第二章 FPGA基础与架构：从底层看懂你的对手
做逆向工程，第一件事是什么？
不是拿工具开干，而是先搞懂你要逆向的东西长什么样。FPGA逆向更是如此——你连芯片内部长啥样都不知道，怎么去分析比特流？
这一章，我带你把FPGA的底裤扒干净。从CLB到布线资源，从Xilinx到Lattice，咱们一个一个说清楚。
2.1 FPGA内部结构：五个核心模块
FPGA说白了就是一块“万能积木”。你给它一堆配置数据，它就能变成CPU、GPU、甚至是个挖矿机。这背后靠的是五个核心模块。
2.1.1 CLB（可配置逻辑块）——FPGA的肌肉
CLB是FPGA干活的主力。每个CLB里包含几个Slice，Slice里又有LUT（查找表）、触发器和进位链。
- LUT：本质是个小RAM。4输入LUT就是16×1的RAM，6输入就是64×1。你写的逻辑表达式，最后都存成这张真值表。
- 触发器：用来寄存数据。每个Slice通常有4-8个。
- 进位链：做加法用的专用硬件，比用LUT拼快得多。
2.1.2 IOB（输入输出块）——FPGA的嘴巴
IOB负责芯片和外界通信。每个IOB可以配置成输入、输出或双向。支持多种电平标准：LVCMOS、LVDS、HSTL等等。
嗯，这里要注意：IOB里还有延迟单元和上拉/下拉电阻。逆向时，IOB的配置决定了信号怎么进出芯片，这个信息对理解系统接口非常关键。
2.1.3 Block RAM——FPGA的记忆
BRAM是专用的存储单元，每个块通常18Kb或36Kb。可以配置成单口、双口、甚至FIFO。
你想想看，BRAM里存的是什么？可能是代码、可能是数据、也可能是查找表。逆向时，BRAM的内容往往是最有价值的信息——尤其是当你发现它存着某个算法的常数表时。
2.1.4 DSP Slice——FPGA的计算核心
DSP是专门做乘加运算的硬核。Xilinx 7系列用的是DSP48E1，支持25×18位乘法，还能级联做FIR滤波器。
为什么单独提DSP？因为很多加密算法、信号处理算法，最终都会映射到DSP上。逆向时，DSP的配置模式（乘加、乘减、累加等）直接告诉你设计者想算什么。
2.1.5 布线资源——FPGA的血管
这是FPGA里最复杂、也最容易被忽视的部分。布线资源包括：
- 局部连线：CLB内部的短连线
- 通用布线：连接不同CLB的纵横网格
- 长线：跨芯片的高速连线
- 全局时钟网络：低抖动的时钟树
布线资源占了FPGA芯片面积的70%以上。逆向时，布线配置决定了信号怎么走、走多快。我见过有人花一个月解出了LUT配置，结果布线没看懂，整个逆向白做。
2.2 主流厂商架构差异
三大厂商的FPGA，表面看都是CLB+BRAM+DSP，但细节上天差地别。逆向时，你得先认爹。
| 特性 | Xilinx | Intel/Altera | Lattice |
|---|---|---|---|
| CLB结构 | Slice含4个LUT+8个FF | LAB含10个ALM | PFU含4个LUT+4个FF |
| LUT输入 | 6输入（7系列起） | 8输入（可拆成两个4输入） | 4输入（主流） |
| BRAM大小 | 36Kb（可拆两个18Kb） | 20Kb（M20K） | 18Kb |
| DSP | DSP48E1（25×18） | DSP Block（18×19） | DSP Block（18×18） |
| 配置位流 | .bit文件，明文可解析 | .sof/.pof，加密较多 | .bit流，结构相对简单 |
我个人习惯：逆向首选Lattice，因为它的比特流结构最规整，文档也相对透明。Xilinx的7系列虽然市场占有率高，但配置位流加密选项多，逆向难度大。Intel/Altera的Cyclone系列介于两者之间。
2.3 配置模式：比特流怎么进去的
搞逆向，你得知道比特流是怎么加载到芯片里的。不同模式，意味着你能从哪个接口抓到配置数据。
2.3.1 主串模式（Master Serial）
FPGA自己从外部SPI Flash读配置。上电后，FPGA产生时钟，从Flash里把比特流串行读进来。这是最常见的模式。
逆向价值：直接读SPI Flash就能拿到比特流。我遇到过很多产品，Flash芯片没加密，比特流直接明文存储。
2.3.2 从并模式（Slave Parallel）
外部处理器（比如ARM）通过并行总线把配置数据写进FPGA。速度快，但需要外部控制器。
逆向价值：抓取处理器和FPGA之间的总线数据。我曾经用逻辑分析仪抓过从并模式的配置过程，虽然数据量大，但配合时钟信号，还原比特流并不难。
2.3.3 JTAG模式
通过JTAG接口（TCK、TMS、TDI、TDO）加载配置。主要用于调试和开发阶段。
逆向价值：JTAG是逆向的“后门”。如果芯片没锁JTAG，你可以直接读出配置数据。但很多产品会禁用JTAG或设置密码。
2.4 知识体系总览
下面这张图，是我自己总结的FPGA逆向知识体系。你把它刻在脑子里，后面每一章都会用到。
这张图你看懂了，FPGA逆向的骨架就有了。后面每一章，都是往这个骨架上填肉。
好了，这一章就到这里。记住：FPGA逆向，懂架构是前提。下一章，我们开始真正动手——从比特流文件里提取配置数据。
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