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FLASH型單片機(jī)的加密與解密

  隨著Flash型單片機(jī)的普及,單片機(jī)加密的技術(shù)已經(jīng)有了較大的變化。本文以HCS12系列單片機(jī)為例,介紹一種典型的加解密機(jī)制,并著重討論使用密碼加解密的方法以及相應(yīng)的用戶接口程序設(shè)計(jì)思路。廠商利用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí),都會(huì)關(guān)心其代碼和數(shù)據(jù)的保密性??紤]到用戶在編寫和調(diào)試代碼時(shí)所付出的時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)芯片進(jìn)行加密和解密,使整個(gè)的加解密過程更為簡(jiǎn)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(duì)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(tái)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(gè)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。
  該模塊有三種作用:
  1)對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器的讀寫。將用戶程序下載到目標(biāo)芯片中或是將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀出。
  2)對(duì)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)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?。BDM命令可以由獨(dú)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(shí)序協(xié)議是公開的,任何人都可以根據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)硬件、編寫程序,實(shí)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)芯片的所有讀操作。在MC9S12DP256單片機(jī)中,加密是通過對(duì)某一Flash單元($FF0F)編程來實(shí)現(xiàn)的。加密后的芯片,BDM編程器對(duì)Flash的讀操作就被禁止了。
  采用完全加密,讀取ROM代碼的可能性就不存在了,這是一種最為“安全”的加密方法。如果用戶想修改ROM的內(nèi)容,唯一的辦法就是將Flash的內(nèi)容全部擦除,這一操作可以通過BDM編程器來完成。
  使用BDM編程器擦除Flash ROM和EEPROM的過程與在普通模式下對(duì)片內(nèi)的Flash ROM擦除操作過程基本一樣,區(qū)別是對(duì)寄存器或是存儲(chǔ)單元的讀寫要改由BDM命令來實(shí)現(xiàn)。通過BDM編程器將一連串完整的擦除指令序列送給單片機(jī),就可將Flash ROM和EEPROM的內(nèi)容全部擦除了。
  在全擦除操作完成后,BDM編程器將系統(tǒng)復(fù)位,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查全擦除操作是否成功。如果成功,BDM狀態(tài)寄存器的UNSEC位會(huì)自動(dòng)置“1”,系統(tǒng)進(jìn)入解密狀態(tài)。
  由于系統(tǒng)靠檢查Flash ROM和EEPROM是否清空來決定系統(tǒng)是否保持加密狀態(tài),所以,如果用戶程序偶然將Flash ROM和EEPROM的內(nèi)容全部擦除,那么系統(tǒng)也將自動(dòng)解密。
  ?使用密碼的加密
  為了留有讀取ROM代碼的可能,用戶可以采用一種帶有密碼的加密方式。解密時(shí),用戶只要給出正確的密碼(稱為“后門密碼”),就可以讀寫ROM,而不破壞其內(nèi)容了。
  使用這種方法,用戶需要在加密之前,設(shè)定4個(gè)字長(zhǎng)的密碼,并將其存放在Flash中,MC9S12DP256存放密碼的Flash地址是從$FF00到$FF07。設(shè)定的密碼可以隨用戶程序一起下載到芯片中。
  解密時(shí),接受用戶輸入的密碼并驗(yàn)證的工作只能由一個(gè)用戶接口程序來完成的,不能使用BDM編程器。接口的方式?jīng)]有限制,如SCI、SPI、IIC、MSCAN等等,只要用戶能夠?qū)⒄_的密碼輸入,任何一種接口方式都是可以的,最為典型的接口是串口。
  需要注意,不管使用哪種方式將系統(tǒng)解密,解密后的系統(tǒng)雖然可以暫時(shí)讀取Flash,但是由于單元$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(huì)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”。
  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?yàn)榻邮芎万?yàn)證密碼都需要由用戶程序完成,只要用戶程序設(shè)計(jì)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(jì)思路:
  針對(duì)窮舉密碼的對(duì)策。MC9S12DP256的密碼長(zhǎng)達(dá)8個(gè)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(cuò)誤密碼的次數(shù),如果出錯(cuò)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(cuò)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(duì)外接口。使用密碼加解密時(shí),用戶程序使用的對(duì)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(gè)接口,用戶可以根據(jù)方便和安全考慮自己選擇,這樣也會(huì)使破解者難以入手。
  用戶程序級(jí)密碼驗(yàn)證。用戶還可以給接口程序增設(shè)一級(jí)密碼驗(yàn)證的步驟。只有通過該密碼驗(yàn)證,才能進(jìn)一步輸入解密的密碼。因?yàn)榧用芎螅現(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(yàn)證。另外,如果某一個(gè)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(gè)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(chǎng)合,用戶對(duì)于單片機(jī)的控制是通過以太網(wǎng)等介質(zhì)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)的,只要有相應(yīng)的接口程序,能夠遠(yuǎn)程對(duì)單片機(jī)進(jìn)行加解密,這無疑會(huì)給用戶的工作帶來很大的方便。
  總體而言,F(xiàn)lash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(duì)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(shí)現(xiàn)的過程依賴于用戶程序,只要精心設(shè)計(jì)接口程序,用戶完全可以將這種風(fēng)險(xiǎn)降至最低。


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