基于USB和FPGA的隨機數(shù)發(fā)生器驗證平臺

摘要：為了方便基于FPGA實現(xiàn)的隨機數(shù)發(fā)生器的驗證與演示，以CycloneII FPGA芯片EP2C20Q240C8N為核心，設計實現(xiàn)了隨機數(shù)發(fā)生器IP核下載與測試的開發(fā)驗證平臺，并詳細闡述了各模塊的設計原理及關鍵技術。最后，通過下載運行隨機數(shù)生成系統(tǒng)，對整個平臺功能進行了檢驗。結果表明，各模塊電路工作正常，平臺性能穩(wěn)定。
關鍵詞：FPGA；隨機數(shù)發(fā)生器；驗證平臺

引言
隨機數(shù)發(fā)生器是信息安全領域不可或缺的重要組成部分，廣泛應用于金融、軍事等信息安全保密通信的電子設備中。目前，隨著對RNG體積、功耗、接口方式等要求的提高，設計集成化芯片或IP核形式的隨機數(shù)發(fā)生器成為一種必然。為此，基于純數(shù)字電路實現(xiàn)的隨機數(shù)發(fā)生器已成為研究的熱點，而FPGA可編程邏輯芯片為此類隨機數(shù)發(fā)生器的研究提供了良好的開發(fā)環(huán)境。
為方便隨機數(shù)發(fā)生器IP核的下載、運行及測試，同時保證產(chǎn)生的隨機數(shù)能夠快速地傳送給主機進行隨機性檢測，本文以FPGA芯片為核心，以USB接口為通信接口，設計實現(xiàn)了一個隨機數(shù)發(fā)生器的驗證平臺。該平臺結構簡單，功能完善，對于其他特殊應用的驗證平臺搭建也具有指導意義。

1 系統(tǒng)硬件結構及工作原理
隨機數(shù)發(fā)生器驗證平臺主要由CycloneII FPGA芯片EP2C20Q240C8N、與主機進行通信的USB收發(fā)器電路、下載配置芯片EPCS4、頻率為48 MHz的時鐘源芯片、外部存儲器(Flash)、兩個電壓轉換電路、復位電路和其他電路組成，如圖1所示。

在每次實驗演示時，將該芯片通過USB口與PC機相連，由主機為平臺提供5 V電源，當與主機連通后系統(tǒng)上電，復位電路進行工作，對整個系統(tǒng)進行復位。以QuartusII 7．2為開發(fā)環(huán)境，采用ByterBlsterII下載電纜，通過JTAG下載口或以AS下載方式，通過配置芯片EPCS4將隨機數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)下載到實驗平臺中，最終通過USB口連接主機與平臺進行信息交互。由主機向系統(tǒng)發(fā)送命令，在系統(tǒng)控制下，產(chǎn)生的隨機數(shù)通過USB收發(fā)器傳送給主機，主機接收數(shù)據(jù)后進行隨機性的各項檢測。

2 核心器件和關鍵技術
2．1 FPGA芯片EP2C20Q240C8N
EP2C20Q240C8N芯片是A1tera CyeloneII系列產(chǎn)品中的一員，它采用TSMC1．2 V、90 nm和低電介絕緣工藝技術，由12英寸(300 mm)晶圓制成，具有潛在速度方面的極大優(yōu)勢。