基于TDC的可调谐电压传感装置及其较准调谐方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其校准调谐方法，包括TDC模块、时钟模块和寄存器模块；所述时钟模块产生脉冲时钟和采样时钟；所述TDC模块根据脉冲时钟产生多沿脉冲信号在延迟链上传递，并被采样时钟采样，得到测量结果；所述寄存器模块对TDC模块和时钟模块中各项参数进行配置和调试。本发明专利技术提供的电压传感装置灵敏度高，同时有较好的可部署性。相比常见的TDC电压传感装置，采用了多链多沿及双采样的设计，大大提高了灵敏度，利用相移时钟增强了可部署性。移时钟增强了可部署性。移时钟增强了可部署性。

【技术实现步骤摘要】
基于TDC的可调谐电压传感装置及其较准调谐方法


[0001]本专利技术涉及面向云FPGA的信息安全的
，具体地，涉及一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其较准调谐方法，尤其是，优选的涉及一种用于远程功耗分析攻击的高灵敏度可调谐TDC电压传感装置。

技术介绍

[0002]随着全球互联网的加速发展，云数据中心正在兴起。由于FPGA(英文全称为Field Programmable Gate Array，中文译文为现场可编程逻辑门阵列)的可重构特性，它被广泛应用于各种嵌入式和云计算环境。云FPGA通常都是多租户的，即FPGA的硬件资源可以由多个用户共享。通过在FPGA上部署电压传感装置，可以窃听周围计算引起的功耗泄露，通过功耗分析的侧信道攻击方法来窃取信息，给云服务中的数据甚至机器学习模型等带来安全问题。这种远程功耗分析(Remote Power Analysis,RPA)攻击中，如何设计高效、易实现的片上电压传感装置是核心问题。
[0003]TDC(时间数字转换器)是将模拟时间信息转换为数字信息的电路。在FPGA上专用的加法进位链延迟很小(在Xilinx 16nm FPGA上每级约为4ps)，可以较为方便地搭建高分辨率的延迟链，这种方法设计的TDC电路可以很好地完成时间测量相关的应用。它的基本原理是通过系统时钟对延迟链每级抽头的采样值记录输入的上升(或下降)沿传播的级数。当TDC与被攻击模块在FPGA上共享电源分配网络时，被攻击模块的运算引起电压波动，影响到进位链的延迟时间和输入信号在延迟链上传播的级数，而使本应较为稳定的TDC测量值产生变化。所以TDC对时间的测量也可以反映电压变化，将模拟电压信息转换为数字信息。
[0004]公开号为CN109342807A的中国专利技术专利文献公开了一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度。
[0005]针对上述中的相关技术，专利技术人认为当前的FPGA片上电压传感装置主要采用TDC电路实现，大多只使用了一条延迟链，只在延迟链上传播一个上升(或下降)沿，对电压波动的灵敏度不够高，需要采集更多功耗轨迹才能完成攻击，在先进工艺FPGA上这一点更明显。另外，由于电压波动的时间与时钟周期都是纳秒级，传感装置与被攻击模块间的时钟相位也会影响所采样功耗轨迹的信噪比，而这一因素是在实际攻击时通常是不固定。在某些相位下，电压传感装置采集到的有效信息较少。现有设计中几乎没有考虑这一因素。同时，一般的TDC电压传感装置中，在延迟链中传播的信号为时钟信号，需要调整时钟相位和延迟链长度，使时钟信号的边沿能在延迟链上被采样到以衡量其传播的级数。但当FPGA的工艺，温度，电压等条件，甚至传感装置或PLL的布局位置发生变化时，就需要反复实验来调整，可部
署性较差。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于TDC的可调谐电压传感装置及其校准调谐方法。
[0007]根据本专利技术提供的一种基于TDC的可调谐电压传感装置，包括TDC模块、时钟模块和寄存器模块；
[0008]所述时钟模块产生脉冲时钟和采样时钟；
[0009]所述TDC模块根据脉冲时钟产生多沿脉冲信号在延迟链上传递，并被采样时钟采样，得到测量结果；
[0010]所述寄存器模块对TDC模块和时钟模块进行配置和调试。
[0011]优选的，所述TDC模块包括脉冲产生电路、延迟链、采样电路和编码模块；
[0012]所述脉冲产生电路接收脉冲时钟，产生在延迟链上传播的脉冲信号；
[0013]所述采样电路接收采样时钟，根据采样时钟，每个周期对延迟链上的输出采样，得到采样值；
[0014]所述编码器模块对采样值编码得到测量结果。
[0015]优选的，所述时钟模块包括级联的时钟产生单元；前级的时钟产生单元的输出时钟作为后级的时钟产生单元的输入时钟，动态相移调节该电压传感装置的时钟相位；
[0016]后级的时钟产生单元产生脉冲时钟和采样时钟，对输入脉冲产生电路的脉冲时钟动态相移，调节脉冲的相位。
[0017]优选的，所述脉冲产生电路包括延迟链单元和异或门；
[0018]所述脉冲产生电路的延迟链单元通过选择信号调节时钟在延迟链单元中传播的级数；当时钟经过不同延时到达异或门时，在时钟边沿产生不同宽度的脉冲信号。
[0019]优选的，所述延迟链为多条，异或门产生的脉冲分别输入各延迟链传播。
[0020]优选的，所述采样电路为触发器阵列；
[0021]所述延迟链的各级延迟单元抽头连接触发器被采样；
[0022]当延迟链由FPGA的加法进位链实现时，进位链的加法输出和进位输出均连接触发器被采样。
[0023]优选的，所述编码模块对采样电路的每个周期的采样值编码，找到脉冲信号的上升沿和下降沿传播级数并求和，得到该电压传感装置的电压测量结果；
[0024]编码时按照抽头类型和编号划分子链，分别编码再求和。
[0025]优选的，所述寄存器模块包括链采样寄存器、时钟相移寄存器和脉冲宽度寄存器；
[0026]所述链采样寄存器对应距脉冲产生电路预设距离的延迟链的采样值；脉冲到达该预设距离的延迟链，根据采样值判断当前脉冲的相位是否合适，判断能否让脉冲的双边沿都被采样到；
[0027]所述时钟相移寄存器控制时钟产生单元的时钟相移端口，调整脉冲和该电压传感装置的时钟相位；
[0028]所述脉冲宽度寄存器对应TDC模块的脉冲产生电路的选择信号；该脉冲宽度寄存器调整时钟在脉冲产生电路的延迟链单元上传播的级数，使异或门产生脉冲并调整脉冲的
宽度。
[0029]根据本专利技术提供的一种基于TDC的可调谐电压传感装置校准调谐方法，应用基于TDC的可调谐电压传感装置，包括如下步骤：
[0030]步骤S1：调整TDC模块脉冲产生电路的脉冲宽度：配置脉冲宽度寄存器，使脉冲产生电路中一路延迟链单元延时短，一路延迟链单元的延时长；
[0031]步骤S2：校准，使双边沿能被同时采样：配置时钟相移寄存器，逐步相移脉冲产生电路的时钟；每次相移后都读取链采样寄存器，直到脉冲的双沿都被采样到，完成校准；
[0032]步骤S3：对时钟模块前级的时钟产生单元的输出时钟相移，采集被攻击模块工作和未工作状态下的功耗轨迹：逐步相移前级的时钟产生单元的输出时钟，并在每个相位下采集被攻击模块工作和未工作时的若干电压值；
[0033]步骤S4：调谐，确定该电压传感装置的时钟相位：对步骤S3中周期内各相位下采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，包括TDC模块、时钟模块和寄存器模块；所述时钟模块产生脉冲时钟和采样时钟；所述TDC模块根据脉冲时钟产生多沿脉冲信号在延迟链上传递，并被采样时钟采样，得到测量结果；所述寄存器模块对TDC模块和时钟模块进行配置和调试。2.根据权利要求1所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述TDC模块包括脉冲产生电路、延迟链、采样电路和编码模块；所述脉冲产生电路接收脉冲时钟，产生在延迟链上传播的脉冲信号；所述采样电路接收采样时钟，根据采样时钟，每个周期对延迟链上的输出采样，得到采样值；所述编码器模块对采样值编码得到测量结果。3.根据权利要求2所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述时钟模块包括级联的时钟产生单元；前级的时钟产生单元的输出时钟作为后级的时钟产生单元的输入时钟，动态相移调节该电压传感装置的时钟相位；后级的时钟产生单元产生脉冲时钟和采样时钟，对输入脉冲产生电路的脉冲时钟动态相移，调节脉冲的相位。4.根据权利要求2所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述脉冲产生电路包括延迟链单元和异或门；所述脉冲产生电路的延迟链单元通过选择信号调节时钟在延迟链单元中传播的级数；当时钟经过不同延时到达异或门时，在时钟边沿产生不同宽度的脉冲信号。5.根据权利要求4所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述延迟链为多条，异或门产生的脉冲分别输入各延迟链传播。6.根据权利要求2所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述采样电路为触发器阵列；所述延迟链的各级延迟单元抽头连接触发器被采样；当延迟链由FPGA的加法进位链实现时，进位链的加法输出和进位输出均连接触发器被采样。7.根据权利要求2所述的基于TDC的可调谐电压传感装置，其特征在于，所述编码模块对采样电路的每个周期的采样值编码，找到脉冲信号的上升沿和下降沿传播级数并求和，得到该电压传...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋剑飞，冉旭仲，景乃锋，王琴，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：