FPGA-Based Implementation of RAM with Asymmetric Port Widths for Run-Time Reconfiguration

In this paper, we present a HDL description of a RAM with asymmetric port widths which allows read and write operations with different data size. This RAM is suitable for implementing run-time reconfigurable systems in FPGA. The proposed RAM specification has been tested with different target devices.Ministerio de Educación y Ciencia TEC2006-11730-C03-0

Performance Evaluation of RAM-Based Implementation of Finite State Machines in FPGAs

This paper presents a study of performance of RAM-based implementations in FPGAs of Finite State Machines (FSMs). The influence of the FSM characteristics on speed and area has been studied, taking into account the particular features of different FPGA families, like the size of LUTs, the size of memory blocks, the number of embedded multiplexer levels and the specific decoding logic for distributed RAM. Our study can be useful for efficiently implementing FPGA-based state machines

High-Performance Architecture for Binary-Tree-Based Finite State Machines

A binary-tree-based finite state machine (BT-FSM) is a state machine with a 1-bit input signal whose state transition graph is a binary tree. BT-FSMs are useful in those application areas where searching in a binary tree is required, such as computer networks, compression, automatic control, or cryptography. This paper presents a new architecture for implementing BT-FSMs which is based on the model finite virtual state machine (FVSM). The proposed architecture has been compared with the general FVSM and conventional approaches by using both synthetic test benches and very large BT-FSMs obtained from a real application. In synthetic test benches, the average speed improvement of the proposed architecture respect to the best results of the other approaches achieves 41% (there are some cases in which the speed is more than double). In the case of the real application, the average speed improvement achieves 155%

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

A Secure Reconfigurable System-On-Programmable-Chip Computer System

A System-on-Programmable-Chip (SoPC) architecture is designed to meet two goals: to provide a role-based secure computing environment and to allow for user reconfiguration. To accomplish this, a secure root of trust is derived from a fixed architectural subsystem, known as the Security Controller. It additionally provides a dynamically configurable single point of access between applications developed by users and the objects those applications use. The platform provides a model for secrecy such that physical recovery of any one component in isolation does not compromise the system. Dual-factor authentication is used to verify users. A model is also provided for tamper reaction. Secure boot, encrypted instruction, data, and Field Programmable Gate Array (FPGA) configuration are also explored. The system hardware is realized using Altera Avalon SoPC with a NIOS II processor and custom hardware acting as the Security Controller and a second NIOS II acting as the subject application configuration. A DE2 development kit from Altera hosting a Cyclone II FPGA is used along with a Secure Digital (SD) card and a custom printed circuit board (PCB) containing a second Cyclone II to demonstrate the system. User applications were successfully run on the system which demonstrated the secure boot process, system tamper reaction, dynamic role-based access to the security objects, dual-factor authentication, and the execution of encrypted code by the subject processor. Simulations provided detailed examinations of the system execution. Actual tests were conducted on the physical hardware successfully

Synthesis Techniques for Semi-Custom Dynamically Reconfigurable Superscalar Processors

The accelerated adoption of reconfigurable computing foreshadows a computational paradigm shift, aimed at fulfilling the need of customizable yet high-performance flexible hardware. Reconfigurable computing fulfills this need by allowing the physical resources of a chip to be adapted to the computational requirements of a specific program, thus achieving higher levels of computing performance. This dissertation evaluates the area requirements for reconfigurable processing, an important yet often disregarded assessment for partial reconfiguration. Common reconfigurable computing approaches today attempt to create custom circuitry in static co-processor accelerators. We instead focused on a new approach that synthesized semi-custom general-purpose processor cores. Each superscalar processor core's execution units can be customized for a particular application, yet the processor retains its standard microprocessor interface. We analyzed the area consumption for these computational components by studying the synthesis requirements of different processor configurations. This area/performance assessment aids designers when constraining processing elements in a fixed-size area slot, a requirement for modern partial reconfiguration approaches. Our results provide a more deterministic evaluation of performance density, hence making the area cost analysis less ambiguous when optimizing dynamic systems for coarse-grained parallelism. The results obtained showed that even though performance density decreases with processor complexity, the additional area still provides a positive contribution to the aggregate parallel processing performance. This evaluation of parallel execution density contributes to ongoing efforts in the field of reconfigurable computing by providing a baseline for area/performance trade-offs for partial reconfiguration and multi-processor systems

Image Processing Using FPGAs

This book presents a selection of papers representing current research on using field programmable gate arrays (FPGAs) for realising image processing algorithms. These papers are reprints of papers selected for a Special Issue of the Journal of Imaging on image processing using FPGAs. A diverse range of topics is covered, including parallel soft processors, memory management, image filters, segmentation, clustering, image analysis, and image compression. Applications include traffic sign recognition for autonomous driving, cell detection for histopathology, and video compression. Collectively, they represent the current state-of-the-art on image processing using FPGAs

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability