基于USB和FPGA的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器驗證平臺

摘要：為了方便基于FPGA實現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的驗證與演示，以CycloneII FPGA芯片EP2C20Q240C8N為核心，設(shè)計實現(xiàn)了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器IP核下載與測試的開發(fā)驗證平臺，并詳細(xì)闡述了各模塊的設(shè)計原理及關(guān)鍵技術(shù)。最后，通過下載運(yùn)行隨機(jī)數(shù)生成系統(tǒng)，對整個平臺功能進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明，各模塊電路工作正常，平臺性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：FPGA；隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；驗證平臺

引言
    隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是信息安全領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于金融、軍事等信息安全保密通信的電子設(shè)備中。目前，隨著對RNG體積、功耗、接口方式等要求的提高，設(shè)計集成化芯片或IP核形式的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器成為一種必然。為此，基于純數(shù)字電路實現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器已成為研究的熱點，而FPGA可編程邏輯芯片為此類隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究提供了良好的開發(fā)環(huán)境。
    為方便隨機(jī)數(shù)發(fā)生器IP核的下載、運(yùn)行及測試，同時保證產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)能夠快速地傳送給主機(jī)進(jìn)行隨機(jī)性檢測，本文以FPGA芯片為核心，以USB接口為通信接口，設(shè)計實現(xiàn)了一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的驗證平臺。該平臺結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，對于其他特殊應(yīng)用的驗證平臺搭建也具有指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
    隨機(jī)數(shù)發(fā)生器驗證平臺主要由CycloneII FPGA芯片EP2C20Q240C8N、與主機(jī)進(jìn)行通信的USB收發(fā)器電路、下載配置芯片EPCS4、頻率為48 MHz的時鐘源芯片、外部存儲器(Flash)、兩個電壓轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路和其他電路組成，如圖1所示。

    在每次實驗演示時，將該芯片通過USB口與PC機(jī)相連，由主機(jī)為平臺提供5 V電源，當(dāng)與主機(jī)連通后系統(tǒng)上電，復(fù)位電路進(jìn)行工作，對整個系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。以QuartusII 7．2為開發(fā)環(huán)境，采用ByterBlsterII下載電纜，通過JTAG下載口或以AS下載方式，通過配置芯片EPCS4將隨機(jī)數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)下載到實驗平臺中，最終通過USB口連接主機(jī)與平臺進(jìn)行信息交互。由主機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送命令，在系統(tǒng)控制下，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)通過USB收發(fā)器傳送給主機(jī)，主機(jī)接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行隨機(jī)性的各項檢測。

2 核心器件和關(guān)鍵技術(shù)
2．1 FPGA芯片EP2C20Q240C8N
    EP2C20Q240C8N芯片是A1tera CyeloneII系列產(chǎn)品中的一員，它采用TSMC1．2 V、90 nm和低電介絕緣工藝技術(shù)，由12英寸(300 mm)晶圓制成，具有潛在速度方面的極大優(yōu)勢。
    該芯片提供了許多功能特性，如圖2所示。該芯片資源豐富，可為隨機(jī)數(shù)生成系統(tǒng)提供良好的實驗環(huán)境。隨機(jī)數(shù)生成系統(tǒng)主要由OC8051IP核、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器IP核及USB控制器組成，實現(xiàn)了USB接口與隨機(jī)數(shù)生成系統(tǒng)的連接，保證了主機(jī)與平臺的信息交互。

2．2 PDIUSBP11A收發(fā)器芯片
    PDIUSBP11A USB收發(fā)器是Philips公司推出的，設(shè)計用來與USB物理層進(jìn)行交互，來自串行接口引擎(SIE)的VPO和VMO作為主驅(qū)動器的輸出。串行接口引擎和USB收發(fā)器的共同作用允許USB專用集成電路設(shè)計者設(shè)計靈活的USB設(shè)備，與更多可用邏輯元件相兼容。其主要特性包括：
    ①符合USB1．1協(xié)議規(guī)范；
    ②利用數(shù)字信號的輸入與輸出來傳送和接收USB串行數(shù)據(jù)；
    ③支持全速(12 Mb／s)和低速(1．5 Mb／s)的串行數(shù)據(jù)傳輸；
    ④支持單端口數(shù)據(jù)界面；
    ⑤單一的3．3 V電源；
    ⑥允許USB專用集成電路與USB的物理層進(jìn)行交互；
    ⑦有SO-114、SSOP-14和TSSOP-14封裝。

3 設(shè)計方案實現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)供電電路
    本系統(tǒng)沒有設(shè)置專門的電源電路，而是通過USB接口由主機(jī)提供5 V電源。由于系統(tǒng)內(nèi)部工作電壓為3．3 V和1．2 V，為此，專門設(shè)計了兩個電壓轉(zhuǎn)換電路，將USB接口的5 V電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V和1．2 V后再提供給系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常工作。電壓轉(zhuǎn)換電路采用封裝為SOT-223的AS1117和AS1117S芯片，主要電路原理圖如圖3所示。

    為保證輸出電壓的穩(wěn)定性，在電壓輸入端和輸出端都接有10μF的輸出電容。
3．2 USB收發(fā)器電路
    PDIUSBP11A芯片擁有14個可用引腳，其電路原理圖如圖4所示。

    在本設(shè)計電路中，將PDIUSBP11A芯片的引腳1和引腳8懸空；引腳7和引腳14分別接地和3．3 V電壓；差分?jǐn)?shù)據(jù)信號D+和D-引腳分別經(jīng)一個阻值為24 Ω的電阻與USB接口的D+和D-相連，同時D+經(jīng)上拉電阻與3．3 V電壓相連；引腳9經(jīng)上拉電阻與3．3 V電壓相連，使USB保持在全速工作模式下；其他引腳與FPGA芯片相應(yīng)的引腳相連接，具體連接方式如表1所列。

3．3 配置芯片及下載電路
    Altera編程硬件主要包括MasterBlaster、ByteBlasterMV、ByterBlsterII、USB-Blaster和Ethernet Blaster下載電纜或Altera編程單元(APU)。
    本文采用ByterBlsterII下載電纜，選用EPCS4配置芯片，設(shè)計實現(xiàn)了AS主動串行配置模式與JTAG下載模式相混合的下載配置電路。
    本設(shè)計采用AS和JTAG兩種下載方式，可以通過JTAG方式對程序進(jìn)行調(diào)試，同時通過QuartuslI軟件提供的一個可在線操作FPGA片上RAM內(nèi)容的工具InSystem Memory Content Editor，用戶可以查看和修改RAM的內(nèi)容。用戶可以預(yù)期對RAM中的內(nèi)容進(jìn)行修改，并通過該工具查看修改后的結(jié)果，兩者進(jìn)行對比就可驗證程序運(yùn)行是否正確。此外，在JTAG模式下可以利用jic文件驗證配置芯片是否已經(jīng)損壞。
3．4 復(fù)位電路
    為使驗證系統(tǒng)初始化正確，當(dāng)整個系統(tǒng)在電源上電時，必須處于復(fù)位狀態(tài)。一般應(yīng)保持復(fù)位脈沖為高保持兩個機(jī)器周期以上，而系統(tǒng)晶體振蕩器達(dá)到穩(wěn)定一般需要150 ms左右。為此，本文設(shè)計了基于RC器件的復(fù)位電路，如圖5所示。

    其中，R1=R2=100 kΩ，C1=3．5μF，對于虛線中的電路，運(yùn)用戴維南定理把系統(tǒng)上電后電路中除電容支路以外的部分進(jìn)行化簡，得到的電路如圖5(b)所示。

    由此可得，該復(fù)位電路能夠正常復(fù)位，保證系統(tǒng)正常工作。

3．5 時鐘電路
    時鐘由晶振芯片提供，晶振芯片有無源晶振和有源晶振兩種。無源晶振為無極性元件，共有2個引腳，只有在時鐘電路工作控制下才能產(chǎn)生振蕩信號；有源晶振由石英晶體組成，此外還有晶體管和阻容元件，信號穩(wěn)定，它共有4個引腳，常用的連接方式為：1腳懸空，2腳接地，3腳輸出，4腳接電壓。本設(shè)計采用ELV型號為SMD5*7的48MHz晶振。
3．6 存儲器模塊
    為滿足特殊功能需求，擴(kuò)展了1 Mb的Flash。Flash選用Spansion公司的CMOS多功能器件，型號為AM29LV010B，采用32引腳的標(biāo)準(zhǔn)TSOP封裝，工作電壓為3 V，8位數(shù)據(jù)寬度。數(shù)據(jù)總線使用D0～D7，地址總線使用A0～A16，其他還有芯片使能信號CE，輸出使能信號0E和寫使能信號WE。它與FPGA芯片引腳的具體連接方式如表2所列。

3．7 其他電路
    為保證系統(tǒng)中各個芯片能夠正常工作，本設(shè)計在各電壓源都并聯(lián)有0．1μF的退耦電容，并將這些電容擺放在芯片的周圍，濾除高頻雜波。

4 測試與驗證
    各模塊電路設(shè)計完成后，經(jīng)Altium Designer09仿真驗證，完成了相應(yīng)的PCB版圖設(shè)計，并最終進(jìn)行電路版圖的印刷和元器件焊接，實現(xiàn)了整個驗證平臺。
    為檢驗平臺工作的正確性，本文對參考文獻(xiàn)中的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用VHDL語言進(jìn)行了實現(xiàn)，并在輸出模塊中增加了一個32位的移位寄存器，每產(chǎn)生32位隨機(jī)數(shù)進(jìn)行一次輸出。最后，將該隨機(jī)數(shù)發(fā)生器及參考文獻(xiàn)中所設(shè)計的USB控制器與參考文獻(xiàn)中所提供的OC8051 IP核進(jìn)行掛載連接，其掛接原理圖如圖6所示。

    掛接完成后，利用QuartusII軟件，將整個系統(tǒng)以AS下載方式，通過配置芯片EPCS4下載到FPGA板中。由OC8051 IP核控制隨機(jī)數(shù)發(fā)生器模塊進(jìn)行工作，每產(chǎn)生32位隨機(jī)數(shù)時，TRNG向OC8051發(fā)送一個done信號，OC8051接收32位數(shù)據(jù)，并將其分為4個8位存于4個特殊功能寄存器(Sp-ecial Function Register，SFR)中，并通過指令MOVX借助累加器將32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至雙端口RAM中。之后進(jìn)行下一32位隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生及傳送，直到運(yùn)行16次后，RAM中所存儲的隨機(jī)數(shù)為512位時，OC8051置sent信號有效，USB控制器將512位隨機(jī)數(shù)封裝成數(shù)據(jù)包，通過USB收發(fā)器傳送給主機(jī)，傳送完成后向OC8051返回一個state信號，表明傳送結(jié)束。重復(fù)上述過程即可源源不斷地將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)傳送給主機(jī)，由主機(jī)最終完成隨機(jī)數(shù)檢測，檢測結(jié)果表明所接收到的數(shù)據(jù)滿足隨機(jī)數(shù)特性。
    在隨機(jī)數(shù)生成系統(tǒng)下載、隨機(jī)數(shù)生成及隨機(jī)數(shù)傳送過程中，整個平臺工作正常，表明各模塊電路原理及連接的正確性：
    ①電壓轉(zhuǎn)換電路連接正確，能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，同時表明，退耦電容起到了很好的去噪作用；
    ②下載電路連接正確，能夠?qū)⒊绦蛘_下載到FPGA中；
    ③復(fù)位電路工作正常，時鐘電路能給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘；
    ④USB收發(fā)器電路連接正確，能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
    由此表明，該驗證平臺具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，能為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器提供一個良好的驗證環(huán)境。

結(jié)語
    本文結(jié)合實際需求，在充分理解FPGA結(jié)構(gòu)原理和元件特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了一個小型的FPGA開發(fā)板。它不僅可以作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的驗證平臺，同時也可為其他基于數(shù)字電路實現(xiàn)的系統(tǒng)提供服務(wù)。本文所設(shè)計的開發(fā)板結(jié)構(gòu)比較簡單，故難以滿足大型數(shù)字電路開發(fā)系統(tǒng)的要求，為此，下一步的工作是擴(kuò)展功能模塊，設(shè)計更多的外圍擴(kuò)展電路，滿足更高的實驗需求。