——CW305目標板的波形采集
一、目標板介紹
CW305 是一款獨立的 FPGA 目標板，搭載的FPGA芯片為Xilinx Artix-7系列。 它具有與 FPGA 通信的 USB 接口、為 FPGA 提供時鐘的外部 PLL、編程 VCC-INT 電源以及用于故障注入環境的二極管保護。 CW305 電路板有多種配置，與其他 ChipWhisperer 獨立目標一樣，它需要外部設備進行側通道功率分析或故障注入，并具有標準 ChipWhisperer 20 引腳/SMA 接口。
Xilinx Artix-7系列是賽靈思公司推出的一款中高端現場可編程門陣列（FPGA），它主要面向需要較高性能和較低成本的設計應用。以下是Xilinx Artix-7系列的一些主要特點：
- 邏輯資源豐富：Artix-7系列提供了大量的邏輯單元、查找表（LUTs）、寄存器、塊RAM和數字信號處理（DSP）切片，可以滿足復雜算法和數據處理的需求。
- 高速IO：支持高速串行IO標準，如6.25 Gbps的GTP收發器，能夠實現高速數據傳輸。
- 集成硬核處理器：部分Artix-7器件集成了硬核處理器，如PowerPC 440，可用于處理復雜控制任務。
- 高級時鐘管理：具有多個數字時鐘管理器（DCMs）和鎖相環（PLLs），可以提供穩定的時鐘信號，支持多種時鐘域的操作。
二、目標板代碼編寫
CW305目標板的代碼為verilog代碼，通過vivado軟件進行綜合、實現和生成比特流文件。CW305目標板通過USB接口與FPGA芯片通信，目標板代碼同樣分為USB接口通信和密碼算法實現兩部分，密碼算法實現本文不再講解，讀者自行學習。ChiWhisperer官網已經給出了AES循環迭代實現、AES流水線實現和ECC的代碼，以及與CW305、CW312T-A35、CW312T-iCE40和CW308T-S6LX9共4種FPGA目標板的通信接口（參考https://github.com/newaetech/chipwhisperer/tree/develop/firmware/fpgas?）。以CW305的AES循環迭代實現為例，涉及CW305的USB通信接口的代碼包含以下6個verilog文件：
- cdc_pulse.v：不同時鐘域的同步。
- clocks.v：選擇輸入時鐘并驅動輸出時鐘。
- cw305_usb_reg_fe.v：處理USB接口的前端邏輯。
- cw305_defines.v：定義了一些寄存器地址（常量），用于在系統中進行寄存器訪問。
- cw305_reg_aes.v：處理與AES加密相關的寄存器操作。
- cw305_top.v：頂層模塊，連接了各個子模塊并處理系統的整體邏輯。
前三個文件相對固定，一般無需修改，本文主要對后面三個文件進行說明。
1. cw305_defines.v
該文件定義了一些寄存器的地址，如果用戶有新的需求可以添加更多的地址，默認14位的地址空間，比較充足。
`define REG_CLKSETTINGS 'h00 //密碼運算單元的時鐘來源
`define REG_USER_LED 'h01 //CW305目標板上的用戶LED燈
`define REG_CRYPT_TYPE 'h02 //加密類型
`define REG_CRYPT_REV 'h03 //加密版本
`define REG_IDENTIFY 'h04 //標識符
`define REG_CRYPT_GO 'h05 //寫該地址開始執行加/解密和采波，讀該地址獲取加密運算單元是否繁忙
`define REG_CRYPT_TEXTIN 'h06 //輸出到加密運算單元的明文
`define REG_CRYPT_CIPHERIN 'h07 //輸出到加密運算單元的密文
`define REG_CRYPT_TEXTOUT 'h08 //來自加密運算單元的明文
`define REG_CRYPT_CIPHEROUT 'h09 //來自加密運算單元的明文
`define REG_CRYPT_KEY 'h0a //密鑰
`define REG_BUILDTIME 'h0b //構建時間
2. cw305_reg_aes.v
`default_nettype none //設置沒有顯示聲明的網絡類型為none，編譯器會報錯，用于捕獲未聲明的信號
`timescale 1ns / 1ps //設置仿真時間單位為1ns，精度為1ps
`include "cw305_defines.v" //包含cw305_defines.v文件//模塊聲明和參數化
module cw305_reg_aes #(parameter pADDR_WIDTH = 21, //寄存器地址寬度parameter pBYTECNT_SIZE = 7, //對寄存器進行字節計數的大小parameter pDONE_EDGE_SENSITIVE = 1, //指示I_done信號是否是邊沿敏感的parameter pPT_WIDTH = 128, //明文寬度parameter pCT_WIDTH = 128, //密文寬度parameter pKEY_WIDTH = 128, //密鑰寬度parameter pCRYPT_TYPE = 2, //加密類型parameter pCRYPT_REV = 4, //加密版本parameter pIDENTIFY = 8'h2e //標識符
)(//主機與寄存器交互的端口聲明input wire usb_clk, //USB時鐘input wire crypto_clk, //加密時鐘input wire reset_i, //復位信號input wire [pADDR_WIDTH-pBYTECNT_SIZE-1:0] reg_address, //寄存器地址input wire [pBYTECNT_SIZE-1:0] reg_bytecnt, //寄存器中第幾個字節output reg [7:0] read_data, //從寄存器讀取的數據，將會通過USB接口傳回主機input wire [7:0] write_data, //從主機傳入的用于寫入寄存器的數據input wire reg_read, //讀有效標志input wire reg_write, //寫有效標志input wire reg_addrvalid, //地址有效標志input wire exttrigger_in, //外部觸發信號，為高則開始加密和采波//來自加密運算單元的輸入信號input wire [pPT_WIDTH-1:0] I_textout, //明文（執行解密時有效）input wire [pCT_WIDTH-1:0] I_cipherout, //密文（執行加密時有效）input wire I_ready, //準備就緒input wire I_done, //執行完畢input wire I_busy, //執行中//輸出到加密運算單元的信號output reg [4:0] O_clksettings, //用于選擇加密運算單元的時鐘信號output reg O_user_led, //用戶LED燈信號output wire [pKEY_WIDTH-1:0] O_key, //密鑰output wire [pPT_WIDTH-1:0] O_textin, //明文（執行加密時有效）output wire [pCT_WIDTH-1:0] O_cipherin, //密文（執行解密時有效）output wire O_start //開始執行加/解密并采波);//內部信號聲明reg [7:0] reg_read_data; //存儲從USB接口讀取的數據reg [pCT_WIDTH-1:0] reg_crypt_cipherin; //輸出到加密運算單元的密文reg [pKEY_WIDTH-1:0] reg_crypt_key; //密鑰reg [pPT_WIDTH-1:0] reg_crypt_textin; //輸出到加密運算單元的明文reg [pPT_WIDTH-1:0] reg_crypt_textout; //來自加密運算單元的明文reg [pCT_WIDTH-1:0] reg_crypt_cipherout; //來自加密運算單元的密文reg reg_crypt_go_pulse; //用于生成加密啟動脈沖wire reg_crypt_go_pulse_crypt;//加密啟動脈沖1//狀態管理和信號同步reg busy_usb;reg done_r;wire done_pulse;wire crypt_go_pulse; //加密啟動脈沖2reg go_r;reg go;wire [31:0] buildtime; //保存構建時間//ASYNC_REG屬性用于跨時鐘域的信號同步(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [pKEY_WIDTH-1:0] reg_crypt_key_crypt;(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [pPT_WIDTH-1:0] reg_crypt_textin_crypt;(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [pPT_WIDTH-1:0] reg_crypt_textout_usb;(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [pCT_WIDTH-1:0] reg_crypt_cipherout_usb;(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [1:0] go_pipe;(* ASYNC_REG = "TRUE" *) reg [1:0] busy_pipe;//時鐘域同步邏輯//在crypto_clk時鐘域中，處理I_done信號的邊沿檢測，并生成done_pulse信號always @(posedge crypto_clk) begindone_r <= I_done & pDONE_EDGE_SENSITIVE;endassign done_pulse = I_done & ~done_r;//在crypto_clk時鐘域中，將加密完成時的密文和明文數據存儲到reg_crypt_cipherout和reg_crypt_textout中always @(posedge crypto_clk) beginif (done_pulse) beginreg_crypt_cipherout <= I_cipherout;reg_crypt_textout <= I_textout;endreg_crypt_key_crypt <= reg_crypt_key;reg_crypt_textin_crypt <= reg_crypt_textin;end//在usb_clk時鐘域中，將reg_crypt_cipherout和reg_crypt_textout同步到usb_clk時鐘域always @(posedge usb_clk) beginreg_crypt_cipherout_usb <= reg_crypt_cipherout;reg_crypt_textout_usb <= reg_crypt_textout;end//將同步后的信號作為密碼運算單元的輸入assign O_textin = reg_crypt_textin_crypt;assign O_key = reg_crypt_key_crypt;assign O_start = crypt_go_pulse || reg_crypt_go_pulse_crypt;//讀寄存器邏輯，讀取結果會通過USB接口傳回電腦主機always @(*) beginif (reg_addrvalid && reg_read) begin //當reg_addrvalid和reg_read為高電平時開始讀寄存器case (reg_address) //根據reg_address選擇讀取的數據是什么`REG_CLKSETTINGS: reg_read_data = O_clksettings; //讀加密時鐘設置寄存器`REG_USER_LED: reg_read_data = O_user_led; //讀用戶LED燈寄存器`REG_CRYPT_TYPE: reg_read_data = pCRYPT_TYPE; //讀加密類型`REG_CRYPT_REV: reg_read_data = pCRYPT_REV; //讀加密`REG_IDENTIFY: reg_read_data = pIDENTIFY; //讀標識符`REG_CRYPT_GO: reg_read_data = busy_usb; //讀加密運算單元是否繁忙//reg_bytecnt在此處指明讀取128位數據中的哪個字節//讀密鑰寄存器`REG_CRYPT_KEY: reg_read_data = reg_crypt_key[reg_bytecnt*8 +: 8];//讀輸出到加密運算單元的明文寄存器`REG_CRYPT_TEXTIN: reg_read_data = reg_crypt_textin[reg_bytecnt*8 +: 8];//讀輸出到加密運算單元的密文寄存器`REG_CRYPT_CIPHERIN: reg_read_data = reg_crypt_cipherin[reg_bytecnt*8 +: 8];//讀來自加密運算單元的明文寄存器`REG_CRYPT_TEXTOUT: reg_read_data = reg_crypt_textout_usb[reg_bytecnt*8 +: 8];//讀來自加密運算單元的密文寄存器`REG_CRYPT_CIPHEROUT: reg_read_data = reg_crypt_cipherout_usb[reg_bytecnt*8 +: 8];//讀構建時間寄存器`REG_BUILDTIME: reg_read_data = buildtime[reg_bytecnt*8 +: 8];default: reg_read_data = 0;endcaseendelsereg_read_data = 0;end//在usb_clk時鐘域中，將reg_read_data賦值給read_dataalways @(posedge usb_clk)read_data <= reg_read_data;//寫寄存器邏輯，將來自電腦主機的數據寫入寄存器always @(posedge usb_clk) beginif (reset_i) beginO_clksettings <= 0;O_user_led <= 0;reg_crypt_go_pulse <= 1'b0;endelse beginif (reg_addrvalid && reg_write) begin //當reg_addrvalid和reg_write為高電平時開始寫寄存器case (reg_address)`REG_CLKSETTINGS: O_clksettings <= write_data; //寫加密時鐘設置寄存器`REG_USER_LED: O_user_led <= write_data; //寫用戶LED燈寄存器//寫輸出到加密運算單元的明文寄存器`REG_CRYPT_TEXTIN: reg_crypt_textin[reg_bytecnt*8 +: 8] <= write_data;//寫輸出到加密運算單元的密文寄存器`REG_CRYPT_CIPHERIN: reg_crypt_cipherin[reg_bytecnt*8 +: 8] <= write_data;//寫密鑰寄存器`REG_CRYPT_KEY: reg_crypt_key[reg_bytecnt*8 +: 8] <= write_data;endcaseend//寫入REG_CRYPT_GO寄存器會生成一個脈沖信號，用于啟動加/解密和采波過程if ( (reg_addrvalid && reg_write && (reg_address == `REG_CRYPT_GO)) )reg_crypt_go_pulse <= 1'b1;elsereg_crypt_go_pulse <= 1'b0;endend//跨時鐘域同步邏輯//在crypto_clk時鐘域中，處理exttrigger_in信號的同步，并生成crypt_go_pulse信號always @(posedge crypto_clk) begin{go_r, go, go_pipe} <= {go, go_pipe, exttrigger_in};endassign crypt_go_pulse = go & !go_r;//使用cdc_pulse模塊將reg_crypt_go_pulse信號從usb_clk時鐘域同步到crypto_clk時鐘域cdc_pulse U_go_pulse (.reset_i (reset_i),.src_clk (usb_clk),.src_pulse (reg_crypt_go_pulse),.dst_clk (crypto_clk),.dst_pulse (reg_crypt_go_pulse_crypt));//在usb_clk時鐘域中，將I_busy信號同步到busy_usbalways @(posedge usb_clk){busy_usb, busy_pipe} <= {busy_pipe, I_busy};//如果沒有定義__ICARUS__宏，則使用USR_ACCESSE2原語讀取構建時間`ifndef __ICARUS__USR_ACCESSE2 U_buildtime (.CFGCLK(),.DATA(buildtime),.DATAVALID());`else //如果定義了__ICARUS__宏，則將buildtime信號賦值為0assign buildtime = 0;`endifendmodule`default_nettype wire //恢復默認的網絡類型為wire
如果密碼運算單元還需要輸入其他數據，則需要新定義一個寄存器，添加寫該寄存器的邏輯，并將寄存器值經過同步后輸出。如果密碼運算單元會產生更多的輸出，同樣先新定義一個寄存器，在crypt_clk時鐘域獲取密碼運算單元的輸出，之后將寄存器的值同步到usb_clk時鐘域，并添加讀該寄存器的邏輯。最后，不要忘記在cw305_defines.v中添加寄存器地址的常量。
3. cw305_top.v
`timescale 1ns / 1ps //設置仿真時間單位為1ns，精度為1ps
`default_nettype none //設置沒有顯示聲明的網絡類型為none，編譯器會報錯，用于捕獲未聲明的信號//模塊聲明和參數化
module cw305_top #(parameter pBYTECNT_SIZE = 7, //對寄存器進行字節計數的大小parameter pADDR_WIDTH = 21, //寄存器地址的寬度parameter pPT_WIDTH = 128, //明文寬度parameter pCT_WIDTH = 128, //密文寬度parameter pKEY_WIDTH = 128 //密鑰寬度
)(//USB接口input wire usb_clk, //USB時鐘inout wire [7:0] usb_data, //USB數據，用于讀寫操作input wire [pADDR_WIDTH-1:0] usb_addr, //USB地址input wire usb_rdn, //USB讀信號input wire usb_wrn, //USB寫信號input wire usb_cen, //USB片選信號input wire usb_trigger, //觸發信號//CW305目標板上DIP開關、按鈕和LED燈input wire j16_sel, //DIP開關輸入input wire k16_sel, //DIP開關輸入input wire k15_sel, //DIP開關輸入input wire l14_sel, //DIP開關輸入input wire pushbutton, //復位按鈕output wire led1, //紅色LED輸出output wire led2, //綠色LED輸出output wire led3, //藍色LED輸出//PLLinput wire pll_clk1, //PLL時鐘通道1//input wire pll_clk2, //PLL時鐘通道2(本例中未使用)//20針連接器信號output wire tio_trigger, //輸出到外部的觸發信號（本例為密碼運算單元繁忙信號）output wire tio_clkout, //輸出到外部的密碼運算單元時鐘input wire tio_clkin //外部時鐘);wire [pKEY_WIDTH-1:0] crypt_key; //密鑰wire [pPT_WIDTH-1:0] crypt_textout; //加密運算單元的輸入明文wire [pCT_WIDTH-1:0] crypt_cipherin; //加密運算單元的輸出密文//加密狀態信號wire crypt_ready;wire crypt_start;wire crypt_done;wire crypt_busy;//USB和寄存器相關的信號wire usb_clk_buf;wire [7:0] usb_dout;wire isout;wire [pADDR_WIDTH-pBYTECNT_SIZE-1:0] reg_address;wire [pBYTECNT_SIZE-1:0] reg_bytecnt;wire reg_addrvalid;wire [7:0] write_data;wire [7:0] read_data;wire reg_read;wire reg_write;wire [4:0] clk_settings;wire crypt_clk; //復位信號wire resetn = pushbutton;wire reset = !resetn;//生成USB時鐘的心跳信號（通過觀察CW305目標板的紅色LED燈是否閃爍來判斷USB時鐘是否正常）reg [24:0] usb_timer_heartbeat;always @(posedge usb_clk_buf) usb_timer_heartbeat <= usb_timer_heartbeat + 25'd1;assign led1 = usb_timer_heartbeat[24];//生成加密時鐘的心跳信號（通過觀察CW305目標板的綠色LED燈是否閃爍來判斷加密時鐘是否正常）reg [22:0] crypt_clk_heartbeat;always @(posedge crypt_clk) crypt_clk_heartbeat <= crypt_clk_heartbeat + 23'd1;assign led2 = crypt_clk_heartbeat[22];//實例化cw305_usb_reg_fe模塊，處理USB接口的寄存器讀寫操作cw305_usb_reg_fe #(.pBYTECNT_SIZE (pBYTECNT_SIZE),.pADDR_WIDTH (pADDR_WIDTH)) U_usb_reg_fe (.rst (reset),.usb_clk (usb_clk_buf), .usb_din (usb_data), .usb_dout (usb_dout), .usb_rdn (usb_rdn), .usb_wrn (usb_wrn),.usb_cen (usb_cen),.usb_alen (1'b0), // unused.usb_addr (usb_addr),.usb_isout (isout), .reg_address (reg_address), .reg_bytecnt (reg_bytecnt), .reg_datao (write_data), .reg_datai (read_data),.reg_read (reg_read), .reg_write (reg_write), .reg_addrvalid (reg_addrvalid));//AES寄存器模塊實例化，處理與AES加密相關的寄存器操作cw305_reg_aes #(.pBYTECNT_SIZE (pBYTECNT_SIZE),.pADDR_WIDTH (pADDR_WIDTH),.pPT_WIDTH (pPT_WIDTH),.pCT_WIDTH (pCT_WIDTH),.pKEY_WIDTH (pKEY_WIDTH)) U_reg_aes (.reset_i (reset),.crypto_clk (crypt_clk),.usb_clk (usb_clk_buf), .reg_address (reg_address[pADDR_WIDTH-pBYTECNT_SIZE-1:0]), .reg_bytecnt (reg_bytecnt), .read_data (read_data), .write_data (write_data),.reg_read (reg_read), .reg_write (reg_write), .reg_addrvalid (reg_addrvalid),.exttrigger_in (usb_trigger),.I_textout (128'b0),.I_cipherout (crypt_cipherin),.I_ready (crypt_ready),.I_done (crypt_done),.I_busy (crypt_busy),.O_clksettings (clk_settings),.O_user_led (led3),.O_key (crypt_key),.O_textin (crypt_textout),.O_cipherin (),.O_start (crypt_start));//根據isout信號的值，控制usb_data總線的方向assign usb_data = isout? usb_dout : 8'bZ;//實例化clocks模塊，處理時鐘選擇和輸出clocks U_clocks (.usb_clk (usb_clk),.usb_clk_buf (usb_clk_buf),.I_j16_sel (j16_sel),.I_k16_sel (k16_sel),.I_clock_reg (clk_settings),.I_cw_clkin (tio_clkin),.I_pll_clk1 (pll_clk1),.O_cw_clkout (tio_clkout),.O_cryptoclk (crypt_clk));//AES運算單元輸入輸出信號定義wire aes_clk;wire [127:0] aes_key;wire [127:0] aes_pt;wire [127:0] aes_ct;wire aes_load;wire aes_busy;assign aes_clk = crypt_clk;assign aes_key = crypt_key;assign aes_pt = crypt_textout;assign crypt_cipherin = aes_ct;assign aes_load = crypt_start;assign crypt_ready = 1'b1;assign crypt_done = ~aes_busy;assign crypt_busy = aes_busy;//AES運算單元實例化aes_core (.clk(aes_clk),.load(aes_load),.mkey(aes_key),.pt(aes_pt),.ct(aes_ct),.busy(aes_busy));//將aes_busy信號連接到tio_trigger輸出端口assign tio_trigger = aes_busy;endmodule`default_nettype wire //恢復默認的網絡類型為wire
可見，這三個文件是相互配合的，編寫分組密碼算法時，不需要改動太多，只需要修改頂層模塊，以及明密文的位寬參數。當編寫更復雜的算法時，需要重新編寫這三個文件，不過ChiWhipserer官方已經給出了AES流水線實現的ECC實現示例，用戶可在此基礎上進行修改。
三、采集代碼編寫
采集代碼為運行在jupyter notebook上的代碼，ChipWhipserer官方已經給了非常詳細的說明，下載網址為https://github.com/newaetech/chipwhisperer-jupyter?。這里給一個比較標準的CW305目標板采集模板，并進行補充說明。
#連接捕獲板，并進行一些初始設置（比較固定，一般不變）
import chipwhisperer as cw
scope = cw.scope()
scope.adc.basic_mode = "rising_edge" #上升沿觸發
scope.trigger.triggers = "tio4" #觸發信號為目標板20針SMA接口的IO4
scope.io.tio1 = "serial_rx" #目標板20針SMA接口的IO1用于UART接收
scope.io.tio2 = "serial_tx" #目標板20針SMA接口的IO2用于UART發送
scope.io.hs2 = "disabled" #目標板20針SMA接口的HS2置為高阻態
#本文采用的是CW305-35t的目標板
TARGET_PLATFORM = 'CW305_35t'
fpga_id = '35t'#比特流文件的路徑
bit_file=r"D:\mycode\vivado\aes_normal\bitfile\cw305_top.bit"#連接目標板，并將比特流文件燒寫到FPGA
target = cw.target(scope, cw.targets.CW305, force=True, fpga_id=fpga_id,bsfile=bit_file)
#設置VCC-INT電壓為1V，VCC-INT是內部邏輯電路的供電電壓
target.vccint_set(1.0)
#僅啟用PLL1，作為密碼運行執行單元的時鐘信號
target.pll.pll_enable_set(True)
target.pll.pll_outenable_set(False, 0)
target.pll.pll_outenable_set(True, 1)
target.pll.pll_outenable_set(False, 2)
#設置PLL1的頻率為10MHz(可設置為5MHz-160MHz)
target.pll.pll_outfreq_set(10E6, 1)
#設置在加密運行單元執行過程中自動關閉USB時鐘，以減少噪聲
target.clkusbautooff = True
#設置USB時鐘在任務完成后1毫秒進入睡眠模式
target.clksleeptime = 1#確保ADC（模數轉換器）的時鐘源來自FPGA而不是內部時鐘，可以提高數據采集的精度和穩定性
if scope._is_husky:scope.clock.clkgen_src = 'extclk'
else:scope.clock.adc_src = "extclk_x4"#確保DCM（數字時鐘管理器）鎖定
import time
for i in range(5):scope.clock.reset_adc()time.sleep(0.5)if scope.clock.adc_locked:break
assert (scope.clock.adc_locked), "ADC failed to lock"
#這里可以對一些捕獲板的參數進行設置
scope.clock.adc_mul=10 #每個時鐘周期采集的點數，默認為4
scope.gain.db=20 #低噪聲放大器的增益，默認為25，當波形失真時可以減小該值，一般在[0,25]之間調整
scope.adc.samples = 1000 #采樣點數
scope.adc.offset =0 #采樣位置的偏移
'''
#波形的采集1
%matplotlib notebook
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
plaintext=bytearray([0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10])
key=bytearray([0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10])#官方教程中均采用類似于下面的封裝函數capture_trace進行采波
trs = cw.capture_trace(scope, target, plaintext, key)
print("plaintext:",trs.textin.hex())
print("key:",trs.key.hex())
print("ciphertext:",trs.textout.hex())
plt.plot(np.array(trs.wave))
plt.show()
'''
#波形的采集2
%matplotlib notebook
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
plaintext=bytearray([0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10])
key=bytearray([0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10])#本文建設使用更底層的函數進行采集，以便理解如何對其他類型密碼算法進行采波
#首先根據cw305_defines.v文件對target類中的寄存器地址進行設置（用戶可根據實際情況設置更多的地址）
target.REG_CRYPT_KEY = 0x0a
target.REG_CRYPT_TEXTIN = 0x06
target.REG_CRYPT_GO = 0x05
target.REG_USER_LED = 0x01
target.REG_CRYPT_CIPHEROUT = 0x09
target.REG_BUILDTIME = 0x0b
target.REG_CRYPT_TYPE = 0x02
target.REG_CRYPT_REV = 0x03#寫入密鑰，注意寫入數據均需要先逆序
key = key[::-1] #逆序操作
target.fpga_write(target.REG_CRYPT_KEY, key)#寫入明文
plaintext = plaintext[::-1]
target.fpga_write(target.REG_CRYPT_TEXTIN, plaintext)#開始采波
scope.arm()
target.go()
ret = scope.capture()
if ret:print("Failed capture")
wave = scope.get_last_trace()#讀取密文
ciphertext = target.fpga_read(target.REG_CRYPT_CIPHEROUT, 16)
ciphertext = ciphertext[::-1]#輸出結果
print(ciphertext.hex())
plt.plot(np.array(wave))
plt.show()
從上面的程序可以看出，軟件與硬件部分最關鍵的聯系便是寄存器地址，這對于理解整個工作流程，以及擴展自己的密碼算法比較重要。如果擴展密碼算法比較復雜，可以參考ECC和AES流水線實現的示例，編寫一個單獨的采集腳本。
#開始正式采波from tqdm.notebook import trange
import numpy as np#可以根據上面的觀察結果重新調整采集的點數和偏移
scope.adc.samples = 2000
scope.adc.offset =0#根據cw305_defines.v文件對target類中的寄存器地址進行設置
target.REG_CRYPT_KEY = 0x0a
target.REG_CRYPT_TEXTIN = 0x06
target.REG_CRYPT_GO = 0x05
target.REG_USER_LED = 0x01
target.REG_CRYPT_CIPHEROUT = 0x09
target.REG_BUILDTIME = 0x0b
target.REG_CRYPT_TYPE = 0x02
target.REG_CRYPT_REV = 0x03#采集60000條曲線
N=60000
plaintext=[]
ciphertext=[]
traces=[]#寫入密鑰，注意寫入數據均需要先逆序
key=bytearray([0x01,0x23,0x45,0x67,0x89,0xab,0xcd,0xef,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10])
key = key[::-1] #逆序操作
target.fpga_write(target.REG_CRYPT_KEY, key)#開始采集
for i in trange(N, desc='Capturing traces'):plain=np.random.randint(256,size=16,dtype=np.uint8) #生成一個16字節隨機明文plaintext.append(plain)plain= plain[::-1]target.fpga_write(target.REG_CRYPT_TEXTIN, plain)scope.arm()target.go()ret = scope.capture()if ret:print("Failed capture")wave = scope.get_last_trace()traces.append(wave)cipher= target.fpga_read(target.REG_CRYPT_CIPHEROUT, 16)cipher = cipher[::-1]ciphertext.append(np.array(cipher,dtype=np.uint8))
#保存采集結果，建議均保存為.npy文件，讀寫速度較快，且可以直接讀取為numpy數組，無需二次轉化
#如果需要和其他非python程序交互，建議保存為二進制文件，如果保存為txt、csv等文本類型，則保存和讀取速度均較慢#保存能量曲線
traces_path="D:/WMD_DATA/aes_normal_traces.npy"
np.save(traces_path,np.array(traces))#保存明文
plaintext_path="D:/WMD_DATA/aes_normal_plaintext.npy"
np.save(plaintext_path,np.array(plaintext,np.uint8))#保存密文
ciphertext_path="D:/WMD_DATA/aes_normal_ciphertext.npy"
np.save(ciphertext_path,np.array(ciphertext,np.uint8))
#每次采集完畢記得斷開和板子的連接
#如果不執行下面的函數，在其他jupyter notebook文件中連接時會出錯，此時需要將板子斷電
scope.dis()
target.dis()
四、補充
如果想直接將保存的數據保存為.trs格式的文件，需要進行以下步驟：
1. 安裝trsfile庫
在jupyter notebook文件中，執行下面的命令：
%%sh
pip install --upgrade pip #更新pip
pip install trsfile #安裝trsfile庫
當然也可以直接打開ChipWhisperer Bash，然后執行pip install trsfile，執行后記得重啟ChipWhisperer。
2. 將數據寫入.trs文件的模板函數
import os
import numpy as np
from trsfile import trs_open, Trace, SampleCoding, Header
from trsfile.parametermap import TraceParameterMap, TraceParameterDefinitionMap
from trsfile.traceparameter import ParameterType, TraceParameterDefinition_type_to_ParameterType={'bool':'BOOL','int8':'BYTE','uint8':'BYTE','int16':'SHORT','uint16':'SHORT','int32':'INT','uint32':'INT','int64':'LONG','uint64':'LONG','float16':'FLOAT','float32':'FLOAT','float64':'DOUBLE','str':'STRING','bytes':'STRING'
}
_type_to_SampleCoding = {"int8": 'BYTE', "uint8": 'BYTE',"int16": 'SHORT', "uint16": 'SHORT',"int32": 'INT', "uint32": 'INT',"int64": 'INT', "uint64": 'INT',"float32": 'FLOAT', "float64": 'FLOAT'
}def save_trs(header,traces,param:dict, trs_file_path:str):header = {Header[key]: value for key, value in header.items()}parameter_def,param_offset = {},0for key in param:param[key]=np.array(param[key],np.uint8)param_len=param[key].shape[1]param_type=ParameterType[_type_to_ParameterType[param[key].dtype.name]]parameter_def[key] = TraceParameterDefinition(param_type, param_len, param_offset)param_offset += param_len*param_type.byte_sizeheader[Header.LENGTH_DATA] = param_offsetheader[Header.TRACE_PARAMETER_DEFINITIONS] = TraceParameterDefinitionMap(parameter_def)if not isinstance(traces,np.ndarray):traces=np.array(traces)if traces.dtype.name.endswith('64'):traces_type_new=traces.dtype.name.replace('64','32')traces=np.array(traces,np.dtype(traces_type_new))trs_type=SampleCoding[_type_to_SampleCoding[traces.dtype.name]]if os.path.exists(trs_file_path):os.remove(trs_file_path)header[Header.NUMBER_TRACES]=0with trs_open(trs_file_path,'w',headers=header,live_update=True) as trs_file:for i in range(traces.shape[0]):trs_param={}for key,value in parameter_def.items():trace_parameter=value.param_type.param_classtrs_param[key]=trace_parameter(param[key][i])trs_file.extend(Trace(trs_type,traces[i],TraceParameterMap(trs_param)))
該函數較長，且一般無需更改，可以將其保存為一個文件，本文命名為trsfile_save.py，保存在D:/mycode/chipwhisperer/utils下。
3. 修改jupyter notebook中的保存文件部分
%run D:/mycode/chipwhisperer/utils/trsfile_save.py #通過魔法函數%run執行trsfile_save.py文件#定義trs文件保存路徑
trsfile_path="D:/WMD_DATA/cw305_aes_normal.trs"#創建trs文件的頭，里面可以定義一些有用的信息，具體可通過執行help(Header)查看
header={#這里定義了其中的'DESCRIPTION'參數，指明了采集目標，以及主密鑰'DESCRIPTION':'target: cw305, AES normal; main key:0x0123456789abcdeffedcba9876543210'#用戶還可以定義其他的一些參數，不過‘NUMBER_TRACES’,'NUMBER_SAMPLES'等參數無需聲明，會自動生成
} #定義trs文件的param數據，param為一個字典，其中保存和能量跡一一對應的數據，如明文、密文、掩碼等
param={'plaintext': plaintext,'ciphertext': ciphertext
}#調用save_trs函數進行保存
save_trs(header,traces,param,trsfile_path)
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頻率求解與仿真實踐(2))
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