CN115993525B - 基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片测试领域，具体是一种基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，本方法使用通用性较强的串口，设计由指令阶段和数据阶段组成的通讯协议，借助可靠传输协议Ymodem，通过第三方标准库和激励输入，实现主机对芯片以及相关模块的正向、反向验证。该方法通用性较强且成本低廉，不但适用于针对芯片模块的大批量数据验证，而且在FT/CP过程的Wafer质量检测、校准、芯片出厂测试方面也有有益的贡献。本发明设计指令解析器，对指令阶段加以保护，实现非安全场景（保密业务)和安全场景（非保密业务）两种模式，适用于不同安全场景。

Description

基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法

技术领域

本发明涉及芯片测试领域，具体是一种基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法。

背景技术

随着芯片制造工艺和芯片设计复杂度的提高、对于芯片设计前端的充分验证以及封测阶段的Functional Test（功能测试）/ Chip Probing(晶圆测试）的良片筛选,对于保证芯片流片成功率、提高芯片良率，显得尤为重要。

在芯片前端设计过程中，一般通过UVM（通用验证方法学）进行单元模块进行验证，保证芯片设计阶段的IP集成。而涉及多个模块的综合验证，例如CPU+AXI+SM4密码模块的整体功能验证，比较高效和稳妥的方法是通过固件开发CPU、AXI总线、SM4模块、RAM等驱动，构造样本测试，进行大量验证。

通过固件对模块及系统进行整体测试，需要提供丰富测试激励，例如不同长度数据的密码算法验证、大量采集随机数进行质量评估、VDC/TDC线性验证、可重构算法正确性验证等情况，需要输入/输出大量的样本激励数据进行全面覆盖。

在芯片封测阶段，部分IP模块例如VDC（Voltage Detection Controller 电压传感器）、TDC(Temperature Detection Controller 温度传感器）、噪声源质量等模块，需要在FT/CP阶段进行筛选和校准，进一步保证芯片的可靠性。

目前芯片的前端验证，尤其是涉及到信息安全领域的芯片，在需要大量数据测试的情况下，需要通过高速通讯接口，例如USB Key采用BOT/UASP（Bulk-Only Transport单批量传输，USB Attached SCSI ProtocolUSB附加SCSI协议）协议进行数据传输；PCIe加密卡使用PCIe/Nvme协议提供相关模块测试用例；SSD(Solid State Disk 固态硬盘)/HDD(HardDisk Drive机械硬盘)使用SATA/SAS接口进行大量数据传输；IPSec（Internet ProtocolSecurity，互联网安全协议）采用GMAC接口（千兆网媒体访问控制接口）通过网络传输提供大量样本数据。对接口的开发进度往往影响其他模块的验证进度，而复杂、高速的测试接口开发难度较高，并且往往需要宿主机端驱动或应用工具开发配合验证，工作量较大。

通过固件进行验证，由于缺乏裸机（无操作系统支持）的标准库和RAM资源限制，难度很大，例如针对SM2算法的不同长度标准数据验证、针对随机数的频数检测、游程检验、自相关检验、近似熵检测、Maurer检测、离散傅里叶检测等需要连续采集大量随机数进行验证，并且针对每个随机源进行单独分析，这种情况下由于芯片资源限制和固件开发复杂度，很难做到全面覆盖。

在现有的测试方式下，测试指令固定、明文通讯、抗重放攻击能力较差，尤其是在非安全环境下，Ymodem协议并未提供针对数据内容的保护的方法，因此在信息安全尤其是涉密领域显得有所不足。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，使用通用性较强的串口，设计由指令阶段和数据阶段组成的通讯协议，借助可靠传输协议Ymodem，通过第三方标准库和激励输入，实现主机对芯片以及相关模块的正向、反向验证。该方法通用性较强且成本低廉，不但适用于针对芯片模块的大批量数据验证，而且在FT/CP过程的Wafer质量检测、校准、芯片出厂测试方面也有有益的贡献。本发明设计指令解析器，对指令阶段加以保护，实现非安全场景（保密业务)和安全场景（非保密业务）两种模式，适用于不同安全场景。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，本方法包括以下步骤：

S01）、构建测试硬件环境，测试硬件环境包括服务器、宿主机和待测试芯片，服务器与宿主机之间通讯连接，宿主机与待测试芯片之间通过串口通讯连接。

S02）、构建测试软件环境，测试软件环境包括Python开发环境、Pyserial库、Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块，宿主机安装基于Python开发环境开发的伺服程序，由服务器发送或由伺服程序产生测试指令，Pyserial库、Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、Socket协议栈部署在宿主机，指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块部署在待测试芯片；宿主机通过Pyserial库使用串口将指令或数据发送给待测试芯片，待测试芯片通过指令解析器解析指令字段；OpenSSL/GmSSL标准库与验证模块双向连接，实现正向验证或反向验证；Ymodem协议栈I和Ymodem协议栈II提供作为宿主机与待测试芯片之间通讯协议的Ymodem协议。

S03）、开始测试，测试包括指令阶段和数据阶段，指令阶段由宿主机发送指令，通过指令选择测试模块、设定输入参数、完成宿主机和待测试芯片的主从角色定义，待测试芯片通过指令解析器对指令进行解析，开始数据阶段；数据阶段基于改进的Ymodem协议进行数据传输，批量发送样本数据或获取待验证数据，对待测试芯片进行正向验证或者反向验证，正向验证的情况下，宿主机作为主机，待测试芯片作为从机，待测试芯片被动接收宿主机发送的样本数据；反向验证的情况下，待测试芯片主机，宿主机作为从机，待测试芯片主动将待验证数据发送给宿主机。

改进的Ymodem协议是指将启动帧的填充字段设置成可选指令参数，安全场景下，将指令帧的填充字段、数据帧的重要内容使用保护参数进行保护。

指令阶段通过挑战应答机制来认证宿主机和待测试芯片，挑战应答过程由宿主机发起挑战，产生随机数Rand并获取预设保护参数R，待测试芯片根据获取随机数Rand和预设保护参数R通过运算得到应答Ans，宿主机根据应答Ans确认待测试芯片可信，通知待测试芯片认证成功；待测试芯片对所有指令码使用预设保护参数R和随机数Rand计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]，将指令结[Cmd0，…，Cmdn]加载到指令解析器的比较器中，宿主机采用同样的算法计算得到指令表，指令表加载到指令解析器的比较器中，通过筛选得到正确的指令集；数据传输过程中，使用每次认证的随机数Rand对数据进行加密或解密。

进一步的，宿主机使用USB转串口模块、机台探针或者串口直连的方式实现与待测试芯片的串口通讯。

进一步的，服务器与宿主机通过socket通讯，宿主机连接USB集线器，USB集线器连接一个或多个USB转串口模块，USB转串口模块连接待测试芯片的TX、RX、GND接口。

进一步的，每通过挑战应答机制完成一次认证，重新更新随机数Rand，指令解析器重新计算指令结[Cmd0，…，]。

进一步的，待测试芯片通过SM3、MD5、SHA1、SHA256算法中的一种计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]。

进一步的，指令帧的填充字段、数据帧的重要内容使用经过SM3算法加密的随机数Rand即SM3(Rand)进行保护。

进一步的，对于待测试芯片的FT/CP测试，在服务器统一构建测试用例，即服务器构造测试逻辑和标准数据，控制宿主机与待测试芯片的RX、TX、GND相连，进行测试和验证。

本发明的有益效果：结合挑战应答方式的安全Ymodem协议，不但弥补了Ymodem协议的明文传输问题，提高了安全性，并且可以切换宿主机和测试芯片的主从角色，形成闭环验证。

附图说明

图1为本方法硬件测试环境的示意图；

图2为本方法软件测试环境的示意图；

图3为正向/反向验证过程的示意图；

图4为改造Ymodem协议的示意图；

图5为挑战应答机制的示意图的前半部分；

图6为挑战应答机制的示意图的后半部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例涉及的专业术语解释：

YModem协议是由XModem协议演变而来的，每包数据可以达到1024字节，是一个非常高效的文件传输协议。其中XModem协议是一种异步文件传输协议，这种协议以128字节块的形式传输数据，并且每个块都使用一个校验和过程来进行错误检测。

Socket：一个网络通信的套接字(接口)。

Python：荷兰科学家吉多·范罗苏姆（Guido van Rossum），在1989年期间开发的计算机编程语言。在Python语言中，一切皆为对象，即使函数也是对象，有自身的属性。Python是解释型编程语言，运行Python程序时，需要将解释器翻译Python代码。

Pyserial：Python的串口通信。

OpenSSL：OpenSSL是一个安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用密钥、证书封装管理功能及实现ssl协议。OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分：SSL协议库libssl、应用程序命令工具以及密码算法库libcrypto。

GmSSL：由北京大学自主开发的国产商用密码开源库，实现了对国密算法、标准和安全通信协议的全面功能覆盖，支持包括移动端在内的主流操作系统和处理器，支持密码钥匙、密码卡等典型国产密码硬件，提供功能丰富的命令行工具及多种编译语言编程接口。

本实施例公开一种基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，包括以下步骤：

S01）、构建测试硬件环境

如图1所示，所述测试硬件环境包括服务器、宿主机、USB集线器、USB转串口模块以及待测试芯片，服务器连接一个或多个宿主机，服务器与宿主机之间通过socket通讯，宿主机连接USB集线器，USB集线器连接一个或多个USB转串口模块，USB转串口模块与待测试芯片的读TX、写RX、接地GND接口相连，实现与待测试芯片的串口连接。本实施例使用USB转串口模块和USB集线器实现多路接入，一次控制多个待测试芯片进行晶圆测试，服务器通过网络使用Socket编程控制多台宿主机同时测试，进一步提高测试效率和统计效率。

宿主机与待测试芯片上的读TX、写RX、接地GND进行连接，待测试芯片的固化代码负责初始化串口功能，在其他实施例中，宿主机也可以使用机台探针、串口直连等方式访问芯片串口，完成指令阶段和数据阶段的测试过程。

S02）、构建测试软件环境

如图2所示，测试软件环境包括Python开发环境、Pyserial库、 Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块，宿主机安装基于Python开发环境开发的伺服程序，由服务器发送或由伺服程序产生测试指令，Pyserial库、Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、Socket协议栈部署在宿主机，指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块部署在待测试芯片；宿主机通过Pyserial库使用串口将指令或数据发送给待测试芯片，待测试芯片通过指令解析器解析指令字段；OpenSSL/GmSSL标准库与验证模块双向连接，实现正向验证或反向验证；Ymodem协议栈I和Ymodem协议栈II提供作为宿主机与待测试芯片之间通讯协议的Ymodem协议。

如果测试密码模块，宿主机需要搭建Openssl标准库，产生标准数据用于正向/反向验证。

如果测试COS、自定义文件系统，宿主机产生样本输入文件，调用通讯协议下发数据并适时产生指令过程激励，验证文件系统的逻辑性、边界条件、异常恢复。

如果测试TDC、VDC、OSC，需要给待测模块提供标准环境。指令阶段启动模块并将测试参数发送给芯片，芯片启动对应模块，根据数据帧字段写的标准值，进行补偿校准。

S03）、开始测试，测试包括指令阶段和数据阶段，指令阶段由宿主机发送指令，通过指令选择测试模块、设定输入参数、完成宿主机和待测试芯片的主从角色定义，待测试芯片通过指令解析器对指令进行解析，开始数据阶段；数据阶段基于改进的Ymodem协议进行数据传输，批量发送样本数据或获取待验证数据，对待测试芯片进行正向验证或者反向验证。

如图3所示，正向验证的情况下，宿主机作为主机，待测试芯片作为从机，待测试芯片被动接收宿主机发送的样本数据。即由宿主机发送启动帧,将标准库/模型产生的样本数据，通过数据帧，发送给安全芯片，安全芯片完成对应指令功能后确认自身功能。

反向验证的情况下，待测试芯片主机，宿主机作为从机，待测试芯片主动将待验证数据发送给宿主机。即由安全芯片发送启动帧,将自身测试数据通过数据帧主动发送给宿主机，宿主机使用标准库/模型进行验证，对照安全芯片测试数据，确认正确性。

最终将测试结果/测试数据以三元组的形式打包，通过Socket发送给服务器集中分析统计。

如图4所示，基于Ymodem协议的数据传输阶段分为启动帧、数据帧、结束帧。

启动帧根据Ymodem协议握手规则，发送描述信息，将内容封装成特定格式,本方法将启动帧的补充对齐的无意义字段改造为有意义的参数字段，用于丰富测试内容。在安全场景下，启动帧的参数字段被经过SM3算法加密的随机数Rand即SM3(Rand)进行保护；在非安全场景下，启动帧以明文形式发送。

数据帧使用1024/128字节数据包发送，依据标准Ymodem协议执行。在安全场景下，Ymodem协议的流控编号、功能标识（STX、SOH等）、CRC和结束帧不被加密，有意义的数据内容被SM3（Rand）保护；在非安全场景下，数据帧全部以明文形式发送。

结束帧依据标准Ymodem协议执行，全部以明文形式发送。

以上设计可以不需要修改第三方测试工具如Secure CRT、Putty、hypertrm实现非安全通讯协议验证，进而指导安全协议开发。

如图5、图6所示，指令阶段通过挑战应答机制来认证宿主机和待测试芯片，挑战应答过程由宿主机发起挑战，产生随机数Rand并获取预设保护参数R，待测试芯片根据获取随机数Rand和预设保护参数R通过运算得到应答Ans，Ans = SM3( Rand XOR R)，宿主机根据应答Ans确认待测试芯片可信，通知待测试芯片认证成功。待测试芯片对所有指令码使用预设保护参数R和随机数Rand计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]，Cmd0 = SM3(R xor Op0xorSM3(Rand))、Cmd1 = SM3(R xor Op1xorSM3(Rand))、...、Cmdn = SM3(R xorOpnxorSM3(Rand))，然后将指令结[Cmd0，…，Cmdn]加载到指令解析器的比较器中，宿主机采用同样的算法计算得到指令表，指令表加载到指令解析器的比较器中，通过筛选得到正确的指令集。完成挑战应答过程，宿主端和安全芯片扩展完成指令表，每次通讯前需要变更Rand，实现一次一密。

指令阶段，由指令解析器过滤有效指令，并对Rand进行哈希计算（如SM3（Rand）），对数据传输过程的内容进行加密和解密，保护有实际意义的数据内容，实现安全通讯过程。

在其他实施例中，也可以通过MD5、SHA1、SHA256算法中的一种计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]。

实施例2

本实施例以TDC校准为例，对本测试、验证方法进行说明，具体过程为：

宿主机将y₀、y₁服务器发送温度传感器校准指令，在数据帧字段写入当前标准温度，宿主机将指令写入芯片。安全芯片加载串口驱动，解析温度传感器校准指令，并读取当前TDC模块的温度表示，例如x₀对应y₀、x₁对应y₁。以TDC是线性变化为例，温度参数曲线为 y= ax + b，构造方程组：y₀= ax₀+ b；y₁= ax₁+ b，计算得到a和b，从而将a和b作为温度补偿函数。在发送结束帧后，标识校准完成。安全芯片将a和b写入非易失存储设备，完成标定。

当TDC为非线性模块时，根据TDC IP模型，设置高阶补偿函数，通过更多组的标准输入来进一步提高精度。

以验证对称加密算法SM4为例，宿主机的python脚本调用OpenSSL接口，随机产生[密钥]，并产生任意长度的样本数据[明文]，调用OpenSSL中的SM4加密接口，使用[密钥]对[密钥]进行加密，生成[密文]。

宿主机将[密钥]、[明文]、[密文]作为文件存储。

宿主机将初始化SM4模块对应的Cmd发送给安全芯片，安全芯片的指令解析器解析命令，安全芯片切换为Ymodem从机，准备接收密钥文件。宿主机作为Ymodem协议主机，使用SM3(Rand)加密密钥文件。宿主机将SM4密钥扩展指令对应的Cmd发送给安全芯片，安全芯片的指令解析器解密密钥文件，使用密钥文件进行密钥扩展。

宿主机将SM4加密指令对应的Cmd发送给安全芯片，安全芯片的指令解析器解析命令，安全芯片切换为Ymodem从机，准备接收明文文件。宿主机作为Ymodem协议主机，使用SM3(Rand)加密明文文件，发送给安全芯片，安全芯片的指令解析器解密明文文件，使对数据使用SM4模块进行加密。

宿主机将获取SM4加密结果对应的Cmd发送给安全芯片，安全芯片的指令解析器解析命令，安全芯片切换为Ymodem主机，发送加密结果。安全芯片作为Ymodem协议主机，对密文使用SM3(Rand)加密，将其发送给宿主机，宿主机使用SM3(Rand)解密密文，对比密文结果，验证SM4模块的正确性。

重复以验证对称加密算法SM4为例整个过程，产生新的Rand提高安全性。

以COS/自定义文件系统为例，宿主机依据设计模型，产生测试文件用于测试COS/自定义文件系统的正确性。

宿主机将写入文件对应的Cmd发送给安全芯片，安全芯片将文件写入COS/自定义文件系统。

宿主机将获取现场对应的cmd发送给安全芯片，安全芯片将整个COS/自定义文件系统现场发送给是宿主机。

宿主机将现场状态与模型进行对比，验证正确性。

对于异常测试，例如写入掉电测试，冷热数据交互，边界条件验证，该方法利于快速定位逻辑错误。

针对需要统一管理的批量测试要求，如晶片Wafer的FT/CP测试，在服务器端统一构建测试用例，即服务器构造测试逻辑和标准数据，控制宿主机与晶片Wafer的RX、TX、GND相连，进行测试和验证，该方式方对芯片制造和封测过程有一定的帮助。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S01）、构建测试硬件环境，测试硬件环境包括服务器、宿主机和待测试芯片，服务器与宿主机之间通讯连接，宿主机与待测试芯片之间通过串口通讯连接；

S02）、构建测试软件环境，测试软件环境包括Python开发环境、Pyserial库、 Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块，宿主机安装基于Python开发环境开发的伺服程序，由服务器发送或由伺服程序产生测试指令，Pyserial库、Ymodem协议栈I、OpenSSL/GmSSL标准库、Socket协议栈部署在宿主机，指令解析器、Ymodem协议栈II和验证模块部署在待测试芯片；宿主机通过Pyserial库使用串口将指令或数据发送给待测试芯片，待测试芯片通过指令解析器解析指令字段；OpenSSL/GmSSL标准库与验证模块双向连接，实现正向验证或反向验证；Ymodem协议栈I和Ymodem协议栈II提供作为宿主机与待测试芯片之间通讯协议的Ymodem协议；

S03）、开始测试，测试包括指令阶段和数据阶段，指令阶段由宿主机发送指令，通过指令选择测试模块、设定输入参数、完成宿主机和待测试芯片的主从角色定义，待测试芯片通过指令解析器对指令进行解析，开始数据阶段；数据阶段基于改进的Ymodem协议进行数据传输，批量发送样本数据或获取待验证数据，对待测试芯片进行正向验证或者反向验证，正向验证的情况下，宿主机作为主机，待测试芯片作为从机，待测试芯片被动接收宿主机发送的样本数据；反向验证的情况下，待测试芯片主机，宿主机作为从机，待测试芯片主动将待验证数据发送给宿主机；

改进的Ymodem协议是指将启动帧的填充字段设置成可选指令参数，安全场景下，将指令帧的填充字段、数据帧的重要内容使用保护参数进行保护；

指令阶段通过挑战应答机制来认证宿主机和待测试芯片，挑战应答过程由宿主机发起挑战，产生随机数Rand并获取预设保护参数R，待测试芯片根据获取随机数Rand和预设保护参数R通过运算得到应答Ans，宿主机根据应答Ans确认待测试芯片可信，通知待测试芯片认证成功；待测试芯片对所有指令码使用预设保护参数R和随机数Rand计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]，将指令结[Cmd0，…，Cmdn]加载到指令解析器的比较器中，宿主机采用同样的算法计算得到指令表，指令表加载到指令解析器的比较器中，通过筛选得到正确的指令集；数据传输过程中，使用每次认证的随机数Rand对数据进行加密或解密。

2.根据权利要求1所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：宿主机使用USB转串口模块、机台探针或者串口直连的方式实现与待测试芯片的串口通讯。

3.根据权利要求1或2所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：服务器与宿主机通过socket通讯，宿主机连接USB集线器，USB集线器连接一个或多个USB转串口模块，USB转串口模块连接待测试芯片的TX、RX、GND接口。

4.根据权利要求1所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：每通过挑战应答机制完成一次认证，重新更新随机数Rand，指令解析器重新计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]。

5.根据权利要求1所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：待测试芯片通过SM3、MD5、SHA1、SHA256算法中的一种计算指令结[Cmd0，…，Cmdn]。

6.根据权利要求1所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：指令帧的填充字段、数据帧的重要内容使用经过SM3算法加密的随机数Rand进行保护。

7.根据权利要求1所述的基于Ymodem协议的芯片批量样本测试、验证方法，其特征在于：对于待测试芯片的FT/CP测试，在服务器统一构建测试用例，即服务器构造测试逻辑和标准数据，控制宿主机与待测试芯片的RX、TX、GND相连，进行测试和验证。