如何利用 FPGA SoC 实现安全和互联的硬实时系统
作者：jeff shepard
现场可编程门阵列 （fpga）、支持 linux 的 risc-v 微控制器单元 （mcu）子系统、先进的存储器架构和高性能通信接口，是设计人员的重要工具。对于安全互联系统、安全关键型系统，以及人工智能 （ai） 和机器学习 （ml）等各种硬实时确定性系统的设计人员，更是如此。
然而，将这些不同要素整合成一个安全、互联且具确定性的系统可能极具挑战性且非常耗时，为各种系统要素布设高速互连器件也是一样。设计人员需要提供存储器管理单元、存储器保护单元、安全启动能力以及用于高速连接的千兆级收发器。设计将需要活动和静态功率管理以及涌流控制。一些设计要求能够在
0°c 至 +100°c 结温 （tj） 的扩展商用温度范围内工作，而工业环境中的系统需要在 -40°c 至 +100°c 的 tj 内工作。
为了应对这些和其他挑战，设计人员可以借助 fpga 片上系统 （soc）器件，这种器件具备低功耗、热效率和国防级安全等特点，可实现智能、互联、确定性的系统。
本文回顾了此类 fpga soc 的架构，以及它如何支持高效设计互联确定性系统。随后，本文简要介绍了 eembc coremark-pro处理能力与功耗基准的关系，并考察了一款代表性 fpga soc 的基准性能。本文探讨了如何将安全性植入这些 fpga soc，并详细介绍了 microchiptechnology 的典范 fpga soc，以及能加速设计过程的开发平台。最后，文中简要列出了 mikroelektronika的扩展板，这些扩展板可用于实现一系列通信接口和全球卫星导航系统 （gnss） 定位能力。
用 fpga 结构构建的 soc
该 soc 的“芯片”是 fpga 结构，包含各种系统要素：从 fpga 到用强化 fpga 逻辑构建的 risc-v mcu 子系统。mcu子系统包括一个四核 risc-v mcu 集群、一个 risc-v 监视核心、一个系统控制器和一个确定性 2 级 （l2） 存储器子系统。这些 soc 中的fpga 包含多达 460 k 的逻辑元件、高达 12.7 gbps 的收发器以及其他输入/输出 （i/o） 模块，包括通用 i/o （gpio）和外设快速互连标准 （pcie） 2 模块。整体架构设计可靠。其包括用于所有存储器的单错误校正和双错误检测 （secded）、差分功率分析（dpa）、物理存储器保护以及 128 kb 闪存启动存储器（图 1）。
microchip 提供由第三方工具和设计资源组成的 mi-v（发音为“my five”）生态系统，以支持 risc-v
系统的实现。该生态系统的建立是为了加快 risc-v 指令集架构 （isa） 在强化 risc-v 内核和 risc-v 软内核中的应用。mi-v生态系统的要素包括：
知识产权 （ip） 许可证
硬件
操作系统和中间件
调试器、编译器和设计服务
fpga soc 中的强化 risc-v mcu 包括多种调试功能，如无源运行时可配置的高级可扩展接口 （axi） 和指令跟踪。通过axi，设计人员可以监控写入各种存储器或从中读取的数据，并知道数据被写入或读取的时间。
risc-v mcu 子系统采用 5 级单发射有序流水线。此流水线不易受到 spectre 或 meltdown漏洞（可能会导致乱序架构遭受攻击）的影响。所有 5 个 mcu 与存储器子系统相一致，支持各种确定性非对称多处理 （amp） 模式实时系统和linux。risc-v 子系统的功能包括（图 2）：
运行 linux 和硬实时操作
将 l1 和 l2 配置为确定性存储器
ddr4 存储器子系统
禁用/启用分支预测器
有序流水线操作
以更低能耗提供更强大处理能力
这些 fpga soc 除了系统运行优势（包括支持硬实时处理）之外，还具有非常高的能效。eembc coremark-pro 基准测试是比较嵌入式系统中mcu 的效率和性能的一种行业标准，专门设计用来衡量硬件性能，并取代 dhrystone 基准。
coremark-pro 工作负载包括 4 种浮点工作负载和 5 种流行的整数工作负载，其性能特点、指令级并行和存储器利用率各不相同。浮点工作负载包括源自linpack 的线性代数例程、快速傅里叶变换、用于模式评估的神经网络算法以及改进版的 livermore 循环基准测试。jpeg 压缩、xml 解析器、zip压缩和 256 位安全哈希函数算法 （sha-256） 构成整数工作负载的基础。
这些 soc fpga 的 mpfso95t 模型，如 mpfs095tl-fcsg536e，可在 1.3 w 下实现高达 6500
coremarks（图 3）。
安全考虑
这些 fpga soc 的安全关键型和硬实时应用除了需要高能效和强大的处理能力外，还需要强大的安全性。这些 fpga soc的基本安全功能包括防差分功率分析 （dpa） 的位流编程、真随机数发生器 （trng） 和物理不可克隆功能（puf）。安全功能还包括：标准和用户自定义的安全启动；物理存储器保护，其提供与机器的特权状态相关的存储器访问限制，包括机器、超级用户或用户模式；以及免受meltdown 和 spectre 攻击的能力。
安全始于安全的供应链管理，包括在晶圆测试和封装期间使用硬件安全模块 （hsm）。每个 fpga soc 中都嵌入了 768 字节的数字签名 x.509fpga 证书，以增强供应链的安全保证。
这些 fpga soc中包含许多片上防篡改检测器，以确保其安全可靠地运行。如果检测到篡改，就会发出一个篡改标志信号，使系统能够根据需要作出响应。提供的一些防篡改检测器包括：
电压监控器
温度传感器
时钟毛刺和时钟频率检测器
jtag 主动检测器
mesh 主动检测器
256 位高级加密标准 （aes-256） 对称分组密码相关性功耗攻击 （cpa） 防范措施、确保数据完整性的集成加密摘要功能、用于密钥存储的集成puf，以及用于 fpga 结构和所有片上存储器的归零功能，进一步确保了安全性。
fpga soc 实例
microchip technology 将这些能力和技术整合到其 polarfire fpga soc 中，这些 soc提供多种速度等级、温度等级和不同封装尺寸，以支持设计人员对 25 k 至 460 k 逻辑元件的广泛解决方案需求。有 4 个温度等级可供选择（均为 tj额定值）：0°c 至 +100°c 的扩展商用范围、-40°c 至 +100°c 的工业范围、-40°c 至 +125°c 的汽车范围和 -55°c 至+125°c 的军用范围。
设计人员可以选择标准速度等级的器件，或选择速度快 15% 的 -1 速度级器件。这些 fpga soc 可以在 1.0 v电压下工作以实现最低功耗，或者在 1.05 v 电压下工作以获得更高性能。它们提供一系列封装尺寸，包括 11 x 11 mm、16 x 16 mm 和 19 x19 mm。
对于需要扩展商用温度范围、标准速度、254 k 逻辑元件和 19 x 19 mm 封装的应用，设计人员可以使用
mpfs250t-fcvg484ees。对于需要 23 k 逻辑元件的更简单解决方案，设计人员可以使用 mpfs025t-fcvg484e，该元件采用 19 x19 mm 封装，也能在扩展商用温度范围内以标准速度工作。具有 254 k 逻辑元件的 mpfs250t-1fcsg536t2专为高性能汽车系统而设计，其工作温度范围为 -40 至 125°c，速度等级为 -1，时钟速度快 15%，采用紧凑型 16 x 16 mm 封装，焊球数为536，间距为 0.5 mm（图 4）。
fpga soc 开发平台
为了加快采用 polarfire fpga soc 的系统设计，microchip 提供 mpfs-icicle-kit-es polarfire soc
icicle 套件，其支持探索低功耗实时执行、可运行 linux 的五核 risc-v 微处理器子系统。该套件包括一个免费的 libero silver许可证，能满足评估设计需要。它支持单一语言编程和调试功能。
这些 fpga soc 在 vectorblox 加速器软件开发工具包 （sdk） 的支持下，可以实现低功耗、小尺寸的 ai/ml应用。该工具包旨在简化设计过程，设计人员事先无需具备 fpga 设计经验。vectorblox 加速器 sdk 使开发人员可以使用 c/c++语言对高能效神经网络进行编程。icicle 套件提供一个全面的开发环境，具备众多功能，包括：监视各种功率域的多轨功率传感器系统，pcie 根端口，用于运行linux 和 raspberry pi 的板载存储器（包括 lpddr4、qspi 和 emmc 闪存），用于一系列有线和无线连接选项的 mikrobus扩展端口，以及 gnss 定位能力等功能扩展（图 5）。
扩展板
mikrobus 扩展板的几个例子包括：
mikroe-986，使用串行外设接口 （spi） 增加 can 总线连接。
mikroe-1582，用于 mcu 和 rs-232 总线之间的接口。
mikroe-989，用于与 rs422/485 通信总线连接。
mikroe-3144，支持 lte cat m1 和 nb1 技术，实现与 3gpp 物联网设备的可靠简单连接。
mikroe-2670，支持 gnss 功能，可同时接收 gps 和 galileo 信号以及北斗或 glonass
信号，在城市峡谷中信号较弱或有干扰的情况下也能实现高定位精度。
总结
开发互联、安全关键型和硬实时确定性系统时，设计人员可以采用 fpga soc。fpga soc 提供诸多系统要素，包括 fpga 结构、带有高性能存储器的risc-v mcu子系统、高速通信接口和众多安全功能。为了帮助设计人员开始工作，相关厂商提供了包含所有必要元件的开发板和环境，包括可用于实现广泛通信和定位功能的扩展板。
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然而，将这些不同要素整合成一个安全、互联且具确定性的系统可能极具挑战性且非常耗时，为各种系统要素布设高速互连器件也是一样。设计人员需要提供存储器管理单元、存储器保护单元、安全启动能力以及用于高速连接的千兆级收发器。设计将需要活动和静态功率管理以及涌流控制。一些设计要求能够在
0°c 至 +100°c 结温 （tj） 的扩展商用温度范围内工作，而工业环境中的系统需要在 -40°c 至 +100°c 的 tj 内工作。
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本文回顾了此类 fpga soc 的架构，以及它如何支持高效设计互联确定性系统。随后，本文简要介绍了 eembc coremark-pro处理能力与功耗基准的关系，并考察了一款代表性 fpga soc 的基准性能。本文探讨了如何将安全性植入这些 fpga soc，并详细介绍了 microchiptechnology 的典范 fpga soc，以及能加速设计过程的开发平台。最后，文中简要列出了 mikroelektronika的扩展板，这些扩展板可用于实现一系列通信接口和全球卫星导航系统 （gnss） 定位能力。
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系统的实现。该生态系统的建立是为了加快 risc-v 指令集架构 （isa） 在强化 risc-v 内核和 risc-v 软内核中的应用。mi-v生态系统的要素包括：
知识产权 （ip） 许可证
硬件
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运行 linux 和硬实时操作
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安全始于安全的供应链管理，包括在晶圆测试和封装期间使用硬件安全模块 （hsm）。每个 fpga soc 中都嵌入了 768 字节的数字签名 x.509fpga 证书，以增强供应链的安全保证。
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fpga soc 实例
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对于需要扩展商用温度范围、标准速度、254 k 逻辑元件和 19 x 19 mm 封装的应用，设计人员可以使用
mpfs250t-fcvg484ees。对于需要 23 k 逻辑元件的更简单解决方案，设计人员可以使用 mpfs025t-fcvg484e，该元件采用 19 x19 mm 封装，也能在扩展商用温度范围内以标准速度工作。具有 254 k 逻辑元件的 mpfs250t-1fcsg536t2专为高性能汽车系统而设计，其工作温度范围为 -40 至 125°c，速度等级为 -1，时钟速度快 15%，采用紧凑型 16 x 16 mm 封装，焊球数为536，间距为 0.5 mm（图 4）。
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扩展板
mikrobus 扩展板的几个例子包括：
mikroe-986，使用串行外设接口 （spi） 增加 can 总线连接。
mikroe-1582，用于 mcu 和 rs-232 总线之间的接口。
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mikroe-2670，支持 gnss 功能，可同时接收 gps 和 galileo 信号以及北斗或 glonass
信号，在城市峡谷中信号较弱或有干扰的情况下也能实现高定位精度。
总结
开发互联、安全关键型和硬实时确定性系统时，设计人员可以采用 fpga soc。fpga soc 提供诸多系统要素，包括 fpga 结构、带有高性能存储器的risc-v mcu子系统、高速通信接口和众多安全功能。为了帮助设计人员开始工作，相关厂商提供了包含所有必要元件的开发板和环境，包括可用于实现广泛通信和定位功能的扩展板。
200元内哪个牌子的蓝牙耳机性价比高
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供应盐水喷雾试验机、盐雾试验箱、盐雾箱
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