Thiết Kế và Hiện Thực Thuật Toán Mã Hóa Trên Kiến Trúc RISC-V

• Tác giả: Nguyễn Đức Hy
• Người hướng dẫn: Th.S Hồ Ngọc Diễm
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế và Hiện Thực Thuật Toán Mã Hóa Trên Kiến Trúc RISC-V
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.5. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH RISC-V
• 2.1. Giới thiệu RISC-V
• 2.2. Các lệnh chuẩn RV32I được sử dụng trong hệ thống
• 2.2.1. Lệnh U-Type
• 2.2.2. Lệnh J-Type
• 2.2.3. Lệnh B-Type
• 2.3. Thuật toán SHA256
• 2.3.1. Giới thiệu thuật toán SHA256
• 2.3.2. Các bước trong thuật toán SHA256
• 2.3.3. Các lệnh hỗ trợ cho việc thực hiện thuật toán SHA256
• 2.3.3.1. Lệnh chuyển đổi sha256sig0
• 2.3.3.2. Lệnh chuyển đổi sha256sig1
• 2.3.3.3. Lệnh chuyển đổi sha256sum0
• 2.3.3.4. Lệnh chuyển đổi sha256sum1
• 2.3.4. Hiện thực phần mềm thuật toán SHA256
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế hệ thống tổng quát
• 3.2. Khối Instruction Memory
• 3.3. Khối Data Memory
• 3.4. Thiết kế hệ thống chi tiết
• 3.5. Khối Program Counter
• 3.6. Khối Control Unit
• 3.7. Khối Crypto_Fu
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Mô phỏng các lệnh thuộc kiến trúc RV32I
• 4.2. Mô phỏng thuật toán SHA256
• 4.3. Đánh giá kết quả
• 4.3.1. Kết quả tần số của IP
• 4.3.2. So sánh kết quả với các bài báo khác
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BLOCK DESIGN TRÊN VIVADO VỚI GIAO THỨC AXI4
• 5.1. Tổng quan giao thức AXI4
• 5.2. Kiến trúc khối thiết kế tổng quan giao tiếp qua AXI4
• 5.3. Thiết kế trên Vivado
• 5.4. Các IP của Xilinx dùng trong Block Design
• 5.4.1. IP AXI UART LITE
• 5.5. Kết quả tổng hợp thực thi của Block Design
• 5.6. Kết quả hiện thực thiết kế trên board Xilinx VC707
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Thiết Kế và Hiện Thực Thuật Toán Mã Hóa Trên Kiến Trúc RISC V

Kiến trúc RISC-V đang trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu cho việc thiết kế vi xử lý nhờ vào tính mở và khả năng tùy chỉnh cao. Việc triển khai các thuật toán mã hóa như SHA-256 trên kiến trúc này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn nâng cao tính bảo mật cho các hệ thống nhúng. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào việc thiết kế và hiện thực hóa thuật toán mã hóa trên RISC-V, từ đó cung cấp cái nhìn tổng quan về các thách thức và giải pháp trong quá trình thực hiện.

1.1. Giới thiệu về Kiến Trúc RISC V và Ứng Dụng

RISC-V là một kiến trúc tập lệnh mã nguồn mở, cho phép người dùng tự do thiết kế và phát triển các vi xử lý. Kiến trúc này được xây dựng dựa trên nguyên tắc RISC, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các ứng dụng từ hệ thống nhúng đến máy chủ. Việc áp dụng RISC-V trong các ứng dụng bảo mật ngày càng trở nên phổ biến.

1.2. Tầm Quan Trọng của Thuật Toán Mã Hóa trong Bảo Mật

Thuật toán mã hóa như SHA-256 đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu. Việc triển khai thuật toán này trên RISC-V không chỉ giúp cải thiện tốc độ xử lý mà còn tăng cường bảo mật cho các hệ thống nhúng.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Thuật Toán Mã Hóa Trên RISC V

Mặc dù RISC-V mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và hiện thực hóa thuật toán mã hóa trên kiến trúc này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo tính bảo mật là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn Đề Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Tối ưu hóa hiệu suất cho các thuật toán mã hóa trên RISC-V đòi hỏi phải thiết kế các lệnh chuyên dụng và tối ưu hóa quy trình thực thi. Điều này giúp giảm thiểu thời gian xử lý và tăng cường khả năng phản hồi của hệ thống.

2.2. Thách Thức Về Bảo Mật

Bảo mật là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống. Việc triển khai thuật toán mã hóa trên RISC-V cần đảm bảo rằng các lỗ hổng bảo mật không bị khai thác, đồng thời duy trì hiệu suất cao.

III. Phương Pháp Thiết Kế Thuật Toán Mã Hóa Trên RISC V

Để thiết kế thuật toán mã hóa trên RISC-V, cần áp dụng các phương pháp cụ thể nhằm tối ưu hóa cả phần cứng và phần mềm. Việc sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog giúp tạo ra các mô hình chính xác và hiệu quả cho việc triển khai.

3.1. Thiết Kế Phần Cứng Bằng Verilog

Ngôn ngữ Verilog cho phép mô tả chi tiết các khối chức năng của vi xử lý RISC-V, từ đó giúp tối ưu hóa việc thực thi thuật toán mã hóa. Việc thiết kế này cần đảm bảo tính chính xác và hiệu suất cao.

3.2. Tích Hợp Các Lệnh Mã Hóa Vào Kiến Trúc

Tích hợp các lệnh mã hóa như SHA-256 vào kiến trúc RISC-V là một bước quan trọng. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo rằng các thuật toán mã hóa có thể hoạt động hiệu quả trên phần cứng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Việc triển khai thuật toán mã hóa trên RISC-V đã cho thấy nhiều kết quả khả quan trong thực tế. Các thử nghiệm cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống được cải thiện đáng kể khi sử dụng các lệnh mã hóa chuyên dụng.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Trên FPGA

Mô phỏng trên FPGA cho thấy rằng thuật toán SHA-256 có thể thực thi nhanh chóng và hiệu quả trên kiến trúc RISC-V. Kết quả này chứng minh rằng việc sử dụng RISC-V cho các ứng dụng bảo mật là khả thi và hiệu quả.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Với Các Kiến Trúc Khác

So sánh hiệu suất giữa RISC-V và các kiến trúc khác cho thấy RISC-V có thể đạt được hiệu suất tương đương hoặc tốt hơn trong một số trường hợp. Điều này mở ra cơ hội cho việc áp dụng RISC-V trong các ứng dụng bảo mật.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu về thiết kế và hiện thực thuật toán mã hóa trên RISC-V đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các hệ thống bảo mật hiệu quả. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất và bảo mật của các thuật toán mã hóa.

5.1. Hướng Phát Triển Công Nghệ Mới

Công nghệ mới trong lĩnh vực mã hóa và bảo mật sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Việc áp dụng RISC-V trong các công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và bảo mật cho các hệ thống.

5.2. Tương Lai Của RISC V Trong Bảo Mật

RISC-V có tiềm năng lớn trong lĩnh vực bảo mật, đặc biệt là khi ngày càng nhiều ứng dụng yêu cầu tính bảo mật cao. Việc phát triển các thuật toán mã hóa trên RISC-V sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.