前面文章讲解了在FPGA上实现SHA-256的原理性讨论。
SHA-256算法在FPGA上的实现
本文在前文的基础上进行了若干修正，增加了子模块的功能说明以及子模块之间的连接关系。本文是今天课堂讨论的整理。

SHA256_IP在FPGA上的实现

总的设计思路

我们希望尽可能多地使用现成的Altera IP来搭建我们的设计。我们的设计中会用到HPS2FPGA lightweighted bridge来挂接需要进行少量数据交互的模块如PIO和中断，用HPS2FPGA bridge来挂接需要传递大量数据的模块如双口memory，用PIO口来实现控制寄存器和状态寄存器的功能，用interrupt模块来触发ARM的中断。上图中那两块双口memory用来存储数据M和Kj。
这些模块的使用均可以在Altera的图形化系统开发工具Qsys中实现。
在Qsys中可以直接从IP库中选择需要的IP，通过鼠标拖拽来例化IP，通过鼠标操作来将所有IP和HPS/ARM连接起来组成一个SoC系统。在Qsys可以对每个IP进行设置，如设置基础地址，偏移地址，位宽，大小，输入输出属性等。

SHA-256 core的说明

上图中SHA-256 core实现SHA-256压缩算法的所有核心功能，如CH(x,y,z), Maj(x,y,x), Sigma0, Sigma1等。 这个模块均为组合逻辑，输入输出如上图所示。
该模块并行实现了复杂的数学运算。这就是为什么基于FPGA的SHA-256实现可以秒杀基于最强大CPU的软件SHA-256实现。

关于PIO START的说明

这是一个新引入的模块，其主要功能是启动硬件加速器。我们约定如果这个模块的值被软件设为‘1’时，硬件加速器被初始化，所有计数器（Counter 1...N ，Counter 0...63）被复位，加速器工作状态被复位，然后加速器开始工作。
这个模块的输出连到了状态机的输入。由于软件写为’1’后不可能立刻再清为0，状态机中必须加入上升沿检测来保证硬件加速器不会被反复重启。
软件需要在程序最开始时将该寄存器设为0，然后设置其他所有模块，最后再将该寄存器设为1。

关于Counter 0...63的说明

每个512bit message block需要经过64次迭代。Counter 0...63用来记录每个message block已经经过了多少次迭代。这个计数器在硬件加速器启动时被复位，然后进行模64计数，即当计数达到64时就回到0。
这个计数器可以用来生成Kj memory的读地址，与Counter1...N一起可以生成M memory的读地址。这个计数器还要用来控制Wj Gen模块的运行。
所有双口memory的FPGA侧输入信号的生成，包括地址，片选CS，读写信号Wr/Rd等均由状态机 State Machine模块实现。
这个模块是整个SHA-256 IP的核心模块。其实现以后再讲。

关于Counter 1...N的说明

Counter1...N用来记录多少个512bit Message Block已经被处理。我们要求这是一个8bit计数器，所以我们的设计最大支持的报文是512bit*256。这个值决定了memory M的大小。
当Counter0...63被计满一次时这个计数器的值加1。由于处理报文的长度是随机的，我们引入另外一个寄存器PIO CNT_N来存储报文M中有多少个512bit message block，即N值。
当计数器Counter1...N的值等于PIO CNT_N中的N值时运算结束。此时Buffer register a...h中的值就是最终的哈希值。

关于Wj Gen模块的说明

双口memory M中存放了所有的报文。根据SHA-256的规范，当j小于16时Wj直接来自512bit message block的切片，当j大于15时，Wj由过去的Wj生成。
所以该模块中需要实现深度为15宽度为32bit的移位寄存器，以及σ0和σ1的功能。
该模块需要用到计数器 Counter 0...63.

关于Interrupt gen模块的说明

该模块的功能是在所有运算结束时生成ARM的中断信号。当ARM接收到该中断时就会通过PIO register result a...h来读取最终的哈希结果。
该模块读取Counter 1...N 和Counter 0...63来判断所有运算是不是已经结束。

buffer register a...h

Buffer register a...h中存放当前512bit message block的压缩结果。

p.s 今天彻底被Visio打败了

蒙哥马利元帅曾经把人分为四种，智慧又勤劳的应该当参谋，智慧又懒惰的可以当将领，愚蠢又懒惰的可以当士兵，愚蠢又勤快的应该枪毙。
今天用Visio画图的时候不小心碰到了一个什么设置，那个自动走线变得极其灵敏又荒谬。这样的功能只能拿去关掉。