基于USB和FPGA的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器驗(yàn)證平臺(tái)

3．7 其他電路
為保證系統(tǒng)中各個(gè)芯片能夠正常工作，本設(shè)計(jì)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(yàn)證
各模塊電路設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)Altium Designer09仿真驗(yàn)證，完成了相應(yīng)的PCB版圖設(shè)計(jì)，并最終進(jìn)行電路版圖的印刷和元器件焊接，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。
為檢驗(yàn)平臺(tái)工作的正確性，本文對(duì)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(shí)現(xiàn)，并在輸出模塊中增加了一個(gè)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(jì)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(gè)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(shí)，TRNG向OC8051發(fā)送一個(gè)done信號(hào)，OC8051接收32位數(shù)據(jù)，并將其分為4個(gè)8位存于4個(gè)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(chǔ)的隨機(jī)數(shù)為512位時(shí)，OC8051置sent信號(hào)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(gè)state信號(hào)，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(gè)平臺(tái)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(shí)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(shí)鐘電路能給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)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(yàn)證平臺(tái)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(gè)良好的驗(yàn)證環(huán)境。

結(jié)語
本文結(jié)合實(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(yàn)證平臺(tái)，同時(shí)也可為其他基于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)提供服務(wù)。本文所設(shè)計(jì)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(jì)更多的外圍擴(kuò)展電路，滿足更高的實(shí)驗(yàn)需求。