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)決定某些功能的實現(xiàn)方式，AES先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)算法的硬件實現(xiàn)即為這樣的特殊應(yīng)用實例。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現(xiàn)中止、單步、重啟以及軟件斷點等調(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
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現(xiàn)。在本文中，AES的編解碼算法由可編程邏輯實現(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 由AMBA單向?qū)懭耄⒂?/span>AES模塊單向讀出。
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。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)度的生成和其加載入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。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，FS2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。