軟件加解密(在50m的頻率下使用軟件來(lái)進(jìn)行加解密)與硬件加解密時(shí)間做了對(duì)比：如表3所示。該方案充分有效的利用了spartan3e的資源，尤其為可編程邏輯和ram的利用。其中aes加解密中的乘法運(yùn)算均由lut查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)，用空間換取時(shí)間，獲得了很高的算法速度。在aes算法測(cè)試時(shí)我們發(fā)現(xiàn)80%的aes加解密時(shí)間都用于密鑰擴(kuò)展算法中，如果能再進(jìn)一步把算法優(yōu)化，比如做成流水線的算法模式的話，加解密時(shí)間又能減少近20%，即由現(xiàn)在的6.74us減少到略大于5.39us，效率又可以增加很多。

fpga是通過(guò)邏輯組合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的器件。由于fpga內(nèi)部集成了大量的邏輯資源和可配置的i/o引腳，加上獨(dú)特的并行處理架構(gòu)，可以輕松實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)外部設(shè)備的配置和管理，以及內(nèi)外各種接口數(shù)據(jù)的傳輸。現(xiàn)在開(kāi)發(fā)廠商又在fpga內(nèi)部加入了大量的dsp和blockram資源，非常適合圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理等運(yùn)算密集的應(yīng)用，因此在這些領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但是由于fpga程序編寫(xiě)的靈活性和功能的多樣性，使得它在一個(gè)復(fù)雜工程中對(duì)各個(gè)程序的使用調(diào)度、統(tǒng)籌管理上有很大的局限性，這樣就引入操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。linux系統(tǒng)則因?yàn)槠淞己玫目刹脺p、可配置等特點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。linux操作系統(tǒng)提供了許多系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等，同時(shí)linux是一個(gè)成熟的開(kāi)源操作系統(tǒng)，有豐富的應(yīng)用資源，利用這些資源和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，用戶可以快速地開(kāi)發(fā)基于嵌入式環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)。因此，結(jié)合fpga和linux雙方優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，量體裁衣，去除冗余。本文給出了一種基于xilinxfpga的嵌入式linux操作系統(tǒng)解決方案。

本設(shè)計(jì)是基于xilinxxc4vfx40系列fpga，它內(nèi)部集成了兩個(gè)powerpc405處理器,4個(gè)10/100/1000m以太網(wǎng)mac模塊，運(yùn)行頻率300mhz時(shí)，具有420d-mips性能，能解決高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，并且能解決通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加載操作系統(tǒng)和交叉編譯等問(wèn)題。它內(nèi)部有448個(gè)可配置i/o口，2592kbblockram，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種外部設(shè)備的并行控制以及較多數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理。加載一個(gè)操作系統(tǒng)，一般需要幾十兆的內(nèi)存空間，fpga內(nèi)部自帶的ram空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，本設(shè)計(jì)在板上擴(kuò)展了兩片micron公司的256mbddr內(nèi)存，作為上電時(shí)操作系統(tǒng)的加載和運(yùn)行空間。現(xiàn)在主流的嵌入式操作系統(tǒng)，都需要搭建交叉編譯環(huán)境，把在主機(jī)上編寫(xiě)好的可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板上，這就需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。由于xc4vfx40自帶了以太網(wǎng)mac模塊，只需要在外面添加個(gè)phy芯片和帶隔離器的rj45接口就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。本設(shè)計(jì)由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高，因此采用marvell公司的千兆以太網(wǎng)phy芯片88e1111-rcj。它能根據(jù)自身配置和主機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)10/100/1000m自適應(yīng)傳輸，并且linux本身對(duì)這個(gè)芯片提供了驅(qū)動(dòng)支持，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。操作系統(tǒng)加載到ddr中能快速有效的運(yùn)行，但是掉電就會(huì)丟失，因此加入flash芯片，把系統(tǒng)文件存儲(chǔ)到外部flash中。加電時(shí)，fpga把操作系統(tǒng)文件從flash讀入到ddr中運(yùn)行。fpga設(shè)計(jì)當(dāng)然會(huì)擴(kuò)展很多接口出來(lái)，利用自身并行處理的優(yōu)勢(shì)，控制很多設(shè)備，本設(shè)計(jì)也不例外，擴(kuò)展了8個(gè)通用的gpio，2個(gè)ps/2接口，1個(gè)usb接口，1個(gè)ac97聲卡接口，1個(gè)hotlink接口，以及4個(gè)rs422接口，同時(shí)擴(kuò)展了兩個(gè)cpci接口，引出了16位數(shù)據(jù)地址線和ethernet控制線，整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，是以fpga為核心，向外擴(kuò)展各種設(shè)備，因此特別注意了fpga各個(gè)引腳的連接。由于ddr和phy芯片都需要提供+2.5v電壓，因此和ddr、phy芯片連接引腳所在的bank需要提供+2.5v電壓參考，并且不能接以lvttl或lvcmos為電壓參考的引腳。重要快速的時(shí)鐘信號(hào)接到全局時(shí)鐘引腳上。由于fpga需要通過(guò)外部flash啟動(dòng)操作系統(tǒng)，需要并行配置，以減少加載時(shí)間，配置電路如圖2所示。在ddr布線時(shí)，數(shù)據(jù)和地址線需要走等長(zhǎng)線，數(shù)據(jù)線之間不能相差10mil,地址線要控制在20mil以內(nèi)，時(shí)鐘也需要走差分等長(zhǎng)線，長(zhǎng)度應(yīng)大于地址線，ddr各個(gè)信號(hào)還需要47Ω的并行端接，改善信號(hào)質(zhì)量。千兆phy輸出mdi信號(hào)也需要在頂層做差分等長(zhǎng)，不然在進(jìn)行1000m數(shù)據(jù)傳輸時(shí)很可能不穩(wěn)定。ddr和phy需要完整的電源回路做參考，電源層劃分時(shí)也要特別注意，其他電路做常規(guī)處理就可以了。

首先需要調(diào)用xilinx提供的edk軟件，對(duì)各個(gè)模塊加入必要的ipcore，以便操作系統(tǒng)能正常調(diào)用這些器件的驅(qū)動(dòng)操作他們。本設(shè)計(jì)采用的是edk10.1.2版本，ppc方面選用ppc405內(nèi)核，頻率設(shè)定在300mhz，同時(shí)需要添加中斷輸入引腳，以便響應(yīng)以太網(wǎng)、串口等外部中斷，其他使用默認(rèn)設(shè)置。ddr控制器采用edk提供的multi-port-memorycontroller模塊，需要設(shè)置ddr芯片廠商、大小和數(shù)據(jù)位數(shù)等，特別指出的是，要設(shè)置獨(dú)立的兩條plb總線和ppc連接，作為ppc的指令和數(shù)據(jù)總線。mac單元需要加入xps_ll_temac模塊來(lái)控制，本設(shè)計(jì)需要設(shè)置phy類型為gmii(千兆以太網(wǎng))，同時(shí)要物理地址和收發(fā)fifo大小。flash單元需要加入xps_mch_emc模塊，同時(shí)設(shè)置flash類型和讀寫(xiě)時(shí)間。為了方便調(diào)試，還需要加入串口控制臺(tái)模塊，本設(shè)計(jì)使用的是uartlite模塊，設(shè)置需要的波特率和校驗(yàn)類型。特別注意的是，系統(tǒng)還需要時(shí)鐘管理模塊(dcm)，提供各個(gè)模塊需要的不同時(shí)鐘，還要設(shè)置一段fpga內(nèi)部ram區(qū)域，放置ppc的.boot文件。外部這些模塊都通過(guò)plb總線和ppc通信，需要統(tǒng)一編址，一般把ddr內(nèi)存空間地址分配到0x0開(kāi)始，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建如圖3所示。

本設(shè)計(jì)，除了在edk中搭建了操作系統(tǒng)的各種模塊后，還需要在ise中編寫(xiě)各個(gè)時(shí)序電路程序，因此把edk中編寫(xiě)好的工程作為一個(gè)模塊，加入到ise中，然后統(tǒng)一編譯，這樣生成了我們需要的完整功能的程序。特別指出的是，ppc405數(shù)據(jù)地址采用的是大端模式，接入到ise中時(shí)，需要把數(shù)據(jù)顛倒位置，如data[0：31]變?yōu)閐ata[31:0]，才能正常讀寫(xiě)。

加載linux操作系統(tǒng)需要利用edk軟件提供的板級(jí)包(bsp)配置內(nèi)核。bsp包含了所選定處理器架構(gòu)的屬性文件以及相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)源文件。首先要在edkprojectoption中projectperipheralresitory選項(xiàng)下設(shè)置xilinx提供的gen-mhs-devtree/edk_lib庫(kù)路徑，然后在軟件平臺(tái)設(shè)置中選擇dts模式，編譯更新包，生成.dts配置文件。dts文件包含了所有模塊地址分配，中斷以及驅(qū)動(dòng)信息，把他加入到linux內(nèi)核中，然后配置內(nèi)核選項(xiàng)選擇對(duì)應(yīng)的處理器架構(gòu)、所選硬件的驅(qū)動(dòng)模塊以及需要的其他內(nèi)核模塊，之后再對(duì)完成配置的內(nèi)核進(jìn)行編譯，生成linux的內(nèi)核image文件。生成內(nèi)核image文件之后，還需要生成系統(tǒng)運(yùn)行所需要的根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)中包含了嵌入式linux系統(tǒng)的所有應(yīng)用程序、庫(kù)以及系統(tǒng)配置等相關(guān)文件。根文件系統(tǒng)中常用的程序和命令可利用開(kāi)源軟件busybox構(gòu)造。構(gòu)造完成之后，在busybox生成的目錄和文件的基礎(chǔ)上再構(gòu)造根文件系統(tǒng)的目錄樹(shù)，并添加相關(guān)設(shè)備文件和配置文件以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的腳本文件,從而形成終的根文件系統(tǒng)，ramdisk.image。把他拷貝到內(nèi)核中的../arch/powerpc/boot目錄下，在linux2.6.x根目錄下運(yùn)行makezlmage.initrt，生成終的系統(tǒng)文件。需要指出的是，在編譯linux內(nèi)核時(shí)，需要設(shè)置好交叉編譯環(huán)境：首先安裝eldk編譯軟件，然后在編輯自己的帳戶目錄下的.bashrc(例如：/home/ppc/)中加入下面內(nèi)容:

$path=$path:/home/ppc/powerpc/eldk/usr/bin:/home/ppc/powerpc/eldk/binexportcross_compilepath把生成的zlmage.initrd文件通過(guò)edk軟件下的xmd調(diào)試窗口，使用dowzlmage.initrd命令下載到ddr中，然后運(yùn)行run命令，就正常啟動(dòng)linux了。