Leon3 mikroişlemcisi tabanlı sistem tasarımı

Bu tez kapsamında JPEG (Joint Photographic Experts Group) görüntü sıkıştırma standardı kullanılarak görüntü şifreleme yapılmıştır. Özellikle internet iletişimin yaygınlaşmasından sonra bilgisayarlar arasında görüntü aktarımı önem kazanmıştır. Buna paralel olarak depolama problemi ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu soruna çözüm olarak ortaya çıkan JPEG, orjinal görüntünün boyutunda önemli miktarda azalma sağlamaktadır. Depolama probleminin yanı sıra güvenlik de aynı şekilde önem arz etmektedir. İletilen verilerin yada görüntülerin istenmeyen kişiler tarafından ele geçirilmesi önemli bir güvenlik problemi olarak görülmektedir. Bu amaçla hem sıkıştırmanın hem şifrelemenin bir arada yapılması oldukça mühim hale gelmiştir. Bu yüksek lisans tezi kapsamında da sıkıştırma oranınından fazla kayıp vermeden görüntünün şifrelenmesi amaçlanmıştır. Sıkıştırma standardı olarak JPEG seçilmiştir. Şifreleme yöntemi olarak Küçük Şifreleme Algoritması (Tiny Encryption Algorithm-TEA) seçilmiştir. Şifreleme işlemi sıkıştırma işlemiyle iç içe yapılmıştır. JPEG formatına dönüştürülmüş bir görüntüyü şifrelemek yerine sıkıştırma bloklarıyla birlikte piksel seviyesinde şifreleme yapılarak güvenlik seviyesinin arttırılması hedeflenmiştir. JPEG kodlayıcıda tasarlanması gereken bloklar Ayrık Kosinüs Dönüşümü (Discrete Cosine Transform-DCT), kuantalama, zig-zag tarama, DC farksal kodlama, AC dizi uzunluğu kodlama ve kod paketleme bloklarıdır. Şifreleme bloğu olan TEA, zig-zag tarama bloğundan sonra gelmektedir. İlk olarak giriş görüntüsü DCT bloğuna gelmektedir. Bu blok giriş görüntüsünü 8x8'lik matrisler halinde alarak işlem yapar ve çıkışında da 8x8'lik matrisler üretir. Bu matrislerin ilk elemanına DC katsayı, diğer 63 elemanına AC katsayı adı verilmektedir ve çıkış görüntüsü artık frekans tanım bölgesine geçirilmiş olur. Daha sonra kuantalama bloğuyla, matrislerdeki yüksek frekans terimlerinin çoğunlukla sıfırlanması sağlanır. Bu sıfırlanmalar sayesinde sıkıştırma yapılacaktır. Daha sonra gelen zig-zag tarama bloğunda kuantalanmış görüntü verisini içeren 8x8'lik matrisler seri hale getirilir. Verilerin sıralanması zig-zag düzeninde gerçekleşir. Bu şekilde sıralama yapıldığında DCT katsayılar, en düşük frekanslı katsayı olan DC katsayıdan yüksek frekanslı AC katsayılara doğru dizilmiş olur. Kuantalama işlemi de yüksek frekansları sıfırlamak üzere kurulu olduğundan zig-zag yolda ilerlendiğinde sıfırlar ardı ardına gelmektedir. Bir sonraki adımda TEA şifreleme bloğu vardır. Şifreleme için öncelikle sadece tüm 8x8'lik matrislerin sadece DC katsayıları kullanılmıştır. Daha sonra hem DC katsayılar hem de her matrisin 5 adet AC katsayısı kullanılmıştır. Sıkıştırmanın fazla azalmaması amacıyla daha fazla sayıda AC katsayı şifrelenmemiştir. Şifreleme bloğundan sonra DC farksal kodlama bloğu ve AC dizi uzunluğu kodlaması yapılmıştır. Son aşamada ise kod paketleme bloğu kullanılarak sıkıştırma ve şifreleme işlemi bitirilmiştir. JPEG görüntü şifreleme donanımı tasarlandıktan sonra bir mikroişlemciye çevresel olarak eklenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla Gaisler firmasının geliştirdiği 32 bitlik Leon3 mikroişlemcisi seçilmiştir. Leon3, Sparc V8 mimarisi tabanlı ve çoklu işlemi destekleyen bir mikroişlemcidir. Sentezlenebilir Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) modelleriyle oluşturulmuştur ve 16 çekirdeğe kadar tasarım yapılabilir. Yüksek konfigürasyon, yüksek performans, enerji verimliliği, basit tasarım entegrasyonu ve yazılım desteği sebebiyle bu mikroişlemci seçilmiştir. İçerisindeki Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA) veri yolu yapısı, Advanced High-Performance Bus (AHB) ve Advanced Peripheral Bus (APB) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bu çalışmada tasarlanan donanım APB veri yoluna eklenmiştir. Bu işlemi yapmak için AMBA protokolüne uygun bir arayüz tasarlanmıştır. Daha sonra gerekli tanımlama işlemleri yapılarak donanım ekleme işlemi tamamlanmıştır. Bunun yanında donanımın mikroişlemci çekirdeğiyle haberleşmesinde kullanılacak olan bayrak tanımlamalarını yönetmek için bir C kodu gerekmiştir. Bu C kodu, Leon3 mikroişlemcisinin çapraz derleyicisi ile derlenmiş ve kullanılmıştır. Tasarlanan devrenin girişine verilen görüntü boyutu 288x288 olarak belirlenmiştir. Bu görüntü istendiği takdirde değiştirilebilir. Elde edilen şifrelenmiş ve sıkıştırılmış görüntü matrisleri MATLAB ortamında okutulduktan sonra elde edilen çıkış görüntüleri karşılaştırılmış ve Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) değerleri verilmiştir. Bunun yanında donanımın Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) üzerinde kapladığı yer bilgileri de verilmiştir.