ОБЗОР МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ПЛИС

Еськов Виталий Сергеевич

аспирант, ЮЗГУ, г. Курск

E-mail: vitaliy86@inbox.ru

Одной из актуальных задач реинжиниринге внутренней структуры ПЛИС является задача перехода от физической реализации внутренней структуры к ее логическому описанию каким-либо способом. Однако без автоматизации данной задачи, реинжиниринг электрической схемы занимает неприемлемо большое время, и результат, как правило, становится неактуальным.

В работе предлагается анализ известных методов реинжиниринга внутренней структуры ПЛИС, которые позволяют сократить время восстановления электрических схем, реализованных в ПЛИС, по полученным данным в рамках конкретного метода с использованием автоматизированных средств. Чем больше автоматизирован и распараллелен данный процесс, тем быстрее будут решаться задачи реинжиниринга и последующего анализа восстановленных схем на наличие в них, не декларированных возможностей [1; 2; 3].

Процесс восстановления должен решать следующие задачи: восстановление отдельных узлов схемы, определение связи между ними, определение  и построение функциональных блоков и областей, определение алгоритмов функционирование ПЛИС.

В соответствии с рисунком 1, данные задачи, возможно, решить разрушающими и не разрушающими методами.

·     разрушающие (инвазивные) — при исследовании проводится последовательное контролируемое уничтожение определенной части кристалла ИМС с целью получения информации о нижних слоях металлизации и подложке. Возможность работоспособности исследуемого образца при этом исключается;

·     неразрушающие (неинвазивные) — включают в себя анализ внешнего окружения, цепей питания, контроль битовых потоков, генерацию нестандартных режимов работы и т. д. Применение некоторых из данных методов требует наличия работоспособного образца объекта исследования: самой ПЛИС или битового потока.

Рисунок 1. Блок-схема методов восстановления внутренней структуры ПЛИС

Поскольку ПЛИС (в случае повреждения кристалла) является неремонтопригодным объектом, то предпочтительнее использовать неразрушающие методы, если существует возможность их применения.

Можно выделить три основных метода неразрушающего реинжиниринга внутренней структуры ПЛИС:

Метод черного ящика - подразумевает представление ПЛИС в виде черного ящика и исследование реакций выходов ПЛИС на различные наборы входных данных. Этот метод может быть эффективен только для ПЛИС, реализующих простую булеву функцию от нескольких переменных без триггерных элементов. Недостаток метода заключается в необходимости иметь в наличии несколько ПЛИС и средства загрузки в них битового потока (программаторы, переходные кабели и т.п.). При современном развитии ПЛИС со сложнейшей внутренней структурой и количеством логических блоков порядка 10 млн. этот метод абсолютно бесперспективен.

Метод дизассемблирования САПР - восстановления внутренней структуры путем дизассемблирования САПР проектирования ПЛИС, создающего загрузочные битовые последовательности, позволяет выделить механизм формирования битовой загрузочной последовательности для различных активных ресурсов различных типов ПЛИС. Недостатком метода является большие временные затраты на дизассемблирование (преодоление защиты САПР от дизассемблирования, отслеживание сложнейших связей между компонентами САПР и т. п.), плохое распараллеливание процесса дизассемблирования, необходимость приобретения САПР программирования ПЛИС и различных дизассемблеров. Достоинством метода является возможность дизассемблирования механизма формирования битовой загрузочной последовательности одновременно для широкого спектра ПЛИС без приобретения самих микросхем, которые могут стоить несколько сотен и более долларов.

Метод восстановления по битовой последовательности - восстановления внутренней структуры по известному загрузочному битовому потоку ПЛИС также подразумевает использование САПР проектирования ПЛИС с целью целенаправленного воздействия на определенные внутренние ресурсы конкретных микросхем и определения отображения данных ресурсов на битовую загрузочную последовательность.

Недостатком метода является большая сложность и трудоемкость (необходимость исследования большого числа битовых загрузочных последовательностей), а также необходимость приобретения САПР проектирования ПЛИС. Достоинство метода заключается в исследовании ПЛИС без приобретения самих микросхем, хорошее распараллеливание процесса, возможность минимизации областей исследования и, как следствие этого, получение результатов за относительно короткие сроки, по сравнению со вторым способом. При постоянном увеличении логической емкости ПЛИС трудоемкость данного способа возрастает на столько, что применение данного способа становится неэффективным.

Достоинство метода заключается в исследовании ПЛИС без приобретения самих микросхем, хорошее распараллеливание процесса, возможность минимизации областей исследования и, как следствие этого, получение результатов за относительно короткие сроки, по сравнению со вторым способом.

При восстановлении внутренней структуры любого типа ПЛИС по загрузочной битовой последовательности данным методом в общем случае всегда решаются три задачи:

·     создание модели внутренней архитектуры ПЛИС;

·     создание модели битовой загрузочной последовательности;

·     восстановление внутренней структуры ПЛИС (т.е. восстановление схемы конкретной реализации под данную ПЛИС) с использованием отображений активных ресурсов архитектуры на битовую последовательность.

На основе предложенных методов могут решаться некоторые подзадачи, специфичные для данного типа ПЛИС.

Построение модели внутренней архитектуры ПЛИС необходимо для последующего создания модели битового потока. Одним из направлений совершенствования метода целенаправленного воздействия является построение универсальной настраиваемой модели битового потока. При решении этой задачи сократится время нахождения отображения активных ресурсов внутренней архитектуры ПЛИС на битовый поток. Соответственно модель битового потока должна быть программной.

Основные требования к модели битового потока:

·     возможность задания длины битового потока;

·     возможность задания различных типов ресурсов внутренней архитектуры;

·     возможность независимого обращения к каждому из ресурсов;

·     возможность сравнения между собой различных однотипных ресурсов и выдачи результатов сравнения;

·     запоминание настроек для каждой новой модели в отдельности.

Неуклонный рост логической емкости ПЛИС и усложнение их внутренней архитектуры делает актуальным применение второго метода восстановления внутренней структуры путем дизассемблирования САПР проектирования ПЛИС. Однако второй метод предпочтительно использовать в сочетании с третьим, так как по многим позициям третий метод дает правильный результат в более короткие сроки.

Таким образом, развитие второго и третьего из описанных методов неразрушающего восстановления внутренней структуры ПЛИС является актуальным и перспективным.

Список литературы:

1.Майская В. Программируемые логические микросхемы, 2005// [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.radioradar.net/

2.Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем / В.В. Соловьев // М.: Горячая линия — Телеком, 2001.

3.Современные реализации ПЛИС// Компьютеры/ [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://parallel.ru