CN110851291B - 借助编码运算处理数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在多个周期中借助编码运算处理数据的方法。在此，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx，根据等式xc＝D·x+Bx将未编码变量x编码成编码变量xc。此外，提出了一种计算机程序产品，一种装置和一种功能安全的可编程控制器。

Description

借助编码运算处理数据的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种在多个周期中借助编码运算处理数据的方法和一种计算机程序产品。此外，本发明还涉及一种用于在多个周期中借助编码运算处理数据的装置以及具有这种装置的功能安全的可编程控制器。
本发明的技术领域涉及数据处理，特别是数据的编码处理。
背景技术
功能安全的系统用于降低健康和生命风险，并防止环境损害。除了过程信息的安全获取和通信之外，这些信息例如在可编程逻辑控制器或工业PC中还需要安全处理。
在功能安全系统的应用中，通常将数据以编码形式进行处理，以便能够防止数据错误并防止未识别的改变。在算术编码中，未编码变量x以各种校验位进行扩展，这使得可以识别出现的特定错误。此外，例如利用算术编码还可以识别值域中的错误、运算数(Operand)的错误和运算符错误、或者被使用的未更新变量。
常用的算术编码形式是ANBD编码。在ANBD编码中，借助输入常数A、变量专有签名Bx和周期专有签名D，借助下面的等式(1)将未编码变量x转换成编码变量xc。
xc＝A·x+Bx+D (1)
对于编码变量xc，可以使用编码运算(诸如CADD、CSUB或CMOV)来进行计算。编码运算可以如下所示那样回归成算术运算，如在这种情况下是ADD，SUB，MOV(E)。在此，K是可以预先计算的参数，并且yc表示编码变量：
CADD:zc＝(xc+yc+K)–D (2)
CSUB:zc＝(xc+D+K)-yc (3)
CMOV:zc＝xc+K (4)
ANBD编码的缺点在于，例如根据CADD、CSUB和CMOV的以上规则实现的该编码形式导致了运行时间中性能的高开销。这意味着，在将编码数据处理成所需的有效数据时，ANBD编码也需要额外的附加数据，这些附加数据例如用于传输和存储。
以下概述说明了ANBD编码中的高开销：
结果是，需要大量的硬件开销，例如强大的CPU来处理编码数据。
ANBD编码例如从文献EP 3 104 276 A1获知。
发明内容
因此，本发明的目的是，改进借助编码运算对数据的处理。
根据第一方面，提出了一种用于在多个周期中借助编码运算来处理数据的方法。在此，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx，根据等式(5)xc＝D·x+Bx(5)将未编码变量x编码成编码变量xc。
等式(5)的规则也可以称为DNB编码。由于DNB编码仅具有B签名和D签名，因此与具有B签名和D签名以及输入常数A的ANBD编码相比，编码更简单。在当前情况下不使用输入常数A。
与ANBD编码相比，通过DNB编码的上述规则节省了以下开销：
因此，DNB编码具有以下技术效果：开销与ANBD编码相比可以减少高达40％。
因此，在降低必要处理能力的同时可以实现与ANBD编码相同的性能。由于可以使用较低处理能力的硬件，因而可以降低硬件成本。
x是未编码变量x。通过上面定义的DNB编码规则借助算术编码将x编码成xc。
D是周期专有签名D。在此，“周期专有”意味着在一个周期中D签名对于所有运算数都是相同的，但是其可以在下一个或另外的周期中发生改变。在此，一个周期特别对应于一次循环完成。换而言之，这意味着在一个周期内，D的值对于所有运算数都是相同的，但是可以针对另一个周期发生改变。
周期专有签名D的应用使得可以识别出，在后续的数据处理中使用了未更新或过时的变量。
Bx是变量专有的签名。在此，“变量专有”意味着：对于每个变量(例如x，y，z)来说，所属的B签名(即Bx、By或Bz)具有专有值，其与相应的变量相关。另外，Bx优选是静态的，这意味着：Bx或By或Bz的值对于每个周期来说都是相同的。此外，对于两个运算数来说，Bx的值极可能是不同的。
变量专有签名Bx的应用使得可以识别并防止运算数和运算符错误。运算数错误的实例是运算数的交换或错误运算数的应用(例如，读取了错误地址)。运算符错误的实例是错误运算的执行(例如，AND而不是ADD)。
根据一个实施方式，编码运算包括逻辑编码运算和/或算术编码运算。
通过编码规则可以将运算转换为编码运算。在编码运算中，至少可以区分逻辑编码运算和算术编码运算。
逻辑运算例如是AND、OR或NOT联结。因此，逻辑编码运算例如是CAND、COR或CNOT联结，其中CAND联结中和其他编码联结中的C表明它是编码的AND联结。这同样适用于随后的算术运算。
算术运算例如是ADD、SUB、MUL或MOV运算。因此，算术编码运算例如是CADD、CSUB、CMUL或CMOV。
根据另外的实施方式，编码运算包括编码加法运算CADD，其中，在使用第一参数K1的情况下，根据等式
zc＝(xc+yc+K1) (6)
将第一编码变量xc和第二编码变量yc相加成第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第二变量y的签名By和专用于第三变量z的签名Bz，根据等式
K1＝Bz–Bx-By (7)
计算第一参数K1。
根据另外的实施方式，编码运算包括编码减法运算CSUB，其中，在使用第二参数K2的情况下，根据等式
zc＝(xc-yc+K2) (8)
计算第一编码变量xc与第二编码变量yc之差以提供第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第二变量y的签名By和专用于第三变量z的签名Bz，根据等式
K2＝Bz–Bx+By (9)
计算第二参数K2。
根据另外的实施方式，编码运算包括编码乘法运算CMUL，其中，在使用第三参数K3、周期专有签名D和周期专有签名D的乘法逆元INV(D)的情况下，根据等式
zc＝INV(D)·(xc·yc–Bx·yc–By·xc+Bz·D+K3) (10)
将第一编码变量xc和第二编码变量yc相乘，以提供第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第三变量y的签名Bz根据等式
K3＝By·Bz (11)
计算第三编码变量K3。
根据另外的实施方式，编码运算包括用于在特定周期内进行分配的编码移动运算CMOV，其中，在使用第四参数K4的情况下，根据等式
zc＝xc+K4 (12)
将编码变量xc分配给另外的编码变量zc，其中，借助专用于变量x的签名Bx和专用于另外的变量z的签名Bz，根据等式
K4＝Bz-Bx (13)
计算第四参数K4。
根据另外的实施方式，编码运算包括用于从第一周期到第二周期进行分配的编码移动运算CMOVD，其中，在使用第五参数K5和第六参数K6的情况下，根据等式
zc＝K5·xc+K6 (14)
将编码变量xc分配给另外的编码变量zc，其中，根据等式
K5＝D2·INV(D1) (15)
计算第五参数K5，其中D2表示专用于第二周期的签名，并且INV(D1)表示专用于第一周期的签名D1的乘法逆元，其中，在使用第五参数K5、专用于变量x的签名Bx、和专用于另外的变量z的签名Bz的情况下，根据等式
K6＝Bz–K5·Bx (16)
计算第六参数K6。
借助等式(14)至(16)，编码移动运算CMOVD可以根据下式(17)如下详细推导出，其中，(D1·INV(D1)modulo 2n)＝1适用：
CMOVD:＝D2·x+Bz
zc
＝D2·((xc-Bx)/D1)+Bz
＝D2·(1·(xc-Bx)/D1)+Bz
＝D2·(D1·INV(D1)·(xc-Bx)/D1)+Bz
＝D2·(INV(D1)·(xc-Bx))+Bz
＝D2·INV(D1)·xc-D2·INV(D1)·Bx+Bz
＝K5·xc–K5·Bx+Bz
＝K5·xc+K6 (17)
INV(D1)表示有限体2n或伽罗瓦体2n中的第一周期专有签名D1的乘法逆元，其中n是所使用的算术运算的字宽(word width)。该字宽优选地被规定为32或64位。
根据另一实施方式，在应用编码运算之前计算第五参数K5和第六参数K6，并且第五参数K5和第六参数K6存储在存储单元中。
除了参数K5和K6之外，可以在应用编码运算之前计算参数K1至K4并将它们存储在存储单元中。
根据另一实施方式，散列表(Hash-Table)用作存储单元。
可以预先计算INV(D1)和K1至K6的各种值并将它们存储在散列表中，在每个周期中例如借助D1或D2访问散列表一次。
例如，散列表可以存储在非易失性存储器上，例如存储卡、USB闪存盘、CD-ROM、DVD，蓝光光盘或ROM。
根据另一实施方式，在编译过程期间将未编码变量x编码成编码变量xc。
根据第二方面，提出了一种计算机程序产品，其使得在受程序控制的装置上执行如上所述的根据第一方面的方法。
计算机程序产品(例如计算机程序构件)可以例如作为存储介质(例如存储卡、USB闪存盘、CD-ROM、DVD、蓝光光盘)被提供或供应，或者也以可下载文件的形式由网络中的服务器提供或供应。例如，这可以在无线通信网络中通过传输具有计算机程序产品或计算机程序构件的相应文件来实现。
根据第三方面，提出了一种用于在多个周期中借助编码运算处理数据的装置。该装置包括编码单元，该编码单元设置用于，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx根据等式
xc＝D·x+Bx (5)
将未编码变量x编码成编码变量xc。
相应的单元，例如编码单元，能够以硬件技术和/或软件技术实现。在硬件技术实现方案中，相应的单元可以被设计为装置或者被设计为装置的一部分，例如，设计为计算机或微处理器或车辆的控制计算机。在软件技术实现方案中，相应单元可以被设计为计算机程序产品、功能、例程、程序代码的一部分或可执行对象。
针对所提出的方法描述的实施例和特征相应地适用于所提出的装置。
根据第四方面，提出了一种功能安全的可编程控制器，其具有根据第三方面的装置。
本发明的其他可行实现方案还包括未明确提及的关于实施例的上文或下文描述的特征或实施方式的组合。在此，本领域技术人员还会为本发明的相应基本形式添加各个方面作为改进方案或补充方案。
附图说明
本发明的其他有利设计方案和方面是下面描述的本发明实施例的主题。此外，参考附图借助优选实施例更详细地解释本发明。
图1示出了借助编码运算处理数据的方法的实施例的示意图；
图2示出了用于借助编码运算处理数据的装置的实施例的示意性框图；和
图3示出了具有根据图2的装置的功能安全的可编程控制器的实施例的示意性框图。
在附图中，除非另有说明，否则相同或功能相同的元件配有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于在多个周期中借助编码运算来处理数据的方法的实施例的示意图。
图1的实施例包括以下方法步骤S1、S2和S3：
在步骤S1中，将未编码变量x编码成编码变量xc。在本实施例中，例如使用了三个变量x，y和z。
具体来说，在步骤S1中，利用周期专有签名D和相应的变量专有签名Bx、By和Bz，根据下面的等式将相应的未编码变量x、y和z编码为编码变量xc、yc和zc。
优选地，在编译过程期间执行相应的未编码变量x、y和z的编码以成为相应的编码变量xc、yc和zc。
在步骤S2中，将至少一个编码运算应用于编码变量xc、yc和zc中的至少一个。
编码运算尤其包括逻辑编码运算和/或算术编码运算。
在此，编码运算特别包括编码加法运算CADD、编码减法运算CSUB、编码乘法运算CMUL、用于在特定周期内分配的编码移动运算CMOV、以及用于从第一周期到第二周期进行分配的编码移动运算CMOVD。所提及的编码运算可以优选地如下执行。
在编码加法运算CADD中，在使用第一参数K1的情况下，根据等式
zc＝(xc+yc+K1) (6)
将第一编码变量xc和第二编码变量yc相加成第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第二变量y的签名By和专用于第三变量z的签名Bz，根据等式
K1＝Bz–Bx-By (7)
计算第一参数K1。
进一步地，在编码减法运算CSUB中，在使用第二参数K2的情况下，根据等式
zc＝(xc-yc+K2) (8)
计算第一编码变量xc与第二编码变量yc之差，以便提供第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第二变量y的签名By和专用于第三变量z的签名Bz，根据等式
K2＝Bz–Bx+By (9)
计算第二参数K2。
在编码乘法运算CMUL中，在使用第三参数K3、周期专有签名D和周期专有签名D的乘法逆元INV(D)的情况下，根据等式
zc＝INV(D)·(xc·yc–Bx·yc–By·xc+Bz·D+K3) (10)
将第一编码变量xc和第二编码变量yc相乘，以便提供第三编码变量zc，其中，借助专用于第一变量x的签名Bx、专用于第三变量z的签名Bz，根据等式
K3＝By·Bz (11)
计算第三编码变量K3。
接下来，在用于在特定周期内进行分配的编码移动运算CMOV中，在使用第四参数K4的情况下，根据等式
zc＝xc+K4 (12)
将编码变量xc分配给另外的编码变量zc，其中，借助专用于变量x的签名Bx和专用于另外的变量z的签名Bz，根据等式
K4＝Bz-Bx (13)
计算第四参数K4。
在用于从第一周期到第二周期进行分配的编码移动运算CMOVD中，在使用第五周期K5和第六参数K6的情况下，根据等式
zc＝K5·xc+K6 (14)
将编码变量xc分配给另外的编码变量zc，其中，根据等式
K5＝D2·INV(D1) (15)
计算第五参数K5，其中D2表示专用于第二周期的签名，并且INV(D1)表示专用于第一周期的签名D1的乘法逆元，其中，使用第五参数K5、专用于变量x的签名Bx、以及专用于另外的变量z的签名Bz，根据等式
K6＝Bz–K5·Bx (16)
计算第六参数K6。
优选地，所述第五参数K5和所述第六参数K6可以在根据步骤S2应用编码运算之前被计算并存储在存储单元14中(参见图2)。
在步骤S3中，可以对编码变量xc、yc、zc和/或编码运算的结果进行解码或反编译。
图2示出了用于在多个周期中借助编码运算处理数据的装置10的实施例的示意性框图。
装置10包括编码单元11、处理单元12和解码单元13。
编码单元设置用于，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx，根据等式
xc＝D·x+Bx (5)
将未编码变量x编码为编码变量xc。
特别地，编码单元11设置用于执行根据图1的方法步骤S1，并且特别地还用于编码其他未编码的变量或运算数。
处理单元12设置用于将编码运算(例如上述CADD、CSUB等)应用于编码变量xc、yc和zc。
具体地，在编码移动运算CMOVD的应用中，处理单元12可以访问前述存储单元14，其特别地存储有所述第五参数K5和第六参数K6。此外，存储单元14还可以存储先前计算出的其他参数或值。存储单元14特别设计为散列表。
解码单元13设置用于，对当前编码变量或运算数又进行解码或反编译，以便进一步处理。
图3示出了功能安全的可编程控制器1的实施例的示意性框图。
控制器1设置用于驱控机器2，例如传送带或机器人臂。为此目的，图3的控制器1具有如图2所述的装置10，以便借助编码运算处理数据。
尽管已经参考实施例描述了本发明，但是它可以具有各种修改方案。

Claims (13)

1.一种用于在多个周期中借助编码运算处理数据的方法，其中，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx，根据等式xc＝D·x+Bx将未编码变量x编码成编码变量xc，其中，所述周期专有签名D意味着在一个周期中D签名对于所有运算符都是相同的，所述变量专有签名Bx意味着对于每个变量所属的B签名具有与相应的变量相关的专有值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括逻辑编码运算和/或算术编码运算。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括编码加法运算CADD，其中，在使用第一参数K1的情况下，根据等式zc＝(xc+yc+K1)将编码变量xc和编码变量yc相加成编码变量zc，其中，借助专用于未编码变量x的签名Bx、专用于未编码变量y的签名By和专用于未编码变量z的签名Bz，根据等式
K1＝Bz–Bx-By计算所述第一参数K1。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括编码减法运算CSUB，其中，在使用第二参数K2的情况下，根据等式zc＝(xc-yc+K2)计算编码变量xc与编码变量yc之差以提供编码变量zc，其中，借助专用于未编码变量x的签名Bx，专用于未编码变量y的签名By和专用于未编码变量z的签名Bz，根据等式K2＝Bz–Bx+By计算所述第二参数K2。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括编码乘法运算CMUL，其中，在使用第三参数K3、周期专有签名D和所述周期专有签名D的乘法逆元INV(D)的情况下，根据等式zc＝INV(D)·(xc·yc–Bx·yc–By·xc+Bz·D+K3)将编码变量xc和编码变量yc相乘以提供编码变量zc，其中，借助专用于未编码变量x的签名Bx，专用于未编码变量z的签名Bz根据等式K3＝By·Bz计算所述第三参数K3。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括用于在特定周期内进行分配的编码移动运算CMOV，其中，在使用第四参数K4的情况下，根据等式zc＝xc+K4将编码变量xc分配给编码变量zc，其中，借助专用于未编码变量x的签名Bx和专用于未编码变量z的签名Bz，根据等式K4＝Bz-Bx计算所述第四参数K4。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述编码运算包括用于从第一周期到第二周期进行分配的编码移动运算CMOVD，其中，在使用第五参数K5和第六参数K6的情况下，根据等式zc＝K5·xc+K6将编码变量xc分配给编码变量zc，其中，根据等式K5＝D2·INV(D1)来计算所述第五参数K5，其中D2表示专用于所述第二周期的签名，并且INV(D1)表示专用于所述第一周期的签名D1的乘法逆元，其中，在使用所述第五参数K5、专用于未编码变量x的签名Bx、和专用于未编码变量z的签名Bz的情况下，根据等式K6＝Bz–K5·Bx计算所述第六参数K6。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在应用所述编码运算之前计算出所述第五参数K5和所述第六参数K6，并且所述第五参数和所述第六参数存储在存储单元中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用散列表作为存储单元。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在编译过程期间将所述未编码变量x编码成所述编码变量xc。
11.一种计算机可读取的存储介质，其上存储有计算机程序产品，该计算机程序产品使得在受程序控制的装置上执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
12.一种用于在多个周期中借助编码运算处理数据的装置，该装置具有编码单元，所述编码单元设置用于，利用周期专有签名D和变量专有签名Bx，根据等式xc＝D·x+Bx，将未编码变量x编码成编码变量xc，其中，所述周期专有签名D意味着在一个周期中D签名对于所有运算符都是相同的，所述变量专有签名Bx意味着对于每个变量所属的B签名具有与相应的变量相关的专有值。
13.一种功能安全的可编程控制器，具有根据权利要求12所述的装置。
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