示波器基础与信号采集

说实话，很多刚接触功耗分析的朋友，第一反应都是：「不就是拿示波器抓个波形吗？有什么难的？」

嗯，我当年也是这么想的。直到第一次用ChipWhisperer抓AES加密的功耗轨迹，发现波形全是噪声，触发怎么也调不对……折腾了整整一个下午。从那以后，我老老实实把示波器这块重新啃了一遍。

这一章，咱们就把示波器在功耗分析中的那些门道，掰开揉碎了讲清楚。

示波器工作原理——它到底在测什么？

示波器说白了，就是一个「电压-时间」记录仪。它把随时间变化的电压信号，画在屏幕上给你看。

但在功耗分析里，我们关心的不是电压本身，而是电流的变化。你想想看，芯片在执行不同指令时，消耗的电流是不一样的。我们在目标板和地之间串一个小电阻（通常10Ω或50Ω），然后用示波器去测电阻两端的电压。根据欧姆定律，电压的变化就反映了电流的变化，也就是功耗的变化。

我习惯把采样电阻选在10Ω左右。太小了信号幅度不够，太大了会影响目标板正常工作。这个平衡点，我在一个物联网模块的项目上试了好几种阻值才找到。

ChipWhisperer示波器模块配置

ChipWhisperer的示波器模块，其实是一个数字存储示波器（DSO）。它不像台式示波器那样有旋钮和按钮，所有配置都在Python代码里完成。

先看一个最基本的配置代码：

import chipwhisperer as cw

# 连接ChipWhisperer
scope = cw.scope()

# 配置示波器模块
scope.gain.gain = 45      # 增益，单位dB
scope.gain.mode = 'low'   # 低增益模式
scope.adc.samples = 10000 # 采样点数
scope.adc.offset = 0      # 直流偏置
scope.adc.basic_mode = 'rising_edge' # 上升沿触发

这段代码我几乎每个项目都会用，但有个坑——增益不是越大越好。我曾经在一个智能卡分析项目里，把增益调到60dB，结果波形顶部全部削平了，数据全废。后来才意识到，增益太大信号会饱和。

触发信号设置——让每次捕获都在同一位置

功耗分析的核心，是多次捕获相同操作的功耗轨迹，然后做统计分析。这就要求每次捕获的起始点必须一致。触发信号就是干这个的。

ChipWhisperer支持多种触发方式：

• 上升沿触发：最常用。目标板在执行加密操作前，拉高一个GPIO引脚，示波器检测到上升沿就开始采样。
• 下降沿触发：偶尔用。比如某些芯片在操作结束时拉低引脚。
• 软件触发：调试时用。手动控制开始采样。

实际项目中，我一般这样配置触发：

# 配置触发
scope.trigger.triggers = 'tio4'      # 使用TIO4引脚作为触发源
scope.trigger.module = 'basic'       # 基本触发模式
scope.trigger.basic_mode = 'rising_edge' # 上升沿触发
scope.io.tio4 = 'serial_rx'          # 配置TIO4为输入

这里有个容易忽略的地方——触发信号的电平要匹配。目标板可能是3.3V，也可能是1.8V。如果电平不匹配，触发可能不工作，甚至烧坏引脚。我吃过这个亏，一块开发板就这么废了。

采样率与分辨率选择——抓多快？存多细？

这两个参数直接决定了你捕获到的波形质量。

采样率：每秒采多少个点。ChipWhisperer的ADC最高支持100MS/s（每秒1亿个采样点）。

分辨率：每个采样点用多少位来表示。ChipWhisperer是10位ADC，理论上可以区分1024个不同的电压等级。

怎么选？我一般遵循两个原则：

1. 采样率至少是信号最高频率的5倍。AES加密通常在几MHz到几十MHz，20MS/s到50MS/s就够用了。
2. 分辨率够用就行。10位分辨率对于功耗分析已经足够，不需要额外处理。

来看一个实际配置：

# 采样率设置
scope.clock.clkgen_freq = 100000000  # 100MHz时钟
scope.clock.adc_src = 'clkgen_x1'    # ADC时钟源
scope.adc.samples = 5000             # 采样5000个点
scope.adc.decimate = 1               # 不降采样

# 实际采样率 = 100MHz / 1 = 100MS/s

为什么采样5000个点？因为AES加密一个块通常需要几百到几千个时钟周期，5000个点足够覆盖整个加密过程。采样点太多，文件会很大，处理也慢；太少，又可能漏掉关键信息。

首次波形捕获实战——动手抓一条功耗轨迹

理论说了这么多，咱们来点实际的。下面是一个完整的波形捕获流程：

import chipwhisperer as cw
import time

# 1. 连接设备
scope = cw.scope()
target = cw.target(scope)

# 2. 配置示波器
scope.gain.gain = 45
scope.adc.samples = 5000
scope.adc.offset = 0
scope.trigger.triggers = 'tio4'
scope.trigger.basic_mode = 'rising_edge'

# 3. 配置目标板
target.baud = 38400
target.protocol = 'simple'

# 4. 准备明文
key = bytes([0x2b, 0x7e, 0x15, 0x16, 0x28, 0xae, 0xd2, 0xa6,
             0xab, 0xf7, 0x15, 0x88, 0x09, 0xcf, 0x4f, 0x3c])
plaintext = bytes([0x32, 0x43, 0xf6, 0xa8, 0x88, 0x5a, 0x30, 0x8d,
                   0x31, 0x31, 0x98, 0xa2, 0xe0, 0x37, 0x07, 0x34])

# 5. 捕获波形
target.set_key(key)
target.simpleserial_write('p', plaintext)
trace = scope.capture_and_read()

# 6. 查看结果
print(f"捕获到 {len(trace)} 个采样点")
print(f"波形最大值: {max(trace):.3f}")
print(f"波形最小值: {min(trace):.3f}")

运行这段代码，如果一切正常，你会看到类似这样的输出：

捕获到 5000 个采样点
波形最大值: 0.452
波形最小值: -0.123

嗯，看到这个输出，说明你成功捕获到了第一条功耗轨迹。但别高兴太早——我第一次跑这个代码，等了半天没反应。后来发现是触发信号没接对，TIO4引脚悬空了。示波器一直在等触发，当然不会开始采样。

捕获到波形后，我习惯先画出来看一眼：

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.plot(trace)
plt.xlabel('采样点')
plt.ylabel('电压 (V)')
plt.title('AES加密功耗轨迹')
plt.grid(True)
plt.show()

你会看到一条上下波动的曲线。那些尖峰对应的是AES加密中的各种操作——S盒查表、字节代换、列混合……每个操作都有独特的功耗特征。这就是我们后续做攻击分析的基础。

本章知识体系

下面这张图，把示波器配置的整个流程串起来了：

这张图把整个流程分成了5步。我每次做新项目，都会按这个顺序走一遍。特别是第5步「验证波形质量」，很多人会跳过，结果后面分析时才发现波形有问题，又得回头重抓。

好了，示波器这块就讲到这里。你手边如果有ChipWhisperer，不妨把上面的代码跑一遍。亲手抓到第一条功耗轨迹的感觉，还是挺有成就感的。

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