FPGA設(shè)計(jì)的安全性問題解析

Q1：FPGA設(shè)計(jì)與DSP設(shè)計(jì)相比，最大的不同之處在哪里？　

A1：這個問題要從多個角度看。它們都用于某個功能的硬件電路實(shí)現(xiàn)，但是它們的側(cè)重點(diǎn)有所不同。這里涵蓋的說一下。

1)內(nèi)部資源

FPGA側(cè)重于設(shè)計(jì)具有某個功能的硬件電路，內(nèi)部資源是VersaTiles（ActelFPGA）之類的微小單元，F(xiàn)PGA的內(nèi)部單元初始在編程前都是使用的是HDL語言實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)描述。FPGA內(nèi)部的連線資源將這些功能模塊的內(nèi)部和模塊之間的信號連接起來，構(gòu)成較大的模塊。FPGA可以內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ALU，加法器，乘法器，累加器，F(xiàn)IFO，SRAM，DDRcontroller，F(xiàn)FT，HDLC，DMA，PWM等等數(shù)字電路，也就說我們要用其實(shí)現(xiàn)一個特定的或是通用的硬件功能一個或是多個模塊，這些模塊的各個細(xì)節(jié)都要要用HDL來描述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前的FPGA都可以直接內(nèi)嵌諸如ARM7，CoretexM1，Core8051等微處理器，用于FPGA的軟核的，也有的FPGA廠商將一些硬件模塊直接做到FPGA中，這些是FPGA內(nèi)部的硬核。傳統(tǒng)的FPGA都是實(shí)現(xiàn)純數(shù)字電路的，業(yè)界只有Actel的FPGA實(shí)現(xiàn)了數(shù)?；旌系腜SC單芯片技術(shù)，真正的提升和擴(kuò)大了FPGA的應(yīng)用功能和領(lǐng)域。另外多數(shù)FPGA都有PLL，DLL之類的鎖相環(huán)，Slew可調(diào)，Actel的還內(nèi)建了OSC，RTC，Powermanager之類的硬件單元，甚至Actel的Fusion系列還內(nèi)建了600kbps的12bit的ADC以及MOSFETDriver之類模擬接口，內(nèi)部有UserFlashMemeory，F(xiàn)lashROM等資源可以實(shí)現(xiàn)真正的PSC，Bootloader之類的功能?！?br />
DSP主要是算法處理，內(nèi)部資源主要是乘法器，加法器之類的資源，有SPI接口，UART接口，接受一定的指令集，內(nèi)部的資源基本上都是現(xiàn)成的，需要客戶的需要而重新配置，方便于客戶的使用，但是相對來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(nèi)嵌的鎖相環(huán)，計(jì)數(shù)器，Baudrate發(fā)生器，有的DSP也有ADC模擬接口?！?br />
2)使用的編程語言

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

3)功能角度

FPGA普遍用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路模塊，基本上能實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)字電路，傳統(tǒng)的數(shù)字功能模塊，以及客戶產(chǎn)品特定需求的數(shù)字處理模塊。FPGA的IO橋接種類繁多，不同種類的級別的FPGA支持的IO標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議都不盡相同，但是這些IO的驅(qū)動能力或是電壓都是可編程配置的。任何數(shù)字功能電路的實(shí)現(xiàn)，高速信號的處理，控制領(lǐng)域的信號處理，橋轉(zhuǎn)換協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，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(dú)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(shù)據(jù)，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(jī)，GPS之類的移動手持設(shè)備中能發(fā)揮更大的功能應(yīng)用。另外用FPGA實(shí)現(xiàn)ASIC的前期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)DSP的功能，實(shí)現(xiàn)CPU的功能，MCU的功能，內(nèi)存控制器，用于工業(yè)的PWM，SVPWM，Clarke，Park的正逆變換的實(shí)現(xiàn)，VGA控制，數(shù)據(jù)的編解碼，解復(fù)用，高達(dá)上Gbps的信號的處理，協(xié)議的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)等等等等功能，都是DSP難以勝任的?！?br />
DSP內(nèi)部有很多現(xiàn)成的硬件模塊和接口以及控制器，但是需要軟件編程設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)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，至于說上Gbps的信號，LVDS之類的信號就很難以涉及了。所以相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域會有所限制。但是不同的領(lǐng)域客戶的設(shè)計(jì)方案不同，考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，有些領(lǐng)域設(shè)計(jì)者也是愛好使用DSP的，諸如算法實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的處理等等如果換作FPGA來處理那就得不償失?！?br />
FPGA和DSP的區(qū)別還有很多，這里先說一點(diǎn)，希望能起到拋磚引玉的作用。具體的環(huán)境和設(shè)計(jì)方案各有其用武之地，設(shè)計(jì)者要根據(jù)自己的需要來選用。

Q2：在做設(shè)計(jì)之前，如何選擇FPGA呢？　

A2：一般情況下，先針對設(shè)計(jì)，列出您想要實(shí)現(xiàn)的功能，大致畫個功能框圖，然后根據(jù)其功能和系統(tǒng)的要求大致推算出你需要的：

IO需求——可用IO數(shù)量、差分信號對、IO的電平格式等；　

電壓源的需求——系統(tǒng)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(nèi)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(kuò)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(kuò)展？升級是否方便？

價(jià)格的因素。[!--empirenews.page--]

基本就這些，當(dāng)然也可以初步選定一個型號，直接在開發(fā)軟件中對你的程序進(jìn)行編譯、綜合、布局布線等，這樣能清楚地可以看到你的設(shè)計(jì)占用的資源，然后再選擇合適的型號?！?br />
Q3：FPGA對于初學(xué)者來說，應(yīng)該從哪幾個方面入手？　

A3：我建議初學(xué)者首先要理解FPGA的原理，這是基礎(chǔ)，然后設(shè)計(jì)一些小型的代碼，在驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上真正的理解設(shè)計(jì)硬件的思想，那么這樣的話你必然要學(xué)到如何結(jié)合FPGA資源，特點(diǎn)，性能等方面知識的理論才能專心于設(shè)計(jì)代碼上。至于說芯片的設(shè)計(jì)安全也是必然要理解的，不然一個靜電上去就毀掉芯片了，那你的老板肯定要感到Surprised了。設(shè)計(jì)的精髓就是設(shè)計(jì)的思路上的問題了，包括代碼的設(shè)計(jì)技巧，系統(tǒng)要求的功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，多個模塊如何配合的代碼設(shè)計(jì)，后期的驗(yàn)證，調(diào)試，到板級的設(shè)計(jì)調(diào)試等等，要做好FPGA設(shè)計(jì)不同于DSP，軟件設(shè)計(jì)等等，精髓的東西即使現(xiàn)在講給初學(xué)者，他一樣是茫然的，不知道什么是什么，因?yàn)檫@是需要很強(qiáng)的功力才能理解和體會到的。需要時(shí)間需要付出，需要努力吃苦鉆研技術(shù)，更需要成長的路上有良師的指導(dǎo)和同行朋友的交流，需要長期的積累的。到那時(shí)你就是專家了。


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，成本不會增加。因?yàn)锳CTEL的FPGA是單芯片的，所有的編程信息已經(jīng)編程在FPGA內(nèi)部，有了加密選項(xiàng)該信息不會被讀出?！?br />
Q5：作為剛接觸FPGA的初學(xué)者，是否一開始就要深入了解芯片安全設(shè)計(jì)的精髓或者是原理之類的，還是應(yīng)該把重點(diǎn)放在如何設(shè)計(jì)代碼上？

A5：了解FPGA的原理和代碼設(shè)計(jì)，兩者缺一不可。只有了解FPGA的結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計(jì)出更好的代碼；編寫代碼能實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)意圖，最終能熟練地使用FPGA。

Q6：系統(tǒng)中運(yùn)放很多都是閉環(huán)應(yīng)用，但是仿真的時(shí)候經(jīng)常要開環(huán)仿真，可是開環(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(yīng)該是指的FPGA仿真吧，如果是運(yùn)放的話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的仿真來談問題。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，否則這個閉環(huán)還是不會響應(yīng)外界的信號而發(fā)揮其功能的。根據(jù)這個思想我們就要額外設(shè)計(jì)一個或是多個模塊或是叫做模擬出一個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(shè)計(jì)的角度來看就是寫一些Testbench，設(shè)計(jì)FPGA的會使用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足設(shè)計(jì)需要的信號源（Testbench）查看波形，對于自己關(guān)注的節(jié)點(diǎn)或是信號標(biāo)注以特別的名字，我們就能實(shí)現(xiàn)所謂的閉環(huán)仿真了?！?br />
Q7：Actel的設(shè)計(jì)安全保護(hù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全DES和RSA算法有什么聯(lián)系或者是互補(bǔ)的關(guān)聯(lián)？　

A7：ACTEL的設(shè)計(jì)安全是對設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行保密，阻止非法讀取和寫入；而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的DES和RSA是對網(wǎng)絡(luò)上流動的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密/解密。兩者關(guān)系不大?！?br />

Q8：關(guān)于全定制或半定制ASIC方面，是否也有同樣安全設(shè)計(jì)？　

A8：對于全定制的ASIC，一般來說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，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，安全性就會很高。