具有保密功能的MCU+FPGA片上系統(tǒng)

ATEML新近推出了AT94S系列安全FPSLIC(Field Programmable System Level Integration Circuits)的MCU+FPGA系統(tǒng)芯片，具有獨特的代碼保密功能，可使設計師在基于SRAM的系統(tǒng)上實現對自已所有IP的保護。與配置的EEPROM 合并在一個封裝中成為“安全FPSLIC”，程序和數據在內部流動，外界不能復讀，因此成為可提供安全防護及簡化PCB布局、布線的單一芯片。
FPSLIC適用于消費類電子、工業(yè)儀表、商用機器、辦公自動化、醫(yī)療設備、電信和汽車電子等領域。FPSLIC集MCU和FPGA/SRAM的優(yōu)點于一身，既適應設計人員對系統(tǒng)部件集成的需要，又能實現可定制需求的靈活性，為設計師提供了一個靈活的架構，可降低應用成本。
FPSLIC
FPSLIC是在基于SRAM的SoC中嵌入AVR MCU內核和FPGA門陣列邏輯，這是一個全新架構的產品。一個FPSLIC里有一個一萬到四萬門的FPGA、一個8bit AVR單片機、一個36KByte SRAM存儲器、多種外圍設備和現成的接口。FPSLIC的結構如圖1所示。
嵌入在FPSLIC里的AVR單片機，是一個8bit的單片機，可以執(zhí)行的單時鐘指令多達120個以上， 速度可達25-30MIPS(每秒百萬條指令)。AVR 已有一些外圍設備，它包含一個快速8X8的乘法處理器、兩個通用異步收發(fā)器(UART)、一個看門狗、三個定時器/計數器、一個2線功能接口、四個外部中斷和多達16個I/O口。如需別的外圍設備，還可以在FPGA里形成，AVR可以在FPGA上實現部分或全部重新配置。8位RISC AVR單片機具有高效的代碼密度，其性能跟一般8bit的單片機相比較更顯優(yōu)越，單周期的指令執(zhí)行時間，可以在較低的時鐘頻率下獲得更高的系統(tǒng)吞吐量，因而進一步降低了功耗。當把它嵌入在以SRAM 為主的FPSLIC時，更可表現其三大特點 ：提高速度；降低功耗；程序存儲量降低。
嵌入的FPGA可達4萬個邏輯門，均分布在SRAM的基架上，FPGA在SRAM上的總線網絡如圖2所示。FPSLIC器件都有10Kx16的程序和4Kx8的數據庫，此外還有三個可由設計者分配的SRAM，可讓程序擴充到16Kx16 或可用于擴充數據到16Kx8，可由設計者自己根據程序和數據的大小來調整硬件和軟件的部分分配，數據部分可以由FPGA和AVR同時進行讀寫。FPGA還具有高速緩存邏輯功能，如同一般高速緩存，它把一些正在用的邏輯放在FPGA運行，把一些不在運行的邏輯放在存儲器里，當需要時再把它重新配置在FPGA里。FPSLIC的此功能不僅可以幫助設計師解決一些急需外圍配置的問題，更可解決硬件上的重新配置，DSP過濾數據的重新配置，需再配置的交點開關，或任何有此需要的硬件設備。

安全FPSLIC
AT94S系列器件具有專利的安全性能，它可以保護FPGA配置與單片機程序不能從內部配置EEPROM中讀出。器件上有一個安全位可以通過編程加以設置，它阻止存儲器在靜態(tài)或器件進行內部配置過程中被讀出。一旦安全位被設置，外部訪問配置EEPROM的唯一方法是首先要擦除它。這種功能既提供設計的保密性，又不妨礙在系統(tǒng)可編程性。
AT94S系列之所以具有獨特的代碼保密功能，在于FPSLIC與配置EEPROM(1024Kbyte)合并在一個封裝中，二個芯片相疊，如圖3所示，芯片封裝的平面面積沒有增加，只是略厚一些。設計的程序上電時在FPSLIC的FPGA與SRAM間流動，掉電時存放在同一封裝內的EEPROM中，確保安全保密?？墒乖O計師在此系統(tǒng)上實現對自已所有IP的保護。
AT94S FPSLIC系列器件在可編程SoC中具有非常低的功耗特點，它在待機方式下額定電流最大值僅為0.05mA，工作時耗電為2~3mA/MHz，它的加電復位峰值電流小于50mA。而有些基于SRAM的FPGA和可編程SoC在加電復位時電流達2A，因此不適合在電池供電中應用。
硬件和軟件的協(xié)同設計
SoC的挑戰(zhàn)在于如何進行硬件和軟件的協(xié)同設計，FPSLIC將FPGA邏輯門和單片機同放在一個芯片里，可以進行協(xié)同驗證(co-verification)。
一般常見的慣例是先把硬件設計到FPGA或ASIC里，然后再把結果交給軟件設計師來做單片機部分的工作。此傳統(tǒng)設計方法往往有一些限制，在這種情況下，因為軟件部分是靠已做好的硬件部分來設計的，所以往往硬件無法再做調試。如果硬件要做調試，軟件開發(fā)就會被停止。這種結果會讓設計時間明顯增加。       
為了縮短設計時間，同時完成硬件和軟件的設計，設計者本身不僅需要對硬件和軟件了解，更要有能力去判斷對設計全面的影響，FPSLIC的System Designer軟件包含了同步仿真的軟件基架，可有效地連接FPGA硬件和單片機的指令仿真。同步仿真有效地解決了用到ICE的必要，這使得設計者可以立即更改在同步仿真里發(fā)現的所有問題，所有上述工作都可以在計算機里執(zhí)行。

應用思考
工業(yè)自動化生產中最常見的是物料的配料系統(tǒng)，如飼料配料、洗滌劑配料、高爐配料、混凝土配料等等，它們都擁有很多種不同的物料，很多不同的控制步驟，如粗加料、精加料、補料、卸料、攪拌、成型、計量、灌包……這些都涉及到電腦與各個閥門間的邏輯控制。用FPSLIC來設計物料的配料系統(tǒng)將十分方便和容易，所有的控制節(jié)點均可由FPGA來實現，整個控制儀表可以做得很小、很經濟。設計好的程序，可在實驗室中檢視，如將每一個電磁閥、每一個需要控制的動作簡化為一個LED的光點，將新設計好的程控，放在仿真板上驗證就很容易，控制動作的正確性十分明顯。
對超市中的POS收款機，商場中的稅控收款機，用于工控機的PC104都是用電腦或單片機和邏輯門將程序和需要控制點有目的的聯系起來，FPSLIC在一個芯片上既有單片機又有邏輯門，剛好滿足需要，因此FPSLIC將能充分發(fā)揮作用?！?/P>