Xilinx FPGA的Device DNA获取方法

第一部分概述

(转载至https://blog.csdn.net/ladywn/article/details/84393123)

Xilinx每一个FPGA都有一个独特的ID，也就是Device DNA，这个ID相当于我们的身份证，在FPGA芯片生产的时候就已经写死在芯片的eFuse寄存器中，具有不可修改的属性，因为使用的是熔断技术。值得说明的是，在7系列及以前，这个ID都是57bit的，但是在Xilinx的Ultraslace架构下是96bit。

FPGA的DNA我们一般的使用场景是用于用户逻辑加密。一般来说，用户在逻辑上可以通过特定的接口把这个Device DNA读取出来，经过一系列加密算法之后和预先在外部Flash存储的一串加密后的字节串做比较，这个flash存储的加密后的字节串也是由该DNA经过加密后得到，fpga加载程序后可以先从flash读出该段字节做比较，如果相同，则让FPGA启动相应的逻辑，如不同，则代表该FPGA没有经过用户授权，用户逻辑上可以关闭FPGA的逻辑功能甚至可以通过一些手段让硬件损坏。

如何获取FPGA的Device DNA呢，下面我从JTAG和调用源语两个方法说明，并开放核心代码供大家参考。

第一种，通过JTAG获取，这种方法在ISE的Impact或者vivado都可以实现，下面介绍在Vivado下如何或者Device DNA，这个其实很简单，首先板卡通过JTAG连接PC，在Flow Navigator -> PROGRAM AND DEBUG 界面下，点击对应的FPGA的芯片，点击Hardware Device Properties，在search中搜索dna，在REGISTER下可以找到Device DNA，在Impact下如何获取DNA网上有相应的文章，这里就不做进一步介绍。

第二种，用户逻辑通过调用源语获取，至于源语是什么，这里跟大家分享一个技巧，一般我们使用源语的时候，往往记不住大量的源语定义，那么如何快速搜索到我们想要的源语呢，在Vivado中，有一个功能是Language Templates，在Flow Navigator可以找到，里面包含了基本所有的Xilinx提供的源语和一些语法用法，以DNA读取为例，我们搜索DNA，就可以找到关于DNA的源语，由于博主用的是VU9P的片子，所以用的是DNA_PORTE2这个源语，针对7系列及以前，使用的是DNA_PORT源语，这两个源语都可以在Language Templates找到。

接下来说一下这个源语和源语相关的使用方法，这个源语本质上就是读取FUSE寄存器表里面的FUSE_DNA寄存器，里面还包含了一个移位寄存器，源语中的接口本质上都是操作移位寄存器，这个移位寄存器的长度和器件类型有关，是56或者96bit。源语里面的READ信号，是用于把DNA的值装载到移位寄存器里面，DIN是移位寄存器的输入，DOUT是移位寄存器的输出，SHIFT是移位寄存器的移位使能，CLK是移位寄存器的操作时钟，官方提供的源语模型和时序图如下，

对于用户来说，调用这个源语，我们只需要按照操作移位寄存器的流程操作就好了，我们目的是读出源语里面的移位寄存器的值，所以我们设计的思路应该是首先拉高READ先让移位寄存器装载DNA的值，然后在时钟上升沿使能SHIFT，这样子就能让移位寄存器里面的值移位出来，下面是核心代码：

module dna_read(
input sys_clk,
input dna_read_rdy,
output [95:0] dna_read_dat,
output dna_read_vld);
wire dna_dout;
wire dna_read;
wire dna_shift;
DNA_PORTE2 #(
.SIM_DNA_VALUE (96'd0)
)DNA_PORTE2_inst(
.DOUT (dna_dout),
.CLK (sys_clk),
.DIN (dna_dout),
.READ (dna_read),
.SHIFT (dna_shift)
);
reg [95:0] dna_reg = 0;
reg [7:0] dna_cnt = 0;
always @ (posedge sys_clk)
begin
if(dna_read_rdy) begin
dna_cnt <= dna_cnt + 1;
end
else begin
dna_cnt <= 0;
end
end
// load dna data from the fuse dna register
assign dna_read = dna_cnt == 8'd63;
// for ultrascale
assign dna_shift = (dna_cnt >= 8'd100) && (dna_cnt <= 195);
always @ (posedge sys_clk)
begin
dna_reg <= {dna_dout,dna_reg[95:1]};
end
assign dna_read_dat = dna_reg;
assign dna_read_vld = dna_cnt == 8'd196;
endmodule

第二部分仿真及测试

参考上述博客内容，本人在Vivado2017.4以及Zynq板子(Zynq型号为7Z015,Device DNA为57bit)上分别进行了仿真测试和上板实测。

2.1测试代码

// An highlighted block
`timescale 1ns / 1ps
module dna_test(input CLK,input DIN,output [56:0] DNA_DOUT);wire SHIFT;wire READ;wire DOUT;reg [6:0] dna_cnt = 7'd0;reg [56:0] dna_reg = 57'd0;always@(posedge CLK)if(dna_cnt == 7'd103)dna_cnt <= dna_cnt;else dna_cnt <= dna_cnt + 1'b1;assign SHIFT = (dna_cnt>= 7'd45) && (dna_cnt <= 7'd101);assign READ = (dna_cnt == 7'd20);always@(posedge CLK)if(SHIFT)dna_reg[101-dna_cnt] <= DOUT;elsedna_reg <= dna_reg;assign  DNA_DOUT = (dna_cnt==7'd102) ? dna_reg : 57'd0;DNA_PORT #(.SIM_DNA_VALUE(57'h155550000005555)  // Specifies a sample 57-bit DNA value for simulation)DNA_PORT_inst (.DOUT(DOUT),   // 1-bit output: DNA output data..CLK(CLK),     // 1-bit input: Clock input..DIN(DIN),     // 1-bit input: User data input pin..READ(READ),   // 1-bit input: Active high load DNA, active low read input..SHIFT(SHIFT)  // 1-bit input: Active high shift enable input.);   endmodule

2.2仿真结果

在上述代码基础上，添加激励文件，并设置SIM_DNA_VALUE = 57'h155550000005555，测试结果如下图所示：

据图可知，激励文件的时序操作如下：首先拉高READ，让移位寄存器装载DNA的值，延时一段时间(注意若不延时会导致DNA首位出问题，无法正常读出)，然后在时钟上升沿使能SHIFT，移位寄存器的值由MSB>>LSB依次移出。 DNA仿真结果表明：DOUT输出与设定的DNA值一致：

2.3上板测试结果

在7z015板卡上，运行该程序，并添加ILA观察分析运行结果，程序读出的DNA为008958a31e9085c，与JTAG读出的DNA_PORT = 008958A31E9085C一致。