如何读取FPGA芯片的序列号ID？

用过单片机的朋友都知道，单片机芯片内部都有一串序列号，比如STM32，称之为Unique device ID，是一个96Bit的只读数据。

和单片机一样，FPGA芯片内部同样也有ID，具有不可修改的属性。以常用的Xilinx和Altera为例，Altera称之为Chip ID，Xilinx FPGA称之为Device DNA。

应用场景

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。Xilinx的FPGA芯片，在7系列和7系列之前的产品，DNA是一个57Bit的数据，而在7系列之后，如Ultraslace等新型号，DNA是96Bit。如何获取Xilinx 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。

方法1：通过JTAG读取

ISE环境，以14.7版本为例，将下载器连接到FPGA芯片之后，使用iMPACT软件，在已经连接的芯片上右键选择Read Device DNA，可以读出芯片的DNA。vivado环境下，使用自带的Hardware Manager，连接到芯片之后，在REGISTER->EFUSE->DNA_PORT，可以看到读取的DNA寄存器的值。

方法2：调用原语读取

通过我们需要在程序读取出芯片的DNA，可以通过调用DNA_PORT原语的方式来读取芯片的DNA。原语的例化模板，可以在ISE或Vivado自带的代码模板中找到：ISE中的代码模板
Vivado中的代码模板

Vivado下UltraScale系列的DNA_PORT2原语模板

DNA_PORT原语的使用

关于DNA_PORT原语的介绍和使用，可以查看Xilinx官方文档，UG470_7Series_Confighttps://www.xilinx.com/content/dam/xilinx/support/documents/user_guides/ug470_7Series_Config.pdf7系列及其之前的FPGA芯片，DNA_PORT原语：

DNA_PORT #(
    .SIM_DNA_VALUE(57'h000000000000000)  // Specifies the Pre-programmed factory ID value
)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
);

7系列之后Ultraslace系列的FPGA，使用DNA_PORT2原语：

DNA_PORTE2 #(
    .SIM_DNA_VALUE(96'h000000000000000000000000)  // Specifies a sample 96-bit DNA value for simulation
)DNA_PORTE2_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
);

操作说明先拉高READ信号，加载DNA寄存器，然后给出SHIFT拉高使能信号，DOUT串口输出DNA值，57个clk之后，DNA输出完毕，SHIFT拉低取消使能。驱动代码：

/***************************************************************
 * Copyright(C), 2010-2022, YOUR CORP/INC/COMPANY/LTD/LIMITED.
 * ModuleName : get_dna.v 
 * Date       : 2022年5月22日
 * Time       : 11:06:00
 * Author     : wcc149
 * Function   : XC7A75T获取DNA芯片ID
 * Version    : v1.0
 *      Version | Modify
 *      ----------------------------------
 *       v1.0    .....
 ***************************************************************/

module get_dna(
    //inputs
    input clk,
    input rst_n,

    //Outputs 
    output reg [56:0] dna,
    output reg dna_vld
);


localparam S0_IDLE   = 4'd0;
localparam S1_LOAD   = 4'd1;
localparam S2_SHIFT  = 4'd2;
localparam S3_FINSIH = 4'd3;

reg [7:0] cnt_bit;
reg [56:0] dna_buf;
reg [3:0] fsm;
reg load;
reg shift;

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n) begin
        cnt_bit <= 0;
        fsm <= S0_IDLE;
        load <= 0;
        shift <= 0;
        dna <= 0;
        dna_vld <= 0;
    end
    else begin
        case (fsm)
            S0_IDLE: begin
                if(cnt_bit != 10)//上电等待10个clk
                    cnt_bit <= cnt_bit + 1;
                else begin
                    cnt_bit <= 0;
                    fsm <= S1_LOAD;
                    load <= 0;
                    shift <= 0;
                    dna <= 0;
                    dna_vld <= 0;
                end
            end

            S1_LOAD:begin
                if(cnt_bit != 5) begin//load信号维持5个clk
                    cnt_bit <= cnt_bit + 1;
                    load <= 1;
                end
                else begin
                    cnt_bit <= 0;
                    load <= 0;
                    fsm <= S2_SHIFT;
                end
            end

            S2_SHIFT: begin
//              if(cnt_bit != 56) begin    //Spartan-6
                if(cnt_bit != 57) begin    //Artix-7
                    cnt_bit <= cnt_bit + 1;
                    shift <= 1;
                end
                else begin
                    shift <= 0;
                    fsm <= S3_FINSIH;
                    cnt_bit <= 0;
                    dna <= dna_buf;
                end
            end

            S3_FINSIH: begin
                cnt_bit <= 0;
                dna <= dna;
                dna_vld <= 1;
                fsm <= S3_FINSIH;
            end
        endcase
    end
end

//dout在上升沿变化，在下降沿采样
always @ (negedge clk) begin
    if(!rst_n) 
        dna_buf <= 'h0;
    else if(fsm == S2_SHIFT) 
        dna_buf <= dna_buf << 1 | dout;
    else 
        dna_buf <= 'h0;
end

DNA_PORT #(
    .SIM_DNA_VALUE(57'h123456789ABCDEF)  // Specifies the Pre-programmed factory ID value
)get_xc6slx9_dna(
    //Inputs
    .CLK(clk),     // 1-bit input: Clock input
    .DIN(1'b0),    // 1-bit input: User data input pin
    .READ(load),   // 1-bit input: Active high load DNA, active low read input
    .SHIFT(shift), // 1-bit input: Active high shift enable input

    //Outputs
    .DOUT(dout)   // 1-bit output: DNA output data
);

endmodule

仿真波形：实际运行时，逻辑分析仪抓的波形：和JTAG读取出的一致：

注意

ISE 14.7环境下，使用下载器JTAG方式读取出的Spartan-6芯片的DNA，可能并不准确，我的两块Spartan-6开发板，一块XC6SLX9的开发板，使用下载器读出的是DNA全为1，但是使用原语方式读取出是正确的。XC6SLX9使用JTAG读取的DNAXC6SLX9使用原语方式读取的而另一块XC6SLX16开发板，使用下载器和原语方式读取出的DNA是一致的。