Flash型單片機(jī)的加密與解密

2005年4月A版

摘要：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。
關(guān)鍵詞：Flash型單片機(jī)；加密；解密；密碼

引言
    廠商利用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)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(wú)論是開(kāi)發(fā)者還是使用者都永遠(yuǎn)無(wú)法讀取其中的內(nèi)容。從安全上來(lái)說(shuō)，這種方式很徹底，但是已經(jīng)無(wú)法檢查ROM中的代碼了。另一種方法是不公開(kāi)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(lái)，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(lái)說(shuō)，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(guò)對(duì)Flash ROM的編程來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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。
該模塊的有三種作用：
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(lái)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(dú)立的硬件系統(tǒng)來(lái)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(kāi)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(wèn)到目標(biāo)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器，這給程序調(diào)試和燒寫帶來(lái)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(wú)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。