這是每個(gè)密碼學(xué)博士生應(yīng)該知道的52件事系列的第一篇文章。PhD研究生在第一年結(jié)束的時(shí)候應(yīng)該掌握這些問(wèn)題。并且盡可能早的在他們能放棄的時(shí)候放棄(23333)無(wú)論怎樣，我們會(huì)將這些問(wèn)題在接下來(lái)的一年里表達(dá)出來(lái)，我自愿的為這個(gè)第一個(gè)事情的編寫(xiě)做出貢獻(xiàn)。這個(gè)第一個(gè)主題就是計(jì)算機(jī)架構(gòu)，它被表達(dá)成下面的問(wèn)題:

下面這些有什么不同?

• 一個(gè)通用的處理器
• 一個(gè)通用的帶指令集擴(kuò)展的處理器
• 一個(gè)專用的處理器(協(xié)同處理器)
• 一個(gè)FPGA

沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的通用處理器的定義，然而，一般認(rèn)為如果處理器是圖靈完備的那么就是通用處理器。這個(gè)包括了所有能完成計(jì)算可計(jì)算任務(wù)的處理器。(例如，能夠計(jì)算所有圖靈機(jī)能計(jì)算的)。我不會(huì)仔細(xì)研究圖靈機(jī)的定義，但是如果現(xiàn)在你已經(jīng)不理解我說(shuō)什么了，那么我推薦你看Theory of Computation[1]這本書(shū)。注意盡管這個(gè)沒(méi)有性能和指令能力集的概念，事實(shí)上，一些研究者已經(jīng)證明了你只需要一個(gè)指令就可以完成圖靈完備[2]。在如今的現(xiàn)代處理器下，大多數(shù)可編程的CPU都被認(rèn)為是通用的。

把一個(gè)CPU設(shè)計(jì)成通用的會(huì)導(dǎo)致性能的開(kāi)銷。一個(gè)通用處理器可能計(jì)算任何可計(jì)算的任務(wù)，但是它處理重復(fù)復(fù)雜的任務(wù)的性能將不會(huì)很好。處理器設(shè)計(jì)者會(huì)基于最小架構(gòu)包括擴(kuò)展指令集來(lái)完成那些經(jīng)常被各種各樣的應(yīng)用使用的任務(wù)。雖然功能上被擴(kuò)展過(guò)的架構(gòu)和最小架構(gòu)沒(méi)什么不同，但是實(shí)際上在終端用戶看來(lái)有著巨大的性能差異。

既然我們都為密碼學(xué)工作，那么我集中在一個(gè)使用擴(kuò)展指令的密碼學(xué)例子。考慮一個(gè)使用AES加密的桌面應(yīng)用機(jī)器。任何來(lái)自其他儲(chǔ)存設(shè)備的讀取都需要在被緩存之前給一個(gè)CPU中斷來(lái)完成內(nèi)容的解密。磁盤(pán)獲取時(shí)刻miss cache已經(jīng)很糟糕了，同時(shí)還要加上解密的時(shí)間，我們就不得不重新考慮磁盤(pán)加密了。我們很清楚AES是我們復(fù)雜的重復(fù)任務(wù)同時(shí)我們只有一個(gè)沒(méi)有指令集擴(kuò)展的通用CPU，我們只能用流操作實(shí)現(xiàn)解密。Intel和AMD都意識(shí)到磁盤(pán)加密的需求，為了減少其他存儲(chǔ)器獲得數(shù)據(jù)使用AES的開(kāi)銷，在桌面CPU的流水線上設(shè)計(jì)了AES-NI x86擴(kuò)展指令集來(lái)加速加密磁盤(pán)。

如果你想急速所有的計(jì)算，最優(yōu)化的方法就是使用一個(gè)專用的處理器或者一個(gè)專用集成電路。但是這樣我們就為了性能失去了通用處理器的靈活性。這種處理器通常和通用處理器是緊密耦合的，用術(shù)語(yǔ)就是協(xié)同處理器(co-processor)。注意，一個(gè)協(xié)處理器可能和通用處理器有相同的包，但是不必集成通用處理器的架構(gòu)。也就是說(shuō)，我們看看現(xiàn)在的處理器架構(gòu)，Intel和AMD早已集成了聲卡，顯卡和數(shù)字信號(hào)處理器到它們的CPU。這個(gè)額外的功能通過(guò)專用寄存器呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)協(xié)處理器變成一個(gè)分離的被通用處理器管理的組件。

最終我們看看FPGA(Field-Programmable Gate Arrays)。這個(gè)數(shù)字集成電路(ASIC)和通用處理器的中間產(chǎn)品。如果一個(gè)應(yīng)用需要高性能同時(shí)需要不頻繁的修改，那么FPGA可能是最好的選擇。為了理解FPGA，想象一下成千上萬(wàn)個(gè)電路接線板和成千上萬(wàn)的邏輯門(mén)和查找表(復(fù)用器表示內(nèi)存)放在電路接線板上。如果你把一個(gè)應(yīng)用描述成一組邏輯門(mén)和時(shí)序約束，那么你能把他們放在電路板上，然后生成一個(gè)電路來(lái)計(jì)算你的應(yīng)用。一個(gè)FPGA支持重新編程的靈活性。這個(gè)和通用處理器主要區(qū)別就是你怎樣設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)你的應(yīng)用。為了充分利用硬件，你必須使用**硬件描述語(yǔ)言(Verilog or VHDL)**把應(yīng)用描述成一組硬件組件和事務(wù)。這個(gè)過(guò)程將會(huì)頻繁的使用在通用和專用處理器原型機(jī)生產(chǎn)之前。然而，這并不是沒(méi)有缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)一個(gè)有著底層構(gòu)建的程序?qū)?huì)使得其十分笨重。同時(shí)，能源消耗和硬件花費(fèi)要比嵌入集成電路的通用處理器要高。近來(lái)，FPGA廠家Xilinx已經(jīng)開(kāi)始把帶有ARM的FPGA通用處理器集成到一個(gè)包中。這個(gè)會(huì)讓FPGA能夠被ARM核心使用，把它當(dāng)做一個(gè)靈活的協(xié)處理器。[3]結(jié)果，你能夠構(gòu)建專用邏輯去計(jì)算你的密碼操作急速你的密碼應(yīng)用。

總結(jié)一下，通用處理器能計(jì)算所有可計(jì)算的事務(wù)。相似的，帶擴(kuò)展指令集的通用處理器也能，并且它可能在特殊的應(yīng)用上做的更好。一個(gè)專用處理器(協(xié)處理器)也能在特定的任務(wù)上非常快但是只能計(jì)算特定的任務(wù)。一個(gè)FPGA可能被用于構(gòu)建上面的硬件但是相對(duì)于ASIC為了靈活性犧牲了性能。

[1] http://www.amazon.co.uk/Introduction-Theory-Computation-Michael-Sipser/dp/0619217642
[2] http://www.cl.cam.ac.uk/~sd601/papers/mov.pdf
[3] http://www.xilinx.com/products/zynq-7000/extensible-virtual-platform.html

參考鏈接：http://bristolcrypto.blogspot.com/2014/10/52-things-number-1-different-types-of.html
參考鏈接：https://www.cnblogs.com/zhuowangy2k/category/1538813.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的[密码学基础][信息安全][每个信息安全博士生应该知道的52件事][Bristol Cryptography][第一篇]不同类型的处理器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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