Spi flash что это

Активные уровень импульсов — высокий. Сначала защёлкивание, затем сдвиг.

Активные уровень импульсов — высокий. Сначала сдвиг, затем защёлкивание.

Активные уровень импульсов — низкий. Сначала защёлкивание, затем сдвиг.

Активные уровень импульсов — низкий. Сначала сдвиг, затем защёлкивание.

Мастеру приходится настраиваться на тот режим, который используется ведомым. При обмене данными по интерфейсу SPI микроконтроллер может работать как ведущий (режим Master) либо как ведомый (режим Slave). При этом пользователь может задавать следующие параметры:

Операции

Шина SPI может работать с одним ведущим устройством и с одним или несколькими ведомыми устройствами.
Если одно ведомое устройство используется, то SS может быть зафиксирован на низком логическом уровне, если позволяет ведомое устройство. Некоторые ведомые устройства требуют понижение сигнала чипа для начала действий. Примером может служить Maxim MAX1242 ADC, который запускает преобразование при переходе high→low. С множественными ведомыми устройствами, независимый сигнал SS необходим от ведущего для каждого ведомого устройства.
Большинство ведомых устройств имеют три состояния выходов, поэтому их сигнал MISO будет высокоимпедансным, когда устройство не выбрано.

Передача данных

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:\

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.

Часы полярности и фазы

Возможны четыре комбинации фазы (CPHA) и полярности (CPOL) сигнала SCLK по отношению к сигналам данных. Режимы работы определяются комбинацией бит CPHA и CPOL:

Для обозначения режимов работы интерфейса SPI принято следующее соглашение:

Топология систем связи на базе SPI

Первый способ позволяет реализовать радиальную структуру связи (топология типа «звезда»), его принято считать основным способом подключения нескольких ведомых устройств. В данном случае для обмена более чем с одним ведомым устройством ведущее устройство должно формировать соответствующее количество сигналов выбора ведомого устройства (SS). При обмене данными с ведомым устройством, соответствующий ему сигнал SS переводится в активное (низкое) состояние, при этом все остальные сигналы SS находятся в неактивном (высоком) состоянии. Выводы данных MISO ведомых устройств соединены параллельно, при этом они находятся в неактивном состоянии, а перед началом обмена один из выходов (выбранного ведомого устройства) переходит в активный режим.

Второй способ позволяет реализовать структуру связи типа «кольцо». В данном случае для активации одновременно нескольких ведомых устройств используется один сигнал SS, а выводы данных всех устройств соединены последовательно и образуют замкнутую цепь. При передаче пакета от ведущего устройства этот пакет получает первое ведомое устройство, которое, в свою очередь, транслирует свой пакет следующему ведомому устройству и так далее. Для того, чтобы пакет от ведущего устройства достиг определенного ведомого устройства, ведущее устройство должно отправить еще несколько пакетов.

Синхронизация в SPI

Приложения

SPI используется с различными периферийными устройствами, такими как:

Преимущества и недостатки интерфейса SPI

Преимущества

Недостатки

Стандарты

Пример программной реализации

Ниже представлен пример программной реализации SPI мастера на языке Си. Линия CS (chip select, выбор микросхемы) должна быть активирована (в большинстве случаев — притянута к низкому уровню), перед тем, как начнётся обмен данными, и деактивирована после окончания обмена. Большинство устройств требуют несколько сеансов передачи с активной линией CS. Эта функция может быть вызвана несколько раз, пока линия активна.

Источник

Проникновение в BIOS ROM: осваиваем SPI Flash №1

Содержание статьи

Эта статья продолжает тему, связанную с угрозой искажения BIOS материнской
платы вредоносными программами. В ранее опубликованном материале
«Проникновение в BIOS ROM»
N1 и N2 был
приведен пример программы, выполняющей запись в микросхему BIOS, рассмотрены
механизмы защиты, используемые производителями материнских плат и причины, по
которым данные механизмы часто оказываются неэффективными. Напомним, что эта
проблема возникла более 10 лет назад, когда в качестве носителя BIOS начали
использовать микросхемы Flash ROM, допускающие перезапись содержимого без
физического вмешательства в компьютер. Таким образом, возможность оперативной
перезаписи (обновления) BIOS, привела к побочному эффекту – риску его случайного
или преднамеренного искажения.

Казалось бы, сегодня на эту тему уже все сказано. Но время идет, появляются
новые типы микросхем Flash ROM и интерфейсов для их подключения. Это
сопровождается появлением новых методов защиты BIOS от несанкционированного
искажения, и, конечно, новых уязвимостей. В ранее опубликованном материале,
ссылка на который приведена в начале статьи, рассматриваемая тема раскрыта на
примере платформы, использующей микросхему SST 49LF004A, подключенную к
интерфейсу LPC (Low Pin Count). Сегодня, ему на смену пришел интерфейс SPI
(Serial Peripheral Interface). Напомним, что для перезаписи содержимого
микросхемы BIOS, программа должна взаимодействовать с двумя блоками регистров:
регистры интерфейса Flash ROM, расположенные в составе «южного моста» чипсета и
регистры, входящие в состав самой микросхемы Flash ROM. При переходе от
интерфейса LPC к SPI, архитектура двух указанных блоков существенно изменилась.
Поэтому есть смысл рассмотреть взаимодействие программ с микросхемой BIOS,
механизмы защиты и их уязвимости применительно к современным платформам.
Материал снабжен примерами на ассемблере. Для экспериментов использовалась
материнская плата Gigabyte GA-965P-S3, построенная на чипсете Intel 965,
описанном в 3. В качестве носителя BIOS на данной плате используется
микросхема SST 25VF080B, описанная в [5]. Эта микросхема имеет объем 8 Мегабит
(1 Мегабайт) и подключается к интерфейсу SPI. Некоторые микросхемы других
производителей, использующих тот же интерфейс, описаны в [4,6,7]. Описание
интерфейса SPI приведено в [8,9]. При взаимодействии с контроллером SPI, нам
потребуется использовать механизмы доступа к конфигурационному пространству,
описанные в документах 10.

Интерфейс SPI: историческая справка

Как известно, быстродействие микросхемы постоянного запоминающего устройства
(Flash ROM), используемой в качестве носителя BIOS, практически не влияет на
общую производительность компьютера. Это связано с тем, что при старте
материнской платы, BIOS переписывается (или распаковывается) в оперативную
память Shadow RAM и при обращении к BIOS в сеансе ОС, программы работают с
оперативной памятью, а не с микросхемой Flash ROM. Поэтому, в отличие от
процессора, памяти, графической подсистемы, эволюция которых сопровождается
ростом производительности, микросхемы Flash ROM и их интерфейсы развиваются в
другом направлении. Здесь главными критериями являются уменьшение стоимости,
потребляемой мощности и занимаемой площади на материнской плате. Главный метод
достижения этих целей – уменьшение количества проводников между микросхемой BIOS
и контроллером, обычно входящим в состав «южного моста» чипсета. С точки зрения
метода подключения микросхемы BIOS, можно выделить три поколения материнских
плат:

1) На платах, использующих шину ISA, устанавливались микросхемы постоянных
запоминающих устройств с раздельными линиями адреса, данных и управления. При
этом для каждого разряда адреса и данных, а также для каждого сигнала управления
(чтение, запись) требовался свой провод, точнее печатный проводник на плате.

2) С появлением чипсетов Intel 810, 815, на основе «хабовой» архитектуры,
шина ISA ушла в прошлое. Ряд устройств материнской платы, ранее подключаемых к
ISA (контроллер гибких дисков, порты COM и LPT, микросхема BIOS), «переехали» на
интерфейс Low Pin Count или LPC, название которого переводится как «малое
количество сигналов». Сигналы адреса, данных и управления в этом интерфейсе
передаются по пяти линиям (не считая сигналов сброса, тактирования и линий
питания), в режиме мультиплексирования во времени. Микросхемы BIOS, используемые
в таких платформах, иногда называют Firmware Hub или FWH. Пример программы
стирания и записи микросхемы BIOS, приведенный в ранее опубликованной статье
«Проникновение в BIOS ROM» N1 и N2″ предназначен для таких платформ.

3) Начиная с чипсета Intel 945, в состав «южного моста» включен контроллер
специализированной последовательной шины Serial Peripheral Interface или SPI,
использующий передачу данных чтения и записи, а также управляющей и статусной
информации по однобитному последовательному каналу. Это позволило использовать
8-контактный корпус для микросхемы BIOS. Данная статья посвящена рассмотрению
именно таких платформ.

Отметим, что интерфейс LPC также поддерживается современными чипсетами и
разработчик материнской платы может использовать для подключения микросхемы BIOS
как LPC, так и SPI. Сфера применения интерфейса SPI не ограничивается
материнскими платами компьютеров. Внимательный читатель мог обратить внимание на
то, что из-за перехода к последовательному формату данных, каждый из описанных
интерфейсов использует больше тактов для выполнения операций чтения и записи,
чем его предшественник, что чревато снижением быстродействия. Но этого не
происходит, так как указанное обстоятельство компенсируется ростом частоты и
оптимизацией форматов данных. Шина ISA работает на частотах 5-8MHz, LPC на
33MHz, SPI на 33-50 MHz.

Архитектура микросхемы SPI Flash ROM

Микросхемы SPI Flash, в частности SST25VF080B, используют три сигнала для
приема и передачи данных. SCK (Serial Clock) – вход для тактирования
передаваемых или принимаемых данных. SI (Serial Input) – вход для передачи
данных от контроллера к микросхеме, по этой линии побитно передаются адрес,
данные для записи, и коды команд управления микросхемой. SO (Serial Output) –
выход для передачи данных от микросхемы к контроллеру, по этой линии побитно
передаются читаемые данные, а также информация о состоянии микросхемы.
Контроллер управляет микросхемой посредством команд, инициирующих операции
чтения и записи данных, стирания, чтения идентификаторов микросхемы, чтения и
записи регистра статуса и т.п.

Назначение каждого из восьми контактов микросхемы, описание всех команд, а
также другие подробности содержатся в [5].

Архитектура контроллера SPI

Напомним, что физический доступ к микросхеме BIOS (не путать с областью
Shadow RAM) осуществляется посредством окна, примыкающего к верхней границе
диапазона 0-4GB. Например, Flash ROM размером 1 Мбайт будет доступен в диапазоне
FFF00000h-FFFFFFFFh. В платформах, использующих интерфейсы ISA и LPC, через тот
же диапазон, при выполнении операций стирания и записи выполняется передача
команд и записываемых данных для микросхемы Flash ROM, а также чтение ее
статуса. Платформа, использующая интерфейс SPI, рассматриваемая в данной статье,
также поддерживает чтение содержимого микросхемы BIOS через указанный диапазон,
но для передачи управляющей и статусной информации во время записи и стирания
Flash ROM, используется другой метод доступа. Информация для выполнения цикла на
шине SPI (адрес и данные) записывается в специальные регистры контроллера SPI
(Flash Address и Flash Data соответственно), затем в регистр Software Sequencing
Flash Control передается команда на выполнение цикла обращения к Flash ROM
(чтения или записи). После этого, через регистр Software Sequencing Flash Status
можно определить момент завершения операции и проконтролировать наличие ошибок.
Данные, прочитанные из Flash ROM, находятся в регистре Flash Data.

В платформах с интерфейсами ISA и LPC, передача команд выполнялась путем
прямой записи байта кода команды в адресный диапазон Flash ROM. Интерфейс SPI
использует косвенный метод передачи команд посредством 8-байтного регистра
OpCode Menu. Каждый из байтов этого регистра хранит код одной из команд для
управления Flash ROM (запись, стирание, чтение идентификатора и т.п.). Для
запуска требуемой операции, программа должна передать номер байта (от 0 до 7),
который содержит код этой операции. Этот номер передается в 3-битном поле COP
(Cycle Opcode Pointer), которое является частью 32-битного кода, записываемого в
регистр Software Sequencing Flash Control для запуска команды на выполнение.
Блок регистров OpCode Menu обычно инициализирует BIOS при старте платформы.
Расположение байтов кодов операций в 8-байтном блоке зависит от реализации BIOS
и может быть произвольным, поэтому программа должна просканировать данный блок и
определить, под каким номером расположена в нем требуемая команда. Этот номер и
будет использован при заполнении поля COP.

Бит 0 (SPI Cycle In Progress) – используется для определения момента
завершения операции на шине SPI. «0» означает, что шина SPI свободна и программа
может запускать следующий цикл. «1» означает, что шина SPI занята, выполняется
транзакция. Бит устанавливается и сбрасывается аппаратно, доступен только для
чтения.

Бит 1 (Reserved) – не используется.

Бит 2 (Cycle Done Status) – устанавливается в «1» аппаратно, при
завершении транзакции на шине SPI. Для сброса, программа должна записать «1» в
данный бит.

Бит 3 (Flash Cycle Error) – устанавливается в «1» аппаратно, если при
выполнении транзакции имели место ошибки: защита записи или попытка запуска
следующей транзакции до завершения предыдущей. Для сброса, программа должна
записать «1» в данный бит.

Бит 4 (Access Error Log) – устанавливается в «1» аппаратно, если имели
место попытки обращения к микросхеме BIOS, нарушающие права доступа к заданным
диапазонам адресов, запрограммированным в конфигурационных регистрах контроллера
SPI.

Биты 5-7 (Reserved) – не используются.

Бит 8 (Reserved) – не используется. Как было показано выше, биты 8-31
рассматриваемого 32-битного слова соответствует битам 0-23 регистра Software
Sequencing Flash Control.

Бит 9 (SPI Cycle Go) – запуск транзакции на SPI. Запись «1» в этот бит
запускает выполнение транзакции, тип и содержание которой определяются
состоянием битов 10-31 этого же регистра.

Бит 10 (Atomic Cycle Sequence) – при передаче приказа на выполнение
транзакции, запись «1» в этот бит запрещает внешним событиям вмешиваться в
процессы, происходящие на интерфейсе SPI до тех пор, пока не будут выполнены три
фазы: передача префиксной команды, передача основной команды и завершение
выполнения основной команды.

Отметим, что таким образом реализуется один из механизмов защиты от
случайного искажения содержимого микросхемы BIOS. Так называемые префиксные
команды (например, Write Enable) должны предшествовать командам, изменяющим
содержимое микросхемы (например, Write, Erase). Получив код команды, содержащий
«1» в данном бите, все три фазы контроллер выполняет аппаратно, без
вмешательства процессора до завершения выполнения основной команды.

Бит 11 (Sequence Prefix Opcode Pointer) – при использовании префиксных
команд (когда бит 10 установлен в «1», см. выше), этот бит выбирает один из двух
байтов, который будет передан в качестве префиксной команды для микросхемы SPI
Flash. При «0» выбирается младший байт регистра Prefix Opcode Configuration
Register, при «1» – старший.

Бит 12-14 (Cycle Opcode Pointer) – это битовое поле выбирает один из
восьми байтов, который будет передан в качестве основной команды для микросхемы
SPI Flash. Указанные байты находятся в регистре Opcode Menu Configuration
Register.

Бит 15 (Reserved) – не используется.

Биты 16-21 (Data Byte Count) – задает количество байтов данных для
операций чтения или записи данных. Количество равно значению этого поля плюс 1.
Например: 000000b=1 байт, 111111b=64 байта.

Бит 22 (Data Cycle) – Задает наличие байтов данных в команде. «0»
означает, данные отсутствуют (например, в команде стирания), «1» означает, что
данные присутствуют (например, в команде чтения статуса, данными является
содержимое регистра статуса).

Бит 23 (SPI SMI# Enable) – разрешение формировать запрос на прерывание
System Management Interrupt после завершения транзакции, 0=запрещено,
1=разрешено.

Биты 24-26 (SPI Cycle Frequency) – задает частоту битовой
синхронизации при выполнении транзакции на SPI. Используются два значения
(остальные зарезервированы): 000b=20MHz, 001b=33MHz.

Биты 27-31 (Reserved) – не используются.

Отметим, что предварительное заполнение восьми байтов регистра Opcode Menu
Configuration Register и двух байтов регистра Prefix Opcode Configuration
Register выполняет BIOS при старте платформы. Поэтому, при формировании битовых
полей, выбирающих код команды и код префикса, программа должна просканировать
указанные регистры и найти, под каким номером в них находятся коды требуемых
операций. Варианты заполнения могут быть разными, даже среди материнских плат
одной модели, использующих различные версии BIOS. Некоторые утилиты перезаписи
Flash изменяют содержимое указанных регистров.

Детальное описание всех регистров и команд контроллера SPI приводится в [3].
Описание команд микросхемы SPI Flash приводится в 6. Информация, изложенная
выше, также проиллюстрирована ассемблерными примерами, прилагаемыми к статье.

Механизмы доступа к Flash ROM и защита записи

В общем случае, для инициирования операций стирания или перезаписи микросхемы
BIOS, программа должна выполнить четыре действия:

Рассмотрим подробнее эти процедуры, механизмы защиты, препятствующие их
несанкционированному выполнению и, конечно, уязвимости этих механизмов.

Как было сказано выше, при выполнении операций записи и стирания, программный
доступ к микросхеме SPI Flash осуществляется посредством регистров контроллера
SPI, без использования диапазона адресов, в котором доступен образ микросхемы
BIOS. Поэтому перенастройка чипсета для доступа к диапазону FFF00000h-FFFFFFFFh
в данном примере не потребуется.

Защита записи, реализуемая «южным мостом» Intel ICH8 построена по такой же
схеме, как и в платформах предыдущих поколений, отличаются только адреса
регистров. Следовательно, процедура снятия этой защиты подобна процедуре
рассмотренной в предыдущих публикациях. Доступом к микросхеме BIOS управляет
8-битный регистр BIOS_CNTL (его координаты в конфигурационном пространстве
Bus=0, Device=1Fh, Function=0, Register=DCh). Бит 0 этого регистра (бит BIOSWE,
BIOS Write Enable) управляет разрешением записи в микросхему BIOS, 0=запрещена,
1=разрешена. Бит 1 того же регистра (бит BLE, BIOS Lock Enable) обеспечивает
перехват несанкционированного выключения защиты. Если бит BLE=1, то при попытке
установить бит BIOSWE=1 будет генерироваться прерывание SMI (System Management
Interrupt) с вызовом специальной процедуры, входящей в состав BIOS. Причем, если
BIOS при старте установит бит BLE=1, программно обнулить его чипсет не
позволяет, режим перехвата будет выключен только после аппаратного сброса (по
сигналу RESET). Подробности в [3].

Практика показывает, что данный механизм «защиты от снятия защиты» обычно не
активируется разработчиками BIOS. Во всех материнских платах, исследованных
автором, бит BLE=0, поэтому для снятия защиты записи достаточно установить бит
BIOSWE=1, эта операция не будет перехвачена.

Микросхема Intel ICH8 также поддерживает защиту содержимого микросхемы BIOS,
путем задания адресных диапазонов, защищенных от чтения и (или) записи.
Теоретически, на базе данного механизма можно реализовать эффективную защиту,
так как запрет программно включается процедурами BIOS при старте платформы, и
может быть снят только при аппаратном сбросе. Но и этот механизм обычно не
активируется разработчиками BIOS.

Источники информации

Электронные документы, доступные на сайте
developer.intel.com.

1) Intel Low Pin Count (LPC) Interface Specification. Revision 1.1. Document
Number 251289-001.
2) Intel P965 Express Chipset Family Datasheet – For the Intel 82P965 Memory
Controller Hub (MCH). Document Number: 313053-001.
3) Intel I/O Controller Hub 8 (ICH8) Family Datasheet – For the Intel 82801HB
ICH8 and 82801HR ICH8R I/O Controller Hubs. Document Number: 313056-001.

Электронные документы, доступные на сайте
www.superflash.com или
ssti.com.

4) 1 Mbit SPI Serial Flash SST25VF010 Data Sheet. Document Number:
S71233-01-000.
5) 8 Mbit SPI Serial Flash SST25VF080B Data Sheet. Document Number:
S71296-01-000.

Электронные документы, доступные на сайте
winbond.com.tw.

6) W25X10A, W25X20A, W25X40A, W25X80A 1M-bit, 2M-bit, 4M-bit and 8M-bit
Serial Flash Memory with 4KB sectors and dual output SPI Data Sheet.

Электронные документы, доступные на сайте
macronix.com.

7) MX25L802 8M-bit [8Mx1] CMOS Serial Flash EEPROM Data Sheet.

Электронные документы, доступные на сайте
datakey.com.

8) SPI EEPROM Interface Specification. Part Number 223-0017-004 Revision H.

Электронные документы, доступные на сайте
vtitechnologies.com.

9) SPI Interface Specification. Technical Note 15.

Источник

• ← Как временно зарегистрировать гражданина узбекистана
• проверка подлинности по штрих коду guess →