硬件学习之通过树莓派操控jtag

2019-11-12 56626人围观 ,发现 2 个不明物体 其他极客

最近在搞路由器的时候,不小心把CFE给刷挂了,然后发现能通过jtag进行救砖,所以就对jtag进行了一波研究。

最开始只是想救砖,并没有想深入研究的想法。

救砖尝试

变砖的路由器型号为:LinkSys wrt54g v8

CPU 型号为:BCM5354

Flash型号为:K8D6316UBM

首先通过jtagulator得到了设备上jtag接口的顺序。

正好公司有一个jlink,但是参试了一波失败,识别不了设备。

随后通过Google搜到发现了一个工具叫: tjtag-pi

可以通树莓派来控制jtag,随后学习了一波树莓派的操作。

树莓派Pins

我使用的是rpi3,其接口编号图如下:

或者在树莓派3中可以使用gpio readall查看各个接口的状态:

rpi3中的Python有一个RPi.GPIO模块,可以控制这些接口。

举个例子:

>>> from RPi import GPIO
>>> GPIO.setmode(GPIO.BCM)
>>> GPIO.setup(2, GPIO.OUT)
>>> GPIO.setup(3, GPIO.IN)

首先是需要进行初始化GPIO的模式,BCM模式对应的针脚排序是上面图中橙色的部门。

然后可以对各个针脚进行单独设置,比如上图中,把2号针脚设置为输出,3号针脚设置为输入。

>>> GPIO.output(2, 1)
>>> GPIO.output(2, 0)

使用output函数进行二进制输出

>>> GPIO.input(3)
1

使用input函数获取针脚的输入。

我们可以用线把两个针脚连起来测试上面的代码。

将树莓派对应针脚和路由器的连起来以后,可以运行tjtag-pi程序。但是在运行的过程中却遇到了问题,经常会卡在写flash的时候。通过调整配置,有时是可以写成功的,但是CFE并没有被救回来,备份flash的数据,发现并没有成功写入数据。

因为使用轮子失败,所以我只能自己尝试研究和造轮子了。

jtag

首先是针脚,我见过的设备给jtag一般是提供了5 * 2以上的引脚。其中有一般都是接地引脚,另一半只要知道4个最重要的引脚。

这四个引脚一般情况下的排序是:

TDI
TDO
TMS
TCK

TDI表示输入,TDO表示输出,TMS控制位,TCK时钟输入。

jtag大致架构如上图所示,其中TAP-Controller的架构如下图所示:

根据上面这两个架构,对jtag的原理进行讲解。

jtag的核心是TAP-Controller,通过解析TMS数据,来决定输入和输出的关系。所以我们先来看看TAP-Controller的架构。

从上面的图中我们可以发现,在任何状态下,输出5次1,都会回到TEST LOGIC RESET状态下。所以在使用jtag前,我们先通过TMS端口,发送5次为1的数据,jtag的状态机将会进入到RESET的复原状态。

当TAP进入到SHIFT-IR的状态时,Instruction Register将会开始接收TDI传入的数据,当输入结束后,进入到UPDATE-IR状态时将会解析指令寄存器的值,随后决定输出什么数据。

SHIFT-DR则是控制数据寄存器,一般是在读写数据的时候需要使用。

讲到这里,就出现一个问题了,TMS就一个端口,jtag如何知道TMS每次输入的值是多少呢?这个时候就需要用到TCK端口了,该端口可以称为时钟指令。当TCK从低频变到高频时,获取一比特TMS/TDI输入,TDO输出1比特。

比如我们让TAP进行一次复位操作:

for x in range(5):
    TCK 0
    TMS 1
    TCK 1

再比如,我们需要给指令寄存器传入0b10:

1.复位

2.进入RUN-TEST/IDLE状态

TCK 0
TMS 0
TCK 1

3.进入SELECT-DR-SCAN状态

TCK 0
TMS 1
TCK 1

4.进入SELECT-IR-SCAN状态

TCK 0
TMS 1
TCK 1

5.进入CAPTURE-IR状态

TCK 0
TMS 0
TCK 1

6.进入SHIFT-IR状态

TCK 0
TMS 0 
TCK 1

7.输入0b10

TCK 0
TMS 0
TDI 0
TCK 1
TCK 0
TMS 1
TDI 1
TCK 0

随后就是进入EXIT-IR -> UPDATE-IR

根据上面的理论我们就可以通过写一个设置IR的函数:

def clock(tms, tdi):
    tms = 1 if tms else 0
    tdi = 1 if tdi else 0
    GPIO.output(TCK, 0)
    GPIO.output(TMS, tms)
    GPIO.output(TDI, tdi)
    GPIO.output(TCK, 1)
    return GPIO.input(TDO)
def reset():
    clock(1, 0)
    clock(1, 0)
    clock(1, 0)
    clock(1, 0)
    clock(1, 0)
    clock(0, 0)
def set_instr(instr):
    clock(1, 0)  
    clock(1, 0)
    clock(0, 0)
    clock(0, 0)
    for i in range(INSTR_LENGTH):
        clock(i==(INSTR_LENGTH - 1), (instr>>i)&1)
    clock(1, 0)
    clock(0, 0)

把上面的代码理解清楚后,基本就理解了TAP的逻辑。接下来就是指令的问题了,指令寄存器的长度是多少?指令寄存器的值为多少时是有意义的?

不同的CPU对于上面的答案都不一样,通过我在网上搜索的结果,每个CPU应该都有一个bsd(boundary scan description)文件。本篇文章研究的CPU型号是BCM5354,但是我并没有在网上找到该型号CPU的bsd文件。我只能找了一个相同厂商不同型号的CPU的bsd文件进行参考。

bcm53101m.bsd

在该文件中我们能看到jtag端口在cpu端口的位置:

"tck              : B46  , " &
"tdi              : A57  , " &
"tdo              : B47  , " &
"tms              : A58  , " &
"trst_b           : A59  , " &

attribute TAP_SCAN_RESET of trst_b                   : signal is true;
attribute TAP_SCAN_IN    of tdi                      : signal is true;
attribute TAP_SCAN_MODE  of tms                      : signal is true;
attribute TAP_SCAN_OUT   of tdo                      : signal is true;
attribute TAP_SCAN_CLOCK of tck                      : signal is (2.5000000000000000000e+07, BOTH);

能找到指令长度的定义:

attribute INSTRUCTION_LENGTH of top: entity is 32;

能找到指令寄存器的有效值:

attribute INSTRUCTION_OPCODE of top: entity is
  "IDCODE       (11111111111111111111111111111110)," &
  "BYPASS       (00000000000000000000000000000000, 11111111111111111111111111111111)," &
  "EXTEST       (11111111111111111111111111101000)," &
  "SAMPLE       (11111111111111111111111111111000)," &
  "PRELOAD      (11111111111111111111111111111000)," &
  "HIGHZ        (11111111111111111111111111001111)," &
  "CLAMP        (11111111111111111111111111101111) " ;

当指令寄存器的值为IDCODE的时候,IDCODE寄存器的输出通道开启,我们来看看IDCODE寄存器:

attribute IDCODE_REGISTER of top: entity is
  "0000"             & -- version
  "0000000011011111" & -- part number
  "00101111111"      & -- manufacturer's identity
  "1";                   -- required by 1149.1

从这里我们能看出IDCODE寄存器的固定输出为: 0b00000000000011011111001011111111

那我们怎么获取TDO的输出呢?这个时候数据寄存器DR就发挥作用了。

1.TAP状态机切换到SHIFT-IR

2.输出IDCODE到IR中

3.切换到SHIFT-DR

4.获取INSTRUCTION_LENGTH长度的TDO输出值

5.退出

用代码形式的表示如下:

def ReadWriteData(data):
    out_data = 0
    clock(1, 0)
    clock(0, 0)
    clock(0, 0)
    for i in range(32):            
        out_bit  = clock((i == 31), ((data >> i) & 1))
        out_data = out_data | (out_bit << i)
    clock(1,0)
    clock(0,0)
    return out_data
def ReadData():
    return ReadWriteData(0)
def WriteData(data):
    ReadWriteData(data)
def idcode():
    set_instr(INSTR_IDCODE)
    print(hex(self.ReadData()))

因为我也是个初学者,边界扫描描述文件中的内容并不是都能看得懂,比如在边界扫描文件中并不能看出BYPASS指令是做什么的。但是在其他文档中,得知BYPASS寄存器一般是用来做测试的,在该寄存器中,输入和输出是直连,可以通过比较输入和输出的值,来判断端口是否连接正确。

另外还有边界扫描寄存器一大堆数据,也没完全研究透,相关的资料少的可怜。而且也找不到对应CPU的文档。

当研究到这里的时候,我只了解了jtag的基本原理,只会使用两个基本的指令(IDCODE, BYPASS)。但是对我修砖没任何帮助。

没办法,我又回头来看tjtag的源码,在tjtag中定义了几个指令寄存器的OPCODE:

INSTR_ADDRESS = 0x08
INSTR_DATA    = 0x09
INSTR_CONTROL = 0x0A

照抄着tjtag中flash AMD的操作,可以成功对flash进行擦除,写入操作读取操作。但是却不知其原理。

这里分享下我的脚本:jtag.py

flash文档:https://www.dataman.com/media/datasheet/Samsung/K8D6x16UTM_K8D6x16UBM_rev16.pdf

接下来将会对该flash文档进行研究,并在之后的文章中分享我后续的研究成果。

*本文作者:Hcamael@知道创宇404实验室,转载请注明来自FreeBuf.COM

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