基于FPGA平台RISCV架构的SOC应用系统设计3

本系列文章是参加第四届“复微杯”全国大学生电子设计大赛 FPGA 赛道的作品，该平台基于 RISCV，要求在 FPGA 平台可以实现指令执行，设计思路清晰，具体如下：

对所用 RISCV 的内核结构熟悉，了解其数据通路；
应用方案完整，设计思路清晰，能够清楚的表达设计的内容以及价值；
可以根据硬件上的资源实现片外启动；
实现串口通信功能；
FPGA 平台实现功能；
提供完整设计报告及验证报告；

4 功能仿真与实现

4.1 整体仿真

仿真文件Testbench中仅提供时钟和复位信号输入，复位信号结束后，rom里面的程序便开始运行，通过设置寄存器26和27来观察运行结果的正确性。仿真结束前会查看寄存器26和27的值，并根据执行情况打印pass或fail。
附录1中的代码经过编译后，由verilog运行时由ROM模块读取，仿真程序运行后终端打印结果如下，为pass，表面信息在经过RSA的加密解密后能恢复出原始信息。

图10 打印结果图

4.2 波形分析

Rib总线读写数据波形如图11所示，写数据时we_i信号线拉高，输入32为长度的addr_i和data_i数据，将地址为addr_i的寄存器写入数据data_i;读数据时we_i信号拉低，输入32位长度的addr_i地址数据，返回地址为addr_i寄存器的数据data_o。

图11 rib总线读写波形数据图

函数inverter_init(p,q);执行的波形情况如图12所示。基于地址数据信号位宽只有32位的限制，一次载入、读取只能传输16bit的数据，对于1024比特位宽的数据，一次载入、读取需要64次写、读操作。可以看到，其中大部分时间用在载入p和q，生成e和d只需要很短一段时间。生成e和d的仿真信号放大后如图，Reset信号为高后的一个时钟沿开始运行invert模块，经过10个时钟周期结束。

图12 invert函数波形图

信号	含义	信号	含义
inst_i	地址指针	invert_finish	Invert模块运行结束信号
isnt_addr_i	从rom里取出的立即数	msg_in_reg	输入数据寄存器
we_i	连接rib总线的读写信号线	msg_out_reg	输出数据寄存器
addr_i	连接rib总线的地址信号线	reset1	Mod模块开始运行信号
data_i	连接rib总线的数据输入	mod_exp_finish	Mod模块运行结束信号
data_o	连接rib总线的数据输出	encrypt_decrypt_reg	加解密寄存器，信号为高表示加密，反之为解密
Reset	Invert模块开始运行信号

表3 仿真各信号与含义

函数jiami_p = encrypt(code,jiami);执行的波形情况如图13所示。可以看到加密时间非常短，经过7个时钟周期加密结束，大部分时间用在载入明文数据和读取密文数据中。

图13 加密运行波形图

函数ans_p = decrypt(jiami_p,ans);执行的波形情况如图14所示。经过1022个时钟周期后解密结束，可以看出解密速度远大于加密速度，但与载入密文和读取明文的时间相比依然较少。

图14 解密运行波形图

整体仿真波形如图15所示。加密前后数据如图中a标注箭头所示，解密前后数据如图中b标注箭头所示。可以看到，加密后的密文已被成功读取并重新载入写msg_in_reg，密文经过解密后成功恢复出明文。

图15 整体仿真波形图

4.3 硬件软件联调

尽管在 FPGA 验证的时候可以通过将程序预先存储在指令存储器中进行验证，但这会导致每次更改软件代码重新编译后，还需要重新生成 FPGA 烧录程序。本小组通过采用串口传输指令进行程序下载和调试功能，可以将软件代码在运行前下载到指令 ROM 中，并且可以实时对 SoC 进行一些简单的调试。上位机连接一个 USB 转串口工具即可。串口实现采用 python语言，更加易于使用者理解并更改，更方便自定义协议，根据需要，随时增加或者删除某些不必要的协议以减少面积。

验证流程：第一，进行 Verilog 代码功能仿真、时序管脚约束。第二，后端综合和实现，并生成 Bitstream 文件。第三，将 Bitstream 文件下载到 FPGA 开发板上。观察到led闪烁。

由于小组技术能力有限，本段仅队串口通信功能进行硬件测试。串口通信的C语言代码主函数如下，经过编译完成后生成二进制文件，通过电脑终端命令使用python语言编写的串口下载程序将二进制文件下载进FPGA的rom中，下载时需按下c程序下载键，下载过程如图16所示，FPGA开发板实物图如图17所示。

int main()
{uart_init();xprintf("hello world\n");while (1);
}

图16 uart下载示意图

图17 FPGA开发板实物图

下载完成后，按下复位键程序开始运行，程序的功能是将hello world字符串通过串口发送到电脑上，电脑上会有串口消息打印在串口调试助手上，如图18所示。

图18 串口通信示意图

5 总结与讨论

本小组在充分了解RISC-V内核的基础上实现了RSA模块的建模与仿真，并将uart功能在硬件设备上通过测试。在开源平台tinyrics-v上测试了基本指令的运行，新增了RSA模块用来实现加密，并编写与之配套的C语言代码来实现这一过程。最后通过仿真结果和波形来判断程序的正确性。

本小组在RSA模块中在加密过程中使用了1024位乘法器，导致综合过程不可实现。后续学习了Montgomery模乘算法硬件实现，但在验证的过程中数据出现错误并无法找出原因。后来将互为质数的p和q长度改为长度为32位长度，但在硬件调试过程中始终无法正确的生成密钥。于是放弃了后面的工作，综合过程中仅对uart模块的功能进行测试。

比赛赛程2022年

4月1日前：了解了riscv内核架构
4月1日-5月1日：了解相关加密算法原理，对RSA加密的verilog代码进行深入分析，
5月1日-6月1日：将RSA加密算法打包成模块，挂载在tinyriscv总线下面，并编写相关C语言驱动程序。进行波形仿真，通过对比加密后的数据判断程序的正确性。在FPGA开发板上实现在tinyriscv中跑uart功能。
6月1日-7月1日：由于学校强制学生离校，我们没有硬件平台，只能通过波形仿真查看结果，了解了Montgomery模乘算法硬件实现，但没有应用到该比赛中。
7月1日-7月底：了解了freeRTOS，实现了简单案例的仿真，但由于未找到实际用力价值未能应用到该比赛中。

参考文献

[1] 郑东，赵庆兰；张应辉.密码学综述[J]，西安邮电大学学报，2013年06期，1~10

[2] 司红伟，汤斌.RSA应用现状以及其在文件加密中的应用[J].华东理工大学，电脑与电信Computer&Telecommunication，2009年06期:76~78

[3] 杨涛. 基于公钥加密算法RSA问题实现方法的研究[J]. 科教文汇，2009 年 11期:282~283

[4] 梁鹏飞.基于流水线的Montgomery模乘算法硬件实现[D].华南理工大学硕士论文，2011年

[5] Chakraborty S.Vivado Design Tools[M].In Xilinx inc.2017:17–21.

[6] 雷思磊.RISC-V架构的开源处理器及SoC研究综述［J］.单片机与嵌入式系统应用，2017，17（2）：56-60.

[7] 季永辉. 基于 RISC-V 处理器的卷积加速 SoC 系统设计[D]. 山东工商学院, 2021.

[8] 胡振波.手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇[M].In人民邮电出版社.2018

[9] Raveendran A,Patil V,Selvakumar D,et al.A RISC-V instruction set processor-micro-architecturedesign and analysis[C].2016:1–7

[10] 张榜,来金梅.一种基于FPGA的卷积神经网络加速器的设计与实现[J].复旦学报：自然科学版,2018,57(2):236–242.

附录

附录1 C语言主函数代码

#define D 1024
int main()
{char e[D];char d[D];char jiami[D];char ans[D];char code[] = "This is a message encrypted with RSA to verify that the information encrypted by RSA can be restored to the same!";char * e_p;char * d_p;char * jiami_p;char * ans_p;char p[] = "90l38k8kn666jom067m3078l959o7129mm7km88n5441j023jn631o62o3281k7n554nj67j6k8n5j3ml1997mmn06l34ko3onll1l40094kokm85282k5lm1nl73o91";char q[] = "n677mo2lj7845613m0lomnln59m04nnnk2453nj4608971839ln7173j99ln61l70268m6774188nokn6om40m2m444om0k8lk5lkmn559570n8l1342j01m3omn1k01";inverter_init(p,q);e_p = get_e(e);d_p = get_d(d);jiami_p = encrypt(code,jiami);RSA_REG(RSA_ENCRYPT_TO_DECRYPT) = 1; //清除msg_in数据ans_p = decrypt(jiami_p,ans);if (*ans_p == 'T')set_test_pass();elseset_test_fail();return 0;
}

附录2 寄存器与宏定义表

Uart数据寄存器	地址	含义
uart_ctrl[31:0]	0x00	bit[0]: tx enable, 1 = enable, 0 = disablebit[1]: rx enable, 1 = enable, 0 = disable
uart_status[31:0]	0x04	bit[0]: tx busy, 1 = busy, 0 = idlebit[1]: rx over, 1 = over, 0 = receiving
uart_baud[31:0]	0x08	clk div
uart_rx[31:0]	0x10	rx data

宏定义	地址
RSA_BASE	(0x50000000)（基地址）
RSA_P	(RSA_BASE + (0x00))（偏移地址）
RSA_Q	(RSA_BASE + (0x04))
RSA_IN	(RSA_BASE + (0x08))
RSA_OUT	(RSA_BASE + (0x0c))
RSA_E	(RSA_BASE + (0x10))
RSA_D	(RSA_BASE + (0x14))
RSA_INVERTER_STATUS	(RSA_BASE + (0x18))
RSA_MOD_STATUS	(RSA_BASE + (0x1c))
RSA_INVETER_FINISH	(RSA_BASE + (0x20))
RSA_MOD_FINISH	(RSA_BASE + (0x24))
RSA_ENCRYPT_DECRYPT	(RSA_BASE + (0x28))
RSA_REG(addr)	(((volatile uint32_t )addr))（设置地址对应的数据）

RSA数据寄存器	地址	含义
p_reg[`WIDTH -1 :0]	0x00	输入素数p
q_reg;	0x04	输入素数q
msg_in_reg;	0x08	输入加密/解密数据
msg_out_reg;	0x0c	输出加密/解密后的数据
e_reg;	0x10
d_reg;	0x14
inverter_status_reg;	0x18	Inverter模块开始工作
mod_status_reg;	0x1c	Mod模块开始工作
inverter_finish_reg;	0x20	Inverter模块结束工作