描述

介紹

安全哈希算法 (SHA-256) 是一種加密哈希函數(shù)，用于保護(hù)密碼或網(wǎng)站服務(wù)器等安全性。它的一個(gè)著名用途是比特幣的工作量證明，它基于 SHA256 算法來(lái)驗(yàn)證交易。

我想很多人會(huì)聽(tīng)說(shuō) GPU 被用于挖礦，因?yàn)?GPU 更適合哈希算法所需的數(shù)字運(yùn)算。但是，您知道嗎，可以使用 FPGA 完成定制化程度更高的加速？通過(guò)配置 FPGA 以在硬件中加速它，它的性能甚至?xí)?GPU 更高。事實(shí)上，比特幣礦工早在 2011 年就開(kāi)始使用 FPGA 進(jìn)行挖礦。

如今，挖比特幣的復(fù)雜性越來(lái)越高，F(xiàn)PGA 挖礦可能不再有利可圖。然而，我們可以將其作為一個(gè)有用的案例研究來(lái)了解如何使用 Xilinx FPGA 輕松完成加速。也許下次當(dāng)我們看到另一個(gè)潛在的算法加速用例時(shí)，我們就會(huì)知道該怎么做。

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開(kāi)發(fā)流程總結(jié)

我們將使用 Xilinx Kria KV260 的硬件套件以及新發(fā)布的 Ubuntu 20.04 LTS 操作系統(tǒng)。我們將安裝 PYNQ，以便我們可以從 Python notebook 獲得硬件加速的好處。

在我們的 PC 上，我們將使用 Vitis HLS 將開(kāi)源 C 代碼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換為硬件 IP 模塊。之后，Vivado 用于創(chuàng)建與處理器的連接并生成比特流。

最后，我們將比特流傳輸?shù)?Xilinx Kria 并在 PYNQ 環(huán)境中對(duì)性能增益進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

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設(shè)置 SD 卡映像

首先我們需要為 Kria KV260 Vision AI Starter Kit 準(zhǔn)備 SD 卡。

包裝盒中提供了一張 16GB 的 SD 卡，但我建議至少使用 32GB的，因?yàn)樵O(shè)置可能會(huì)超過(guò) 16GB 的空間。

我們將使用 Ubuntu 20.04.3 LTS 下載。從網(wǎng)站下載圖像并將其保存在您的計(jì)算機(jī)上。

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在您的 PC 上，下載 Balena Etcher 以將其寫(xiě)入您的 SD 卡。

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完成后，您的 SD 卡已準(zhǔn)備就緒，您可以將其插入 Kria 以設(shè)置 Xilinx Ubuntu！將 USB 鍵盤(pán)、USB 鼠標(biāo)、HDMI/DisplayPort 和以太網(wǎng)連接到 Kria。

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連接電源打開(kāi) Kria，您將看到 Ubuntu 登錄屏幕。

默認(rèn)登錄憑據(jù)是用戶(hù)名：ubuntu密碼：ubuntu

啟動(dòng)時(shí)，界面可能會(huì)非常慢，所以我運(yùn)行了這些命令來(lái)禁用動(dòng)畫(huà)調(diào)整以加快速度。

gsettings set org.gnome.desktop.interface enable-animations false
gsettings set org.gnome.shell.extensions.dash-to-dock animate-show-apps false

接下來(lái)，通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)更新并調(diào)用此命令將系統(tǒng)更新到最新版本

sudo apt upgrade

安裝用于系統(tǒng)管理的 xlnx-config snap 并對(duì)其進(jìn)行配置（有關(guān) Xilinx wiki 的更多信息）：

sudo snap install xlnx-config --classic
xlnx-config.sysinit

現(xiàn)在檢查設(shè)備配置是否工作正常。

sudo xlnx-config --xmutil boardid -b som

安裝最新的Kria-PYNQ 包。這最多需要 30 分鐘。

git clone https://github.com/Xilinx/Kria-PYNQ.git
cd Kria-PYNQ/
sudo bash install.sh

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安裝后，您可以在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中轉(zhuǎn)到“ kria:9090 ”以查看 Jupyter 筆記本。默認(rèn)密碼為xilinx 。

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Kria 系統(tǒng)已準(zhǔn)備就緒。現(xiàn)在讓我們回到我們的 PC 來(lái)創(chuàng)建 PYNQ 覆蓋比特流。

Vitis HLS 中的加速器 IP

使用 Vitis HLS，我們可以將許多現(xiàn)有的 C/C++ 代碼轉(zhuǎn)換為硬件 IP 模塊。我將在不做任何修改的情況下調(diào)整此 SHA256 C 代碼實(shí)現(xiàn)。

• https://github.com/B-Con/crypto-algorithms/blob/master/sha256.c

啟動(dòng) Vitis HLS 并創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目。

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在下一頁(yè)上，選擇目標(biāo)設(shè)備。對(duì)于 Kria KV260 Vision AI 入門(mén)套件，它使用的是零件：xck26-sfvc784-2lv-c。

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進(jìn)入工作區(qū)后，創(chuàng)建一個(gè)源文件。選擇該文件作為項(xiàng)目綜合設(shè)置中的頂級(jí)函數(shù)。

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在代碼中，我創(chuàng)建了一個(gè)名為hash(). 它基本上只調(diào)用 SHA256 散列函數(shù)。

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現(xiàn)在請(qǐng)注意，此功能是在可編程邏輯 (PL) 中實(shí)現(xiàn)的。這意味著 的參數(shù)hash()實(shí)際上是需要傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng) (PS) 或從處理系統(tǒng) (PS) 傳輸?shù)妮斎牒洼敵觥?/font>因此，需要選擇合適的通信接口。

對(duì)于 和 之類(lèi)的小變量text_length，result我選擇了s_axilitewhich 是適合小變量的串行協(xié)議。以后從 PYNQ 訪(fǎng)問(wèn)它也相對(duì)容易。

對(duì)于像 的大型緩沖區(qū)text_input[1024]，我選擇m_axi了并行協(xié)議。它占用了更多的邏輯和互連，但這是必要的，以便傳輸數(shù)據(jù)足夠快。

有關(guān)更多信息，代碼在本項(xiàng)目末尾提供。

在 Flow Navigator 下啟動(dòng) C 綜合。

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綜合后，您可以驗(yàn)證我們稍后將在 PYNQ 中訪(fǎng)問(wèn)的參數(shù)。

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最后，選擇 Export RTL 并選擇要將其保存到的位置。它將輸出一個(gè) zip 文件，其中包含要在 Vivado 中導(dǎo)入的 IP 模塊。

生成后，您還可以在控制臺(tái)中看到它生成的位置。

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Vivado 中的框圖綜合

打開(kāi) Vivado 并創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目

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選擇 Kria KV260 Vision AI 入門(mén)套件。繼續(xù)使用所有默認(rèn)值，直到到達(dá)項(xiàng)目工作區(qū)。

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在我們做任何其他事情之前，我們需要添加我們之前創(chuàng)建的 IP。

轉(zhuǎn)到Project Manager > Settings > IP > Repository ，然后添加包含 zip 文件的文件夾。

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在 IP Integrator 下，選擇 Create Block Diagram。添加以下塊：

• Zynq UltraScale+ MPSoc（這是 PS）
• 哈希（我們從 Vitis HLS 生成的 IP）
• AXI 互連（從我們的 IP 互連到m_axi總線(xiàn)）

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之后，運(yùn)行連接自動(dòng)化。選擇所有可能的自動(dòng)化并接受默認(rèn)設(shè)置。

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請(qǐng)注意，m_axi（Master）的互連總線(xiàn)仍未連接。這是因?yàn)槲彝浽赑S上啟用Slave接口。

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雙擊 Zynq UltraScale+ MPSoc 塊。啟用 AXI HP0 FPD （高性能）。檢查數(shù)據(jù)寬度是否為 32 位，這與 HLS 中合成的內(nèi)容相匹配。

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再次運(yùn)行連接自動(dòng)化。這是最終的框圖。

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在 Sources 下，右鍵單擊設(shè)計(jì)并選擇 Create HDL Wrapper。它會(huì)自動(dòng)包裝設(shè)計(jì)，以便您為綜合做好準(zhǔn)備。

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生成比特流。完成綜合和實(shí)施可能需要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

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最后，為了獲得 PYNQ 覆蓋，我們必須檢索 2 個(gè)文件：.bit文件和.hwh文件。

可以在以下位置找到比特流文件：*.runs/impl_1/design_1_wrapper.bit

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硬件切換文件可在以下位置找到：*.gen/sources_1/bd/design_1/hw_handoff/design_1.hwh

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將這些文件復(fù)制到 Kria。

PYNQ 中的接口

我復(fù)制了 2 個(gè)文件并將其重命名為sha256accelerator.bitand sha256accelerator.hwh。請(qǐng)注意，兩個(gè)文件必須具有相同的名稱(chēng)才能正確用作 PYNQ 覆蓋。

我將解釋我的代碼的一些片段。您可以在下面找到完整的代碼。

創(chuàng)建一個(gè)新的 Jupyter notebook，我們可以在其中編程比特流。

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在這里，我定義了硬件功能，即將輸入數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)并啟動(dòng)該過(guò)程。完成后，該函數(shù)將返回。我還定義了一個(gè)稱(chēng)為內(nèi)置庫(kù)的軟件功能。

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運(yùn)行一些測(cè)試，我們可以比較兩個(gè)函數(shù)的輸入，以驗(yàn)證一切都在硬件上正確實(shí)現(xiàn)。

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基準(zhǔn)性能

運(yùn)行一些基準(zhǔn)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)比在軟件上運(yùn)行快約 14 倍。

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結(jié)論

總而言之，使用 Vitis HLS 無(wú)需任何修改即可輕松加速 C 函數(shù)。盡管需要對(duì)硬件協(xié)議及其變體有一定的了解和了解，但軟件過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

從這里，我們了解過(guò)去如何使用 FPGA 來(lái)加速這些重復(fù)性計(jì)算，例如區(qū)塊鏈挖掘。通過(guò)直接針對(duì)算法，硬件更具體，因此性能更高。