2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、閃存作為一種大容量低成本的非易失性存儲器,相比傳統(tǒng)磁盤的諸多優(yōu)點使其在各種存儲系統(tǒng)中得到廣泛應用,從追求小容量低成本的嵌入式系統(tǒng)到追求大容量高性能的固態(tài)硬盤,閃存正在全方位地取代傳統(tǒng)介質(zhì)。然而與存儲密度高成本低等優(yōu)點相對應,閃存也有必須以頁為讀寫單位和易出錯等缺陷,需要讀寫通路提出應對的優(yōu)化措施。進一步地,存儲安全也一直是計算機信息安全領域的重要組成部分,尤其是在航空航天、國防和金融等關鍵領域具有重要意義,具體到閃存的讀寫通路一般通過選

2、定的加解密算法和可靠的真隨機數(shù)來實現(xiàn)。本文以實現(xiàn)閃存的安全讀寫通路為目標,從優(yōu)化閃存本身缺陷和保護閃存內(nèi)數(shù)據(jù)兩個方面出發(fā),針對這一過程中的一些關鍵技術展開研究。
  首先我們構建了具備基礎功能的讀寫通路,即實現(xiàn)對閃存的基本控制,由于閃存獨特的操作協(xié)議和數(shù)據(jù)格式,需要專門的轉(zhuǎn)換邏輯,本文經(jīng)過分析閃存的標準接口和控制時序,將基本讀寫通路分為上位機端和閃存端兩部分。上位機端主要包括若干特殊寄存器進行全局控制,為了降低軟件復雜度,沒有采用

3、傳統(tǒng)地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的間接讀寫,而是直接與閃存端進行地址和數(shù)據(jù)交互。閃存端則由主副兩層狀態(tài)機構成,分兩步實現(xiàn)由上位機訪存信號到子操作,再由子操作到閃存接口信號的轉(zhuǎn)化,針對多種規(guī)格閃存芯片共存的情況,通過自定義配置寄存器實現(xiàn)對異步和同步模式的同時支持。
  而后是對閃存固有缺陷的優(yōu)化,主要包括訪問速度較慢和存儲數(shù)據(jù)不穩(wěn)定易出錯等問題。由于在上位機端口采用了與閃存直接進行地址和數(shù)據(jù)交互的方式,因此更加迫切需要通過 Cache存儲

4、層次解決閃存與上位機在訪問速度和數(shù)據(jù)格式上的不對稱。我們按照定義計算機系統(tǒng)中的傳統(tǒng)Cache的方式,從容量、分塊到由映射規(guī)則、替換算法和寫策略組成的Cache三要素,再根據(jù)閃存本身的特殊性,逐步確定Cache結構。例如閃存按頁讀寫的特性就決定了對應 Cache的塊大小也被固定為閃存一頁的大小,而相比傳統(tǒng)Cache較少的塊數(shù)也意味著全相聯(lián)映射和寫回策略在查詢標志位方面的劣勢被掩蓋,對Cache利用率和訪存性能的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮,并根據(jù)存儲

5、系統(tǒng)的性能評估標準,提出了一些可行的優(yōu)化措施包括受害者緩存和關鍵內(nèi)容優(yōu)先等。最后基于ARM和FPGA平臺,集成實際閃存芯片進行測試,體現(xiàn)出Cache對訪存性能的巨大提升。關于數(shù)據(jù)的可靠性問題,可以分為冗余和檢錯糾錯碼兩類解決方案,閃存的數(shù)據(jù)容量巨大不適合冗余,一般采用檢錯糾錯碼的方式。通過綜合對比多種檢錯糾錯碼包括漢明碼、BCH碼、卷積碼以及Reed-Solomon碼等之后采用了目前在高可靠性領域較為廣泛使用的BCH碼,二進制編碼、糾錯

6、能力可配以及冗余位短是其突出優(yōu)勢。然后分編碼和解碼兩方面,從BCH的構成原理出發(fā),完成由算法到硬件結構的映射,并且在這個過程中,實現(xiàn)了由串行到并行,由固定參數(shù)到糾錯能力可配置的創(chuàng)新優(yōu)化,可以適應出錯概率和性能需求不同的各類閃存芯片。
  最后是提高閃存讀寫通路的安全性,而這一般通過對閃存內(nèi)數(shù)據(jù)的加密來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的加解密算法根據(jù)加密與解密方是否使用相同的密鑰可以分為對稱加密與非對稱加密,由于私鑰不需要公開傳播,非對稱加密相比傳統(tǒng)對稱

7、加密算法具有安全性高、密鑰短等優(yōu)點。我們選擇了以橢圓曲線加密算法為代表的非對稱密碼算法,而其相對復雜的算法可以經(jīng)過層層調(diào)用與拆解,得到最底層的模乘和模加減運算之后,分別通過專用的硬件邏輯來實現(xiàn)。針對作為核心運算的模乘,我們從分別提高內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)并行度出發(fā)提出幾種不同思路的優(yōu)化方案,可以分別滿足側(cè)重開銷或側(cè)重性能的不同應用,然后通過在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通路下添加額外運算單元,實現(xiàn)了對素數(shù)域和二進制域的同時支持。根據(jù)在UMC0.13um工藝庫下實

8、現(xiàn)的結果,傾向于成本或性能的不同配置方案各有優(yōu)勢,適合各類不同需求的應用。對于安全性來說,除了加密算法以外,常常作為根密鑰使用的真隨機數(shù)也是不可缺少的重要組成部分,因此我們直接在閃存讀寫通路中內(nèi)置了真隨機數(shù)產(chǎn)生器。有別于傳統(tǒng)的真隨機數(shù)需要依靠模擬器件產(chǎn)生隨機源,本文提出一種純數(shù)字邏輯構成的低功耗真隨機數(shù)生成器,在保證隨機性通過相關檢測的前提下,充分發(fā)揮數(shù)字邏輯功耗低穩(wěn)定性高的優(yōu)點。
  綜上所述,為了達到對閃存的安全高效讀寫這一目

9、標,我們從閃存自身結構特征出發(fā),逐步研究解決了以下問題:通過上位機端接口和閃存端接口的方式實現(xiàn)對閃存的基本讀寫控制;通過Cache存儲層次優(yōu)化閃存與上位機間速度和數(shù)據(jù)格式的不對稱;通過糾錯能力可配置的BCH碼實現(xiàn)閃存數(shù)據(jù)的檢錯糾錯;通過可擴展雙域公鑰加解密邏輯實現(xiàn)對閃存內(nèi)數(shù)據(jù)的保護;以及內(nèi)置的基于純數(shù)字邏輯的低功耗真隨機數(shù)生成器。在本文研究的基礎上實現(xiàn)一個安全高效,能夠靈活適應不同上位機和閃存芯片的讀寫通路,對于以閃存為主存的各種存儲系

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