硬件学习之通过树莓派操控 jtag
作者：Hcamael@知道创宇404实验室
时间：2019年10月21日
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：
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1 2 3 4 |
>>> 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。
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1 2 |
>>> GPIO.output(2, 1) >>> GPIO.output(2, 0) |
使用output函数进行二进制输出
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1 2 |
>>> 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：
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1 2 3 4 |
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：
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1 2 3 4 |
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
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1 2 3 |
TCK 0 TMS 0 TCK 1 |
3.进入SELECT-DR-SCAN状态
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1 2 3 |
TCK 0 TMS 1 TCK 1 |
4.进入SELECT-IR-SCAN状态
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1 2 3 |
TCK 0 TMS 1 TCK 1 |
5.进入CAPTURE-IR状态
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1 2 3 |
TCK 0 TMS 0 TCK 1 |
6.进入SHIFT-IR状态
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1 2 3 |
TCK 0 TMS 0 TCK 1 |
7.输入0b10
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1 2 3 4 5 6 7 8 |
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：
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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。
在该文件中我们能看到jtag端口在cpu端口的位置：
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"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：
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1 |
attribute INSTRUCTION_LENGTH of top: entity is 32; |
能找到指令寄存器的有效值：
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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：
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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。
- TAP状态机切换到SHIFT-IR
- 输出IDCODE到IR中
- 切换到SHIFT-DR
- 获取INSTRUCTION_LENGTH长度的TDO输出值
- 退出
用代码形式的表示如下：
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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:
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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。
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