i analizę

M

generowanie kluczy pochodnych na zewnątrz,

M

długość bloku danych 128 bitów,

M

dzielenie zasobów funkcjonalnych pomiędzy część szyfrującą

i deszyfrującą.

Poniżej przedstawiono definicje parametrów używanych do po-

równywania szyfrów z punktu widzenia efektywności ich implemen-
tacji sprzętowych.

Szybkość szyfrowania (deszyfrowania) jest określana jako licz-

ba bitów zaszyfrowanych (zdeszyfrowanych) w jednostce czasu.
Jednostką szybkości jest Mbit/s.

Czas opóźnienia szyfrowania (deszyfrowania) (latency) jest

zdefiniowany jako czas niezbędny do zaszyfrowania (zdeszyfrowa-
nia) jednego bloku danych jawnych lub zaszyfrowanych. Jeżeli
w aplikacji podczas jednej sesji są szyfrowane/deszyfrowane duże
porcje danych, to szybkość wyznacza całkowity czas wykonywania
tych operacji i jest najlepszą miarą szybkości szyfru.

Drugi ważny parametr to powierzchnia zajmowana przez układ,

gdyż jest głównym czynnikiem określającym jego koszt. Przyjmuje
się, że z grubsza koszt układu scalonego jest wprost proporcjonal-
ny do jego powierzchni. Dla ścisłości należy jednak uwzględnić
koszt obudowy, na który ma wpływ liczba wyprowadzeń. W pew-
nych aplikacjach mogą wystąpić ograniczenia maksymalnej dostęp-
nej powierzchni do realizacji modułu kryptograficznego, wynikające
z kosztów dostępnej technologii wytwarzania, zużywanej mocy lub
kombinacji tych czynników, np. w inteligentnych kartach z mikrokon-
trolerem.

W układach ASIC powierzchnia wymagana do implementacji jest

zwykle wyrażana w

µ

m

2

, choć są też używane dwie miary względne:

liczba tranzystorów i liczba bramek logicznych. Wartości tych trzech
miar są ze sobą ściśle skorelowane, ale relacje te trudno określić.
W implementacjach FPGA jedyną uznaną miarą wielkości układu
jest liczba komórek logicznych.

Struktura tworzenia projektu w środowisku CAD do implementa-

cji algorytmów w układach FPGA jest pokazana na rys. 9. Wszystkie
szyfry AES zostały w pierwszym kroku opisane w języku VHDL, a na-

Tryby pracy

Symetryczne szyfry blokowe są używane w kilku trybach opera-

cyjnych, które z punktu widzenia implementacji sprzętowej można
podzielić na dwie kategorie:

M

tryby bez sprzężenia zwrotnego, takie jak tryb elektronicznej

książki kodowej (ECB) i tryb licznikowy,

M

tryby ze sprzężeniem zwrotnym, jak tryb wiązania bloków zaszy-

frowanych (CBC), tryb sprzężenia zwrotnego szyfrogramu (CFB)
i tryb sprzężenia zwrotnego wyjściowego (OFB).

W trybach bez sprzężenia zwrotnego szyfrowanie każdego kolej-

nego bloku danych może być wykonane niezależnie od przetwarza-
nia innych bloków. W trybach ze sprzężeniem zwrotnym nie jest
możliwe rozpoczęcie szyfrowania następnego bloku danych przed
zakończeniem kodowania bloku bieżącego i wszystkie bloki muszą
być szyfrowane sekwencyjnie. To ograniczenie nie dotyczy operacji
deszyfrowania, która może być wykonywana równolegle na kilku
blokach szyfrogramu we wszystkich trybach. Zgodnie z obecnymi
standardami bezpieczeństwa, szyfrowanie jest wykonywane przede
wszystkim z użyciem trybów sprzężenia zwrotnego, jak CBC i CFB,
zaś tryby bez sprzężenia zwrotnego są głównie stosowane do szy-
frowania kluczy podczas ich dystrybucji. Te wymagania bezpieczeń-
stwa uniemożliwiają wykorzystanie w pełni efektywności implemen-
tacji sprzętowych opartych na równoległym przetwarzaniu wielu blo-
ków danych.

Podstawowe architektury

Wybierając architekturę dla implementacji szyfrów w strukturach

FPGA, wystarczy ograniczyć się do dwóch typów: bazowej architek-
tury iteracyjnej i architektury z rozwiniętą (częściowo lub w pełni) pę-
tlą. Podstawową architekturę sprzętową stosowaną do implementa-
cji jednostki szyfrującej/deszyfrującej typowego szyfru blokowego
z tajnym kluczem pokazano na rys. 10a. Jedną rundę szyfru zreali-
zowano jako układ kombinacyjny, uzupełniony rejestrem i multiplek-
serem. W pierwszym cyklu zegara wejściowy blok danych jest poda-
wany przez multiplekser i zapisywany w rejestrze. W każdym kolej-
nym cyklu zegara jest realizowana operacja jednej rundy
szyfrowania, a jej rezultat podawany zwrotnie do układu przez mul-
tiplekser i zapisywany następnie w rejestrze. Architektura bazowa
ma dwie cechy charakterystyczne:
M

w tym samym czasie jest kodowany tylko jeden blok danych,

M

liczba cykli zegara, koniecznych do zaszyfrowania jednego bloku

danych, jest równa liczbie rund szyfru.

Architektura z częściowo rozwiniętą pętlą jest przedstawiona na

rys. 10b. Jedyna różnica w porównaniu z bazową architekturą itera-
cyjną polega na tym, że część kombinacyjna układu realizuje K rund
szyfrowania zamiast jednej. Liczba K musi być podzielnikiem całko-
witej liczby rund. Liczba cykli zegara koniecznych do zaszyfrowania
jednego bloku danych jest K-krotnie mniejsza od liczby rund. Mini-
malny okres zegara wzrasta ze współczynnikiem nieco mniejszym
niż K.

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Rys. 9. Środowisko projektowe CAD

stępnie zweryfikowane przy użyciu symulatora Active-HDL z firmy
ALDEC. Do korekcji błędów i weryfikacji kodów źródłowych wyko-
rzystano wektory testowe i pośrednie wyniki przetwarzania z opubli-
kowanych wcześniej implementacji programowych. Przedstawione
raporty zawierają powierzchnię, szybkość i inne dane o implementa-
cji oraz zbiory danych do symulacji czasowej i do skonfigurowania
układu.

O

O

Rys. 10. Podstawowe architektury szyfrów w trybach ze sprzęże-

niem zwrotnym: a) bazowa architektura iteracyjna, b) z częściowo
rozwiniętą pętlą, c) z pętlą w pełni rozwiniętą

Architektura z rozwiniętą w pełni pętlą jest pokazana na rys. 10c.

Schemat ten nie zawiera wejściowego multipleksera ani linii sprzę-
żenia zwrotnego. Dzięki temu jest możliwy niewielki wzrost szybko-
ści i zmniejszenie powierzchni układu w porównaniu z architekturą
o częściowo rozwiniętej pętli zawierającej taką samą liczbę rund.

Z przeglądu architektur wynika, że do implementacji szyfrów AES

w układach FPGA optymalny wybór stanowi bazowa architektura ite-
racyjna. Zapewnia ona maksymalny współczynnik szybkość/po-
wierzchnia dla trybów operacyjnych ze sprzężeniem zwrotnym
(CBC, CFB), używanych powszechnie do szyfrowania masowych
danych i gwarantuje szybkości i powierzchnie bliskie optymalnym.
Wydaje się bardzo prawdopodobne, że architektura ta będzie po-
wszechnie stosowana w większości aplikacji. Jest także względnie
łatwa do implementacji w podobny sposób dla wszystkich szyfrów
AES, dzięki czemu umożliwi bardziej miarodajne porównanie.

PRODUKTY WIRTUALNE
– NOWA OFERTA
NA RYNKU TELEKOMUNIKACJI

Wraz z wprowadzeniem struktur reprogramowalnych pojawiły się

jeszcze inne możliwości aplikacyjne. Wynikają one nie tylko z popra-
wy parametrów funkcjonalnych i czasowych oraz zmian w architek-
turze logicznej, ale również z samej istoty reprogramowalności. Je-
den z kierunków takich aplikacji określa koncepcja produktu wirtual-
nego – systemu, funkcji lub układu scalonego, które nie istnieją
w rzeczywistości materialnej, ale potencjalnie mogą być w każdej
chwili zrealizowane. Takie układy wirtualne to zarówno gotowe pro-
dukty o zmiennych funkcjach i właściwościach, jak również elastycz-
ne „klocki”, z których można konstruować większe systemy.

Powstał ogromny rynek wirtualnych produktów specjalizowa-

nych, tzw. rynek własności intelektualnej IP (Intellectual Property Bu-
siness) zawartej w układach zaprojektowanych w postaci kodów
źródłowych języków HDL. Działalnością taką zajmują się m.in. firmy:
ALTERA, XILINX INC., TILAB, CAST INC., inSILICON CORPORA-
TION, DIGITAL COMMUNICATION TECHNOLOGIES, IP SEMICON-
DUCTORS, a w Polsce DIGITAL CORE DESIGN. Typową ofertą tych
firm są właśnie układy DSP, a w szczególności: kodery FFT i DCT,
układy kryptograficzne, komutatory i rutery ATM, dekodery Viterbie-
go dla sieci LAN, skramblery i deskramblery itp.

Rynek produktów wirtualnych to jednocześnie ogromne wyzwa-

nie dla zaawansowanych metod optymalizacji logicznej. Wynika to
z faktu, że konkurencję na tym rynku będą wygrywać tylko najlepsze
produkty. Do ich realizacji zostaną wykorzystane zaawansowane
metody syntezy, niejednokrotnie występujące wyłącznie w specjali-
stycznym oprogramowaniu uniwersyteckim. Duża złożoność struk-
tur FPGA, a także ich nietypowe konstrukcje (komórki), spowodowa-
ły wzrost roli i znaczenia zaawansowanych procedur syntezy logicz-
nej.

Wpływ zaawansowanych procedur syntezy logicznej na jakość

implementacji sprzętowych układów przetwarzania informacji i sy-
gnałów jest szczególnie znaczący w algorytmach wykorzystujących
struktury tablicowe typu LUT. Struktury takie są powszechnie stoso-
wane w filtrach cyfrowych, układach transformacji falkowej [31],
w szczególności do realizacji wykorzystujących arytmetykę rozpro-
szoną [26], a także w algorytmach kryptograficznych, korzystają-
cych z tzw. bloków permutacyjno-podstawieniowych.

W Zakładzie Podstaw Telekomunikacji IT-PW opracowano

specjalistyczne oprogramowanie do optymalizacji implementacji
sprzętowych struktur typu LUT. Oprogramowanie to – nazwane
DEMAIN [21], [22], [27] – jest dostępne nieodpłatnie na
stronie internetowej Zakładu Podstaw Telekomunikacji IT-PW:
http://www.zpt.tele.pw.edu.pl. W systemie DEMAIN, jako główną
procedurę syntezy logicznej zorientowanej na struktury FPGA,
wykorzystuje się tzw. algorytm dekompozycji zrównoważonej. Sku-
teczność tego oprogramowania można ocenić na podstawie eks-
perymentów przeprowadzonych z realizacjami układów cyfrowych
wyposażonych w struktury specyfikowane tablicami LUT.

Eksperymenty te polegały na implementacji typowych układów

cyfrowych – głównie z dziedziny teleinformatyki – za pomocą róż-
nych systemów projektowania, a następnie na porównaniu ich reali-
zacji pod względem liczby użytych komórek odpowiedniej struktury
FPGA. Wymowa przeprowadzonych eksperymentów jest znacząca,

bowiem do projektowania użyto systemów renomowanych firm
światowych, takich jak Altera, Synopsys, Exemplar i Xilinx.

W szczególności zrealizowano i porównano następujące układy:

M

bin2bcd1 – konwerter kodu binarnego na BCD dla liczb z zakre-

su od 0 do 99,

M

bin2bcd2 – konwerter kodu binarnego na BCD dla liczb z zakre-

su od 0 do 355,

M

DESboxes – zespół skrzynek podstawieniowych szyfru DES,

M

rd88 – sbox z algorytmu kryptograficznego Rijndael,

M

DESaut – kombinacyjną część układu sekwencyjnego z imple-

mentacji algorytmu kryptograficznego DES,

M

5B6B – kombinacyjną część układu kodera 5B-6B.
W tabeli 1 przedstawiono wyniki porównania metody wykorzystu-

jącej dekompozycję zrównoważoną, zaimplementowaną w systemie
DEMAIN, z metodami zaimplementowanymi w systemach: SIS,
FPGA Express, Leonardo Spectrum i MAX+PlusII. Przykładowe
układy zostały zaimplementowane w strukturach FPGA z rodziny

416

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

O

O

Tabela 1. Wyniki implementacji rzeczywistych układów przy użyciu

różnych narzędzi syntezy logicznej

Przykład

Architektura FPGA

EPF10K10LC84-3

DEMAIN

MAX

+Plus II

FPGA

Express

Leonardo
Spectrum

SIS

liczba komórek logicznych

bin2bcd1

13

131

30

30

–

bin2bcd2

39

505

225

120

136

DESboxes

184

585

486

192

–

rd88

167

332

341

245

248

DESaut

28

46

25

30

32

5B6B

41

92

100

49

51

FLEX. W tabeli podano liczbę komórek logicznych wymaganych do
implementacji poszczególnych układów. Z podanych rezultatów wy-
nika, że realizacja za pomocą metody wykorzystującej dekompozy-
cję zrównoważoną jest najoszczędniejsza pod względem liczby za-
jętych komórek i wygrywa nawet z realizacją osiągniętą za pomocą
uniwersyteckiego systemu SIS [35], opracowanego na Uniwersyte-
cie Kalifornijskim w Berkeley.

W szczególności warto zwrócić uwagę na implementację kon-

wertera kodu binarnego na kod BCD (wersja 1) oraz na implemen-
tacje skrzynek podstawieniowych (s-box) szyfrów DES i Rijndael.
Jak widać, wspomaganie procesu projektowania zaawansowanymi
procedurami syntezy logicznej prowadzi do rezultatów niemożli-
wych do uzyskania nawet za pomocą najlepszych systemów komer-
cyjnych. Trzeba również podkreślić, że na jakość powyższych imple-
mentacji w systemach komercyjnych nie mają wpływu nawet najlep-
sze kompilatory języków HDL. Konwerter BIN2BCD1 jest typowym
przykładem takiej sytuacji. Otóż konwerter ten można zaprojekto-
wać bądź to w strukturze zbudowanej z bloków funkcjonalnych we-
dług tzw. algorytmu +3

1)

, bądź też jako układ kombinacyjny realizu-

jący bezpośrednio tablicę LUT konwertera. W obu przypadkach
strukturę konwertera można zapisać w językach opisu sprzętu, np.
AHDL lub VHDL. Opisując realizację według algorytmu +3 w języku
VHDL i dokonując odpowiedniej kompilacji w systemie MAX+PLUS
II amerykańskiej firmy Altera, uzyskuje się realizację układu
BIN2BCD1 na 62 komórkach struktury FLEX 10K [23]. Ten sam
układ opisany tablicą prawdy (w specyfikacji VHDL instrukcjami
CASE) i skompilowany w tym samym systemie Altery zajmuje 131
komórek FLEX. Ale wprowadzając tablicę prawdy układu
BIN2BCD1 do systemu DEMAIN i dokonując odpowiedniej de-
kompozycji, uzyskuje się realizację tego samego konwertera na
zaledwie 13 komórkach struktury FLEX – czyli 10 razy lepiej.

Nie mniej intrygujące są wyniki implementacji skrzynek S-box

algorytmów kryptograficznych DES i Rijndael.

Istotne jest, że wykorzystanie tak zrealizowanych bloków permu-

tacyjnych do budowy modułu rundy DES, a następnie modułu ścież-

–––––––-–

1)

Dokładny opis takiej realizacji można znaleźć w książce [21]

417

ki przepływu danych nie wymaga żadnych dalszych zmian w innych
plikach składowych projektu. Implementacje ścieżki przepływu da-
nych w strukturze rodziny FLEX10K program DEMAIN redukuje do
296 komórek logicznych. W porównaniu do 709 komórek niezbęd-
nych do realizacji tego bloku bez zastosowania programu DEMAIN
stanowi to ponad dwukrotną redukcję wymaganych zasobów. Opty-
malizacja z użyciem systemu DEMAIN poprawia także maksymalna
częstotliwość taktowania modułu DES. Wzrosła ona o ponad 51,5
MHz. Ponieważ do zaszyfrowania jednego bloku danych tekstu jaw-
nego potrzeba 16 cykli, szacunkowa szybkość szyfrowania P tego
modułu wynosi:

P = 51,5 MHz/16

×

64 bity = 206 Mbit/s.

Oznacza to prawie dwukrotny wzrost szybkości szyfrowania blo-

ku ścieżki przepływu danych.

Podobnie jak w przypadku bloku rundy zrealizowanego bez wy-

korzystania dekompozycji, rzeczywista szybkość układu realizujące-
go cały algorytm DES będzie zależała od sposobu realizacji pozo-
stałych modułów tego algorytmu, a więc modułu sterowania i modu-
łu generacji podkluczy.

Tak zoptymalizowany blok rundy umożliwia realizację całej ścież-

ki rozpływu danych w sposób potokowy. Specyfikację takiej realiza-
cji w języku AHDL podano w tabeli 2. Wykorzystano tu zmodyfiko-
wany blok rundy (desroundp). Modyfikacja polega na dodaniu na
wyjściu modułu odpowiedniego rejestru. Umieszczenie 16 bloków
tak zmodyfikowanych bloków rundy w łańcuchu zapewnia znacznie
efektywniejszą pracę układu, gdyż dane mogą być szyfrowane po-
tokowo. Układ wymaga 4346 komórek logicznych i może pracować
z szybkością P = 86,9 MHz

×

64 bity

≅

5 Gbit/s.

O dużej skuteczności systemu DEMAIN świadczy również reali-

zacja szyfru HIEROCRYPT, wykonana w ramach pracy magisterskiej
na Wydziale Cybernetyki WAT [34]. Efektem jego zastosowania by-
ła redukcja zasobów sprzętowych z ok. 22 tys. komórek logicznych
do 10 tys., a także 5-krotne przyśpieszenie działania układu. Praca
ta zdobyła I nagrodę w konkursie na najlepszą pracę magisterską,
zorganizowanym w ramach konferencji ENIGMA.

Przeprowadzone eksperymenty w pełni potwierdzają tezę, że ko-

mercyjne systemy projektowania układów cyfrowych niejednokrot-
nie realizują projekty dalekie od rozwiązań optymalnych pod wzglę-
dem zajętości zasobów sprzętowych. Sytuacja ta jest szczególnie
niepokojąca dla najnowszych układów reprogramowalnych typu

FPGA i FLEX. Przyczyna tego zjawiska tkwi w niedostosowaniu pro-
cedur syntezy logicznej, które w systemach komercyjnych są z re-
guły realizowane według klasycznych metod minimalizacji funkcji
boolowskich i nie uwzględniają metod dekompozycji funkcjonalnej
[22]. Zatem stosowanie zaawansowanych systemów uniwersytec-
kich niejednokrotnie może się przyczynić do sukcesu rynkowego,
w szczególności specyficznej techniki układów FPLD.

✽ ✽ ✽

Omówione w artykule zastosowania układów reprogramowal-

nych w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów i kryptografii, dzięki moż-
liwości zmiany konfiguracji w trakcie pracy i elastycznemu wykorzy-
stywaniu zasobów sprzętowych, zapewniają ich wykorzystanie do
realizacji złożonych algorytmów obliczeniowych. W połączeniu
z możliwościami wspierania procesów optymalizacji komercyjnych
systemów zaawansowanymi systemami syntezy i optymalizacji lo-
gicznej stwarza to szansę dla rozwoju rodzimych opracowań urzą-
dzeń telekomunikacyjnych. Jest ona szczególnie widoczna w syste-
mach multimedialnych i kryptograficznych, dla których istotniejsze
są parametry techniczne, wynikające z istoty reprogramowania, niż
jednostkowy koszt produkcji.

LITERATURA

[1] Arnold J. M.: The Splash 2 software environment. In D. A. Buell and

K. L. Pocek, editors, Proceedings of IEEE Workshop on FPGAs for
Custom Computing Machines, Napa, CA, April, 1993

[2] Arnold M., Buell D. A. and Davis E. G.: VHDL programming on

Splash 2. In More FPGAs: Proceedings of the 1993 International
Workshop on Field-Programmable Logic and Applications, Oxford,
England, September 1993

[3] Arnold, D. A. Buell, and E. G: Davis. Splash 2. In Proceedings of the

4th Annual ACM Symposium on Parallel Algorithms and Architectu-
res, June 1992

[4] Bertin P. and Touati H.: PAM programming environments: Practice

and experience. In D. A. Buell and K. L. Pocek, editors, Proceedings
of IEEE Workshop on FPGAs for Custom Computing Machines, Na-
pa, CA, April 1994

[5] Connor T., Deng S., Marchant S.: Cryptographic Coprocesor with

Algorithm Agility, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, March
1999

[6] Elbirt A. J., Yip W., Chetwynd B., Paar C.: An FPGA implementation

and performance evaluation of the AES block cipher candidate algo-
rithm finalists, Proc. 3

rd

Advanced Encryption Standard (AES) Can-

didate Conference, New York, April 13-14, 2000

[7] Gaj K., Chodowiec P.: Comparison of the hardware performance of

the AES candidates using reconfigurable hardware, Proc. 3

rd

Advan-

ced Encryption Standard (AES) Candidate Conference, New York,
April 13-14, 2000

[8] Gokhale M., Holmes W., Kopser A., Lucas S., Minnich R., Swelly D.,

and Lopresti D.: Building and using a highly parallel programmable
logic array. IEEE Computer, 24 (1), January 1991

[9] Gokhale M., Kopser A., Lucas S. and Minnich R.: The logic descrip-

tion generator. Technical Report SRC-TR-90-011, Suprtcomputer
Research Center (SRC), 1990

[10] Gokhale M. and Schott B.: Data Parallel C on a reconfigurable logic

array. Journal of Supercomputing, 9 (3), 1994

[11] Guccione S. A., Delon L., Downs D.: A reconfigurable content ad-

dressable memory, Parallel and Distributed Processing. Springer-
Verlag, Berlin, May 2000

[12] http://www.altera.com
[13] http://www.atmel.com
[14] http://www.windriver.com
[15] http://pw1.netcom.com
[16] http://www.tsi-telsys.com
[17] http://www.xilinx.com
[18] IEEE Computer Society, Proceedings of IEEE Workshop on FPGAs

for Custom Computing Machines, 1993-1996

[19] Jachna Z.: Analiza metod specyfikacji układów cyfrowych z punktu

widzenia optymalizacji logicznej i odwzorowania technologicznego.
Rozprawa doktorska, WAT, Warszawa 2002

[20] Jasiński K., Zbysiński P.: Rekonfigurowalny koprocesor systemowy:

uniwersalna platforma obliczeniowa, Przegląd Telekomunikacyjny
i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 10, 2000

[21] Łuba T., Zbierzchowski B.: Komputerowe projektowanie układów cy-

frowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000

[22] Łuba T.: Synteza układów logicznych, Wyższa Szkoła Informatyki

Stosowanej i Zarządzania, wyd. 2, poprawione i rozszerzone, War-
szawa 2001

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003

OPTIONS BIT0 = MSB;
INCLUDE "iniperm";
INCLUDE "desroundp";
INCLUDE "invperm";
SUBDESIGN datapathp(

clk :

INPUT;

plaintext[1..64]

: INPUT;

subkey[1..16][1..48]

: INPUT;

encrypteddata[1..64]

: OUTPUT;

)

VARIABLE

ip

: iniperm;

round[1..16]

: desroundp;

invp

: invperm;

BEGIN

round[].clk = clk;
ip.IN[] = plaintext[];
round[1].R[] = ip.OUT[33..64];
round[1].L[] = ip.OUT[1..32];
round[1].K[] = subkey[1][];
FOR i IN 1 TO 15 GENERATE

round[i+1].R[] = round[i].NEXTR[];
round[i+1].L[] = round[i].NEXTL[];
round[i+1].K[] = subkey[i+1][];

END GENERATE;
invp.IN[] = (round[16].NEXTR[],round[16].NEXTL[]);
encrypteddata[] = invp.OUT[];

END;

O

O

Tabela 2. Specyfikacja rozpływu danych w języku AHDL

[23] Łuba T., Zbierzchowski B., Zbysiński P.: Układy reprogramowalne dla

potrzeb telekomunikacji cyfrowej. Przegląd Telekomunikacyjny
i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 5, 2002

[24] Łuba T. (red.), Rawski M., Tomaszewicz P., Zbierzchowski B.: Synte-

za układów cyfrowych. WKŁ Warszawa (przewidywany termin wyda-
nia – listopad 2003)

[25] Mosanya E. et al.: CryptoBooster: A Reconfigurable and Modular

Cryptographic Coprocesor, Proceedings of the Workshop on Cryp-
tographic Hardware and Embedded Systems, Worcester August
1999

[26] Meyer-Baese U.: Digital Signal Processing with Field Programmable

Gate Arrays, Springer Verlag, Berlin 2001

[27] National Security Agency, Initial plans for estimating the hardware

performance of AES submissions http://csrc.nist.gov/encryption/
aes/round2/round2.htm

[28] Nowicka M., Rawski M., Łuba T.: DEMAIN – an Interactive Tool for

FPGA-Based Logic Decomposition, Proceedings of the 6

th

Interna-

tional Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems,
Kraków 1999

[29] IFAC Workshop on Programmable Devices and Systems (E. Hrynkie-

wicz – chairman), PDS2001, materiały konferencyjne, Gliwice 2001

[30] Pasierbiński J., Zbysiński P.: Układy programowalne w praktyce,

WKŁ, Warszawa 2001

[31] Rakowski W.: O implementacjach sprzętowych transformacji falko-

wej. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne,
nr 2–3, 2003

[32] Rawski M., Jóźwiak L., Łuba T.: Functional decomposition with an ef-

ficient input support selection for sub-functions based on information
relationship measures. Journal of Systems Architecture, 47, Elsevier
Science B. V., 2001

[33] Reprogramowalne układy cyfrowe (J. Sołdek – przewodniczący Ko-

mitetu Programowego), materiały IV Konferencji Naukowej, Szcze-
cin 2001

[34] Rogowski M.: Implementacja algorytmu HIEROCRYPT w strukturach

programowalnych. Praca magisterska, WAT, 2003

[35] Sentovich E., et al.: SIS: A system for Sequential Circuits Synt-

hesis. Electronics Research Laboratory Memorandum, No.
VCB/ERLM92/41, University of California, Berkeley, 1992

[36] Tessier R., Burlesson W.: Reconfigurable Computing for Digital

Signal Processing: A Survej. Journal of VLSI Signal Processing, 28,
2001

[37] Taylor R., Goldstein S.: A High-Perfomance Flexible Architecture for

Cryptography, Proceedings of the Workshop on Cryptographic Har-
dware and Embedded Systems, Worcester August 1999

[38] Vuillemin Bertin P., Roncin D., Shand M., Touati H., and Boucard P.:

Programmable active memories: Reconfigurable systems come of
age. IEEE Transactions on VLSI Systems, 4 (1), 1996

[39] Wiatr K.: Sprzętowe implementacje algorytmów przetwarzania obra-

zów w systemach wizyjnych czasu rzeczywistego. AGH, Kraków
2002

[40] Zbysiński P.: Rekonfigurowalne układy FPSLIC firmy Atmel, Elektroni-

zacja nr 7–8’2000

418

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 8–9/2003