設計技術(shù)問(wèn)答：FPGA設計的安全性考量

Q1：FPGA設計與DSP設計相比，最大的不同之處在哪里？

A1：這個(gè)問(wèn)題要從多個(gè)角度看。它們都用于某個(gè)功能的硬件電路實(shí)現，但是它們的側重點(diǎn)有所不同。這里涵蓋的說(shuō)一下。


1)內部資源


FPGA側重于設計具有某個(gè)功能的硬件電路，內部資源是VersaTiles（ActelFPGA）之類(lèi)的微小單元，FPGA的內部單元初始在編程前都是使用的是HDL語(yǔ)言實(shí)現硬件電路的設計描述。FPGA內部的連線(xiàn)資源將這些功能模塊的內部和模塊之間的信號連接起來(lái)，構成較大的模塊。FPGA可以?xún)炔繉?shí)現ALU，加法器，乘法器，累加器，FIFO，SRAM，DDRcontroller，FFT，HDLC，DMA，PWM等等數字電路，也就說(shuō)我們要用其實(shí)現一個(gè)特定的或是通用的硬件功能一個(gè)或是多個(gè)模塊，這些模塊的各個(gè)細節都要要用HDL來(lái)描述設計實(shí)現。目前的FPGA都可以直接內嵌諸如ARM7，CoretexM1，Core8051等微處理器，用于FPGA的軟核的，也有的FPGA廠(chǎng)商將一些硬件模塊直接做到FPGA中，這些是FPGA內部的硬核。傳統的FPGA都是實(shí)現純數字電路的，業(yè)界只有Actel的FPGA實(shí)現了數?；旌系腜SC單芯片技術(shù)，真正的提升和擴大了FPGA的應用功能和領(lǐng)域。另外多數FPGA都有PLL，DLL之類(lèi)的鎖相環(huán)，Slew可調，Actel的還內建了OSC，RTC，Powermanager之類(lèi)的硬件單元，甚至Actel的Fusion系列還內建了600kbps的12bit的ADC以及MOSFETDriver之類(lèi)模擬接口，內部有UserFlashMemeory，FlashROM等資源可以實(shí)現真正的PSC，Bootloader之類(lèi)的功能。


DSP主要是算法處理，內部資源主要是乘法器，加法器之類(lèi)的資源，有SPI接口，UART接口，接受一定的指令集，內部的資源基本上都是現成的，需要客戶(hù)的需要而重新配置，方便于客戶(hù)的使用，但是相對來(lái)講其功能是有局限性的，所以主要用于某些特定的領(lǐng)域。DSP也有內嵌的鎖相環(huán)，計數器，Baudrate發(fā)生器，有的DSP也有ADC模擬接口。


2)使用的編程語(yǔ)言

FPGA主要使用HDL，包括VHDl，Verilog，還有數?；旌系拿枋稣Z(yǔ)言Verilog-AMS等。DSP使用C，匯編語(yǔ)言編程。


3)功能角度

FPGA普遍用于實(shí)現數字電路模塊，基本上能實(shí)現所有的數字電路，傳統的數字功能模塊，以及客戶(hù)產(chǎn)品特定需求的數字處理模塊。FPGA的IO橋接種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)的級別的FPGA支持的IO標準和協(xié)議都不盡相同，但是這些IO的驅動(dòng)能力或是電壓都是可編程配置的。任何數字功能電路的實(shí)現，高速信號的處理，控制領(lǐng)域的信號處理，橋轉換協(xié)議的實(shí)現，Actel的Fusion還能用于電流/電壓檢測，溫度的檢測，MOSFETdriver，電源管理，其獨特的Flash工藝技術(shù)可以依靠電池供電工作，和掉電實(shí)時(shí)保存數據，超低功耗，多種工作模式(Static,Sleepmode),尤其IGLOO芯片的功能在Sleepmode下功耗只有5uW。這樣的功耗用于手機，GPS之類(lèi)的移動(dòng)手持設備中能發(fā)揮更大的功能應用。另外用FPGA實(shí)現ASIC的前期的設計驗證，FPGA實(shí)現DSP的功能，實(shí)現CPU的功能，MCU的功能，內存控制器，用于工業(yè)的PWM，SVPWM，Clarke，Park的正逆變換的實(shí)現，VGA控制，數據的編解碼，解復用，高達上Gbps的信號的處理，協(xié)議的轉換實(shí)現等等等等功能，都是DSP難以勝任的。


DSP內部有很多現成的硬件模塊和接口以及控制器，但是需要軟件編程設定，可以實(shí)現PWM控制，接口控制，UART接口，SPI接口等功能。但是由于受指令集的時(shí)鐘周期的限制，DSP不能處理太高的信號，至于說(shuō)上Gbps的信號，LVDS之類(lèi)的信號就很難以涉及了。所以相應的應用領(lǐng)域會(huì )有所限制。但是不同的領(lǐng)域客戶(hù)的設計方案不同，考慮的側重點(diǎn)不同，有些領(lǐng)域設計者也是愛(ài)好使用DSP的，諸如算法實(shí)現，協(xié)議的處理等等如果換作FPGA來(lái)處理那就得不償失。


FPGA和DSP的區別還有很多，這里先說(shuō)一點(diǎn)，希望能起到拋磚引玉的作用。具體的環(huán)境和設計方案各有其用武之地，設計者要根據自己的需要來(lái)選用。

Q2：在做設計之前，如何選擇FPGA呢？

A2：一般情況下，先針對設計，列出您想要實(shí)現的功能，大致畫(huà)個(gè)功能框圖，然后根據其功能和系統的要求大致推算出你需要的：



IO需求――可用IO數量、差分信號對、IO的電平格式等；


電壓源的需求――系統提供哪些電壓?核電壓需要多少？IO電壓源需要哪些？


封裝――用TQ？VQ？PLCC？BGA？還是其它的封裝形式？


內部RAM的需求――需要雙口RAM嗎？需要FIFO嗎？大小是多少？


時(shí)鐘及速度需求――最大的時(shí)鐘速率是多少？需要多少個(gè)PLL？速度等級？全局時(shí)鐘有多少？


邏輯資源和IPcore的需求――需要哪些IP核，大致占用多少資源？


擴展和升級的需求――是否考慮IO和邏輯資源留有一些余量，以便以后的擴展？升級是否方便？


價(jià)格的因素。

基本就這些，當然也可以初步選定一個(gè)型號，直接在開(kāi)發(fā)軟件中對你的程序進(jìn)行編譯、綜合、布局布線(xiàn)等，這樣能清楚地可以看到你的設計占用的資源，然后再選擇合適的型號。


Q3：FPGA對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，應該從哪幾個(gè)方面入手？

A3：我建議初學(xué)者首先要理解FPGA的原理，這是基礎，然后設計一些小型的代碼，在驗證設計的基礎上真正的理解設計硬件的思想，那么這樣的話(huà)你必然要學(xué)到如何結合FPGA資源，特點(diǎn)，性能等方面知識的理論才能專(zhuān)心于設計代碼上。至于說(shuō)芯片的設計安全也是必然要理解的，不然一個(gè)靜電上去就毀掉芯片了，那你的老板肯定要感到Surprised了。設計的精髓就是設計的思路上的問(wèn)題了，包括代碼的設計技巧，系統要求的功能模塊的實(shí)現方法，多個(gè)模塊如何配合的代碼設計，后期的驗證，調試，到板級的設計調試等等，要做好FPGA設計不同于DSP，軟件設計等等，精髓的東西即使現在講給初學(xué)者，他一樣是茫然的，不知道什么是什么，因為這是需要很強的功力才能理解和體會(huì )到的。需要時(shí)間需要付出，需要努力吃苦鉆研技術(shù)，更需要成長(cháng)的路上有良師的指導和同行朋友的交流，需要長(cháng)期的積累的。到那時(shí)你就是專(zhuān)家了。


Q4：用Actel的方案進(jìn)行加密后，成本上有增加嗎？

A4：用ACTEL方案加密，成本不會(huì )增加。因為ACTEL的FPGA是單芯片的，所有的編程信息已經(jīng)編程在FPGA內部，有了加密選項該信息不會(huì )被讀出。


Q5：作為剛接觸FPGA的初學(xué)者，是否一開(kāi)始就要深入了解芯片安全設計的精髓或者是原理之類(lèi)的，還是應該把重點(diǎn)放在如何設計代碼上？

A5：了解FPGA的原理和代碼設計，兩者缺一不可。只有了解FPGA的結構，才能設計出更好的代碼；編寫(xiě)代碼能實(shí)現自己的設計意圖，最終能熟練地使用FPGA。


Q6：系統中運放很多都是閉環(huán)應用，但是仿真的時(shí)候經(jīng)常要開(kāi)環(huán)仿真，可是開(kāi)環(huán)仿真不能真實(shí)模擬其實(shí)際工作環(huán)境，我該如何仿真呢？

A6：這里應該是指的FPGA仿真吧，如果是運放的話(huà)要定好芯片之前就看懂了芯片手冊了，然后在實(shí)際的環(huán)境中測試，在軟件環(huán)境里仿真的話(huà)需要特別的工具，我目前不是很清楚。但是我們可以單就FPGA的仿真來(lái)談問(wèn)題。實(shí)際的環(huán)境中的仿真是板級的，但是也必須有信號源和反饋信號，否則這個(gè)閉環(huán)還是不會(huì )響應外界的信號而發(fā)揮其功能的。根據這個(gè)思想我們就要額外設計一個(gè)或是多個(gè)模塊或是叫做模擬出一個(gè)信號源和接收反饋信號的模塊，這里的模擬不是模擬信號的意思而是我們從設計的角度來(lái)看就是寫(xiě)一些Testbench，設計FPGA的會(huì )使用Verilog或是VHDL，做前端的RTL代碼后我們其后可以借用Modelsim或是別的仿真軟件輸入滿(mǎn)足設計需要的信號源（Testbench）查看波形，對于自己關(guān)注的節點(diǎn)或是信號標注以特別的名字，我們就能實(shí)現所謂的閉環(huán)仿真了。


Q7：Actel的設計安全保護和計算機網(wǎng)絡(luò )安全DES和RSA算法有什么聯(lián)系或者是互補的關(guān)聯(lián)？

A7：ACTEL的設計安全是對設計的內容進(jìn)行保密，阻止非法讀取和寫(xiě)入；而計算機網(wǎng)絡(luò )中的DES和RSA是對網(wǎng)絡(luò )上流動(dòng)的數據進(jìn)行加密/解密。兩者關(guān)系不大。


Q8：關(guān)于全定制或半定制ASIC方面，是否也有同樣安全設計？

A8：對于全定制的ASIC，一般來(lái)說(shuō)保密性不如半定制的ASIC。對于半定制的ASIC，如果定制信息很容易被讀出的話(huà)，安全性就很差了；如果采用單芯片的半定制ASIC，而且定制信息不被讀出，安全性就會(huì )很高。