作者：Judd Heape，Neal Stollon

將可編程邏輯與CPU子系統(tǒng)集成于同一芯片令系統(tǒng)設(shè)計者可以在一定范圍內(nèi)決定某些功能的實(shí)現(xiàn)方式，AES先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)算法的硬件實(shí)現(xiàn)即為這樣的特殊應(yīng)用實(shí)例。AES加密是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議安全規(guī)范（IPsec） 的基礎(chǔ)模塊，提供增強(qiáng)無線連接安全性的IEEE802.11i規(guī)范也采納AES為其加密算法，因而傳統(tǒng)通訊設(shè)備供應(yīng)商需要增加AES模塊以提供更全面的VPN服務(wù)。由于AES算法直接面向位操作，所以，它在可編程邏輯上可以得到非常高效的實(shí)現(xiàn)。

分析儀及其工作環(huán)境

FS2（First Silicon Solutions）公司的在系統(tǒng)分析儀支持基于QuickLogic公司的嵌入式標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品QuickMIPS的單片系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)。除了完全支持QuickMIPS片上MIPS處理器的所有調(diào)試功能之外，該分析儀還內(nèi)建可配置邏輯分析監(jiān)控單元（CLAM），該單元可以從片外追蹤并觸發(fā)QuickMIPS可編程邏輯的1024個指定信號。FS2探測器可通過14針EJTAG調(diào)試連接頭以及1根10針（或38針）的追蹤電纜來連接目標(biāo)系統(tǒng)。QuickMIPS可編程邏輯中的片上儀器應(yīng)用模塊（OCI）通過FS2追蹤電纜與用戶指定的內(nèi)部信號相連，用于追蹤和觸發(fā)。

除可編程邏輯之外，QuickMIPS內(nèi)還集成了32位MIPS 4Kc處理器和一系列片上外設(shè)。這些片上外設(shè)包括2個以太網(wǎng)接口、2個串口、1個32位66MHz的PCI主從接口、1個SDRAM和SRAM控制器、4個定時器以及1塊片上SRAM。所有外設(shè)、處理器和可編程邏輯均通過AMBA總線連接（見圖1）。AMBA總線為這些連接提供5個片上可用端口，包括先進(jìn)高性能總線（AHB）主/從接口各1個以及3個先進(jìn)外圍總線（APB）從接口。任何實(shí)現(xiàn)于可編程邏輯的電路均可通過上述片上AMBA總線端口實(shí)現(xiàn)與處理器以及片上外設(shè)的連接，設(shè)計者可以根據(jù)實(shí)際需要使用上述5個端口中的不同組合來連接電路。QuickMIPS的片上MIPS處理器也支持增強(qiáng)JTAG（EJTAG）接口。EJTAG接口除支持處理器實(shí)現(xiàn)中止、單步、重啟以及軟件斷點(diǎn)等調(diào)試功能之外，還包括指令/數(shù)據(jù)虛擬地址、硬件斷點(diǎn)以及支持外部EJTAG探測儀的TAP端口。

圖1 QuickMIPS片上可用資源框圖

圖2 硬/軟件交互觸發(fā)示意圖

AES應(yīng)用實(shí)例

軟硬件協(xié)同AES算法主要由查找表和異或邏輯構(gòu)成，因此它非常適合用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。在本文中，AES的編解碼算法由可編程邏輯實(shí)現(xiàn)，而密鑰調(diào)度（key schedule）和輪查找表（round LUT）則由CPU生成。一旦CPU完成了查找表的生成，就可以利用編解碼函數(shù)將輸入的任意大小的明文編碼為連續(xù)的密文流輸出。

基于連續(xù)報文流的數(shù)據(jù)吞吐需要，在可編程邏輯中還建立了一個DMA引擎，用于從/向AES核下載/上傳報文，并直接處理與系統(tǒng)存儲器之間的通訊。該DMA引擎能夠操作連接在QuickMIPS器件上的任何存儲器，包括片上SRAM和片外SRAM/SDRAM。使用DMA引擎可以避免無用的等待周期，從而高效運(yùn)用AES核進(jìn)行連續(xù)的編解碼操作。

該DMA引擎使用1個AMBA總線的AHB主控制器，用于連接簡單的AES核數(shù)據(jù)輸入/輸出接口和相對復(fù)雜的AHB主接口。它還包含2個用于AMBA總線與AES模塊之間異步數(shù)據(jù)緩沖的128×32位的FIFO，以保證在AMBA總線受制于CPU的工作頻率時，AES仍可獨(dú)立工作于最佳頻率。

存儲源地址、目標(biāo)地址、DMA傳輸塊大小、DMA傳輸使能和AES編解碼模式轉(zhuǎn)換等控制信息的寄存器也可用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)，CPU可以用它們來設(shè)置DMA引擎和配置AES核。這些控制寄存器通過APB從接口連接在AMBA總線上。

除連接DMA和AES的控制寄存器之外，APB接口還可用于在AES核內(nèi)加載存儲了不同查找表數(shù)據(jù)的RAM模塊。這些查找表中的靜態(tài)模式（static pattera）和密鑰調(diào)度用于AES算法中不同的輪，它們系統(tǒng)調(diào)試

由于硬件和軟件的調(diào)試方法往往格格不入，如時間難于同步、調(diào)試方式迥異，及調(diào)試階段難于交互通訊等，因此，調(diào)試由硬/軟件模塊交互構(gòu)成的系統(tǒng)非常困難。基于QuickMIPS的FS2硬/軟件協(xié)同調(diào)試方案可以有效解除上述困擾（見圖2）。

EJTAG探測儀通常用于監(jiān)控CPU的執(zhí)行進(jìn)程，然而一旦整合系統(tǒng)被分拆為交互操作的硬/軟件模塊，那么，在缺乏有效硬件監(jiān)控手段的情況下，硬/軟件模塊間交換數(shù)據(jù)進(jìn)程的調(diào)試工作的復(fù)雜程度就顯著提高了。

在硬/軟件協(xié)同的AES解決方案中，EJTAG探測儀可用來監(jiān)控CPU生成密鑰調(diào)度和復(fù)制可編程邏輯中的RAM模塊數(shù)據(jù)的進(jìn)程，此外，EJTAG還可以監(jiān)控CPU設(shè)置DMA引擎的過程。EJTAG探測儀的強(qiáng)大功能保證了用戶對源地址、目標(biāo)地址和CPU讀寫可編程邏輯時的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控。一旦AES系統(tǒng)的硬件部分實(shí)現(xiàn)了，CLAM即可監(jiān)控CPU通過AMBA總線對可編程邏輯進(jìn)行的操作。這里，CLAM將監(jiān)控包括AHB主接口和APB從接口的所有相關(guān)AMBA總線信號。被監(jiān)控的總線調(diào)用事件包括：通過APB從接口加載RAM模塊中的密鑰調(diào)度和輪表，并設(shè)置DMA地址和控制寄存器；通過AHB主接口以DMA方式將明文從遠(yuǎn)程AMBA從設(shè)備傳送到AES核，并將密文從AES核傳送到遠(yuǎn)程AMBA從設(shè)備。

一旦可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)了OCI模塊，通過監(jiān)控AMBA總線信號，任何AMBA總線上的事件均可被CLAM準(zhǔn)確甄別、觸發(fā)和捕獲。能夠準(zhǔn)確捕獲AMBA總線信號狀態(tài)的觸發(fā)器可以被定義為AMBA總線信號的任意組合。例如將向特定的AMBA地址進(jìn)行的寫操作設(shè)為觸發(fā)事件，就可以捕獲加載RAM模塊狀態(tài)；而將觸發(fā)點(diǎn)置于APB對寄存器空間的選擇信號上，則可以捕獲DMA地址和控制寄存器的設(shè)置狀態(tài)；最后，對內(nèi)部AMBA仲裁單元給出的AHB主接口設(shè)定觸發(fā)，就可以捕獲DMA傳輸事件。用戶可以根據(jù)這些捕獲結(jié)果來判斷AMBA總線的操作是否符合要求。

AES應(yīng)用模塊的調(diào)試需要監(jiān)控以下信號：輸入AES核的明文，輪表RAM模塊的索引（地址）輸入和數(shù)據(jù)輸出，計數(shù)器輸出的當(dāng)前輪數(shù)和每一輪中的數(shù)據(jù)狀態(tài)，密鑰調(diào)度RAM模塊中的數(shù)據(jù)輸出，及128位累加器輸出。

通過OCI鎖定監(jiān)控上述信號可以詳盡地觀察到AES核的操作。由于可以同時對數(shù)百個信號以不同追蹤深度進(jìn)行監(jiān)控，用戶可以毫無困難地捕獲和觀察AES編/解碼的所有44個周期。例如，如果大多數(shù)AES轉(zhuǎn)換都正確執(zhí)行，但是在某一個輸入報文模式下發(fā)現(xiàn)了意外的結(jié)果，在這種情況下，CLAM能夠配置特定報文進(jìn)入AES引擎時的觸發(fā)。雖然在觸發(fā)產(chǎn)生前后會出現(xiàn)數(shù)百個AES轉(zhuǎn)換，但是CLAM可以實(shí)時地從中選出所需的那個事件，就無需為此去專門向系統(tǒng)提供一份輸入數(shù)據(jù)了。

交互觸發(fā)

交互觸發(fā)是EJTAG調(diào)試器與CLAM協(xié)同調(diào)試解決方案中最重要的特點(diǎn)。交互觸發(fā)分為2種方式，CLAM的觸發(fā)事件能夠使CPU在執(zhí)行代碼的相應(yīng)行中斷，同時CPU執(zhí)行中的斷點(diǎn)也能夠觸發(fā)CLAM事件。

上述第1種交互觸發(fā)事件可以應(yīng)用在軟硬件協(xié)同AES系統(tǒng)的調(diào)試過程中，例如尋找被寫入密鑰調(diào)度RAM的異常數(shù)據(jù)時。如果已知異常數(shù)據(jù)正在向RAM中寫入，且此數(shù)據(jù)可以被觀測到，并可被CLAM觸發(fā)，則可以通過觸發(fā)導(dǎo)致CPU在數(shù)據(jù)寫入的時候暫停執(zhí)行。由于密鑰調(diào)度的生成和加載入RAM的過程都由CPU控制，因此可以在代碼中找到異常數(shù)據(jù)進(jìn)入AES核硬件部分的那個時刻。這樣使得用戶可以查詢到那個時刻的存儲器和寄存器中的數(shù)據(jù)，在調(diào)試軟件算法的同時觀測到硬件上出現(xiàn)的結(jié)果。

第2種情況適用于用戶打算觀測指定軟件斷點(diǎn)處的可編程邏輯中正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時。例如當(dāng)CPU正在處理要寫入RAM的數(shù)據(jù)表時，用戶可能需要在數(shù)據(jù)傳送到硬件之前進(jìn)行一些字節(jié)交換（byte swap）的操作。在調(diào)試時，用戶可以在源代碼中的字節(jié)交換部分，或是在結(jié)果輸出至AMBA總線時設(shè)置斷點(diǎn)。當(dāng)字節(jié)交換的結(jié)果寫入硬件部分時，這些數(shù)據(jù)就可以通過AMBA從接口進(jìn)行觀察。雖然沒有設(shè)置硬件觸發(fā)，但是軟件中的斷點(diǎn)可以使當(dāng)時的硬件狀態(tài)被捕捉到。

結(jié)語

嵌入式標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平臺的高速發(fā)展需要與之相應(yīng)的精確周密的調(diào)試工具也隨之發(fā)展。對CPU與可編程邏輯共存的SoPC而言，用于調(diào)試CPU時的傳統(tǒng)的JTAG方法和FPGA的邏輯分析同樣需要，更重要的是有交互觸發(fā)的硬/軟件環(huán)境，以便快速地隔離、甄別并調(diào)試復(fù)雜問題。理想的SoPC系統(tǒng)分析工具應(yīng)該能夠處理上述問題，并且提供監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部總線事件的能力。

為了避免調(diào)試工具擾亂系統(tǒng)的正常操作，對系統(tǒng)內(nèi)部總線事件和FPGA內(nèi)部信號的監(jiān)控、追蹤和觸發(fā)絕不能暫停和干預(yù)CPU的工作。因此，可以獨(dú)立或者協(xié)同調(diào)試CPU與FPGA的工具是目前最有效的SoPC系統(tǒng)分析方法。

在本文中，F(xiàn)S2公司的在系統(tǒng)分析儀和QuickLogic公司的QuickMIPS器件的配合使用，以及軟硬件系統(tǒng)AES引擎的實(shí)例提供了精彩的案例平臺，充分體現(xiàn)了上述這些先進(jìn)的調(diào)試技術(shù)對復(fù)雜SoPC系統(tǒng)設(shè)計分析的重要性。

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