CN117492515A - 时钟频率检测单元、方法、处理单元和计算系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种时钟频率检测单元、方法、处理单元和计算系统，该时钟频率检测单元包括：目标时钟计数器，用于接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；警报判决器，用于根据所述目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。本方案能够提高时钟频率检测结果的准确性。

Description

时钟频率检测单元、方法、处理单元和计算系统

技术领域

本申请实施例涉及芯片技术领域，尤其涉及一种时钟频率检测单元、方法、处理单元和计算系统。

背景技术

现代密码学应用中，可以利用加密算法对用户的敏感信息进行加密保护，被加密的敏感信息和用来加密的密钥是需要保护的信息。芯片可以通过密码算法对敏感信息进行加密和解密，通过对芯片进行故障攻击可以获取密码算法的密钥，进而通过密钥可以破解被加密的敏感信息。故障攻击是指让芯片工作在非正常工作条件下，比如异常电压、温度、时钟频率、电磁环境等，这些非正常的工作环境会诱导芯片发生错误的行为，进而导致密钥或敏感信息泄漏。比如，通过提高芯片的工作频率，会使芯片的密码算法运行出错，通过错误的信息可以反推出密钥，通过降低芯片的工作频率，会使密码算法的运算变慢，降低了功耗分析的难度，进而通过功耗分析可以推导出密钥。为此，需要对芯片的工作频率进行检测，以预防芯片的时钟频率被攻击。

目前，基于寄存器对时钟频率进行检测，具体是检测信号在寄存器之间的数据通路是否满足时序要求，如果不满足则确定时钟频率异常。

然而，基于寄存器对时钟频率进行检测，检测结果容易受到电压、温度和电路的影响，导致对时钟频率进行检测的精度较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种时钟频率检测单元、方法、处理单元和计算系统，以至少解决或缓解上述问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种时钟频率检测单元，包括：目标时钟计数器，用于接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；警报判决器，用于根据所述目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种防护单元，包括：根据上述第一方面的时钟频率检测单元；控制器，用于控制所述时钟频率检测单元工作。

根据本申请实施例的第三方面，提供了一种处理单元，包括：根据上述第二方面的防护单元；调度单元，用于调度所述防护单元执行数据处理任务。

根据本申请实施例的第四方面，提供了一种计算系统，包括根据上述第三方面所述的处理单元。

根据本申请实施例的第五方面，提供了一种时钟频率检测方法，包括：接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；根据所述目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。

根据本申请实施例提供的时钟频率检测方案，目标时钟计数器可以对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值，警报判决器通过比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号是否出现低频故障。如果警报判决器确定目标时钟信号出现低频故障，即目标时钟信号的频率被降低，则发出低频警报信号。通过对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，将计数结果与预设低频警报阈值进行比较，确定目标时钟信号的频率是否被降低，并在目标时钟信号的频率被降低后发出低频警报信号，检测过程不易受到电压、温度和电路的影响，保证了时钟频率检测结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例的计算系统的示意图；

图2是本申请一个实施例的处理单元的示意图；

图3是本申请另一个实施例的处理单元的示意图；

图4是本申请一个实施例的时钟频率检测单元的示意图；

图5是本申请另一个实施例的时钟频率检测单元的示意图；

图6是本申请一个实施例的第一矩形波信号和第二矩形波信号的示意图；

图7是本申请又一个实施例的时钟频率检测单元的示意图；

图8是本申请一个实施例的时钟频率检测方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本申请进行描述，但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质，公知的方法、过程、流程没有详细叙述。另外附图不一定是按比例绘制的。

首先，对本申请实施例进行描述的过程中出现的部分名词或术语适用于如下解释。

故障攻击：故障攻击的基本原理是将密码芯片置于强磁场中，或者改变芯片的电源电压、工作频率、温度等，使密码芯片中的寄存器、存储器在加解密过程中产生随机错误，某些输出bit从原来的0变成1或1变成0，进而通过对正确密文输出和错误密文输出的比较，经过理论分析得到芯片内部的秘密数据。

时钟频率攻击：时钟频率攻击是一种常用的故障攻击手段，通过提高或降低密码芯片的工作频率，使密码算法运算出错或降低功耗分析的难度，进而根据错误信息反推密钥或通过功耗分析推导密钥。

高频故障：密码芯片受到时钟频率攻击而出现工作频率增大的故障。密码芯片的工作频率被提高后，密码算法运算出错而输出错误密文，进而可以通过错误密文和正确密文反推密钥。

低频故障：密码芯片受到时钟频率攻击而出现工作频率降低的故障。密码芯片的工作频率被降低后，密码算法的运算速度变慢，降低了对密码算法进行功耗分析的难度，进而可以通过功耗分析这种侧信道分析方法推导密钥。

计算系统

图1示出一个计算系统10的示意性框图。计算系统10可以基于各种型号的处理单元构建。计算系统10可以是诸如物联网处理单元、片上系统、桌面处理系统或数据中心处理系统等。

如图1所示，计算系统10可以包括一个或多个处理单元12，以及存储器15。计算系统10中的存储器15可以作为主存储器(简称为主存或内存)，用于存储由数据信号表示的指令信息和/或数据信息，例如，存储器15可以存放处理单元12提供的数据(例如为预算结果)，也可以用于实现处理单元12与外部存储设备16(或成为辅助存储器或外部存储器)之间的数据交换。

在一些情形下，处理单元12需要通过总线11访问存储器15，以获取存储器15中的数据或对存储器15中的数据进行修改。由于存储器15的访问速度较慢，为了缓解处理单元12与存储器15之间的速度差距，计算系统10还包括与总线11通信连接的高速缓冲存储器18，高速缓冲存储器18用于对存储器15中的一些可能会被反复调用的程序数据或者报文数据进行缓存。高速缓冲存储器18可以由诸如静态随机存储器(Static Random AccessMemory,SRAM)等类型的存储装置实现。高速缓冲存储器18可以为多级结构，例如具有一级缓存(L1Cache)、二级缓存(L2Cache)和三级缓存(L3Cache)的三级缓存结构，高速缓冲存储器18也可以是三级以上的缓存结构或其他类型缓存结构。在一些实施例中，高速缓冲存储器18的一部分(例如一级缓存，或一级缓存和二级缓存两者)可以集成在处理单元12内部或与处理单元12集成在同一计算系统中。

基于此，处理单元12可以包括指令执行单元136、以及内存管理单元122等部分。指令执行单元136在执行一些需要修改内存的指令时发起写访问请求，该写访问请求指定了需要写入内存中的写入数据和相应的物理地址。内存管理单元122用于将这些指令指定的虚拟地址转译为该虚拟地址映射的物理地址，写访问请求指定的物理地址与相应指令指定的物理地址可以一致。

存储器15和高速缓冲存储器18之间的信息交互可以按照数据块来组织。在一些实施例中，高速缓冲存储器18和存储器15可以按照相同的空间尺寸被划分成数据块，数据块可以作为高速缓冲存储器18和存储器15之间的数据交换的最小单位(包括预设长度的一个或多个数据)。为了表述简洁清晰，下面将高速缓冲存储器18中的各数据块简称为缓存块(或者可以称为cacheline或高速缓存线)，且不同的缓存块具有不同的缓存块地址。将存储器15中的各个数据块简称为内存块，且不同的内存块具有不同的内存块地址。缓存块地址和/或内存块地址可以包括用于定位数据块的物理地址标签。

由于受到空间和资源的限制，高速缓冲存储器18无法对存储器15中的全部内容进行缓存，即高速缓冲存储器18的存储容量通常小于存储器15，高速缓冲存储器18提供的各个缓存块地址无法对应存储器15提供的全部内存块地址。处理单元12在需要访问内存时，首先经总线11访问高速缓冲存储器18，以判断所要访问的内容是否已被存储于高速缓冲存储器18中。如果所要访问的内容已被存储于高速缓冲存储器18中，则高速缓冲存储器18命中，此时处理单元12直接从高速缓冲存储器18中调用所要访问的内容。如果所要访问的内容未被存储于高速缓冲存储器18中，则高速缓冲存储器18和处理单元12需要经总线11访问存储器15，以在存储器15中查找相应的信息。由于高速缓冲存储器18的存取速率非常快，因此在高速缓冲存储器18命中时，处理单元12的效率可以显著提高，进而也使得整个计算系统10的性能和效率得以提升。

此外，计算系统10还可以包括存储设备16、显示设备、音频设备、鼠标/键盘等输入/输出设备。存储设备16可以是通过相应接口与总线11耦合的硬盘、光盘以及闪存等用于信息存取的设备。显示设备可以经相应的显卡与总线11耦合，用于根据总线11提供的显示信号进行显示。

计算系统10还可以包括通信设备17，进而计算系统10可以通过各种方式与网络或其他设备进行通信。通信设备17可以包括一种或多种通信模块，通信设备17可以包括适用于特定的无线通信协议的无线通信模块。例如，通信设备17可以包括WLAN模块，用于实现符合电气和电子工程协会(IEEE)制定的802.11标准的WiFi通信。通信设备17可以包括WWAN模块，用于实现符合蜂窝或其他无线广域协议的无线广域通信。通信设备17还可以包括蓝牙模块等采用其他协议的通信模块，或其他自定义类型的通信模块。通信设备17还可以是用于串行传输数据的端口。

需要说明的是，不同的计算系统10根据主板、操作系统和指令集架构的不同，计算系统10的结构可能有所变化。例如，目前很多计算系统设置有连接在总线11和各个输入/输出设备之间的输入/输出控制中心，且该输入/输出控制中心可以集成于处理单元12之内或独立于处理单元12。

处理单元

图2示出了一个处理单元12的示意性框图，如图2所示，处理单元12包括调度单元集群13和防护单元集群14。调度单元集群13包括一个或多个调度单元130。防护单元集群14包括一个或多个防护单元140。防护单元140在本申请实施例中主要是为了检测时钟频率而设计的专门处理单元。处理单元12可以是运行加解密算法的处理器(CPU)、图像处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)等，比如，处理单元12可以是用于人脸识别、指纹支付等需要运行加解密算法的处理器。

图3示出了另一个处理单元12的示意性框图，以处理单元12包括一个调度单元130和一个防护单元140为例，对调度单元130和防护单元140的内部结构进行描述，以具体说明调度单元130是如何调度防护单元140进行工作的。

如图3所示，调度单元130内包含多个处理器核131和被多个处理器核131共享的高速缓存132。每个处理器核131包括取指令单元133、指令译码单元134、指令发射单元135、指令执行单元136和存储控制单元137。

取指令单元133用于通过存储控制单元137，将要执行的指令从存储器110搬运到指令寄存器(可以是图2示出的寄存器堆138中的一个用于存放指令的寄存器)中，并接收下一个取指地址或根据取指算法计算获得下一个取指地址，取指算法例如包括：根据指令长度递增地址或递减地址。

取出指令后，调度单元130进入指令译码阶段，指令译码单元134按照预定的指令格式，对取回的指令进行解码，以获得取回的指令所需的操作数获取信息，从而为指令执行单元136的操作做准备。操作数获取信息例如指向立即数、寄存器或其他能够提供源操作数的软件/硬件。

指令发射单元135位于指令译码单元134与指令执行单元136之间，用于指令的调度和控制，以将各个指令高效地分配至不同的指令执行单元136，使得多个指令的并行操作成为可能。指令发射单元135将指令发射到指令执行单元136后，指令执行单元136开始执行指令。

每个处理器核131基于相应的时钟频率运行，不同的处理器核131可以按照相同或不同的时钟频率运行。防护单元140要接受调度单元130的调度。防护单元140包括控制器141和时钟频率检测单元142，控制器141在接收到调度单元130的调度指令后，可以基于调度指令向时钟频率检测单元142发送控制指令，以控制时钟频率检测单元142对相应的一个或多个处理器核131的时钟频率进行检测，确定处理器核131的时钟频率是否正常。时钟频率检测单元142与处理器核131的工作时钟信号线相连接，处理器核131的工作时钟信号被作为目标时钟信号发送给时钟频率检测单元142，如果处理器核131的工作时钟信号收到频率攻击，时钟频率检测单元142接收到的目标时钟信号会发生相应的变化，进而时钟频率检测单元142可以根据目标时钟信号确定处理器核131的工作时钟频率是否受到时钟频率攻击。

本申请实施例主要着眼于防护单元140对时钟频率进行异常检测的过程，在后文中会对时钟频率检测的过程进行详细描述。

时钟频率检测单元

图4是本申请一个实施例的时钟频率检测单元的内部结构示意图。如图4所示，时钟频率检测单元142包括目标时钟计数器143和警报判决器144。目标时钟计数器143可以接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值。目标时钟计数器143在获得目标时钟信号计数值后，将目标时钟计数值发送给警报判决器144。警报判决器144可以根据目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号是否发生低频故障，如果目标时钟信号发生低频故障，警报判决器144发出低频警报信号。

目标时钟计数器143通过信号线连接至待保护电路的工作时钟信号线，工作时钟信号线用于传输待保护电路的工作时钟信号，待保护电路的工作时钟信号通过连接至目标时钟计数器143的信号线传输至目标时钟计数器143，目标时钟计数器143将接收到的时钟信号作为目标时钟信号，进而对目标时钟信号的进行计数，获得目标时钟信号计数值。待保护电路可以是处理器核包括的全部电路，也可以是处理器核内的部分电路。

目标时钟信号为处理器核的工作时钟，目标时钟信号通常由处理单元外部的时钟源产生，目标时钟信号受到时钟频率攻击后会使处理器核的工作频率增大或减小。比如，目标时钟信号可以是芯片中电路的工作时钟，由目标时钟信号提供芯片中电路的工作频率，目标时钟信号由芯片外部的时钟源产生，在芯片的电源电压、温度、电磁环境等发生改变时，会使目标时钟芯片的频率发生改变。

计数周期为预设的时间长度，作为对目标时钟信号进行计数的时间跨度。在计数周期内，计数值从0开始，每接收到一个目标时钟信号，对计数值加1，在计数周期结束后，计数值为目标时钟信号计数值，目标时钟信号计数值等于计数周期内目标时钟计数器143接收到的目标时钟信号的数量。目标时钟信号可以是上升沿或下降沿的数量，对此本申请实施例不作限定。

低频警报阈值和高频警报阈值为预设的时钟信号数量，低频警报阈值小于高频警报阈值。低频警报阈值和高频警报阈值与目标时钟信号的频率和计数周期相对应，如果正常情况下目标时钟信号的频率为f，计数周期为T，低频警报阈值为N_l，高频警报阈值为N_h，则目标时钟频率的频率、计数周期、低频警报阈值和高频警报阈值满足N_l＜f·T＜N_h。

在本申请实施例中，目标时钟计数器143可以对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值，警报判决器144通过比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号是否出现低频故障。如果警报判决器144确定目标时钟信号出现低频故障，即目标时钟信号的频率被降低，则发出低频警报信号。通过对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，将计数结果与预设低频警报阈值进行比较，确定目标时钟信号的频率是否被降低，并在目标时钟信号的频率被降低后发出低频警报信号，检测过程不易受到电压、温度和电路的影响，保证了时钟频率检测结果的准确性。

在一种可能的实现方式中，如图4所示，目标时钟计数器143将目标时钟信号计数值发送给警报判决器144后，警报判决器144还可以通过比较目标时钟信号计数值与高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号是否出现高频故障。如果警报判决器144确定目标时钟信号出现高频故障，即目标时钟信号的频率被提高，则发出高频报警信号。

在本申请实施例中，警报判决器144根据目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号的故障类型，在确定目标时钟信号出现低频故障时发出低频警报信号，在确定目标时钟信号出现高频故障时发出高频警报信号，不仅可以检测到目标时钟信号的频率被降低，还能够检测到目标时钟信号的频率被提高，保证了对目标时钟信号进行检测的全面性。另外，通过配置不同的高频警报阈值和低频警报阈值，可以调整频率检测的范围，具有较强的适用性。

在一种可能的实现方式中，目标时钟信号从待保护电路的工作时钟信号线上采集。

在本申请实施例中，目标时钟计数器143连接至待保护电路的工作时钟信号线，待保护电路的工作时钟信号线上传输的工作时钟信号会被作为目标时钟信号发送给目标时钟计数器143，进而目标时钟信号计数器143对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值。待保护电路可以是处理器核包括的全部电路，也可以是处理器核包括的部分电路，从而提高了时钟频率检测单元142的适用性。

在一种可能的实现方式中，警报判决器144在根据目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号的故障类型时，可以将目标时钟信号计数值分别与低频警报阈值和高频警报阈值进行比较，如果目标时钟信号计数值大于高频警报阈值，则确定目标时钟信号发生高频故障，如果目标时钟信号计数值小于低频警报阈值，则确定目标时钟信号发生低频故障，其中，低频警报阈值小于高频警报阈值。进而在确定目标时钟信号发生高频故障后，发出高频警报信号，并在确定目标时钟信号发生低频故障后，发出低频警报信号。

在本申请实施例中，警报判决器144在接收到目标时钟信号计数值后，将目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值进行比较，如果目标时钟信号计数值大于高频警报阈值，说明目标时钟信号的频率被提高，发出高频警报信号，如果目标时钟信号计数值小于低频警报阈值，说明目标时钟信号的频率被降低，发出低频警报信号，如果目标时钟计数值位于低频警报阈值与高频警报阈值之间，则不发出警报信号。由于可以在多个计数周期内对目标时钟信号进行计数，所以可以获取到多个目标时钟信号计数值，在目标时钟信号的频率波动较小时，警报判决器144根据每个目标时钟信号计数值分别确定目标时钟信号的故障类型，进而基于故障类型发出相应的警报信号，能够及时针对目标时钟信号的故障发出警报，进而采取相应的应对措施，保证芯片中敏感信息和密钥的安全性。

在一种可能的实现方式中，警报判决器144可以根据多个计数周期的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号的故障类型。警报判决器144可以在多个计数周期内对目标时钟信号进行计数，获得每个计数周期的目标时钟信号计数值，并分别将每个目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值进行比较。如果连续N个计数周期的目标时钟信号计数值均大于高频警报阈值，则确定目标时钟信号发生高频故障，进而发出高频警报信号。如果连续N个计数周期的目标时钟信号计数值均小于低频警报阈值，则确定目标时钟信号发生低频故障，进而发出低频警报信号。其中，N为大于或等于2的整数。

目标时钟计数器143可以在连续的多个计数周期对目标时钟信号进行计数，确定每个计数周期的目标时钟信号计数值，进而警报判决器144可以根据连续多个计数周期的目标时钟信号计数值，确定目标时钟信号的故障类型。计数周期在时间上可以是连续的，即前一个计数周期的结束即为后一个计数周期的开始。

可选地，警报判决器144在确定目标时钟信号是否发生频率异常故障时，可以根据当前计数周期及其之前的N-1个连续计数周期(即以当前计数周期为末位计数周期的N个连续计数周期)的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号的故障类型。

在本申请实施例中，当连续多个计数周期的目标时钟信号计数值均大于高频警报阈值时，确定目标时钟信号发生高频故障，当连续多个计数周期的目标时钟信号计数值均小于低频警报阈值时，确定目标时钟信号发送低频故障。警报判决器144根据多个计数周期的目标时钟信号计数值，确定目标时钟信号的故障类型，目标时钟信号偶尔的频率波动，不会判定目标时钟信号发生频率异常故障，从而可以防止电路不稳定造成的误判，保证对时钟频率进行检测的准确性，进而保证芯片运行的稳定性。

根据对时钟频率进行检测的敏感度需要，可以设置合适的N值，进而警报判决器144根据所设定的N值，判断目标时钟信号是否发生频率异常故障。N值与敏感度负相关，即N值越小，对时钟频率进行检测的敏感度越高。根据应用场景的不同，可以将N设定为不同的值，比如，N可以取值2、3、5、10、20等。

图5是本申请另一个实施例的时钟频率检测单元的内部结构示意图。如图5所示，时钟频率检测单元142还包括计数判决触发器145。计数判决触发器145可以交替产生计数信号和判决信号，并将计数信号发送给目标时钟计数器143，将判决信号发送给警报判决器144。目标时钟计数器143可以根据计数信号，在计数周期内对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值，并将目标时钟信号计数值发送给警报判决器144。警报判决器144可以响应于判决信号，比较所接收到的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，并根据比较结果确定目标时钟信号的故障类型。

计数判决触发器145可以交替产生计数信号和判决信号，而且每次向目标时钟计数器发送计数信号的持续时间等于计数周期的时长。计数信号发送给目标时钟计数器143后，目标时钟计数器143在接收计数信号的连续时间段内对目标时钟信号进行计数，即在计数周期内对模拟时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值，并将目标时钟信号计数值发送给警报判决器144。

警报判决器144在接收到判决信号后，比较新接收到的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，并根据比较结果确定目标时钟信号的故障类型，其中，新接收到的目标时钟信号计数值，即为所接收到判决信号的前一个计数信号所对应计数周期的目标时钟信号计数。比如，计数判决触发器145依次产生计数信号0、判决信号0、计数信号1、判决信号1……计数信号n、判决信号n……，目标时钟计数器143根据计数信号n对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值n，警报判决器144在接收到判决信号n时，比较目标时钟信号计数值n与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系。

在本申请实施例中，计数判决触发器145交替产生计数信号和判决信号，将计数信号发送给目标时钟计数器143，使目标时钟计数器143对目标时钟信号进行计数，并将判决信号发送给警报判决器144，使警报判决器144比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，错开目标时钟计数器143与警报判决器144的计数时间和判决时间，警报判决器144对上一计数周期的目标时钟信号计数值进行判决的同时，目标时钟计数器143可以对下一计数周期进行目标时钟信号进行计数，使得目标时钟信号的计数和警报判决可以同步处理，提高了时钟频率检测单元142及其所在处理单元和芯片的运行稳定性。

在一种可能的实现方式中，计数判决触发器145可以根据参考时钟信号生成第一矩形波信号和第二矩形波信号，将第一矩形波信号发送给目标时钟计数器143，并将第二矩形波信号发送给警报判决器144。其中，第一矩形波信号和第二矩形波信号的相位相差180度，第一矩形波信号中的高电平信号为计数信号，第二矩形波信号中有低电平转换至高电平的脉冲信号为判决信号，第一矩形波信号在每个周期中高电平的持续时间等于计数周期的时长。

图6是本申请一个实施例的第一矩形波信号和第二矩形波信号的示意图。如图6所示，第一矩形波信号601和第二矩形波信号602的相位相差180度，第一矩形波信号601为高电平时，第二矩形波信号602为低电平，第一矩形波信号601为低电平时，第二矩形波信号602为高电平。第一矩形波信号601发送给目标时钟计数器143后，在第一矩形波信号601为高电平时，目标时钟计数器143对目标时钟信号进行计数，在第一矩形波信号601由高电平转换至低电平时，目标时钟计数器143停止对目标时钟信号进行计数，并将计数结果发送给警报判决器144，由于第一矩形波信号601在每个周期中高电平的持续时间等于计数周期的时长，所以目标时钟计数器143的计数结果即为目标时钟信号计数值。

第一矩形波信号601由高电平转换至低电平时，目标时钟计数器143停止当前计数周期的信号计数，并将目标时钟信号计数值发送给警报判决器144。在第一矩形波信号601由高电平转换至低电平时，第二矩形波信号602由低电平转换至高电平，此时警报判决器144获取到了判决信号，开始比较新接收到的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，进而根据比较结果确定目标时钟信号的故障类型。

在本申请实施例中，计数判决触发器145根据生成相位相差180度的第一矩形波信号和第二矩形波信号，将第一矩形波信号发送给目标时钟计数器143，将第二矩形波信号发送给警报判决器144，目标时钟计数器143以第一矩形波信号中的高电平为计数信号对目标时钟信号进行计数，并将获得目标时钟信号计数值发送给警报判决器144，警报判决器144以第二矩形波信号中由低电平转换至高电平的脉冲信号为判决信号，比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，保证目标时钟计数器143的计数时间可以与警报判决器144的判决时间错开，在目标时钟计数器143获得目标时钟信号计数值后，警报判决器144基于目标时钟信号计数值进行警报判决，保证了对目标时钟信号进行检测的准确性。

在一种可能的实现方式中，第一矩形波信号的占空比为0.5。

由于第一矩形波信号与第二矩形波信号的相位相差180度，在第一矩形波信号的占空比为0.5时，第二矩形波信号的占空比也为0.5，所以第一矩形波信号和第二矩形波信号为相位相差180度的方波信号。

在本申请实施例中，第一矩形波信号和第二矩形波信号的占空比均为0.5，即第一矩形波信号和第二矩形波信号为相位相差180度的方波信号，保证了计数判决触发器145所生成的第一矩形波信号和第二矩形波信号的稳定性，进而保证了目标时钟计数器143和警报判决器144运行逻辑的准确性，提高时钟频率检测单元142工作的稳定性。

在一种可能的实现方式中，计数判决触发器145根据参考时钟信号生成第一矩形波信号和第二矩形波信号，即计数判决触发器145根据参考时钟信号生成计数信号和判决信号，参考时钟信号可以由设置于芯片内部的时钟源产生，而芯片包括时钟频率检测单元142。

在本申请实施例中，时钟频率检测单元142位于芯片内，参考时钟信号由芯片内部的时钟源产生，使得参考时钟信号的频率不易被改变，提高了通过改变参考时钟信号而使故障目标时钟信号无法被检测到的难度，从而可以提高通过时钟频率检测单元142对目标时钟信号进行检测的可靠性，进而提高芯片中敏感信息和密钥的安全性。

在一种可能的实现方式中，警报判决器144在发出高频警报信号后，可以接收高频警报复位信号，进而根据高频警报复位信号清除历史高频警报信号，以重新开始检测下一次高频故障。警报判决器144在发出低频警报信号后，可以接收低频警报复位信号，进而根据低频警报复位信号清除历史低频警报信号，以重新开始检测下一次低频故障。

在本申请实施例中，警报判决器144可以被重新装载，通过高频警报复位信号可以清除历史高频警报信号，重新检测下一次高频故障，通过低频警报复位信号可以清除历史低频警报信号，重新检测下一次低频故障，从而可以持续对目标时钟信号进行检测，保证对时钟频率攻击进行防护的有效性。

图7是本申请又一个时钟频率检测单元的示意图。如图7所示，计数判决触发器145的输入信号包括freq_enable、ref_clk_i、ref_rstn_i和freq_dethred，计数判决触发器145的输出信号包括judgment_stage、check_dat和monitor_stage。目标时钟计数器143的输入信号包括tar_clk_i、tar_rstn_i和monitor_stage，目标时钟计数器143的输出信号包括monitor_stage_cnter。警报判决器144的输入信号包括freq_deb、lowfreq_level、higfreq_level、freq_l_rearm、freq_h_rearm和monitor_stage_cnter，警报判决器144的输出信号包括freq_h_alarm和freq_l_alarm。

计数判决触发器145可以是周期为2*freq_dethred的计数器cnter，计数时钟为ref_clk_i，即ref_clk_i为参考时钟，对目标时钟信号进行计数的计数周期为freq_dethred。freq_enable为计数判决触发器145的使能信号，该信号可由控制器141发送给计数判决触发器145。当freq_enable为高电平时，计数判决触发器145开始计数，从0计数至2*freq_dethred。当计数器cnter小于freq_dethred时，monitor_stage为高电平，judgment_stage为低电平。当计数器cnter大于freq_dethred时，monitor_stage为低电平，judgment_stage为高电平。因此产生了相位相差180度的方波信号monitor_stage和方波信号judgment_stage，即monitor_stage为第一矩形波信号，judgment_stage为第二矩形波信号。计数判决触发器145还会输出check_dat脉冲来使能警报判决器144进行判决，check_dat为方波信号judgment_stage中有低电平转换至高电平时的脉冲信号。ref_rstn_i用于对参考时钟信号ref_clk_i进行异步复位。

目标时钟计数器143是一个位宽为16位的计数器monitor_stage_cnter，计数时钟为tar_clk_i，即tar_clk_i为目标时钟信号。当monitor_stage为高电平时目标时钟计数器143开始对tar_clk_i进行计算，当monitor_stage为低电平时目标时钟计数器143停止计数，获得目标时钟信号计数值monitor_stage_cnter，并将目标时钟信号计数值monitor_stage_cnter发送给警报判决器144。tar_rstn_i用于对目标时钟信号tar_clk_i进行异步复位。

警报判决器144是一个用来判决monitor_stage_cnter是否落在合理范围内的装置，若monitor_stage_cnter在lowfreq_level(低频警报阈值)和higfreq_level(高频警报阈值)之间则认为目标时钟信号的频率正常，若大于higfreq_level则会输出freq_h，若小于lowfreq_level则会发出freq_l。判决时刻发生在check_dat脉冲时，若freq_h为高电平则锁存输出高频警报信号freq_h_alarm，若freq_l为高电平则锁存输出低频警报信号freq_l_alarm。为了增加系统稳定性，防止电路不稳定造成误判，添加了对freq_l和freq_h的低通滤波功能，用freq_deb来调整频率探测的敏感度，去抖动：

当连续freq_deb个check_dat探测周期freq_h高则输出高频警报信号freq_h_alarm；

当连续freq_deb个check_dat探测周期freq_l高则输出低频警报信号freq_l_alarm。

freq_deb即为前述实施例中的N值，freq_h_rearm为前述实施例中的高频警报复位信号，freq_l_rearm为前述实施例中的低频警报复位信号。

在一个例子中，ref_clk_i、ref_rstn_i、tar_clk_i、tar_rstn_i、freq_enable、freq_l_rearm、freq_h_rearm、freq_h_alarm和freq_l_alarm的位宽均为1位，freq_deb的位宽为3位，freq_dethred、lowfreq_level和higfreq_level的位宽均为16位。

由于参考时钟信号ref_clk_i本身具有误差，目标时钟计数器143对目标时钟信号进行技术也具有误差，这两个误差都会影响对目标时钟信号进行频率检测的准确性。为了保证对时钟频率检测的准确性，将参考时钟信号ref_clk_i设计为芯片内部时钟，同时考虑工艺和成本，参考时钟信号ref_clk_i的误差范围为±2％。由于时钟频率检测单元142基于计数的方法进行时钟频率检测，所以目标时钟信号计数值monitor_stage_cnter存在±1的固有计数误差，为了将固有计数误差控制在0.1％误差内，目标时钟信号计数值monitor_stage_cnter需要大于1000。

高频警报阈值和低频警报阈值可以根据实际应用场景设定，保证在低频警报阈值至高频警报阈值范围内，芯片内的加解密算法不会出错即可，比如可以设定低频警报阈值为标准计数值的95％，高频警报阈值为标准计数值的105％。

下面表1给出目标时钟信号tar_clk_i的频率大于1MHz时各信号的一些例子，用以说明各信号的部分可能组合。

表1

当目标时钟信号tar_clk_i的频率小于1MHz时，可以在满足误差分析和安全范围的情况下增大freq_dethred、monitor_stage_cnter、lowfreq_level、higfeq_level位宽来实现。

时钟频率检测方法

图8是本申请一个实施例的时钟频率检测方法的流程图，该时钟频率检测方法可由上述实施例中的时钟频率检测单元142执行。如图8所示，该时钟频率检测方法包括如下步骤：

步骤801、接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；

步骤802、根据目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。

在本申请实施例中，通过对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值，通过比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号是否出现低频故障。如果确定目标时钟信号出现低频故障，即目标时钟信号的频率被降低，则发出低频警报信号。通过对计数周期内所接收到的目标时钟信号进行计数，将计数结果与预设低频警报阈值和高频警报阈值进行比较，确定目标时钟信号的频率是否被降低，并在目标时钟信号的频率被降低后发出低频警报信号，检测过程不易受到电压、温度和电路的影响，保证了时钟频率检测结果的准确性。

在一种可能的实现方式中，在获得目标时钟信号计数值后，还可以根据目标时钟信号计数值与高频警报阈值的大小关系，确定目标时钟信号高频故障时，发出高频警报信号。

在一种可能的实现方式中，在确定目标时钟信号的故障类型时，如果连续N个计数周期的目标时钟信号计数值大于高频警报阈值，则确定目标时钟信号高频故障，如果连续N个计数周期的目标时钟信号计数值小于高频警报阈值，则确定目标时钟信号低频故障。其中，低频警报阈值小于高频警报阈值，N为大于或等于2的整数。

在一种可能的实现方式中，时钟频率检测方法还包括：交替产生计数信号和判决信号，其中，计数信号的持续时间等于计数周期的时长。对目标时钟信号进行计数时，根据计数信号，在计数周期内对目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；在比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系时，响应于判决信号，比较所接收到的目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，并根据比较结果确定目标时钟信号的故障类型。

在一种可能的实现方式中，产生计数信号和判决信号时，可以根据参考时钟信号生成第一矩形波信号和第二矩形波信号，其中，第一矩形波信号和第二矩形波信号的相位相差180度，第一矩形波信号中的高电平信号为计数信号，第二矩形波信号中由低电平转换至高电平的脉冲信号为判决信号，第一矩形波信号在每个周期中高电平的持续时间等于计数周期的时长。

在一种可能的实现方式中，第一矩形波信号的占空比为0.5。

在一种可能的实现方式中，参考时钟信号由设置于芯片内部的时钟源产生，芯片包括时钟频率检测单元。

在一种可能的实现方式中，时钟频率检测方法还包括：在发出高频警报信号后，接收高频警报复位信号，并根据高频警报复位信号清除历史高频警报信号，以重新检测下一次高频故障，以及在发出低频警报信号后，接收低频警报复位信号，并根据低频警报复位信号清除历史低频警报信号，以重新检测下一次低频故障。

在一种可能的实现方式中，目标时钟信号从待保护电路的工作时钟信号线上采集。

需要说明的是，由于时钟频率检测方法的细节在上述实施例的时钟频率检测单元部分，已经结合结构示意图进行了详细说明，具体过程可参见前述时钟频率检测单元实施例中的描述，在此不再进行赘述。

本申请实施例的商业价值

在本申请实施例中，计数判决触发器向目标时钟计数器发送计数信号，并向警报判决器发送判决信号，目标时钟计数器根据计数信号对目标时钟信号进行计数获得目标时钟信号计数值，警报判决器根据判决信号比较目标时钟信号计数值与低频警报阈值和高频警报阈值的大小关系，进而发出相应的警报信号，以指示目标时钟信号的频率被提高或降低。基于计数方式对目标时钟信号进行检测，具有较宽的频率检测范围，可以对不同带宽的目标时钟频率进行检测。既可以对高频故障进行检测，也可以对低频故障进行检测。检测敏感度可以灵活配置，滤除电路不稳定带来的误判。具有重新装载功能，清除历史警报信号后，可以重新检测，提高对时钟频率进行检测的全面性。

应该理解，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置和系统实施例中描述的方法，所以描述的比较简单，相关之处参见其他实施例的部分说明即可。

应该理解，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

应该理解，本文用单数形式描述或者在附图中仅显示一个的元件并不代表将该元件的数量限于一个。此外，本文中被描述或示出为分开的模块或元件可被组合为单个模块或元件，且本文中被描述或示出为单个的模块或元件可被拆分为多个模块或元件。

还应理解，本文采用的术语和表述方式只是用于描述，本说明书的一个或多个实施例并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

Claims (13)

1.一种时钟频率检测单元，包括：

目标时钟计数器，用于接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；

警报判决器，用于根据所述目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。

2.根据权利要求1所述的时钟频率检测单元，其中，

所述警报判决器，用于根据所述目标时钟信号计数值与高频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号高频故障时，发出高频警报信号。

3.根据权利要求2所述的时钟频率检测单元，其中，

所述警报判决器，用于在连续N个所述计数周期的所述目标时钟信号计数值大于所述高频警报阈值时，确定所述目标时钟信号高频故障，并在连续N个所述计数周期的所述目标时钟信号计数值小于所述高频警报阈值时，确定所述目标时钟信号低频故障，其中，所述低频警报阈值小于所述高频警报阈值，N为大于或等于2的整数。

4.根据权利要求2所述的时钟频率检测单元，其中，所述时钟频率检测单元还包括：计数判决触发器；

所述计数判决触发器，用于交替产生计数信号和判决信号，并将所述计数信号发送给所述目标时钟计数器，将所述判决信号发送给所述警报判决器，其中，每次向所述目标时钟计数器发送所述计数信号的持续时间等于所述计数周期的时长；

所述目标时钟计数器，用于根据所述计数信号，在所述计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得所述目标时钟信号计数值，并将所述目标时钟信号计数值发送给所述警报判决器；

所述警报判决器，用于响应于所述判决信号，比较所接收到的所述目标时钟信号计数值与所述低频警报阈值和所述高频警报阈值的大小关系，并根据比较结果确定所述目标时钟信号的故障类型。

5.根据权利要求4所述的时钟频率检测单元，其中，

所述计数判决触发器，用于根据参考时钟信号生成第一矩形波信号和第二矩形波信号，将所述第一矩形波信号发送给所述目标时钟计数器，将所述第二矩形波信号发送给所述警报判决器，其中，所述第一矩形波信号和所述第二矩形波信号的相位相差180度，所述第一矩形波信号中的高电平信号为所述计数信号，所述第二矩形波信号中由低电平转换至高电平的脉冲信号为所述判决信号，所述第一矩形波信号在每个周期中高电平的持续时间等于所述计数周期的时长。

6.根据权利要求5所述的时钟频率检测单元，其中，所述第一矩形波信号的占空比为0.5。

7.根据权利要求5或6所述的时钟频率检测单元，其中，所述参考时钟信号由设置于芯片内部的时钟源产生，所述芯片包括所述时钟频率检测单元。

8.根据权利要求1-6中任一所述的时钟频率检测单元，其中，

所述警报判决器，用于在发出高频警报信号后，接收高频警报复位信号，并根据所述高频警报复位信号清除历史高频警报信号，以重新检测下一次高频故障，以及在发出低频警报信号后，接收低频警报复位信号，并根据所述低频警报复位信号清除历史低频警报信号，以重新检测下一次低频故障。

9.根据权利要求1-6中任一所述的时钟频率检测单元，其中，所述目标时钟信号从待保护电路的工作时钟信号线上采集。

10.一种防护单元，包括：

根据权利要求1-9中任一所述的时钟频率检测单元；

控制器，用于控制所述时钟频率检测单元工作。

11.一种处理单元，包括：

根据权利要求10所述的防护单元；

调度单元，用于调度所述防护单元执行数据处理任务。

12.一种计算系统，包括根据权利要求11所述的处理单元。

13.一种时钟频率检测方法，包括：

接收待检测的目标时钟信号，并在计数周期内对所述目标时钟信号进行计数，获得目标时钟信号计数值；

根据所述目标时钟信号计数值与低频警报阈值的大小关系，确定所述目标时钟信号低频故障时，发出低频警报信号。