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片機一般都有內部ROM/EEPROM/FLASH供用戶存放程序。為了防止未經授權訪問或拷貝單片機的機內程序，大部分單片機都帶有加密鎖定位或者加密字節，以保護片內程序。如果在編程時加密鎖定位被使能（鎖定），就無法用普通編程器直接讀取單片機內的程序，這就是所謂拷貝保護或者說鎖定功能。 事實上，這樣的保護措施很脆弱，很容易被破解。單片機攻擊者借助專用設備或者自制設備，利用單片機芯片設計上的漏洞或軟件缺陷，通過多種技術手段，就可以從芯片中提取關鍵信息，獲取單片機內程序。 因此，作為電子產品的設計工程師非常有必要了解當前單片機攻擊的最新技術，做到知己知彼，心中有數，才能有效防止自己花費大量金錢和時間辛辛苦苦設計出來的產品被人家一夜之間仿冒的事情發生。 單片機攻擊技術 目前，攻擊單片機主要有四種技術，分別是： 1軟件攻擊 該技術通常使用處理器通信接口并利用協議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個典型事例是對早期ATMELAT89C 系列單片機的攻擊。攻擊者利用了該系列單片機擦除操作時序設計上的漏洞，使用自編程序在擦除加密鎖定位后，停止下一步擦除片內程序存儲器數據的操作，從而使加過密的單片機變成沒加密的單片機，然后利用編程器讀出片內程序。 2電子探測攻擊 該技術通常以高時間分辨率來監控處理器在正常操作時所有電源和接口連接的模擬特性，并通過監控它的電磁輻射特性來實施攻擊。因為單片機是一個活動的電子器件，當它執行不同的指令時，對應的電源功率消耗也相應變化。這樣通過使用特殊的電子測量儀器和數學統計方法分析和檢測這些變化，即可獲取單片機中的特定關鍵信息。 3過錯產生技術 該技術使用異常工作條件來使處理器出錯，然后提供額外的訪問來進行攻擊。使用最廣泛的過錯產生攻擊手段包括電壓沖擊和時鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護電路工作或強制處理器執行錯誤操作。時鐘瞬態跳變也許會復位保護電路而不會破壞受保護信息。電源和時鐘瞬態跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執行。 4探針技術 該技術是直接暴露芯片內部連線，然后觀察、操控、干擾單片機以達到攻擊目的。為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術分成兩類，一類是侵入型攻擊（物理攻擊），這類攻擊需要破壞封裝，然后借助半導體測試設備、顯微鏡和微定位器，在專門的實驗室花上幾小時甚至幾周時間才能完成。所有的微探針技術都屬于侵入型攻擊。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機不會被物理損壞。在某些場合非侵入型攻擊是特別危險的，這是因為非侵入型攻擊所需設備通常可以自制和升級，因此非常廉價。 大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識和軟件知識。與之相反，侵入型的探針攻擊則不需要太多的初始知識，而且通常可用一整套相似的技術對付寬范圍的產品。因此，對單片機的攻擊往往從侵入型的反向工程開始，積累的經驗有助于開發更加廉價和快速的非侵入型攻擊技術。 侵入型攻擊的一般過程 侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝。有兩種方法可以達到這一目的：第一種是完全溶解掉芯片封裝，暴露金屬連線。第二種是只移掉硅核上面的塑料封裝。第一種方法需要將芯片綁定到測試夾具上，借助綁定臺來操作。第二種方法除了需要具備攻擊者一定的知識和必要的技能外，還需要個人的智慧和耐心，但操作起來相對比較方便。芯片上面的塑料可以用小刀揭開，芯片周圍的環氧樹脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會溶解掉芯片封裝而不會影響芯片及連線。該過程一般在非常干燥的條件下進行，因為水的存在可能會侵蝕已暴露的鋁線連接。接著在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸，然后用清水清洗以除去鹽分并干燥。 沒有超聲池，一般就跳過這一步。這種情況下，芯片表面會有點臟，但是不太影響紫外光對芯片的操作效果。最后一步是尋找保護熔絲的位置并將保護熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺放大倍數至少100倍的顯微鏡，從編程電壓輸入腳的連線跟蹤進去，來尋找保護熔絲。若沒有顯微鏡，則采用將芯片的不同部分暴露到紫外光下并觀察結果的方式進行簡單的搜索。操作時應用不透明的紙片覆蓋芯片以保護程序存儲器不被紫外光擦除。將保護熔絲暴露在紫外光下5～10分鐘就能破壞掉保護位的保護作用，之后，使用簡單的編程器就可直接讀出程序存儲器的內容。 對于使用了防護層來保護EEPROM單元的單片機來說，使用紫外光復位保護電路是不可行的。對于這種類型的單片機，一般使用微探針技術來讀取存儲器內容。在芯片封裝打開后，將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易的找到從存儲器連到電路其它部分的數據總線。 由于某種原因，芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對存儲器的訪問。利用這一缺陷將探針放在數據線的上面就能讀到所有想要的數據。在編程模式下，重啟讀過程并連接探針到另外的數據線上就可以讀出程序和數據存儲器中的所有信息。 還有一種可能的攻擊手段是借助顯微鏡和激光切割機等設備來尋找保護熔絲，從而尋查和這部分電路相聯系的所有信號線。由于設計有缺陷，因此，只要切斷從保護熔絲到其它電路的某一根信號線，就能禁止整個保護功能。由于某種原因，這根線離其它的線非常遠，所以使用激光切割機完全可以切斷這根線而不影響臨近線。這樣，使用簡單的編程器就能直接讀出程序存儲器的內容。 雖然大多數普通單片機都具有熔絲燒斷保護單片機內代碼的功能，但由于通用低檔的單片機并非定位于制作安全類產品，因此，它們往往沒有提供有針對性的防范措施且安全級別較低。加上單片機應用場合廣泛，銷售量大，廠商間委托加工與技術轉讓頻繁，大量技術資料外瀉，使得利用該類芯片的設計漏洞和廠商的測試接口，并通過修改熔絲保護位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機的內部程序變得比較容易。 應對單片機破解的幾點建議 任何一款單片機，從理論上講，攻擊者均可利用足夠的投資和時間使用以上方法來攻破。所以，在用單片機做加密認證或設計系統時，應盡量加大攻擊者的攻擊成本和所耗費的時間。這是系統設計者應該始終牢記的基本原則。除此之外，還應注意以下幾點： （1）在選定加密芯片前，要充分調研，了解單片機破解技術的新進展，包括哪些單片機是已經確認可以破解的。盡量不選用已可破解或同系列、同型號的芯片。 （2）盡量不要選用MCS51系列單片機，因為該單片機在國內的普及程度最高，被研究得也最透。 （3）產品的原創者，一般具有產量大的特點，所以可選用比較生僻、偏冷門的單片機來加大仿冒者采購的難度。 （4）選擇采用新工藝、新結構、上市時間較短的單片機，如ATMELAVR系列單片機等。 （5）在設計成本許可的條件下，應選用具有硬件自毀功能的智能卡芯片，以有效對付物理攻擊。 （6）如果條件許可，可采用兩片不同型號單片機互為備份，相互驗證，從而增加破解成本。 （7）打磨掉芯片型號等信息或者重新印上其它的型號，以假亂真。當然，要想從根本上防止單片機被解密，程序被盜版等侵權行為發生，只能依靠法律手段來保障。 然后談一下單片機硬件抗干擾常用方法 影響單片機系統可靠安全運行的主要因素主要來自系統內部和外部的各種電氣干擾，并受系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構成單片機系統的干擾因素，常會導致單片機系統運行失常，輕則影響產品質量和產量，重則會導致事故，造成重大經濟損失。 形成干擾的基本要素有三個： （1）干擾源。指產生干擾的元件、設備或信號。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。 （2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。 （3）敏感器件。指容易被干擾的對象。如：A/D、 D/A變換器，單片機，數字IC，弱信號放大器等。 干擾的耦合方式 （1）直接耦合： 這是最直接的方式，也是系統中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號通過電源線侵入系統。對于這種形式，最有效的方法就是加入去耦電路。 （2）公共阻抗耦合： 這也是常見的耦合方式，這種形式常常發生在兩個電路電流有共同通路的情況。為了防止這種耦合，通常在電路設計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。 （3）電容耦合： 又稱電場耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產生的耦合。 （4）電磁感應耦合： 又稱磁場耦合。是由于分布電磁感應而產生的耦合。 （5）漏電耦合： 這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時就會發生。 常用硬件抗干擾技術 針對形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt， di/dt。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯電容來實現。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。 抑制干擾源的常用措施如下： （1）繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加續流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩壓二極管后繼電器在單位時間內可動作更多的次數。 （2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。 （3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 （4）電路板上每個IC要并接一個0.01μF～0.1 μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯電阻，會影響濾波效果。 （5）布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發射。 （6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產生的噪聲（這個噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的）。 切斷干擾傳播路徑 按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。 所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下： （1）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感，要給單片機電源加濾波電路或穩壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。 （2）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離（增加π形濾波電路）。 （3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定。 （4）電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。 （5）用地線把數字區與模擬區隔離。數字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。 （6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。 （7）在單片機I/O口、電源線、電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。 提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態盡快恢復的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： （1）布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。 （2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。 （3）對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源。 （4）對單片機使用電源監控及看門狗電路，如： IMP809，IMP706，IMP813， X5043，X5045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。 （5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。 （6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。 其它常用抗干擾措施 （1）交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖。 （2）變壓器雙隔離措施：變壓器初級輸入端串接電容，初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大地，次級外屏蔽層接印制板地，這是硬件抗干擾的關鍵手段。次級加低通濾波器：吸收變壓器產生的浪涌電壓。 （3）采用集成式直流穩壓電源： 有過流、過壓、過熱等保護作用。 （4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時去掉公共地。 （5）通訊線用雙絞線：排除平行互感。 （6）防雷電用光纖隔離最為有效。 （7）A/D轉換用隔離放大器或采用現場轉換：減少誤差。 （8）外殼接大地：解決人身安全及防外界電磁場干擾。 （9）加復位電壓檢測電路。防止復位不充分， CPU就工作，尤其有EEPROM的器件，復位不充份會改變EEPROM的內容。 （10）印制板工藝抗干擾： ① 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。 ② CPU、RAM、ROM等主芯片，VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號。 ③ 獨立系統結構，減少接插件與連線，提高可靠性，減少故障率。 ④ 集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。 ⑤ 有條件的采用四層以上印制板，中間兩層為電源及地。 嵌入式技術學習，聯系宋老師企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 以下課程可免費試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學習的你和我聯系預約就可以免費聽課了。 |
