動態數據流結構中存儲-匹配-轉發單元電路的製作方法

2023-09-16 15:42:35

專利名稱：動態數據流結構中存儲-匹配-轉發單元電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於採j-tj數據流結構的專川^成電路領域.
背景技術：
i.數據流圖和數據流結構電路 數據流圖由節點和有向線段組成，典型的數據流圖如圖1所示。當一個算法用 數據流圖表示吋，節點代表了某.外操作，如加法；有向線段代表了數據的流向，表示 了數據流圖巾各個操作間的數據依賴關係。下面介紹數據依賴關係的概念。對於一個算 法，存在一系列操作，假設操作A的輸出是操作B的輸入，則B與A就存在數據依賴關 系，B必須在A執行後才能執行。數據流圖屮操作的執行順序是由依賴關係決定的。
- —個算法的數據流圖可以直接映射成為電路，節點映射成硬體計算單元，心向 線段映射成為硬體單兀之間通信的通路，按照這種方法映射成的電路是數據流結構電 路。數據流結構電路中，單元之間傳遞的數據被稱作"令牌"，-一個令牌是服從-一定 格式的定長二進位串，每一位有特定的含義。例如，下面給出的一個令牌就包含了數據 域、源地址、目標地址3個域，它們在令牌中的位置為低32位是數據域；第37位到第 35位和第34位到第32位分別是3位的目標地址和源地址。在數據流結構電路中， 一個 計算單元被"激活"——開始處理數據的條件是該操作的所有輸入令牌都到達(即該操 作所依賴的運算都已經執行)。計算單元完成運算後將產生的結果打包成新的令牌傳給它 的後繼操作。控制信息也通過令牌傳達——例如例子中的源地址和目標地址就分別指示 了數據的來源和處理後應該發送的目的地；一些控制命令也被封裝成令牌(控制令牌)，
傳遞給被控制的運算。
目標地址i源地址i數恭r
37 35 34 32 31 0 數據流電路沒有巾央控制電路，數據交換具有局域性，相應地，數據總線和存 儲單元也是分布式的。數據運算的觸發是以操作數令牌是否全部到達為條件的，屬於數 據驅動的異步工作。沒有數據依賴關係的操作彼此沒有影響，fi然地實現並行執行。
綜上所述，數據流計算IWj-並行性、函數性(即每個操作相對獨立，且無關操 作可以按任意順序執行。)、分布性、異步性的特點。
2.異歩電路和異歩通道 —個異步電路系統，各部分電路之間通過異歩傳輸通道連接。異步傳輸通道是 對-逝信3的抽象包括-逝數據總線和請求、應答信3。異步系統中各個單元間的通 信遵從一種稱為"握手協議"的通信協議。 異步集成電路沒有時鐘，握手協議包含兩種控制信號請求(request)信號和應 答(acknowledge)信號。請求信號啟動一個工作，應答信號表示工作完成。這兩個信號 可以完成系統中所有運算的時序控制。用電路實現握手信號，需要把交替出現的請求和應答信號編碼成控制線--匕的電平或電平變化，下面介紹一種常用的4相位握手協議(見錯 誤！未找到引用源。)。 請求信號的....t:升沿通知接收方有數據到達，接收方準備好接受數據後升高應答 信號，表示準各就緒，同時開始瀆取數據，請求信號又被應答信號復位，請求信號的下 降沿再把應答信號復位，準備接受下一個數據。其中傳輸通道上的數據存儲在一個鎖存 器中。(鎖存器有.、個控制端，當控制端為低電平時輸出隨輸入變化，當控制端為高時輸 出端的數據保持不變。)在4相位握手的異步傳輸通道巾，鎖存器的控制端與應答信號相 連，即當應答信號升高後將發送方的數據鎖存入鎖存器，待--次通信過程結束後才可以 接受輸入端的數據。 在異歩電路中經常用到-一種稱為C單元的時序控制電路，此種電路"2個輸入1
個輸出， 一般還有一個復位端，當兩個輸入全為l時，輸出為l;當兩個輸入全為時輸
--出0;當兩個輸入不同時，輸出保持原來的狀態。由C單元實現的4相位握手協議的
異步傳輸通道如圖3所示。 3.令牌暫存-匹配-發射結構 數據流計算的內容就是對於令牌的處理，具體包括令牌的創建(發射)、解析、 處理，以及令牌的暫存和各個令牌的匹配。對於多個操作數的操作，各個操作數的令牌 往往不是同時到達，因此需要一個暫存單元把到達的令牌哲存起來，然後對所有已到達 的令牌進行"匹配"，當發現-一對(或多個)就緒的操作數令牌就打包成新的令牌發射到 處理單兀。 李翔宇在其博士論文《密碼集成電路的非算法抗功耗分析設計方法研究》中提 出了一種實現上述令牌暫存匹配和轉發功能的結構，稱之為令牌暫存-匹配-發射結構， 簡稱作HMF單元。 HMF竿.元的結構如圖4所示，它由令牌暫存器、匹配申.元和發射電路組成，其 中nmd是發明中所述的隨機選擇碼，在此稱為順序控制碼。圖中實心寬箭頭表示HMF 與外部間的傳輸通道。WA和WD分別表示哲存器的寫地址和輸入數據端n， RA和RD 分別表示讀地址和輸出數據端U。 其工作方式是外部輸入的令牌先存儲f暫存器中。暫存器中每個令牌記錄都 有相應的"滿Z空"標誌位(flag)，在數據寫入時flag置i，讀出後C:LR信號的高電平 則將RA所指的記錄清空(對應的flag位復位)。CLR—done是CLR信號的應答信號，它 的下降沿表示flag復位完成。 匹配申.元讀取暫存器內部所有令牌的flag位以及與匹配條件相關的令牌標籤域 (Tags)以此計算它們的匹配函數(匹配條件的命題公式)值作為發明所述的匹配結果。 fetch即是發明所述的令牌發射觸發信號。select即為發明所述的選擇信號，address即為 發明所述的令牌暫存單元的讀地址，data即為發明所述的令牌暫存單元的輸出數據。打 包成新的令牌發送到執行單兀。執行單兀的應答信號觸發clear驅動CLR埠 ，此時， 發射電路再次進入空閒狀態。發射電路在發送操作過程中不處理新的發送請求。
本發明以李翔宇提出的HMF單位為基礎，提出了一個新的HMF單元實現形 式。本發明的HM:F單元仍由令牌暫存器、匹配單元和發射電路三部分組成，但是具體 的實現方式與李翔宇提出的HMF竿.元不同。所以在給出木發明HMF申.元的實現方式之前，首先要介紹李翔宇提出的HMF單元結構。
1)令牌暫存器 令牌暫存器存儲輸入令牌和數據標識位。圖5是一個4單兀暫存器的不意圖， 圖中僅畫出了--組存儲單元。每組單元由--組寄存器和-一個flag標誌電路組成，寄存器 時鐘(elk)的上升沿在clr為時將flag置1 ，清除信號(clr)的止脈衝在elk為時可以 將flag復位。WA和WD由輸入令牌解析，reqin和ackin分別表示輸入通道埠的寫請 求和寫應答信號。只有當flag信號為0時才能接受請求，數據在寫請求被接受後寫入寄 存器。輸出數據則通過一級多路選擇器(MUX)直接輸出，R:D隨RA即時變化。CLR 信號經過RA的選擇觸發對應單元的dr信號，當所有dr信號都降低後CLRJone下降， 作為記錄清除過程結束的標誌。
2)匹配單兀 圖6是--個基本的4請求匹配單元結構，其由匹配邏輯部分、請求仲裁部分和選 擇保持-請求阻塞電路二部分組成。 匹配邏輯部分實現匹配函數計算，由組合電路實現，計算結果通過C單元送達 仲裁器成為請求信號。 仲裁器釆用了 May D,論文中的R-box電路，如圖7所示，這是一個4選1的仲 裁邏輯。K) I3表示輸入的請求，A0、 Al是被選屮的請求的序號。
暫存器進行數據讀寫的時刻不確定，設計時認為觀測端U的信號隨時可能變 化，仲裁器的輸出端也隨之不斷變化，因此需要同步select信號與令牌數據，以保證輸出 通道的請求信號有效時發射電路的輸出數據是穩定的。因此在仲裁器輸出端設置select鎖 存器。鎖存信號為lock， lock二時鎖存器透明。select對應的令牌清空後，對應的請 求信弓復位——此吋select仍然沒有變化——fetch也隨之復位。另-'方面，圖中的C單 元和4輸入或門組成了反饋阻塞電路。只要請求信號巾存在有效請求就會阻塞新請求的 通過，只有所有仲裁輸入端的有效請求都復位後C單元才重新導通。阻塞電路使得仲裁 器輸出經過一定時間後必然能夠穩定，在fetch上升後經過相同的延時再採樣select即可 避免"胃險"。
3)發射電路 圖8是發射電路部分的電路結構圖。圖8中寄存器R與C單元是令牌的接收通 道；陰影部分的電路是地址鎖存信號lock的產生電路；req和ack分別是輸出通道埠的 請求信弓和應答信5， ackout是下-鄰電路的應答信弓。其餘信弓與圖3對應；dl是用 於延時匹配的延時申.元。 電路中所有時序單元的初始狀態全為0， fetch的上升沿經過dl (select的穩定時 間)延時後成為fetch—d信號。fetch j的上升沿首先觸發lock信號，將有效請求的序號 鎖存。req由lock門控輸出。lock信號在req的上升沿至cli」ack下降沿之間的時間內始 終保持高電平。以上提到HMF單兀的實現方案比較複雜，尤其是匹配單兀和發射電路部 分。整個HMF單元是--個異歩設計，而發送電路部分卻使用了--個同歩設訃中常用到的 狀態機。這種實現方式模塊性差，可移植性差，設計過程中需要人工千預。本發明解提 出的HM:F實現方案避免'/以上問題，具有好的擴展性和可移植性，可以作為數據流電路 中的模板，實現令牌暫存、匹配和轉發功能。

發明內容
本發明的目的是提出一種數據流電路中實現令牌暫存、匹配和轉發功能的電路 結構。該結構具有一定的通用性，可以作為模板用f數據流電路實現令牌的暫存、匹配 和轉發。 本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發單元，由令牌暫存單元、令牌匹配單元和令 牌轉發單元三個單元組成，具有以下特徵令牌暫存申.元的輸入埠有，請求埠 (Req)，寫操作的地址埠 (m， write address),寫操作的數據埠 (W:D， write data)，讀操作的地址埠 (RA， read address), 令牌清除端n (clear),輸出端n有，令牌標忐位端n (flag),讀操作的數據端n (RD， read address), 應答端U (Ack);令牌暫存單兀的寫操作的地址埠 (WA)和寫操作的數據埠 (WD)分別連接輸 入令牌的地址信號和數據信號，請求埠 (Req)連接輸入請求信號(req)，應答埠輸出 應答信號(ack)，請求信號和應答信號是一對握手信號，與其他單元完成握手協議；
令牌暫存單元的令牌標誌位埠 (flag)輸出令牌標誌位信5 (flag),令牌標誌信 號(flag)是令牌匹配申.元的輸入； 令牌暫存單元的令牌清除埠 (clear)連接令牌轉發單元發送的令牌清除信 號(clear),讀操作的地址端n (RA， read address)連接令牌匹配單元發送的地址信號 (radcB，令牌暫存單元從讀操作的數據端U (RD， read data)輸出地址信號指定的數據 (rdata)，該數據信號(rdata)是令牌轉發單兀的輸入信號； 令牌匹配單元的輸入信號埠有，令牌標誌位埠 (flag),鎖存信號埠 (lock)，輸出信號埠有，地址埠 (raddr)，請求信號埠 (fetch);
令牌匹配單元的令牌標誌位埠連接令牌暫存單元輸出的令牌標誌位信^ (flag),鎖存信號埠連接令牌轉發竿ji:輸出的鎖存信號(lock),地址埠輸出地址信號 (raddr)，該信號是令牌暫存單元的輸入信號，請求埠信號輸出請求信號(fetch)，該信 號是令牌轉發單元的輸入信號； 令牌轉發單元的輸入信號端U仃，輸入請求信號端U (fetch),應答信號端U (ack)，數據埠 (data),輸出信號埠有，鎖存信號埠 (lock),令牌清除信號埠 (clear),輸出請求信號埠 (req)，輸出令牌埠 (output); 令牌轉發單元的輸入請求信號埠 (fetch)連接令牌匹配單元輸出的請求信號 (fetch),應答信^埠 (ack)連接外部握手協議中的應答信弓，數據埠 (data)連接令牌 暫存申.元輸出的令牌，鎖存信號埠 (lock)輸出鎖存信號，該信號是令牌匹配申.元的輸 入信號，令牌清除信號埠 (clear)輸出令牌清除信號，該信號是令牌暫存單元的輸入信 號，輸出請求信號端n (req)輸出外部握手協議的請求信號(req)，輸出令牌端n (output) 向外部輸出令牌暫存 匹配-轉發單元輸出的令牌；
本發明提出的令牌暫存單兀具有以K特徵 令牌暫存單元有以下輸入埠，寫操作的數據埠 (W:D， writedata)，寫操作的 地址埠 (WA， write address)，輸入請求埠 (Req),令牌清除埠 (clear)，讀操作的 地址埠 (RA， read address),令牌標誌位埠 (flag),有以下輸出埠，輸出應答埠 (Ack)，讀操作的數據埠 (RD， read data);
寫操作的地址端n (WA)的輸入信號是令牌的地址信號(waddr)， waddr是多路 開關MUX1和多路開關MUX2的輸入信號，寫操作的數據端U (WD)的輸入信號是令牌 的數據信號(wdata)，輸入請求埠的輸入是握手協議的請求信號(req)，該信號是C單 元cin的輸入，cin的另--個輸入是內部的應答信號(ackjn)， cin的輸出是內部請求信號 (reqjn)，該信號也是外部的應答信號(ack) ， MUX1的輸入信號是waddr信號和wdata信 3.，其輸出信5'是n組信5' (datajn
datajn[n-1])，每組信5的位寬與wdata信弓的 位寬一樣，n為令牌暫存器的個數即可以存儲多少個令牌，MUX2的輸入信號是waddr信 號和reqjn信號，M:UX2的輸出信號是n個信號(req[O] req[n-1]) ， n為令牌暫存器的個 數也為令牌標忐位的個數，多路開關DEMUX1的輸入是waddr信號和n個信號(flag[] flag[n-1])， DEMUX1的輸出信號是ackjn信號，令牌暫存器中'"n個C單元，req[O] req [n-1 ]分別為n個C單兀的輸入，clear[O] clear[n-1 ]分別為n個C單兀的輸入，n 個C單元的輸出為flag[O] flag[n-i]，令牌暫存單元的標誌位埠 (flag)輸出flag[O] flag[n-1 ]，令牌暫存單元中有n個寄存器(data[] data[n-1 ]) ， n個寄存器的數據輸入分 別為信弓datajn[O] data[n-1]， n個寄存器的請求信弓分別為信3 req[O] req[n-1], n 個寄存器的輸出分別為信號dout
dout[n-1]，令牌清除埠 (clear)的輸入信號是令牌 轉發單元輸出的令牌清除信號(clear),讀操作的地址埠 (RA)的輸入是令牌匹配單元輸 出的地址信號(raddr),讀操作的數據端n (RD)輸出讀出的數據信號(rdata)，該信號是 令牌轉發單元的輸入信號，多路開關MUX3的輸入是clear信號和raddr信號，MUX3的 輸出是n個信號(clear[O] clear[n-1])，多路」「關DEMUX2的輸入是raddr信號和n組信 號(dout網 data[n-i])，每一組信號的位寬與rdata信號的位寬一致，DEM:UX2的輸出
是麵信號; 本發明提出的令牌匹配單元具有以下特徵 令牌匹配竿ji:的輸入埠有，令牌標誌位埠 (flag)，鎖存埠 (lock)，令牌匹 配單元的輸出埠有，地址埠 (raddr)，請求信號埠 (fetch); 令牌標忐位端n的輸入信號是令牌標忐位信號(flag),該信號是令牌暫存單元 的輸出信號，flag信號是Match Logic的輸入信號，Match Logic的輸出信號是n個信號 (r[O] r[n-1])，信號r[] r[n-1]是鎖存器Latch的輸入信號，Latch的另一個輸入是鎖 存埠 (lock)的輸入信號lock,該信號是令牌轉發單元的輸出信號，Latch的輸出信號是 n個信號(L[] L[n-1])，信號L[] L[n-1]是仲裁器(Arbiter)的輸入，仲哉器的輸出 是地址信5 (raddr)，該信5是令牌暫存單元的輸入信5,仲裁器可能還需S具他外部信 號(這需要根據仲裁器的具體形式確定)，信號raddr是多路開關MUX的控制輸入，信號 r
r[n-1]是MUX的輸入，MUX的輸出是請求信號fetch,該信號是令牌轉發單元的 輸入信號； 本發明提出的令牌轉發單元l^/以下特徵 令牌轉發單兀的輸入信號埠有，輸入請求信號埠 (fetch),應答信號端 口 (ack)，數據埠 (data),輸出埠有，鎖存信號埠 (lock),令牌淸除信號埠 (clear),輸出請求信號埠 (req)，輸出令牌埠 (output);輸入請求信弓埠 (fetch)輸入請求信弓fetch, fetch信弓是C單元CI的輸入， CI的另一個輸入是輸出請求信號埠輸出的req信號，CI的輸出是延時申.元delay的輸入，延時單元delay的輸出是C單元C2的輸入，C2的另一個輸入是應答信號端n (ack)輸入的應答信號ack， C2的輸出是請求信號req，該信號也是輸出寄存器R的觸發信號，寄存器R的數據輸入信號是數據埠 (data)輸入的令牌(data),寄存器R的輸出信號是output,該信號是輸出令牌埠的輸出信號，兩輸入或門b的輸入信號分別是Ci的輸出信號和C2的輸出信號，b的輸出信號是lock信號，兩輸入與門a的輸入信號分別是是CI的輸出信3鄰C2的輸出信3， a的輸出信弓是clear信3。
木發明的實驗結果 本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發電路實現了數據流電路中令牌暫存、令牌匹配和令牌轉發的功能。本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發電路已經被用到了一個實際晶片中。該晶片被稱作THUAES06，採用數據流結構，實現了AES算法。AES算法是一個分組的密碼算法，每一個分組為128位，由16個字節組成，算法需要對每個分組計算若干輪，每--輪中需要對i6個字節進行-一系列變換，得到-一個新的分組。附朵中將詳細介紹了 AES算法。 THUAES06是-、個字節粒度的數據流電路，每個運算單元.'次處理分組中的- 個字節，由於每個分組由16個字節組成，對於AES中的多目運算，每一輪中將有16組輸入令牌，對於算法中的多目運算單元，需要令牌暫存-匹配-轉發的結構。
THUAES06使j-tj 了本發明的令牌哲存-匹配-轉髮結構，該晶片已經在屮芯國際0.18um的工藝下流片，並通過了功能測試。


圖1為一個數據流2為異步電路四相位握手協議圖3為由C申.元組成的四相位異步傳輸通道圖4為李翔宇博士論文裡提出的HMF單元結構圖5為李翔宇博上論文裡提出的4單元暫存器圖6為李翔宇博士論文裡提出的4請求匹配單元結構圖7四選一仲裁器(a)R-box(b)R-boxl(c)整體電路。圖8為李翔宇博士論文裡提出的令牌發射電路圖9為本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發單元的結構圖10為本發明提出的令牌暫存單元的結構圖11為木發明提出的令牌匹配申.元的結構圖12為本發明提出的令牌轉發單元的結構圖1 )為THUAES06屮使用的Arbiter的結構，a)R-boxb) 1.6選一仲裁器c)R-boxl
d) R-box具體實施例方式
THUAES6是 一 個數據流結構的專用集成電路，實現了 AES算法。AES中Addkey操作是-^個雙目運算(有兩個輸入)，每輪中狀態分組的16個字節都耍和相應的密鑰進行Addkey運算。THUAES06巾的Addkey運算申.元的輸入和輸出均為一個字節，每輪屮16個狀態字節和相應的密鑰就緒的時間可能不同，需要一個單元對每一輪Addkey
的兩個輸入進行同歩和匹配，因此THUAES06採用了本發明提出的令牌暫存-匹配-轉
髮結構。K面首先介紹令牌暫存-匹配-轉發單兀的一般結構，該結構是一個參數化的
結構。這種-一般結構是可配置的結構，設訃時設計者把-一般結構作為模板，通過配置結
構中的參數得到所需的特定結構。 1.令牌暫存-匹配-發送單元的.'般結構 圖9為木發明提出的令牌暫存-匹配-發送竿.元的結構。該結構由令牌暫存申.
元、令牌匹配單元和令牌轉發單元三部分組成。下面分別介紹令牌暫存-匹配-轉發單
元的一般結構。 1)令牌暫存單元 a)令牌暫存單兀的輸入輸出埠 令牌暫存單元的輸入埠有，請求埠 (Req)，寫操作的地址埠 (m， writeaddress),寫操作的數據埠 (WD， write data)，讀操作的地址埠 (RA， read address)，令牌清除埠 (clear),輸出埠有，令牌標誌位埠 (flag)，讀操作的數據埠 (RD，read address)，應答埠(Ack)。令牌暫存申.元的寫操作的地址埠 (WA)和寫操作的數據埠 (WD)分別連接輸入令牌的地址信號和數據信號，請求埠 (Req)連接輸入請求信號(req)，應答端n輸出應答信號(ack)，請求信號和應答信號是一對握手信號，與其他單元完成握手協議； 令牌暫存單兀的令牌標誌位埠 (flag)輸出令牌標誌位信號(flag),令牌標誌信號(flag)是令牌匹配單元的輸入。令牌暫存單元的令牌淸除埠 (clear)連接令牌轉發單元發送的令牌清除信號(clear)，讀操作的地址埠 (RA， read address)連接令牌匹配單元發送的地址信5 (raddr)，令牌暫存單元從讀操作的數據埠 (R:D， read data)輸出地址信號指定的數據(rdata)，該數據信號(rdata)是令牌轉發申.元的輸入信號。
b)令牌暫存單元的內部結構 本發明提出的令牌哲存單元的結構如圖l所示。C單元"cin"與上遊單元實現握手協議。"cin"的兩個輸入信號分別是外部的輸入請求信號req和內部多路開關DEMUX1的輸出信號ack jn ; "cin"的輸出信號是內部多路J 「關MUX2的輸入信號req^in。令牌中的地址信息用信號waddr表示，令牌中的數據信息用wdata表示。多路開關MUX1的輸入信號分別是wdata和waddr; MUX1的輸出是n組信號din[] din[n-1]，每組信^的位寬與wdata信^的位寬-'致，這n組信5'分別是寄存器組data
data[n-1]的輸入，即din[x]是寄存器data[x]的輸入。多路開關MUX2的輸入信號分別是waddr和cin的輸出信號reqjn ; MUX2的輸出信號是n個信號req[O] req[n-1]，這n個信號分別是寄存器組data
data[l]的輸入觸發信號，同時這n個信號分別是標忐位F[O] F[n-1]的輸入信號。暫存單元中的n個標誌位是由n個C單元F
F[n-l]組成的，每一個標誌位對應一組寄存器，如F[]對應寄存器組data[]，標誌位F[O] F[n-1]的輸入分別為多路開關MUX2的輸出req[O] req[n-丄]和多路開關MUX3的輸出clear[O] clear[丄];標誌位F[] F[n-1]的輸出為n個信號flag[] flag[n-1]， flag[] flag[n-1]是令牌暫存單元的輸出，是令牌匹配單元的輸入，M吋也是多路開關:DEMUX1的輸入。令牌暫存申.元中有n組寄存器data[] data[n-1]，每 寄存器存儲一個令牌，寄存器data[O] data[l]的輸入分別為din[O] din[n-1]和req[O] req[n-1]，其屮din[O] din[n-1]是多路開關MUX1的輸出，req[O] req[n-1]是多路開關MUX2的輸出；寄存器data[O] data[n-1 ]的輸出是dout[O] dout[n-1 ] ， dout[] dout[n-1 ]的位寬與din[] din[n-1 ]-----致，同時dout[O] dout[n-i]是多路開關:DEM:UX2的輸入。多路開關:DEMUX2的輸入是dout[] dout[n-1]和raddr， raddr是令牌暫存單元的輸入信號，是令牌匹配單元的輸出信弓。MUX3的輸入分別是信弓rad(k和信弓clean clear信弓是令牌暫存單元的輸入，是令牌轉發申.元的輸出；MUX3的輸出是n個信號clear[] clear[n-1]。
2)令牌匹配單元
a)令牌匹配單元的輸入輸出 令牌匹配單元的輸入信號端UYh令牌標誌位端U (flag),鎖存信號端U(lock),輸出信號埠有，地址埠 (raddr),請求信號埠 (fetch)。令牌匹配單兀的令牌標誌位埠連接令牌暫存單元輸出的令牌標誌位信號(flag),鎖存信號埠連接令牌轉發單元輸出的鎖存信號(lock)，地址埠輸出地址信號(raddr)，該信號是令牌暫存單元的輸入信^，請求埠信3輸出請求信3 (fetch),該信^是令牌轉發單元的輸入信弓。
b)令牌匹配申.元的內部結構 本發明中的令牌匹配單元的結構如圖ll所示。匹配邏輯是--個組合邏輯，輸入是令牌哲存單元輸出的flag信號，輸出是一個n比特的向量r[O] r[n-1]，表示哪些組輸入令牌已經就緒，ii比特的每-一位都對應-一組輸入令牌。匹配邏輯的輸出是鎖存器的輸入，鎖存器的另一個輸入是令牌轉發單兀的輸出信號lock;鎖存器的輸出是n比特信號:L
:L[n-i]，同時這n位信號也是仲裁器的輸入。仲裁器的輸入信號是n比特信號L[] L[n-l]，輸出信號是raddr。仲裁器的作用是從就緒的令牌組中選擇一組，輸出該組在令牌暫存器中的地址給令牌轉發單元和令牌暫存單元。令牌匹配單元中的多路開關MUX的輸入分別是匹配邏輯的輸出r[O] r[n-1]和仲裁器的輸出raddr ; MUX的輸出是信號fetch,該信號是令牌轉發單元的輸入。
3)令牌轉發單元
a)令牌轉發單元的輸入輸出 令牌轉發單兀的輸入信號埠有，輸入請求信號埠 (fetch),應答信號埠(ack)，數據埠 (data),輸出信號埠有，鎖存信號埠 (lock),令牌淸除信號埠(clear),輸出請求信號埠 (req)，輸出令牌埠 (output)。令牌轉發單元的輸入請求信弓埠 (fetch)連接令牌匹配單元輸出的請求信^ (fetch),應答信5埠 (ack)連接外部握手協議巾的應答信號，數據埠 (data)連接令牌暫存申.元輸出的令牌，鎖存信號埠(lock)輸出鎖存信號，該信號是令牌匹配單元的輸入信號，令牌清除信號埠 (clear)輸出令牌清除信號，該信號是令牌哲存單元的輸入信號，輸出請求信號端n (req)輸出外部握手協議的請求信號(req)，輸出令牌端U (output)向外部輸出令牌暫存-匹配-轉發單兀輸出的令牌。b)令牌轉發單元的內部結構 令牌轉發單元的結構如圖12所示。C單元CI的輸入是fetch信號和C2的輸出信弓req， CI的輸出是延時單元delay的輸入。延時單元delay的輸出是C2的輸入，C2的另一個輸入是ack。
C2的輸出是req信號，該信號是輸出寄存器的觸發信號，該信號由
12變為l時，令牌暫存器屮的令牌被鎖存。令牌轉發單元屮的與門a，或門b的作用是保證clear和lock信號的時序正確，與門a和或門b的輸入分別是CI和C2的輸出，a禾U b的輸出是clear和lock。延時單兀delay確保當C2的輸出til 0變為1時，令牌暫存器中的令牌己經被取出並出現在輸出寄存器的輸入端。Lock信號為i後匹配單元輸出的地址信號穩定，令牌轉發單元開始從暫存單元中取數據，為了保證該數據被存入輸出寄存器，delay單元延吋需'嬰大T從令牌暫存器取數的延吋，該延吋單元的具體延吋可以表示為
T(1clay+Tccic:mcnt>Tb+Tlatch+Tarbitcr+Trdata+TsctUp其中T娃y是delay單元的延時，Teelement是C單元的延時，Tb是或門b的延時，Tlatah和T bltCT分別是匹配單元屮鎖存器和仲裁器的延時，Trfata是從哲存單元取出令牌的延時，Ts—是輸出寄存器的setup時間。
2.THUAES06中的令牌暫存-匹配-轉發單兀 THUAES06採用了本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發單元，該單元為雙目運算單元Addkey提供令牌暫存、匹配和轉發服務。THUAES6中的令牌暫存-匹配-轉發單元以上面提到的.'般結構為模板，根據AES算法的特點和TH—UAES06面向應用的耍求確定了模板巾的參數，確定了 Matchlogic和Arbiter的具體形式。 THUAES06的令牌暫存單元存放的令牌的數目是16，令牌標記的數目也是16，分別對應著一個分組屮的16個字節。令牌匹配單元屮Match Logic由1.6個兩輸入的與門組成，與門的兩個輸入分別對應著Addfcey操作兩個操作數的標誌位，兩個操作數都就緒後與門的輸出才為1。令牌匹配單兀中的Arbiter按照一定規則從多個就緒的令牌中挑選-一組，並輸出該組令牌在暫存器中的地址。THUAES06要求令牌暫存-匹配-轉發單元可以隨機的從多個就緒的令牌中挑選一組，輸出該組令牌的地址。為此THUAES6中的Arbiter採用'/ May D.論文中的R-box，如圖7所示，這個Arbiter根據外部提供的隨機數，從已就緒的令牌中隨機選擇一個，結構如圖13所示。
權利要求
本發明提出的令牌暫存-匹配-轉發單元，由令牌暫存單元、令牌匹配單元和令牌轉發單元三個單元組成，具有以下特徵令牌暫存單元的輸入埠有，請求埠(Req)，寫操作的地址埠(WA，write address)，寫操作的數據埠(WD，write data)，讀操作的地址埠(RA，read address)，令牌清除埠(clear)，輸出埠有，令牌標誌位埠(flag)，讀操作的數據埠(RD，read address)，應答埠(Ack)；令牌暫存單元的寫操作的地址埠(WA)和寫操作的數據埠(WD)分別連接輸入令牌的地址信號和數據信號，請求埠(Req)連接輸入請求信號(req)，應答埠輸出應答信號(ack)，請求信號和應答信號是一對握手信號，與其他單元完成握手協議；令牌暫存單元的令牌標誌位埠(flag)輸出令牌標誌位信號(flag)，令牌標誌信號(flag)是令牌匹配單元的輸入；令牌暫存單元的令牌清除埠(clear)連接令牌轉發單元發送的令牌清除信號(clear)，讀操作的地址埠(RA，read address)連接令牌匹配單元發送的地址信號(raddr)，令牌暫存單元從讀操作的數據埠(RD，read data)輸出地址信號指定的數據(rdata)，該數據信號(rdata)是令牌轉發單元的輸入信號；令牌匹配單元的輸入信號埠有，令牌標誌位埠(flag)，鎖存信號埠(lock)，輸出信號埠有，地址埠(raddr)，請求信號埠(fetch)；令牌匹配單元的令牌標誌位埠連接令牌暫存單元輸出的令牌標誌位信號(flag)，鎖存信號埠連接令牌轉發單元輸出的鎖存信號(lock)，地址埠輸出地址信號(raddr)，該信號是令牌暫存單元的輸入信號，請求埠信號輸出請求信號(fetch)，該信號是令牌轉發單元的輸入信號；令牌轉發單元的輸入信號埠有，輸入請求信號埠(fetch)，應答信號埠(ack)，數據埠(data)，輸出信號埠有，鎖存信號埠(lock)，令牌清除信號埠(clear)，輸出請求信號埠(req)，輸出令牌埠(output)；令牌轉發單元的輸入請求信號埠(fetch)連接令牌匹配單元輸出的請求信號(fetch)，應答信號埠(ack)連接外部握手協議中的應答信號，數據埠(data)連接令牌暫存單元輸出的令牌，鎖存信號埠(lock)輸出鎖存信號，該信號是令牌匹配單元的輸入信號，令牌清除信號埠(clear)輸出令牌清除信號，該信號是令牌暫存單元的輸入信號，輸出請求信號埠(req)輸出外部握手協議的請求信號(req)，輸出令牌埠(output)向外部輸出令牌暫存-匹配-轉發單元輸出的令牌；所述的令牌暫存單元具有以下特徵令牌暫存單元有以下輸入埠，寫操作的數據埠(WD，write data)，寫操作的地址埠(WA，write address)，輸入請求埠(Req)，令牌清除埠(clear)，讀操作的地址埠(RA，read address)，令牌標誌位埠 (flag)，有以下輸出埠，輸出應答埠(Ack)，讀操作的數據埠(RD，read data)；寫操作的地址埠(WA)的輸入信號是令牌的地址信號(waddr)，waddr是多路開關MUX1和多路開關MUX2的輸入信號， 寫操作的數據埠(WD)的輸入信號是令牌的數據信號(wdata)，輸入請求埠的輸入是握手協議的請求信號(req)，該信號是C單元cin的輸入，cin的另一個輸入是內部的應答信號(ack_in)，cin的輸出是內部請求信號(req_in)，該信號也是外部的應答信號(ack)，MUX1的輸入信號是waddr信號和wdata信號，其輸出信號是n組信號(data_in
~data_in[n-1])，每組信號的位寬與wdata信號的位寬一樣，n為令牌暫存器的個數即可以存儲多少個令牌，MUX2的輸入信號是waddr信號和req_in信號，MUX2的輸出信號是n個信號(req
~req[n-1])，n為令牌暫存器的個數也為令牌標誌位的個數，多路開關DEMUX1的輸入是waddr信號和n個信號(flag
~flag[n-1])，DEMUX1的輸出信號是ack_in信號，令牌暫存器中有n個C單元，req
~req[n-1]分別為n個C單元的輸入，clear
~clear[n-1]分別為n個C單元的輸入，n個C單元的輸出為flag
~flag[n-1]，令牌暫存單元的標誌位埠(flag)輸出flag
~flag[n-1]，令牌暫存單元中有n個寄存器(data
~data[n-1])，n個寄存器的數據輸入分別為信號data_in
~data[n-1]，n個寄存器的請求信號分別為信號req
~req[n-1]，n個寄存器的輸出分別為信號dout
~dout[n-1]，令牌清除埠(clear)的輸入信號是令牌轉發單元輸出的令牌清除信號(clear)，讀操作的地址埠(RA)的輸入是令牌匹配單元輸出的地址信號(raddr)，讀操作的數據埠(RD)輸出讀出的數據信號(rdata)，該信號是令牌轉發單元的輸入信號，多路開關MUX3的輸入是clear信號和raddr信號，MUX3的輸出是n個信號(clear
~clear[n-1])，多路開關DEMUX2的輸入是raddr信號和n組信號(dout
~data[n-1])，每一組信號的位寬與rdata信號的位寬一致，DEMUX2的輸出是rdata信號；所述的令牌匹配單元具有以下特徵令牌匹配單元的輸入埠有，令牌標誌位埠(flag)，鎖存埠(lock)，令牌匹配單元的輸出埠有，地址埠(raddr)，請求信號埠(fetch)；令牌標誌位埠的輸入信號是令牌標誌位信號(flag)，該信號是令牌暫存單元的輸出信號，flag信號是Match Logic的輸入信號，Match Logic的輸出信號是n個信號(r
~r[n-1])，信號r
~r[n-1]是鎖存器Latch的輸入信號，Latch的另一個輸入是鎖存埠(lock)的輸入信號lock，該信號是令牌轉發單元的輸出信號，Latch的輸出信號是n個信號(L
~L[n-1])，信號L
~L[n-1]是仲裁器(Arbiter)的輸入，仲裁器的輸出是地址信號(raddr)，該信號是令牌暫存單元的輸入信號，仲裁器可能還需要其他外部信號(這需要根據仲裁器的具體形式確定)，信號raddr是多路開關MUX的控制輸入，信號r
~r[n-1]是MUX的輸入，MUX的輸出是請求信號fetch，該信號是令牌轉發單元的輸入信號；所述的令牌轉發單元具有以下特徵令牌轉發單元的輸入信號埠有，輸入請求信號埠(fetch)，應答信號埠(ack)，數據埠(data)，輸出埠有，鎖存信號埠(lock)，令牌清除信號埠(clear)，輸出請求信號埠(req)，輸出令牌埠(output)；輸入請求信號埠(fetch)輸入請求信號fetch，fetch信號是C單元C1的輸入，C1的另一個輸入是輸出請求信號埠輸出的req信號，C1的輸出是延時單元delay的輸入，延時單元delay的輸出是C單元C2的輸入，C2的另一個輸入是應答信號埠(ack)輸入的應答信號ack，C2的輸出是請求信號req，該信號也是輸出寄存器R的觸發信號，寄存器R的數據輸入信號是數據埠(data)輸入的令牌(data)，寄存器R的輸出信號是output，該信號是輸出令牌埠的輸出信號，兩輸入或門b的輸入信號分別是C1的輸出信號和C2的輸出信號，b的輸出信號是lock信號，兩輸入與門a的輸入信號分別是是C1的輸出信號和C2的輸出信號，a的輸出信號是clear信號。
全文摘要
令牌暫存-匹配-轉發單元可以被用於數據流電路實現令牌暫存、令牌匹配和令牌轉發功能，其特徵在於整個單元由令牌暫存單元、令牌匹配單元和令牌轉發單元構成，令牌暫存單元由令牌暫存器和令牌標誌位兩部分組成，令牌標誌位由一組C單元構成，表示令牌是否就緒，令牌匹配單元由匹配邏輯、鎖存器、仲裁器和一個多路選擇器構成，其中匹配邏輯和仲裁器的具體形式需要根據應用要求進行配置，令牌匹配單元根據令牌暫存器中令牌的情況，輸出就緒令牌的地址，令牌轉發單元取出這個就緒的令牌，令牌轉發單元由兩個C單元、一個與門、一個或門、一個延時單元和輸出寄存器構成，兩個C單元實現轉發單元與周圍單元的握手通信，延時單元保證暫存器中的令牌可以正確地寫入輸出暫存器中，與門和或門保證clear信號和lock信號的時序正確。
文檔編號G06F13/38GK101692216SQ20091009372
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月15日 優先權日2009年10月15日
發明者俞波, 孫義和, 李翔宇 申請人:清華大學