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標(biāo)題: Flash型單片機(jī)的加密與解密 [打印本頁]

作者: conniede 時間: 2010-8-28 21:28
標(biāo)題: Flash型單片機(jī)的加密與解密
引言

廠商利用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時，都會關(guān)心其代碼和數(shù)據(jù)的保密性。考慮到用戶在編寫和調(diào)試代碼時所付出的時間和精力，代碼的成本是不言而喻的。

早期的單片機(jī)，代碼是交給芯片制造商制成掩膜ROM。有兩種加密的機(jī)制，一是徹底破壞讀取代碼的功能，無論是開發(fā)者還是使用者都永遠(yuǎn)無法讀取其中的內(nèi)容。從安全上來說，這種方式很徹底，但是已經(jīng)無法檢查ROM中的代碼了。另一種方法是不公開讀取方法，廠商仍可以讀取代碼。這種方式留有檢查代碼的可能性，但是并不能算是一種真正的“加密”，被破解的可能性是存在的。

客觀地講，一方面希望加密很徹底，而另外一方面又希望留有檢查代碼的可能，這是相互矛盾的要求。

自Flash技術(shù)得到廣泛應(yīng)用以來，各類單片機(jī)制造商紛紛采用了多種不同的芯片加密方法，對比掩膜ROM芯片來說，F(xiàn)lash ROM在線可編程特性使得芯片的加密和解密方式變得更加靈活和可靠。在Flash型單片機(jī)中，芯片的加密和解密工作都是通過對Flash ROM的編程來完成的，由于用戶程序可以在線地改寫ROM的內(nèi)容，可以編寫一套加密和解密的小程序，隨用戶程序下載到芯片中，通過運(yùn)行該程序，在線修改Flash ROM的內(nèi)容，對芯片進(jìn)行加密和解密，使整個的加解密過程更為簡單靈活。

Freescale公司的HCS12單片機(jī)采用的加解密思路有一定的典型性，我們對此作了一些研究，現(xiàn)以MC9S12DP256單片機(jī)為例，介紹Flash型單片機(jī)的加密解密方法。

BDM程序調(diào)試接口

Freescale公司的很多單片機(jī)都借用一種被稱為后臺調(diào)試模式（Background Debug Mode，BDM）作為下載和調(diào)試程序的接口。

BDM是一種單線調(diào)試模式，芯片通過一個引腳與編程器進(jìn)行通信。在HCS12系列單片機(jī)中，內(nèi)部都置有標(biāo)準(zhǔn)的BDM調(diào)試模塊。該模塊的有三種作用：

1) 對內(nèi)部存儲器的讀寫。將用戶程序下載到目標(biāo)芯片中或是將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出。

2) 對單片機(jī)工作方式和資源進(jìn)行配置。部分涉及到單片機(jī)工作方式和資源配置的寄存器只能在特殊模式下由編程器發(fā)送BDM命令來修改。

3) 程序調(diào)試。利用BDM模塊可以讀寫內(nèi)存和CPU內(nèi)部寄存器，調(diào)試程序。

在HCS12單片機(jī)未加密的狀態(tài)下，使用BDM硬件命令可以將Flash ROM中的程序讀出或?qū)⑿碌某绦驅(qū)懭搿DM命令可以由獨立的硬件系統(tǒng)來送出，我們一般稱此類系統(tǒng)為BDM編程器。

BDM編程器的時序協(xié)議是公開的，任何人都可以根據(jù)協(xié)議設(shè)計硬件、編寫程序，實現(xiàn)BDM編程器的功能。使用BDM接口，編程器可以很容易的訪問到目標(biāo)系統(tǒng)的存儲器，這給程序調(diào)試和燒寫帶來了很大的方便，然而，便利的對外接口也給盜用者留下了可乘之機(jī)。

在帶有BDM模塊的單片機(jī)中引入數(shù)據(jù)保密機(jī)制并非HCS12系列的首創(chuàng)，先前的HC12系列單片機(jī)的D家族中，就已經(jīng)引入了屏蔽Lockout BDM讀寫的機(jī)制，可惜，該機(jī)制在單片機(jī)的擴(kuò)展工作模式下存在著漏洞。相比之下，HCS12系列單片機(jī)中的保密機(jī)制更加完善，無論在BDM模式下或是擴(kuò)展模式下，都可以屏蔽外部對Flash ROM的讀寫。

兩種加密解密方法

在HCS12系列單片機(jī)中，加密可以分成兩種方法：完全加密和使用密碼的加密。這兩種加密的方法根據(jù)用戶的需求，使用的場合也有所不同。

完全加密

所謂完全加密，就是將芯片徹底的保護(hù)起來，屏蔽對芯片的所有讀操作。在MC9S12DP256單片機(jī)中，加密是通過對某一Flash單元（$FF0F）編程來實現(xiàn)的。加密后的芯片，BDM編程器對Flash的讀操作就被禁止了。

采用完全加密，讀取ROM代碼的可能性就不存在了，這是一種最為“安全”的加密方法。如果用戶想修改ROM的內(nèi)容，唯一的辦法就是將Flash的內(nèi)容全部擦除，這一操作可以通過BDM編程器來完成。

使用BDM編程器擦除Flash ROM和EEPROM的過程與在普通模式下對片內(nèi)的Flash ROM擦除操作過程基本一樣，區(qū)別是對寄存器或是存儲單元的讀寫要改由BDM命令來實現(xiàn)。通過BDM編程器將一連串完整的擦除指令序列送給單片機(jī)，就可將Flash ROM和EEPROM的內(nèi)容全部擦除了。

在全擦除操作完成后，BDM編程器將系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)會自動檢查全擦除操作是否成功。如果成功，BDM狀態(tài)寄存器的UNSEC位會自動置“1”，系統(tǒng)進(jìn)入解密狀態(tài)。

由于系統(tǒng)靠檢查Flash ROM和EEPROM是否清空來決定系統(tǒng)是否保持加密狀態(tài)，所以，如果用戶程序偶然將Flash ROM和EEPROM的內(nèi)容全部擦除，那么系統(tǒng)也將自動解密。

使用密碼的加密

為了留有讀取ROM代碼的可能，用戶可以采用一種帶有密碼的加密方式。解密時，用戶只要給出正確的密碼（稱為“后門密碼”），就可以讀寫ROM，而不破壞其內(nèi)容了。

使用這種方法，用戶需要在加密之前，設(shè)定4個字長的密碼，并將其存放在Flash中，MC9S12DP256存放密碼的Flash地址是從$FF00到$FF07。設(shè)定的密碼可以隨用戶程序一起下載到芯片中。

解密時，接受用戶輸入的密碼并驗證的工作只能由一個用戶接口程序來完成的，不能使用BDM編程器。接口的方式?jīng)]有限制，如SCI、SPI、IIC、MSCAN等等，只要用戶能夠?qū)⒄_的密碼輸入，任何一種接口方式都是可以的，最為典型的接口是串口。

假設(shè)接收的密碼存在變量KEY0-KEY7中，驗證密碼的程序如下：

;******************
;* TEST KEYS
;******************
TESTKEYS
BSET FCNFG,$20 ;置KEYACC為1
LDD KEY0
STD $FF00
LDD KEY2
STD $FF02
LDD KEY4

STD $FF04
LDD KEY6
STD $FF06 ;驗證KEY0-KEY7
BCLR FCNFG,$20 ;清KEYACC為0
LDAA FSEC
ANDA #$03
CMPA #$02
BNE FAIL&n bsp; ; 是否驗證成功？
SUCCESS ; 密碼驗證成功
LDAA FSTAT ; 清除Flash狀態(tài)寄存器
ORAA #%00110000
STAA FSTAT
LDAA #0
STAA FCNFG
BRCLR FSTAT,$80,*
LDD #$FFFE
STD $FF0E ; 改寫加密狀態(tài)，復(fù)位后系統(tǒng)不再加密
LDAA #$20
STAA FCMD
BSET FSTAT,#$80 ; 開始執(zhí)行
BRCLR FSTAT,$40,*
RTS ; 返回
FAIL RTS

程序返回后，如果用戶輸入的密碼和原值符合，系統(tǒng)將會把保密寄存器FSEC的最后兩位SEC[1:0]改寫到未加密的狀態(tài)，系統(tǒng)自動解密。如果驗證沒有通過，系統(tǒng)將保持加密狀態(tài)。

需要注意，不管使用哪種方式將系統(tǒng)解密，解密后的系統(tǒng)雖然可以暫時讀取Flash，但是由于單元$FF0F中的最后兩位仍處于加密狀態(tài)（全擦除后，“11”的組合仍為加密狀態(tài)），系統(tǒng)在下次復(fù)位后，仍會回到加密的狀態(tài)，所以為了徹底解密系統(tǒng)，必須改寫這兩位為“10”。整個程序的流程如圖1所示。

圖1 解密用戶接口程序流程圖

靈活使用帶密碼的加密解密方法

通過研究我們發(fā)現(xiàn)，使用帶有密碼的加密方式，看似給破解代碼留有了可能性，但因為接受和驗證密碼都需要由用戶程序完成，只要用戶程序設(shè)計的可靠，這種可能性是很小的。

為了增強(qiáng)用戶接口程序的可靠性和靈活性，我們提出以下幾種可能的設(shè)計思路：

針對窮舉密碼的對策：MC9S12DP256的密碼長達(dá)8個字節(jié)，如果不將密碼限定在ASCII碼的范圍內(nèi)，那么可以選擇的密碼數(shù)量將達(dá)到1.8*1019 種。為了防患破解者窮舉密碼，用戶可以設(shè)定允許輸入錯誤密碼的次數(shù)，如果出錯超過一定次數(shù)，接口程序就不再接收新的密碼了。允許出錯的次數(shù)可以根據(jù)安全需要和使用方便綜合考慮。

靈活的對外接口：使用密碼加解密時，用戶程序使用的對外接口是沒有任何限制的。本文中的串口程序只是一例，MC9S12DP256片內(nèi)集成了眾多的接口模塊，如SCI、SPI、IIC、MSCAN、J1850等等。使用哪一個接口，用戶可以根據(jù)方便和安全考慮自己選擇，這樣也會使破解者難以入手。

用戶程序級密碼驗證：用戶還可以給接口程序增設(shè)一級密碼驗證的步驟。只有通過該密碼驗證，才能進(jìn)一步輸入解密的密碼。因為加密后，F(xiàn)lash ROM就無法讀寫了，用戶程序可以將增設(shè)的密碼也保存到Flash中，留待驗證。另外，如果某一個模塊既要作為接受密碼的接口，又有其他的用途，也應(yīng)該留有一個交互界面，在使用前讓用戶選擇該模塊的用途。

遠(yuǎn)程加解密：在很多場合，用戶對于單片機(jī)的控制是通過以太網(wǎng)等介質(zhì)遠(yuǎn)程實現(xiàn)的，只要有相應(yīng)的接口程序，能夠遠(yuǎn)程對單片機(jī)進(jìn)行加解密，這無疑會給用戶的工作帶來很大的方便。

結(jié) 語

Flash在線編程技術(shù)的出現(xiàn)給單片機(jī)中的加密機(jī)制帶來了很大的改變。通過對HCS12系列單片機(jī)加解密方法的分析，我們認(rèn)為這種加解密的機(jī)制具有足夠的安全性，以及靈活的加解密方式。另外，使用密碼解密的可靠性很高，實現(xiàn)的過程依賴于用戶程序，只要精心設(shè)計接口程序，用戶完全可以將這種風(fēng)險降至最低。

作者: noescape 時間: 2010-9-17 22:31
來學(xué)習(xí)了

作者: linhaifeng 時間: 2010-11-28 23:17
學(xué)習(xí)了

作者: wyoh 時間: 2010-12-23 17:27
謝謝分享

作者: pcbkey 時間: 2015-2-7 10:34
支持一下

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