如何利用 FPGA SoC 實現(xiàn)安全和互聯(lián)的硬實時系統(tǒng)

作者：Jeff Shepard

現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）、支持 Linux 的 RISC-V 微控制器單元 （MCU）子系統(tǒng)、先進的存儲器架構(gòu)和高性能通信接口，是設(shè)計人員的重要工具。對于安全互聯(lián)系統(tǒng)、安全關(guān)鍵型系統(tǒng)，以及人工智能 （AI） 和機器學習 （ML）等各種硬實時確定性系統(tǒng)的設(shè)計人員，更是如此。

然而，將這些不同要素整合成一個安全、互聯(lián)且具確定性的系統(tǒng)可能極具挑戰(zhàn)性且非常耗時，為各種系統(tǒng)要素布設(shè)高速互連器件也是一樣。設(shè)計人員需要提供存儲器管理單元、存儲器保護單元、安全啟動能力以及用于高速連接的千兆級收發(fā)器。設(shè)計將需要活動和靜態(tài)功率管理以及涌流控制。一些設(shè)計要求能夠在
0°C 至 +100°C 結(jié)溫 （TJ） 的擴展商用溫度范圍內(nèi)工作，而工業(yè)環(huán)境中的系統(tǒng)需要在 -40°C 至 +100°C 的 TJ 內(nèi)工作。

為了應(yīng)對這些和其他挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以借助 FPGA 片上系統(tǒng) （SoC）器件，這種器件具備低功耗、熱效率和國防級安全等特點，可實現(xiàn)智能、互聯(lián)、確定性的系統(tǒng)。

本文回顧了此類 FPGA SoC 的架構(gòu)，以及它如何支持高效設(shè)計互聯(lián)確定性系統(tǒng)。隨后，本文簡要介紹了 EEMBC CoreMark-Pro處理能力與功耗基準的關(guān)系，并考察了一款代表性 FPGA SoC 的基準性能。本文探討了如何將安全性植入這些 FPGA SoC，并詳細介紹了 MicrochipTechnology 的典范 FPGA SoC，以及能加速設(shè)計過程的開發(fā)平臺。最后，文中簡要列出了 MikroElektronika的擴展板，這些擴展板可用于實現(xiàn)一系列通信接口和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （GNSS） 定位能力。

用 FPGA 結(jié)構(gòu)構(gòu)建的 SoC

該 SoC 的“芯片”是 FPGA 結(jié)構(gòu)，包含各種系統(tǒng)要素：從 FPGA 到用強化 FPGA 邏輯構(gòu)建的 RISC-V MCU 子系統(tǒng)。MCU子系統(tǒng)包括一個四核 RISC-V MCU 集群、一個 RISC-V 監(jiān)視核心、一個系統(tǒng)控制器和一個確定性 2 級 （L2） 存儲器子系統(tǒng)。這些 SoC 中的FPGA 包含多達 460 K 的邏輯元件、高達 12.7 Gbps 的收發(fā)器以及其他輸入/輸出 （I/O） 模塊，包括通用 I/O （GPIO）和外設(shè)快速互連標準 （PCIe） 2 模塊。整體架構(gòu)設(shè)計可靠。其包括用于所有存儲器的單錯誤校正和雙錯誤檢測 （SECDED）、差分功率分析（DPA）、物理存儲器保護以及 128 Kb 閃存啟動存儲器（圖 1）。

Microchip 提供由第三方工具和設(shè)計資源組成的 Mi-V（發(fā)音為“my five”）生態(tài)系統(tǒng)，以支持 RISC-V
系統(tǒng)的實現(xiàn)。該生態(tài)系統(tǒng)的建立是為了加快 RISC-V 指令集架構(gòu) （ISA） 在強化 RISC-V 內(nèi)核和 RISC-V 軟內(nèi)核中的應(yīng)用。Mi-V生態(tài)系統(tǒng)的要素包括：

知識產(chǎn)權(quán) （IP） 許可證

硬件

操作系統(tǒng)和中間件

調(diào)試器、編譯器和設(shè)計服務(wù)

FPGA SoC 中的強化 RISC-V MCU 包括多種調(diào)試功能，如無源運行時可配置的高級可擴展接口 （AXI） 和指令跟蹤。通過AXI，設(shè)計人員可以監(jiān)控寫入各種存儲器或從中讀取的數(shù)據(jù)，并知道數(shù)據(jù)被寫入或讀取的時間。

RISC-V MCU 子系統(tǒng)采用 5 級單發(fā)射有序流水線。此流水線不易受到 Spectre 或 Meltdown漏洞（可能會導(dǎo)致亂序架構(gòu)遭受攻擊）的影響。所有 5 個 MCU 與存儲器子系統(tǒng)相一致，支持各種確定性非對稱多處理 （AMP） 模式實時系統(tǒng)和Linux。RISC-V 子系統(tǒng)的功能包括（圖 2）：

運行 Linux 和硬實時操作

將 L1 和 L2 配置為確定性存儲器

DDR4 存儲器子系統(tǒng)

禁用/啟用分支預(yù)測器

有序流水線操作

以更低能耗提供更強大處理能力

這些 FPGA SoC 除了系統(tǒng)運行優(yōu)勢（包括支持硬實時處理）之外，還具有非常高的能效。EEMBC CoreMark-PRO 基準測試是比較嵌入式系統(tǒng)中MCU 的效率和性能的一種行業(yè)標準，專門設(shè)計用來衡量硬件性能，并取代 Dhrystone 基準。

CoreMark-PRO 工作負載包括 4 種浮點工作負載和 5 種流行的整數(shù)工作負載，其性能特點、指令級并行和存儲器利用率各不相同。浮點工作負載包括源自LINPACK 的線性代數(shù)例程、快速傅里葉變換、用于模式評估的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及改進版的 Livermore 循環(huán)基準測試。JPEG 壓縮、XML 解析器、ZIP壓縮和 256 位安全哈希函數(shù)算法 （SHA-256） 構(gòu)成整數(shù)工作負載的基礎(chǔ)。

這些 SoC FPGA 的 MPFSO95T 模型，如 MPFS095TL-FCSG536E，可在 1.3 W 下實現(xiàn)高達 6500
Coremarks（圖 3）。

安全考慮

這些 FPGA SoC 的安全關(guān)鍵型和硬實時應(yīng)用除了需要高能效和強大的處理能力外，還需要強大的安全性。這些 FPGA SoC的基本安全功能包括防差分功率分析 （DPA） 的位流編程、真隨機數(shù)發(fā)生器 （TRNG） 和物理不可克隆功能（PUF）。安全功能還包括：標準和用戶自定義的安全啟動；物理存儲器保護，其提供與機器的特權(quán)狀態(tài)相關(guān)的存儲器訪問限制，包括機器、超級用戶或用戶模式；以及免受Meltdown 和 Spectre 攻擊的能力。

安全始于安全的供應(yīng)鏈管理，包括在晶圓測試和封裝期間使用硬件安全模塊 （HSM）。每個 FPGA SoC 中都嵌入了 768 字節(jié)的數(shù)字簽名 x.509FPGA 證書，以增強供應(yīng)鏈的安全保證。

這些 FPGA SoC中包含許多片上防篡改檢測器，以確保其安全可靠地運行。如果檢測到篡改，就會發(fā)出一個篡改標志信號，使系統(tǒng)能夠根據(jù)需要作出響應(yīng)。提供的一些防篡改檢測器包括：

電壓監(jiān)控器

溫度傳感器

時鐘毛刺和時鐘頻率檢測器

JTAG 主動檢測器

Mesh 主動檢測器

256 位高級加密標準 （AES-256） 對稱分組密碼相關(guān)性功耗攻擊 （CPA） 防范措施、確保數(shù)據(jù)完整性的集成加密摘要功能、用于密鑰存儲的集成PUF，以及用于 FPGA 結(jié)構(gòu)和所有片上存儲器的歸零功能，進一步確保了安全性。

FPGA SoC 實例

Microchip Technology 將這些能力和技術(shù)整合到其 PolarFire FPGA SoC 中，這些 SoC提供多種速度等級、溫度等級和不同封裝尺寸，以支持設(shè)計人員對 25 K 至 460 K 邏輯元件的廣泛解決方案需求。有 4 個溫度等級可供選擇（均為 TJ額定值）：0°C 至 +100°C 的擴展商用范圍、-40°C 至 +100°C 的工業(yè)范圍、-40°C 至 +125°C 的汽車范圍和 -55°C 至+125°C 的軍用范圍。

設(shè)計人員可以選擇標準速度等級的器件，或選擇速度快 15% 的 -1 速度級器件。這些 FPGA SoC 可以在 1.0 V電壓下工作以實現(xiàn)最低功耗，或者在 1.05 V 電壓下工作以獲得更高性能。它們提供一系列封裝尺寸，包括 11 x 11 mm、16 x 16 mm 和 19 x19 mm。

對于需要擴展商用溫度范圍、標準速度、254 K 邏輯元件和 19 x 19 mm 封裝的應(yīng)用，設(shè)計人員可以使用
MPFS250T-FCVG484EES。對于需要 23 K 邏輯元件的更簡單解決方案，設(shè)計人員可以使用 MPFS025T-FCVG484E，該元件采用 19 x19 mm 封裝，也能在擴展商用溫度范圍內(nèi)以標準速度工作。具有 254 K 邏輯元件的 MPFS250T-1FCSG536T2專為高性能汽車系統(tǒng)而設(shè)計，其工作溫度范圍為 -40 至 125°C，速度等級為 -1，時鐘速度快 15%，采用緊湊型 16 x 16 mm 封裝，焊球數(shù)為536，間距為 0.5 mm（圖 4）。

FPGA SoC 開發(fā)平臺

為了加快采用 PolarFire FPGA SoC 的系統(tǒng)設(shè)計，Microchip 提供 MPFS-ICICLE-KIT-ES PolarFire SoC
Icicle 套件，其支持探索低功耗實時執(zhí)行、可運行 Linux 的五核 RISC-V 微處理器子系統(tǒng)。該套件包括一個免費的 Libero Silver許可證，能滿足評估設(shè)計需要。它支持單一語言編程和調(diào)試功能。

這些 FPGA SoC 在 VectorBlox 加速器軟件開發(fā)工具包 （SDK） 的支持下，可以實現(xiàn)低功耗、小尺寸的 AI/ML應(yīng)用。該工具包旨在簡化設(shè)計過程，設(shè)計人員事先無需具備 FPGA 設(shè)計經(jīng)驗。VectorBlox 加速器 SDK 使開發(fā)人員可以使用 C/C++語言對高能效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行編程。Icicle 套件提供一個全面的開發(fā)環(huán)境，具備眾多功能，包括：監(jiān)視各種功率域的多軌功率傳感器系統(tǒng)，PCIe 根端口，用于運行Linux 和 Raspberry Pi 的板載存儲器（包括 LPDDR4、QSPI 和 eMMC 閃存），用于一系列有線和無線連接選項的 mikroBUS擴展端口，以及 GNSS 定位能力等功能擴展（圖 5）。

擴展板

mikroBUS 擴展板的幾個例子包括：

MIKROE-986，使用串行外設(shè)接口 （SPI） 增加 CAN 總線連接。

MIKROE-1582，用于 MCU 和 RS-232 總線之間的接口。

MIKROE-989，用于與 RS422/485 通信總線連接。

MIKROE-3144，支持 LTE Cat M1 和 NB1 技術(shù)，實現(xiàn)與 3GPP 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠簡單連接。

MIKROE-2670，支持 GNSS 功能，可同時接收 GPS 和 Galileo 信號以及北斗或 GLONASS
信號，在城市峽谷中信號較弱或有干擾的情況下也能實現(xiàn)高定位精度。

總結(jié)

開發(fā)互聯(lián)、安全關(guān)鍵型和硬實時確定性系統(tǒng)時，設(shè)計人員可以采用 FPGA SoC。FPGA SoC 提供諸多系統(tǒng)要素，包括 FPGA 結(jié)構(gòu)、帶有高性能存儲器的RISC-V MCU子系統(tǒng)、高速通信接口和眾多安全功能。為了幫助設(shè)計人員開始工作，相關(guān)廠商提供了包含所有必要元件的開發(fā)板和環(huán)境，包括可用于實現(xiàn)廣泛通信和定位功能的擴展板。