（电路与系统专业论文）硬件实现aes算法的研究.pdf

中文摘要 无线局域网以其灵活的移动性，运行的低成本性以及强大的可扩展性被广泛 应用。但对于无线局域网来说与其灵活便捷的优势共存的就是安全漏洞这个挥之 不去的阴影。它已经成为阻碍w l a n 进入信息化应用领域的最大障碍。为了解 决这一问题，并结合2 0 0 5 年a l t e r a 公司在全国举办的n i o s 软核处理器设计大赛， 本论文在已有的基于f p g a 混合流水实现a l e s 算法( 1 2 8 位) 的理论基础上设 计出一套嵌入n i o si i 软核的安全无线网络接入点( a p ) 的方案。 该方案选用n i o s i i f 快速型内核及a l t e r a 公司新款c y c l o n e l l 系列芯片。 i e e e 8 2 0 3 物理层采用l a n 9 1 c 1 1 l 网络芯片，i e e e 8 0 2 1 1 物理层预采用i n t e r s i l 公司物理层套片实现。本论文已完成该方案电路原理图设计。该方案已通过预赛 初审，但由于一些实施上的困难和时间的限制，后将i e e e 8 0 2 3 部分去掉由 u s b 2 0 替换，i e e e 8 0 2 1 1 部分由p t r 4 0 0 0 无线收发模块代替。更改后的方案可 对a e s 核心算法模块设计的正确与否进行芯片级验证。 a e s 是分组密钥，算法输入1 2 8 位数据，密钥长度也是1 2 8 位。用n r 表示 对一个数据分组加密的轮数，每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展 密钥的参与。因此，在加密前需要进行密钥扩展运算。本论文着重阐述了a e s 算法密钥扩展部分的理论、实现与时序仿真的方法以及设计结果，该部分设计与 已有的a e s 算法核心模块构成了完整的加密算法实现。最后介绍了应用c y p r e s s 公司的f x 2 系列的5 6 引脚封装的c y 7 c 6 8 0 1 3 - 5 6 芯片进行固件程序设计和应用程 序设计的方法，实现了a e s 加密算法模块并行的数据输入。 关键词：n i o s 、a e s 算法、密钥扩展、u s b 固件编程 a b s t r a c t w l a nw i t hi t sf l e x i b l em o v e n l e n t , l o wc o s ta n dp o w e r f u le x p a n s i b i l i t yi s w i d e l yu s e d h o w e v e r , g o i n gw i t hi t sf a c i l i t y , t h es e c u r i t yl e a kh a sb e c o m e t h es e v e r e p r o b l e m t h es e c u r i t yp r o b l e mr e m a i n e do n l yt h eo b s t a c l ew h e nt h ew l a n w a st o e n t e rt h ea l - e ao fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y t os o l v et h i sp r o b l e m ，t o g e t h e rw i t ht h en i o s s o f tc o r ee m b e d d e dp r o c e s s o rd e s i g nc o n t e s t2 0 0 5 ，t h i sp a p e rw a sg i v e nt h es u b j e c t s e c u r ea c c e s sp o i n tb a s e do nt h eh y b r i dp i p e l i n i n gi m p l e m e n t a t i o no f a e si nt h e f e e d b a c km o d e b a s e do nt h et h e o r yo f h y b r i dp i p e l i n i n gi m p l e m e n t a t i o no f a e si n t h ef e e d b a c km o d e n i o si i f c o r ea n da l t e r a sc y c l o n e i ls e r i e sf p g aw a sc h o s e ni nt h i sa p p l i c a t i o n l a n 9 1 c l l lc h i pw a su s e da si e e e 8 0 2 3p h y s i c a ll a y e r s e r i e sc h i p so f i n t e r s i lc o 。l t d w e r eu s e da si e e e 8 0 2 1 1p h y s i c a ll a y e r t h e r ei sap i e c eo fc i r c u i ts c h e m a t i co ft h i s a p p l i c a t i o ni nt h i st h e s i s t h i ss c h e m e h a dp a s s e df i r s tt r i a la n dh a dg o tt h r o u g ht ot h e t l n a l s b e c a u s eo fs o m ed i f f i c u l t i e s ，t h ei e e e 8 0 2 3p a r tw a sr e p l a c e db yu s b 2 0 ， i e e e 8 0 2 1 1p a r t w a sr e p l a c e d b y p 仃4 0 0 0 w i r e l e s s t r a n s c e i v e r m o d e l a f t e r t h e c h a n g e s ， w h e t h e rt h ea e s a l g o r i t h mi sr i g h to rw r o n gc m b ee a s i l yv e r i f i e do nc h i p s t h ea e s a l g o r i t h mi sak i n do fs y i m n c 目t r i cb l o c kc i p h e r i ts u p p o r t sk e ys i z eo f 1 2 8b i t s t h ed a t ab l o c ki sa l s o1 2 8b i t s t h en u m b e ro fr o u n d s ( n r ) i saf u n c t i o no f t h eb l o c k e v e r yr o u n d1 1 0 0 d sad e r i v a t i o no fr o u n dk e y st h a th a v ek e yl e n g t ho f1 2 8 b i t sa st h eb l o c kc i p h e r s ok e ye x p a n s i o ni sn e e db e f o r ee n c r y p t i o n t h i sp a p e r f o c u s e so nt h et h e o r y , p r o c e s s ，t i m i n gs i m u l a t i o na n dt h er e s u l to f k e ye x p a n s i o n t h e w h o l ea l g o r i t h mi sc o n s i s t e do ft h i sp a r ta n dt h ea e sa l g o r i t h me g ) l em o d e l a tl a s t , b yu s i n g5 6 - p i n sc y 7 c 6 8 0 1 3 - 5 6f x 2 s e r i e su s b c h i po f c y p r e s sc o l t d , t h i sa r t i c l e s h o w st h em e t h o do ft h e 曲n w a r ed e s i g na n dt h ea p p l i c a t i o nt h a ti su s e dt oi n p u tt h e p l a i n t e x t k e y w o r i d s ：n i o s ，a e sa l g o r i t h m ，k e y e x p a n s i o n , u s b f i r m w a r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杆卅午 签字日期： 州年，月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；协琳 导师签名： 躲川”月可日 日 游诗 签字日期：切年2 力 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一耄绪论 1 1 本课题提出的背景及意义 安全性对于无线局域网来说可谓老生常谈，自它诞生之日起，与其灵活便 捷的优势共存的就是安全漏洞这个挥之不去的阴影。据统计，不愿采用无线局域 网的理由中，安全问题高居第一位，达4 0 以上，已经成为阻碍w l a n 进入信 息化应用领域的最大障碍。现有的安全机制由于不能提供足够安全的基础建设模 块，让解决w l a n 安全成本的负担转移到整个w l a n 价值链上的产品制造厂商、 系统集成商和用户，这种不合理的成本转嫁使市场上产生了多种安全安装解决方 案，而最终用户为了能够实施设备厂商提供的多种安全安装方案而不断付出更多 的安全成本。 a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 是美国国家标准与技术研 究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金 融、电信和政府数字信息的方法。在加解密算法的硬件实现中，使用流 水线结构可以显著地提高加密、解密速度，但是由于这类结构并不适合 于大多数的反馈模式，因而此类结构在当前密码学中的应用较少。为此， 本实验室人员采用一种补偿手段，基于交叉c b c ( i n t e r l e a r e dc i p h e r b l o c kc h a i n i n g ) 模式，以混合流水结构成功的实现了a e s 的算法。 本文在基于f p g a 的a e s 算法混合流水实现理论的基础上，结合a l t e r a 公司2 0 0 5 年n i o s 软核嵌入式处理器设计大赛，提出其具体应用，将理 论结合到实际的应用中。其中应用文稿已通过初赛的审查。本文实现了 密钥扩展部分的编码、综合、前后仿真、时序分析以及u s b 2 0 部分的 固件和应用代码。需要指出的是，由于一些原因，在实际科研中并没有 按照参赛文稿的计划实魔，而是在此基础上做了一定改动，具体问题将 在下文中予以讨论。 竞赛应用方案有以下特点： 硬件方面： 1 选用a l t e r a 的c y c l o n e i i 器件，该系列器件成本低，并能很好的支持 n i o si i ：系统时钟5 0 m h z ； 2 支持s r a m 、s d r a m 、f i a s h 存储器； 3 支持u s b 2 0 、1 0 m 1 0 0 m 网络芯片l a n 9 1 c 1 1 1 及p c m c i a 等接口；p c m c i a 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 提供与i e e e 8 0 2 1 1 物理层i n t e r s i l 公司物理层套片的接口； 4 提供j t a ga s 及j t a g 模式接口用于在线调试； 软件方面： 1 选用n i o sh f ：快速型内核，以拥有尽可能高的性能；利用c l i n u x 提供 的t c p i p 网络服务； 2 所用外设( s r a m 、s d r a m 等) 在s o p c - b u i l d e r 中以s l a v e 方式与a v a l o n 总线相连； 3 将a e s 模块( h d l 语言描述) 作为自定义i p 装载入f p g a ，c p u 与外设、 接口及模块间的数据信号的传输采用c 语言实现；其中a e s 部分采用 q u a r t u s i l 4 2 进行编译、综合、适配、时序分析，c 语言部分在n i o s i ii d e 中进行开发、调试。 4 使用s i g n a l t a pi i 嵌入式逻辑分析仪通过j t a g 端口来查看以系统速 率运行的系统内设计节点，从而实现对f p g a 设计内部任何节点的访 问； 5 为输出数据提供实时加密，为输入数据提供实时解密，加解密速度理 论上要求达到5 4 m b p s ； 方案实施过程中，由于种种原因没能按照原先计划进行，而是将几部分更改， 更改后的方案去掉了n i o s 内核，并把8 0 2 3 改用u s b 2 0 ，8 0 2 1 1 改用p t r 4 0 0 0 模块。算法部分选用了a l t c r a 的c y c l o n e 系列芯片。更改的主要目的在于先使用 最简易的方法验证算法模块的正确性。 1 2 方案的提出及意义 有线对等保密( w e p ) 协议的缺陷延缓了无线局域网( 1 】l a n ) 在许多企业内的 应用和普及。无线局域网网络会暴露某个网络，因此，从安全的角度来讲，不能 像核心企业网络而必须像接入网络那样来对待。如果企业用户通过一个局域网交 换中心互相连接，人们就可认为他们已经成为信任用户。 w e p 在接入点和客户端之间以“r c 4 ”方式对分组信息进行加密的技术，密 码很容易被破解。w e p 使用的加密密钥包括收发双方预先确定的4 0 位( 或者1 0 4 位) 通用密钥，和发送方为每个分组信息所确定的2 4 位、被称为i v 密钥的加密 密钥。但是，为了将i v 密钥告诉给通信对象，i v 密钥不经加密就直接嵌入到分 组信息中被发送出去。如果通过无线窃听，收集到包含特定i v 密钥的分组信息 并对其进行解析，那么就连秘密的通用密钥都可能被计算出来。 无线局域网以其灵活的移动性，运行的低成本性以及强大的可扩展性被广泛 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 应用于医院、商店、公司和学校。然而由于无线局域网采用公共的电磁波作为载 体，电磁波能够穿过天花板，玻璃，楼层，砖，墙等物体，因此在一个无线局域 网接入点( a c c e s sp o i n t ) 所服务的区域中任何一个无线客户端都可以接受到此 接入点的电磁波信号，这样就可能包括有网络管理员并不希望其接收数据的客户 端也能接收到数据信号。也就是说正由于采用电磁波来传输信号，非授权用户在 无线局域网中相对于在有线局域网当中，去窃听或干扰信息就来得容易得多，为 了阻止这些非授权用户访问无线网络，帮助堵住无线局域网中的安全漏洞，i e e e 8 0 2 1 i 工作组建立了8 0 2 i i i 任务小组，为8 0 2 1 1 标准开发安全升级。8 0 2 i l i 规定了一个基于“高级加密标准”a e s 加密算法的c c i p ( c o u n t e r 一d e c b c m a c p r o t o c 0 1 ) 数据加密模式c c m p ，以实施更强大的加密和信息完整性检查。本文对 无线局域网空中部分数据安全进行了一系列设计工作，如图1 - l 所示。 昼 、h 昼 章法介 者 图1 - 1a p 中存在的不安全隐患 考虑采用在a p 内部，将数据加密( 采用混合流水a e s 算法) 后再发送给远 端接收者。这样保证了空中的数据( 密文) 即使中途被窃取也无法被破译。而合 法的接收端采取相应的解密算法便可以恢复出数据明文。这里所提到的加解密算 法的混合流水实现是本实验室人员潜心研究出的基于交叉c b c 模式以混合流水 结构实现的a e s 算法( 1 2 8 位的加密方式) 。算法的理论部分已有论文被e i 检索 ( 题目为：h y b r i dp i p e l i n i n gi m p l e m e n t a t i o no fa e si nt h ef e e d b a c km o d e b a s e do nc p l d f p g a ) 。本设计在军用、民用领域前景广阔。如：军事、公安的 流动网络，银行储蓄所，公司内涉及到商业机密的部门等。 一般的a p 中含有嵌入式微处理器，但该类型处理相对于通用c p u 来说运算 能力极低，不能满足i e e e 8 0 2 1 l a 中5 4 m b p s 的要求。因此，在a p 中要想达到 5 4 硼o p s 的a e s 加解密速度，宜采用f p g a 硬件。再者，由于无线网络中新的规范、 标准层出不穷，利用传统方法设计的产品，即使通过固件升级，也很难符合新标 准的要求。比如，基于w e p 的传统无线网络产品，就无法支持a e s 等新的加密算 法。而n i o s 却很好的解决了这个问题，并且大大降低了成本，节省了宝贵的研 发时间。与此同时，n i o s 处理器为c l i n u x 提供了良好的支持。在软件设计时， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可以很方便的利用c l i n u x 强大的网络支持，快速开发。 在一般a p 功能的基础上添加了a e s 数据加密解密功能。无线接入点a p 的数 据转发流程主要完成无线局域网和以态网之间的数据帧的协议处理和格式转换。 如果数据帧由i e e e8 0 2 1 1 无线局域网通过a p 进入i e e e8 0 2 3 以太网，则首先 从8 0 2 1 1p h y 接收数据比特流，经过i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议进行数据帧的分析处 理得到m a c 协议数据单元( m p d u ) 密文，然后交给加密解密模块进行解密处理 恢复m p d u 明文，再经过i e e e 8 0 2 3i i a c 协议进行数据帧的封装并通过以太网物 理层发送到有线信道中。如果数据帧由i e e e 8 0 2 3 以太网通过a p 进入i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网，则首先从以太网接收数据比特流，经过i e e e 8 0 2 3m a c 协议进行数 据帧的分析处理得到以太网数据帧，然后交给加密解密模块得到m a c 服务数据 单元( m s 叫) 密文，再经过i e e e8 0 2 。1 1k l a c 协议进行数据帧的封装通过无线物 理层发到无线信道中。因此，a p 的加密解密方案要在i e e e8 0 2 1 1m a c 层内部 实现。 如图卜3 ，i e e e 8 0 2 1 1 物理层采用i n t e r s i l 公司的物理层套片来实现。i e e e 8 0 2 3m a c 协议已有a l t e r a 公司的i p 可以实现，因此设计的关键在于加密解 密模块和i e e e8 0 2 1 1m a c 层的软件实现。i e e e8 0 2 1 1m a c 层实现模块框图见 图卜2 m 。 姒c 麟口控制 发送模块 8愈 接牧模块 生j 哟i p d u 、加密 | p i ) u 处理、搜送c t s 和 c k a 0 b 口【j 管理胍功燃队列 帧组装、解密 劣 菠 删 口 藩 捌0 溢 刿 发送i p d i i i l p d i t 过滤 错 粤 西 b口 i p d u 帧校验，发送 接收i p l ) o o 口 8 物理层 图卜2 i e e e8 0 2 1 1m a c 层模块框图”1 在此基础上，经过努力已将该方案的电路原理图设计成功，采用的是自底向 上的方法，这里只简单介绍项层图，如图卜4 所示： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究与应用现状 美国早在1 9 7 7 年就制定了自己的数据加密标准( 一种分组密码) ，但除了公 布具体的算法之外，从来不公布详细的设计规则和方法。随着美国的数据加密标 准的出现，人们对分组密码展开了深入的研究和讨论，设计了大量的分组密码， 给出了一系列的评测准则，其他国家，如日本和苏联也纷纷提出了自己的数据加 密标准。但在这些分组密码中能被人们普遍接受和认可的算法却寥寥无几。何况 一些好的算法已经被攻破或已经不适用于技术的发展要求。比如美国的数据加密 标准已经于1 9 9 7 年6 月1 7 日被攻破。美国从1 9 9 7 年1 月起，正在征集、制定 和评估新一代数据加密标准( 称作a e s ) ，大约于2 0 0 1 年出台，目前正处于讨论 和评估之中。a e s 活动使得国际上又掀起了一次研究分组密码的新高潮。继美国 征集a e s 活动之后，欧洲和日本也不甘落后启动了相关标准的征集和制定工作， 看起来比美国更宏伟。同时国外比如美国为适应技术发展的需求也加快了其他密 码标准的更新，比如s h a 一1 和f i p s l 4 0 - 1 。我国目前的做法是针对每个或每一类 安全产品需要开发所用的算法，而且算法和源代码都不公开，这样一来，算法的 需求量相对就比较大，继而带来了兼容性、互操作性等问题。 图卜3 模块框图 - 5 ；兹溉； l 1 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜4参赛方案电路原理图顶层图 一6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 国外目前不仅在密码基础理论方面的研究做的很好，而且在实际应用方面也 做的非常好。制定了一系列的密码标准，特别规范。算法的征集和讨论都已经公 开化，但密码技术作为一种关键技术，各国都不会放弃自主权和控制权，都在争 夺霸权地位。美国这次征集a e s 的活动就充分体现了这一点，欧洲和日本就不愿 意袖手旁观，他们也采取了相应的措施，其计划比美国更宏大，投资力度更大。 我国在密码基础理论的某些方面的研究做的很好，但在实际应用方面与国外的差 距较大，没有自己的标准，也不规范。 1 4 论文的主要任务及内容 在前期，围绕竞赛规则，对现有产品进行了充分的调研，现场勘查了同类产 品，并对国内外的多种解决方案进行了比较。以美国m o t o r o l a 为代表的相关产 品，其经过多年发展，已有较成熟的产品，但这些产品价格昂贵，并没有提到安 全性相关措施，而国内该领域产品更是寥寥无几。因此在详细分析了系统总体需 求的基础上，融入了本实验室人员研究出的混合流水结构实现a e s 的算法 后，提出了自己的总体设计构想。并得到了竞赛组织的认可。 该课题要达到以下的设计目标。 实时性：a e s 核心算法模块要达到5 4 m b p s 的加解密的速度。这个实 际上已经做到，但以此为基础，根据以前试验的结果，密钥扩展的速度 要达到2 7 m b p s 才可以配合加解密模块使用。 易实现性：由于采用了1 2 8 位加密算法，输入、输出核心模块的数 据都是1 2 8 位的，这意味着如果直接用芯片验证算法的正确性就需要将 近4 0 0 个引脚，而现有的开发板上的芯片可用引脚不足2 0 0 个，因此， 需要一种方案能够达到用尽量少的引脚资源实现硬件验证的耳的。 由于竞赛所提方案在实施过程中遇到了一些困难，所以对原先的方案进行了 改进。此后，将详细具体介绍改进后的方案及实现方法。本人主要完成了a e s 算 法中的密钥扩展部分，还提出了一种可行的硬件验证方法，并在此基础上，完成 了u s b 2 0 芯片的固件及上位机编程，实现了计算机与f p g a 之间的数据传送。 本文的主要内容安排如下： 第一章，介绍了a e s 算法的概念，结合2 0 0 5 年a l t e r a 公司在全国举办的 n i o s 软核嵌入式处理器设计大赛，提出一种基于a e s 算法混合流水实现的安全 无线网络接入点设计的方案。 第二章，简要介绍了本课题所用到的软件资源及使用方法，硬件开发平台资 天津大学硕士学位论文第一章绪论 源，主要芯片相关参数、特性。 第三章，介绍了 e s 算法原理、实现结构，描述了算法中密钥扩展部分的实 现过程、结构。 第四章，详细介绍了密钥扩展各部分模块的实现、仿真及结果。 第五章，介绍了u s b 2 0 部分的设计。包括：芯片结构、特性；u s b 固件程 序开发；u s b 应用程序开发。 第六章，对全文进行总结。 天津大学硕士学位论文第二章系统软硬件介绍 第二章系统软硬件介绍 2 1o u a r t u si i 开发软件简介 a l t e r a 公司的o u a r t u s i i 软件提供了可编程片上系统( s o p c ) 设计的一个综合 开发环境，是进行s o p c 设计的基础。q u a r t u s i i 集成环境包括以下内容：系统级 设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件( p l d ) 设计，综合，布局和布线，验 证和仿真。 此外，o u a r t u s 软件允许用户在设计流程的每个阶段使用o u a r t u s 图形用 户界面、e d a3 - 具界面或命令行界面。在整个设计流程中可以使用这些界面中的 一个，也可以在不同的设计阶段使用不同的界面。嘲 2 1 1q u a r t u si i 软件的主要设计特性 a l t e r a 技术领先的o u a r t u sl i 设计配合一系列可供客户选择的i p 核，可使 设计人员在开发和推出f p g a 、c p l d 和结构化a s i c 设计的同时。获得无与伦比的 设计性能、一流的易用性以及最短的市场推出时间。这是设计人员首次将f p g a 移植到结构化a s i c 中，能够对移植以后的性能和功耗进行准确的估算。“1 o u a r t u si i 软件支持v h d l 和v e r i l o g 硬件描述语言( h d l ) 的设计输入、基于 图形的设计输入方式以及集成系统级设计工具。q u a r t u s1 1 软件可以将设计、综 合、布局和布线以及系统的验证全部都整合到一个无缝的环境之中，其中还包括 和第三方e d a 工具的接口。 1 、基于模块的设计方法提高工作效率 2 、更快集成i p 3 、在设计周期的早期对i o 引脚进行分配和确认 4 、存储器编译器 5 、支持c p l d 、f p g a 和基于h a r d c o p y 的a s i c 6 、使用全新的命令行和脚本语言功能自动化设计流程 天津大学硕士学位论文 第二章系统软硬件介绍 2 1 2s i g n a i l a p i i 嵌入式逻辑分析仪的使用 随着f p g a 设计任务复杂性的不断提高，f p g a 设计调试工作的难度也越来越 大，在设计验证中投入的时间和花费也会不断增加。为了让产品更快投入市场， 设计者必须尽可能减少设计验证时间，这就需要一套功能强大的且容易使用的验 证工具。a l t e r as i g n a l t a p i i 逻辑分析仪可以用来对a l t e r af p g a 内部信号状态 进行评估，帮助设计者很快发现设计中存在问题的原因。 q u a r t u s i i 软件中的s i g n a l t a p i i 逻辑分析仪是非插入式的，可升级，易于操 作且对q u a r t u si i 用户免费。s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪允许设计者在设计中用探 针的方式探察内部信号状态，帮助设计者调试f p g a 设计。 s i g n a l t a p i i 逻辑分析仪支持下面的器件系列：s t r a t i x i i 、s t r a t i x 、s t r a t i x g x ，c y c l o n e i i ，c y c l o n e ，a p e x i i ，a p e x 2 0 k e ，a p e x 2 0 k c ，a p e x 2 0 k 、e x c a l i b u r 和m e r c u r y 。 2 1 3s o p ob u 1 d e r 开发工具简介 s o p c ( s y s t e mo nf lp r o g r a m a b l ec h i p ) 是指用可编程逻辑技术把整个系统放 到一块硅片上。它是一种特殊的嵌入式系统。一方面，它是片上系统( s o c ) ，即 由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；另一方面，它是可编程系统，具有灵 活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。这项 技术将e d a 、计算机设计、嵌入式系统、工业自动控制系统、d s p 及数字通信系 统等技术融为一体。s o p c 结合了s o c 和p l d 、f p g a 各自的优点，一般具备以下 基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核： 具有小容量片内高速r a m 资源； 丰富的i pc o r e 资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 可包含部分可编程模拟电路； 单芯片，低功耗，微封装； s o p c b u i l d e r 是a l t e r a 公司推出的一种可加快在p l d 内实现嵌入式处理器 相关设计的工具。它是一个革命性的系统级开发工具，其功能与p c 应用程序中 的“引导摸板”类似，旨在提高设计者的效率。设计者可确定所需要的处理器模 块和参数，并据此创建一个处理器的完整存储器映射。设计者还可以选择所需的 i p 外围电路，如存储器控制器、i o 控制器和定时器等模块。 天津大学硕士学位论文 第二章系统软硬件介绍 s o p cb u i l d e r 可以快速地开发定制新方案，重建已经存在的方案，并为其 添加新的功能，提高系统的性能。通过自动集成系统组件，s o p cb u i l d e r 允许 用户将工作的重点集中到系统级的需求上，而不是从事把一系列的组件装配在一 起这种普通的、手工的工作。所有版本的a l t e r aq u a r t u s i i 的设计软件都已经 包含了s o p cb u i l d e r 。设计者采用s o p cb u i l d e r ，能够在一个工具内定义一个 从硬件到软件的完整系统，而花费的时间仅仅是传统s o c 设计的几分之。 s o p cb u l l d e r 库中已有的组件包括： 处理器：包括片内处理器和片外处理器的接口。 i p 及外设；包括通用的微控制器外设，通信外设，多种接口( 存储器接 口、桥接口、a s i c ) ，数字信号处理( d s p ) i p 和硬件加速外设。” 2 2 开发板简介 这套开发板主要是面向f p g a 的设计人员，或者对f p g a 开发感兴趣的爱好 者。所以，设计本着简单实用，扩展性好的原则，特别适合个人学习。也可以作 为产品开发的原型验证板或者i c 前端设计验证板。同时，这套开发板也提供了 一个s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m i n gc h i p ) 平台，可以实现嵌入式的软c p u ，如 n i o s i i ，o p e nr i s c 等，为嵌入式电子产品设计提供了又一种选择。开发板布 局图如图2 - 1 所示“1 ： 图2 - i开发板布局图 2 2 1 主要的器件和特性 1 5 万门( 可升级为3 0 万门) a l t e r ac y c l o n e 系列f p g a 采用p q 2 4 0 表面贴封装( e p l c 6 0 2 4 0 c 8 或e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 ) 。 天津大学硕士学位论文 第二章系统软硬件介绍 表2 1 开发板c y c l o n e 芯片介绍 芯片特性 e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 l e s1 2 0 6 0 m 4 kr a mb l o c k ( 1 2 8 x3 6 b i t )5 2 t o t a ir a m 引t s 2 3 9 ，6 1 6 p l l s2 m a x i m u mu s e ri o sp i n s1 7 3 支持e p c s i 和e p c s 4 其中e p c s l 可以配置e p l c 6 ，e p c s 4 可以配置e p i c l 2 u s b 2 0 高速数据接口 采用了应用广泛，性能稳定的c y p r e s s 公司c y 6 8 0 1 3 芯片实现了u s b 接口的 扩展，能够与计算机之间实现高速的数据传递； l c d 接口 标准的字符型液晶模块接口； 功能扩展接口 通过相应的扩展板，可以实现v i d e o ，a u d i o 和w i r e l e s s 等应用。用户也可 以开发自己定义的接口板。 2 3c y c l o n e 器件简介 a l t e r ac y c l o n e 组件系列是有史以来成本最低的f p g a 。c y c l o n e 组件只有 相当的竞争f p g a 产品成本的一半，是大批量使用在价格上的最佳选择，它们的 前身都是采用诸如门阵列或标准单元等解决方案。“州“3 2 3 1 特性和封装 c y c l o n e 器件具有如下特性( 参见表2 2 ) ； 2 9 1 0 2 0 0 6 0 个逻辑单元( l e ) ； 多达2 9 4 1 2 位r a m ( 3 6 8 6 4 b ) ； 支持低成本串行配置器件( e p c s i 或e p c s 4 ) 配置； 支持l v t t l 、l v c m o s 、s s t l - 2 和s s t l _ 3i o 标准； 支持6 6 m h z3 2 位p c i 标准和高速( 3 1 1 m b s ) l v d s ； 天津大学硕士学位论文第二章系统软硬件介绍 两个p l l 提供时钟倍频和相移； 多达八个全局时钟线，每个逻辑阵列块( l a b ) 可利用六个时钟资源； 支持d d rs d r _ i ( 1 3 3 姗z ) 、f c r a m 和单数据速率( s d r ) s d r a m ； 支持知识产权( i p ) 核，包含a l t e r am e g a c o r e 函数核a m p pm e g a 函数。 表2 - 2c y c l o n e 器件特性 特性 e p i c 3e p i c 6e p i c l 2e p i c 2 0 逻辑单元( l e )2 9 1 0 5 9 8 01 2 0 6 02 0 0 6 0 m 4 kr a m 块( 1 2 8 3 6 位)1 32 05 26 4 总r a m 位 5 9 9 0 49 2 1 6 02 3 9 6 1 62 9 4 9 1 2 锁相环( p l l )1 222 最大用户i o g l 脚 1 0 41 8 52 4 93 0 1 2 3 2 器件配置 c y c l o n e 器件中的逻辑电路和相互连接使用的c m o ss r a m 配置单元，系统上电 时，必须用保存在a l t e r a 配置器件内的或系统控制器提供的配置数据对c y c l o n e 器件进行配置。 c y c l o n e 器件的优化接口允许在用新的低成本串行配置器件构成的主动串行 配置电路中将器件作为配置控制器使用。串行配置器件可以通过b y t e b l a s t e r i i 下载电缆、a l t e r a 编程装置( a p u ) 或第三方编程器进行编程。 除了新的低成本串行配置器件，a l t e r a 还提供在系统编程( i s p ) 配置器件， 用串行数据流配置c y c l o n e 器件。接口也允许微处理器将c y c l o n e 器件作为存储 器，通过写虚拟存储器配置c y c l o n e 器件，使重配置更加容易。 2 3 2 1 工作方式 c y c l o n e 器件使用s r a m 配置单元，每次加电时需要加载配置数据。将s r a m 数 据加载到器件的过程称作配置。在配置之后立即进行的初始化期间，器件复位寄 存器，允许i o 引脚，并作为逻辑器件开始工作。配置和初始化过程合在一起称 作命令方式，正常的器件工作称作用户方式。 s r a m 配置单元允许c y c l o n e 器件通过加载新的配置数据进行在线重配置。实 时重配置时，用一个器件引脚强迫器件进入命令方式。配置过程加载不同的配置 数据，重新初始化器件，并重新进入用户方式。设计者可以通过在系统内部或远 程提供新的配置文件完成系统野外升级。 天津大学硕士学位论文第二章系统软硬件介绍 器件内装的上拉电阻在器件配置前和配置期间将所有用户i 0 引脚上拉到 v 晶o 。配置引脚支持1 5 v 1 8 v 或2 5 v 3 3 vi o 标准，配置输出引脚的电平值 取决于引脚所在组的v 晶o ，配置输入是1 5 v 、1 8 v 、2 5 v 或3 3 v 兼容。 2 3 2 2 配置电路 按表2 3 所示的三种配置电路加载c y c l o n e 器件配置数据，用配置器件、智 能控制器或j t a g 端口配置c y c l o n e 器件。 表2 - 3 配置数据源 峪眈【1 o 】 配置电路数据源 0 0 主动串行( a s )低成本串行配置器件e p c s l 或e p c s 4 0 1 被动串行( p s )e p c 2 配置器件、m a s t e r b l a s t e r b y t e b l a s t e r m v 下 载电缆或串行数据源 1 0 或1 1 f f t a gm a s t e r b l a s t e r b y t e b l a s t e r m v 下载电缆或微处 理器，j a m 或j b c 文件 低成本的串行配置器件可以在系统上电时自动配置c y c l o n e 器件。通过连接每个 器件上的配置允许( n c e ) 和配置允许输出( n c e 0 ) 引脚可以配置多个c y c l o n e 器件。 2 3 2 3 串行配置器件 基于s r a m 的c y c l o n e 器件在每次系统初始化或需要更新配置时必须重装配 置数据。串行配置器件时具有串行接口的f l a s h 存储器件，可以存储c y c l o n e 器件 的配置数据，并在上电或重新配置时将配置数据重新载入至u c y c l o n e 器件。 特性和使用 串行配置器件具有以下特性： 串行配置c y c l o n e 器件的l g o i t s ( e p c s l ) 和4 f o i t s ( e p c s 4 ) f l a s h 存储器件； 低成本、低引脚数和非易失性存储器； 配置电流小，等待状态电流接近零，3 3 v i 作； 易于使用的4 7 1 脚接口，8 7 1 脚小轮廓集成电路( s o i c ) 封装； 允许n i o s 处理器通过主动串行( a s ) 存储器接口存取未用的f l a s h 存储器。 多于1 0 万次的擦除编程的可重编程存储器。 支持b y t e b l a s t e r i i 下载电缆编程。 天津大学硕士学位论文 第二章系统软硬件介绍 支持a l t e r a 编程单元( a p u ) 编程和b pm i c r o s y s y t e m s 及其他供应商的编程硬 件。 软件设计支持a l t e r aq u a r t u su 开发系统。 提供存储器阵列擦除( 所有位设置为1 ) 。 串行配置器件用来配置c y c l o n e 器件，不能配置其它已有的器件系列。使用新的 数据压缩特性，可以用小容量的串行配置器件配置大容量的c y c l o n e 器件。 c y c l o n e 器件配置文件容量和使用的串行配置器件如表2 4 所示。 表2 4c y c l o n e 器件串行配置器件 c y c l o n e 器件配置文件大小( m b i t s ) 串行配置器件 e p c s l ( 1 枷o i t s ) 班，c s 4 ( 4 助i t s ) e p l c 30 6 2 8 e p l c 6 1 _ 1 6 7 e p l c l 22 3 2 4 e p l c 2 03 5 5 9 在q u a r t u si i 中使用数据压缩特性的方法是：在a s s i g n m e n t s ( 分配) 菜单中选择 d e v i c e ( 器件) ，在s e t t i n g s ( 设置) 对话框的d e v i c e ( 器件) 页单击d e v i c e & p i n o p t i o n s ( 器件和引脚选项) 按钮，在d e v i c e & p i n0 p t i o n s ( 器件和引脚选项) 对 话框的g e n e r a l 页面选中g e n e r a t e