大家都知道，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件電路與控制程序兩部分組成，盡管硬件電路部分同樣凝聚了設(shè)計(jì)者的心血，也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者創(chuàng)造性勞動(dòng)成果，但卻無(wú)密可守，惟一有保密可能的就是控制程序部分。如何完善控制程序的加密功能，防止他人破解、盜取、復(fù)制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的控制程序代碼成了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和生產(chǎn)廠家保護(hù)自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯的關(guān)鍵措施之一。

　　我們?cè)诜治鰝鹘y(tǒng)單片機(jī)控制程序軟件加密技術(shù)和硬件加密技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索如何充分利用單片機(jī)芯片新增的硬件功能，提出了基于單片機(jī)芯片身份識(shí)別碼（即芯片惟一 ID號(hào)）、片內(nèi)RC振蕩器頻率離散性、上電標(biāo)志等多種單片機(jī)控制程序的加密策略。

　　一、新型MCU芯片特征與傳統(tǒng)軟件加密方式的局限性

　　1、新型MCIJ芯片特征

　　近年來(lái)，單片機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的單片化，主要體現(xiàn)在：支持ISP、ICP、IAP編程方式的Flash ROM存儲(chǔ)器已逐漸成為單片機(jī)芯片內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的主流，對(duì)于MCS-51兼容芯片來(lái)說(shuō)，也無(wú)須通過(guò)總線方式擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器：內(nèi)置了1一2個(gè)RC振蕩器（作看門狗計(jì)數(shù)器時(shí)鐘或系統(tǒng)主時(shí)鐘）。為保護(hù)片內(nèi)控制程序代碼的安全，除了進(jìn)一步強(qiáng)化加密鎖定位功能外，部分廠家的MCU芯片，如STC的MCS-51兼容芯片、ST公司Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列芯片還增加了芯片身份識(shí)別碼。

　　2、傳統(tǒng)軟件加密原理及其局限性

　　傳統(tǒng)軟件加密方式歸納起來(lái)主要有以下幾種；

　　（1）指令偽裝法

　　指令偽裝法叫的策略是在不影響控制程序運(yùn)行條件下，改變匯編語(yǔ)言源程序中個(gè)別指令的形態(tài)來(lái)增大反匯編代碼閱讀的難度，歸納起來(lái)主要有以下幾種方式：

　　a、對(duì)采用CISC指令系統(tǒng)的MCU芯片，用DB偽指令在兩模塊間插入多字節(jié)指令（雙字節(jié)或3字節(jié)）的操作碼，使反匯編后插入的操作碼字節(jié)與下一模塊第一條指令機(jī)器碼組合形成新的指令（甚至?xí)^續(xù)拆分源程序中第二條指令），使反匯編后看不到真實(shí)的匯編指令。

　　b、將長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令中的目標(biāo)地址壓入堆棧，然后用RET指令代替無(wú)條件長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令LJMP。

　　c、將長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令中的目標(biāo)地址送DPTR，然后用散轉(zhuǎn)指令JMP @A+DPTR代替無(wú)條件長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令LJMP。

　　不過(guò)，以上指令偽裝方式最多只能增加反匯編程序的閱讀難度，對(duì)破解后直接復(fù)制的盜取方式?jīng)]有任何防范作用，嚴(yán)格地說(shuō)指令偽裝法并不屬于軟件加密范疇。

　?。?）破壞單片機(jī)芯片特定硬件資源加密法

　　破壞單片機(jī)芯片特定硬件資源加密法洲歸納起來(lái)主要有以下幾種：

　　a、故意燒壞數(shù)據(jù)總線。對(duì)于MCS-51兼容芯片，程序代碼總是從數(shù)據(jù)總線（PO口）讀出，因此人為地將12V高壓引到PO口某一I/O引腳，使其下拉N溝MOS管擊穿——對(duì)地短路。

　　這一方法對(duì)防止片內(nèi)代碼被非法讀出是有效的，但其局限性也非常明顯：一方面無(wú)法通過(guò)總線方式擴(kuò)展并行I/O口（破壞了芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接口電路）；另一方面，不能再通過(guò)并行編程方式更新片內(nèi)程序代碼；三是占用了芯片I/O引腳資源。

　　b、破壞芯片的加密鎖定位。由于Flasb ROM擦寫次數(shù)僅為10K左右，因此在運(yùn)行中通過(guò)IAP編程方式對(duì)芯片加密位進(jìn)行多次擦寫，使Flash ROM不能再擦除。這種方式的潛在危險(xiǎn)是萬(wàn)一加密位擦除失效后不能再寫入，則片內(nèi)代碼就很容易被讀出；再就是該方法也不能阻止探針攻擊法。此外，軟件設(shè)計(jì)者也不能更新片內(nèi)程序代碼。

　　c、破壞MCS．51的EA引腳。對(duì)于MCS-51兼容芯片來(lái)說(shuō)，當(dāng)EA引腳為低電平時(shí)，將從外部ROM執(zhí)行程序。于是有設(shè)計(jì)者試flj破壞E引腳，使MCS-51芯片復(fù)位后總是從片內(nèi)執(zhí)行程序，但這一方法并不能阻止通過(guò)擦除芯片加密瑣定位方式讀取片內(nèi)代碼。

　　（3）總線加密法

　　早期MCS-51芯片內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量小，甚至沒(méi)有內(nèi)部ROM，一般均需要通過(guò)總線方式擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，于是出現(xiàn)了所謂的總線加密法。

　　總線加密法主要有地址總線亂序法、數(shù)據(jù)總線亂序法，或在MCU芯片地址總線與存儲(chǔ)器地址總線間增加可編程芯片（如GAL、FPGA等）俐，使MCU芯片地址與存儲(chǔ)器地址之間形成新的映射關(guān)系。這些加密方式對(duì)采用外設(shè)程序存儲(chǔ)器的早期的MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也許有一定的作用，但目前幾乎所有的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都不再采用外部程序存儲(chǔ)器。

　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，針對(duì)目前主流單片機(jī)芯片硬件特征，本文提出了基于芯片身份識(shí)別碼、片內(nèi)RC振蕩器頻率離散性、上電標(biāo)志等3種實(shí)用的單片機(jī)控制程序加密方式。

　　二、基于芯片身份識(shí)別碼的加密方法

　　為提高片內(nèi)程序代碼的安全性，最近上市的某些MCU芯片，如STC公司2009年后推出MCS-51兼容芯片、ST公司的STM32系列芯片等每一芯片內(nèi)部均具有惟一的芯片ID號(hào)。因此，在控制程序中可充分利用這一功能完善控制程序代碼的保護(hù)，該加密方式的加密步驟可按圖1所示進(jìn)行。

　　設(shè)置首次上電標(biāo)志的目的是為了便于判別編程后是否開(kāi)機(jī)過(guò)，第一次上電時(shí)讀出并保存芯片的ID號(hào)。為防止攻擊者通過(guò)仿真方式找到芯片ID號(hào)信息，一般不宜直接存放ID號(hào)的原碼，而是經(jīng)過(guò)相應(yīng)的加密處理后再分散存放到不同的Flash ROM存儲(chǔ)單元中；校驗(yàn)方式也不宜采用常見(jiàn)、簡(jiǎn)單的校驗(yàn)規(guī)則，如和校驗(yàn)等，應(yīng)盡可能采用某些特殊的檢驗(yàn)方式，使攻擊者不能迅速確定校驗(yàn)算法。

　　為防止攻擊者獲取控制程序片段中有用代碼，一旦發(fā)現(xiàn)ID號(hào)不符，最簡(jiǎn)單辦法就是借助IAP編程方式刪除控制程序代碼，當(dāng)然也可以隨機(jī)改寫控制程序代碼中的1~2K字節(jié)，如圖1所示。

　　三、基于片內(nèi)RC振蕩器頻率離散性的加密方法

　　具有惟一ID號(hào)的MCU芯片加密容易，破解成功率很低。但由于生產(chǎn)成本、專利限制等原因，許多中低檔MCU芯片，如大部分廠家的MCS-51兼容芯片、PIC系列芯片，甚至最近上市的STM8S系列芯片都沒(méi)有惟一芯片ID號(hào)功能。對(duì)于這類芯片，如果內(nèi)部含有作為看門狗計(jì)數(shù)器時(shí)鐘或喚醒時(shí)鐘的RC振蕩器，如Philips公司的P89LPC900系列MCS-51兼容芯片、STM8S系列芯片、PIC16/18系列芯片等均內(nèi)置了一定數(shù)量的RC振蕩器。設(shè)計(jì)者可充分利用RC振蕩器頻率離散性生成芯片ID號(hào)，提高片內(nèi)控制程序代碼的安全性。

　　1、用RC振蕩器頻率作為芯片ID號(hào)

　　這一加密方式的加密原理大致如下：

　?。?）復(fù)位后啟動(dòng)MCU芯片的某一定時(shí)器測(cè)量RC振蕩器的頻率。只要定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自精度與穩(wěn)定性都很高的外部石英晶體振蕩器，則頻率測(cè)量誤差是可控的，也不會(huì)很大。

　　（2）考慮到RC振蕩器輸出信號(hào)頻率受環(huán)境溫度影響較大，應(yīng)考慮溫度變化、晶振頻率誤差等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。例如STM8S系列MCU芯片內(nèi)部低速RC振蕩器標(biāo)稱頻率為128KHz~12.5%，通過(guò)定時(shí)器TIM3測(cè)出某一特定芯片內(nèi)部RC振蕩器頻率為OxID4ED（即120 045 Hz），則可將OxOID4ED作為該芯片的ID號(hào)。大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明開(kāi)機(jī)60秒后（上電延遲一定時(shí)間后測(cè)量的目的是為了等待MCU芯片內(nèi)部溫度穩(wěn)定，即盡量減小環(huán)境溫度對(duì)結(jié)果的影響）同一芯片頻率測(cè)量誤差在1%以內(nèi)（不同芯片在不同環(huán)境下的頻率誤差可能略有不同，可通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定。確定頻率誤差范圍的原則是同一芯片保證每次上電復(fù)位后測(cè)到的數(shù)據(jù)均在誤差允許范圍內(nèi)，因此允許誤差不宜太??；另一方面，不同芯片頻率相同的可能性又要盡可能小，因此頻率誤差允許范圍也不能太大）。因此，只要上電后測(cè)到的RC振蕩器頻率與ID號(hào)相比，誤差在1%以內(nèi)即認(rèn)為合法，反之視為非法。

　　該加密方式流程大致如圖2所示。盡管不能排除兩芯片頻率接近的情形，但如果破解后的程序代碼有50%或以上不能運(yùn)行，那么盜版者就會(huì)煩惱萬(wàn)分，知難而退。

　　采用該加密方式對(duì)以STM8S207RB單片機(jī)芯片作控制核心的某型防盜報(bào)警器的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表l所示。可見(jiàn)只要頻率誤差取1—2%之間，代碼復(fù)制后有50%以上的芯片不能正確運(yùn)行。

　?。?）用RC振蕩器頻率校正值作為芯片ID號(hào)

　　部分廠家MCU芯片，如Microchip公司的PIC16/18系列、Philips公司的P89LPC900系列等內(nèi)置的RC振蕩器有頻率校正值（保存在相應(yīng)的寄存器或片內(nèi)程序存儲(chǔ)器特定單元中）。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)不同芯片的頻率校正值有差異。對(duì)于具有這一功能的芯片，可將RC振蕩器頻率校正值作為芯片的ID號(hào)，完善控制程序代碼的加密功能（操作流程與圖1相似）。

　　盡管頻率校正值一般在8位以內(nèi)，但破解后的控制程序代碼有50%以上不能運(yùn)行就達(dá)到目的了。該加密方式實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)頻率校正值長(zhǎng)度越大，代碼復(fù)制的成功率就越低。

　　四、基于上電標(biāo)志的加密方式

　　基于上電標(biāo)志的加密方式可概括為“設(shè)置上電標(biāo)志一檢查芯片加密狀態(tài)一檢查上電標(biāo)志一隨機(jī)改寫控制程序代碼”，主要用于保護(hù)既沒(méi)有芯片惟一 ID號(hào)，也沒(méi)有片內(nèi)RC振蕩器的低檔MCU芯片的控制程序代碼不被復(fù)制。

　　1、加密過(guò)程

　　基于上電標(biāo)志的加密過(guò)程如下。

　　（1）在上電復(fù)位后，開(kāi)中斷前，先讀出Falsh ROM狀態(tài)寄存器，確認(rèn)芯片的加密狀態(tài)。

　?。?）如果芯片加密狀態(tài)正確，則檢查首次上電標(biāo)志（為防止誤判，往往選擇具有一定特征的字符串作為首次上電標(biāo)志）是否存在：如果首次上電標(biāo)志不存在，則判定為第一次上電，設(shè)置首次上電標(biāo)志后進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)。

　　反之，如果芯片加密狀態(tài)不正確，可根據(jù)首次上電標(biāo)志是否存在進(jìn)行相應(yīng)處理：如果首次上電標(biāo)志不存在，則表明芯片從未上電過(guò)，芯片未加密的原因可能是編程時(shí)漏選了加密鎖定位，應(yīng)進(jìn)入IAP編程狀態(tài)，對(duì)芯片進(jìn)行加密操作。如果加密成功，設(shè)置了首次上電標(biāo)志后，進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài)；如果首次上電標(biāo)志存在，說(shuō)明芯片曾經(jīng)上電運(yùn)行過(guò)，加密位狀態(tài)不正確，很可能是加密位被人為破壞，應(yīng)立即啟動(dòng)某一定時(shí)器（目的是為了獲得隨機(jī)數(shù)），然后進(jìn)入IAP編程狀態(tài)，隨機(jī)改寫指定程序段內(nèi)數(shù)十到數(shù)百字節(jié)（不必擦除改寫字節(jié)所在扇區(qū)，將待改寫字節(jié)內(nèi)的“1”變?yōu)椤?一即可）破壞應(yīng)用程序代碼的完整性，然后關(guān)閉中斷進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)或復(fù)位退出。

　　該加密方法具體的加密流程如圖3所示。

　　這種隨機(jī)改寫程序代碼的加密方式具有很大的迷惑性；一方面，通過(guò)反匯編方式無(wú)法獲得完整的源程序；另一方面，如果被隨機(jī)改寫的代碼屬于某一非主功能模塊，則破解后的程序運(yùn)行似乎正常，但它確實(shí)是一個(gè)不完整、運(yùn)行后果難以預(yù)料的程序。

　?。?）代碼檢查與生成

　　為防止不法分子，通過(guò)反匯編、跟蹤執(zhí)行方式找到并刪除隨機(jī)改寫程序段內(nèi)的指令系列，可將改寫程序代碼段內(nèi)的指令機(jī)器碼讀出，并以數(shù)表方式存放在主程序中。然后在主程序中的適當(dāng)位置檢查隨機(jī)改寫程序段代碼的有效性，一旦發(fā)現(xiàn)代碼無(wú)效，則進(jìn)入IAP編程方式，重新生成改寫程序段代碼。

　　單片機(jī)應(yīng)用程序加密與解密技術(shù)都在進(jìn)步，可以說(shuō)幾乎沒(méi)有哪一種加密技術(shù)絕對(duì)安全可靠。只能在實(shí)踐中根據(jù)所選單片機(jī)芯片的硬件特征，有選擇地交叉組合使用兩種或兩種以上的加密手段，以增大解密難度，并盡可能破壞解密版代碼的完整性。但無(wú)論采用何種加密方式都應(yīng)盡量避免增加系統(tǒng)的硬件成本、占用MCU芯片的硬件資源，此外也不能明顯降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。本文介紹的3種加密方式，盡管不能完全避免盜版者的攻擊，但多年實(shí)踐表明交叉組合使用這些加密手段確實(shí)能有效提高M(jìn)CU芯片控制程序代碼的安全性，控制程序代碼被成功盜取的幾率很小，且不占用任何硬件資源，也沒(méi)有額外增加MCU應(yīng)用系統(tǒng)的硬件成本。