破解單片機程序的方法

對單片機內(nèi)的程序竊取主要有兩種方法：侵入式和非侵入式。侵入式的方法是破壞芯片的封裝，并利用半導(dǎo)體測試設(shè)備、顯微鏡和微定位器等儀器找到芯片內(nèi)保護熔絲的位置并將其擦除，使其變成未經(jīng)加密的芯片，然后用編程器將程序讀出，或者直接將探針放在芯片內(nèi)部總線上讀出存儲器中的程序。非侵入式的方法是利用芯片設(shè)計或芯片編程時序中的某些漏洞對芯片進行解密，例如針對早期的AT89C系列芯片在擦除操作時序設(shè)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(nèi)程序存儲器數(shù)據(jù)的操作，從而使加密的單片機變成沒加密似的，然后利用普通編程器就可讀出片內(nèi)的程序了。

可以看到，使用侵入式的解密方法需要使用昂貴的設(shè)備，并且需要花費較長的時間，其解密成本較高；而使用非侵入式的解密方法需要的設(shè)備相對較廉價，只要能找出芯片設(shè)計中的漏洞就有可能實現(xiàn)解密，但是需要解密者有深厚的專業(yè)知識。

圖1：NEC 78K系列單片機的保密功能。

NEC單片機的保密設(shè)計

理論上來說，單片機的程序不可能做到百分之百的保密，對單片機程序進行加密只是為了提高破解成本。當(dāng)一個產(chǎn)品的破解成本高到和自主設(shè)計一個相同產(chǎn)品的成本相當(dāng)?shù)臅r候，便沒人會有興趣破解此產(chǎn)品。

產(chǎn)品設(shè)計中，為了避免增加外圍硬件從而增加產(chǎn)品成本，產(chǎn)品軟件的保密通常主要依靠所選用單片機的保密性來保證，因此選用一款保密性良好的單片機來提高抄襲者的破解成本就顯得尤為重要。NEC（日電電子）在其FLASH型的78K系列單片機中設(shè)計了充足的保護措施來保證單片機程序代碼的安全。

通常除了開發(fā)者的原因外，單片機程序目標(biāo)文件的泄露無外乎三個原因：1.量產(chǎn)時程序燒寫過程中目標(biāo)文件被竊??；2.產(chǎn)品上市后被竊密者拿到，利用侵入式或非侵入式的方法獲取單片機內(nèi)的目標(biāo)文件；3.使用BootLoader程序通過串口、CAN接口等進行產(chǎn)品現(xiàn)場升級時應(yīng)用程序目標(biāo)文件被竊取。

圖2：量產(chǎn)編程器的加密設(shè)置。

量產(chǎn)編程時的程序保密

第三方為NEC設(shè)計的量產(chǎn)編程器FL-G03可以支持對8片芯片的同時燒寫。開發(fā)工程師使用128位密鑰將原始HEX文件加密，并將該密鑰固化到編程中用于燒寫時的解密，工程師還可在編程器上設(shè)置燒寫芯片的數(shù)量限制，然后將編程器和加密過的HEX文件提供給程序燒寫人員。這樣避免了其它人員接觸原始HEX文件，且最多只能燒寫設(shè)定數(shù)量的芯片。

圖3：即使保密位被破壞也無法讀出程序。

防止侵入式和非侵入式的程序竊取

侵入式的破解方法可以將加密過的芯片變成非加密的芯片，然后用編程器讀出程序，當(dāng)然也可以用探針從芯片內(nèi)部總線讀取程序，但這樣做的成本相當(dāng)之高；非侵入式的破解方法最后一般都要通過編程器將程序讀出。NEC的78K系列單片機沒有PROGRAM READ功能，因此無法利用編程器將程序讀出。（注：用編程器給芯片編程時的校驗功能并不是將程序讀出來進行校驗，而是編程器將數(shù)據(jù)送給芯片，由芯片內(nèi)核獨立完成與存儲區(qū)數(shù)據(jù)的比較，然后將比較結(jié)果返回給編程器）。

圖4：使用加密的目標(biāo)文件進行現(xiàn)場升級。

產(chǎn)品現(xiàn)場升級時的程序保密

如果單片機程序設(shè)計者使用了BootLoader功能，則可以在產(chǎn)品售出后方便地通過串口等通訊口對單片機程序進行升級，但是這也給竊密者留下了可乘之機，新版本的應(yīng)用程序目標(biāo)文件有可能被泄露。解決辦法是設(shè)計者將應(yīng)用程序的目標(biāo)文件按自定義的某種算法進行加密，并將解密算法放在BootLoader程序中。升級的時候BootLoader程序?qū)δ繕?biāo)文件進行解密，然后寫入目標(biāo)FLASH區(qū)。這可以避免原始的目標(biāo)文件泄露出去。

防止芯片程序被意外擦除或改寫

除了上面談到的防止程序被泄露或破解的措施外，78K系列單片機還采取了多項措施來保證程序不會被意外擦除或者改寫。78K系列單片機可以在編程時通過編程軟件對FLASH進行如下安全設(shè)置：

1. 禁止全片擦除操作。

2. 禁止塊擦除操作。

3. 禁止寫操作。

4. 禁止改寫boot cluster0區(qū)。

這些設(shè)置可以禁止通過編程器對芯片進行擦除和寫入操作，但是芯片內(nèi)的用戶程序仍然可以對FLASH區(qū)進行擦除和寫入操作。一旦設(shè)置了“禁止全片擦除操作”后，芯片內(nèi)的程序?qū)⒉豢稍俦徊脸透膶?，此設(shè)置也無法再被取消。

各項安全設(shè)置與操作命令的關(guān)系見表1。

表1: 各項安全設(shè)置與操作命令的關(guān)系。

結(jié)語

NEC的78K系列單片機從多個方面采取措施使得單片機程序的保密性得到加強，尤其它沒有READ命令，無法將程序數(shù)據(jù)讀出到片外的特點使得其破解成本大大提高，有效地保護設(shè)計者的知識產(chǎn)權(quán)。