CRC校驗?|?程序如何檢查自身完整性?
所以有些產(chǎn)品為了保障安全,會增加安規(guī)代碼,保證程序能夠正常運行(UL/CSA/IEC 60730-1/60335-1 B類認證)。
自檢內(nèi)容
MCU 安全檢查一般包括以下幾個方面:1、CPU 自測(寄存器測試)2、系統(tǒng)時鐘頻率測量(保證時鐘正常工作,不快也不慢,GD 芯片在短路晶振后,程序暫停運行,無法檢查,但是 ST 芯片會自動切換到內(nèi)部時鐘,可以由程序檢查這種異常)
3、RAM 自檢
4、FLASH 存儲器完整性檢查
5、獨立看門狗、窗口看門狗檢查
6、安全相關(guān)變量檢查
7、中斷檢查
8、I/O 口檢查
9、棧檢查
10、程序流程控制
11、AD 口檢查你會發(fā)現(xiàn)真要完成這份安規(guī)代碼,難度不是一般的大,不過一般芯片廠商會提供相關(guān)參考例程和相關(guān)文檔,但不是說有了這些資料就完全沒有問題了。比如 ST 提供了一個參考例子,但是它使用的 HAL 庫(事實上它還有標(biāo)準(zhǔn)庫,當(dāng)時不知道),如果原本程序用的標(biāo)準(zhǔn)庫,那么就需要進行移植,這個工作量也不是一般大(首先要能理解程序,才能進行正確移植,而里面的邏輯還是很復(fù)雜的)。如果你不想移植,還有一個辦法是使用 lib 庫,就是將相關(guān)功能打包成一個庫,雖然程序會大一些(畢竟很多底層代碼和原來的重復(fù)了),但確實是比較簡單的方法(前提是 flash 夠大)。魚鷹走的是第一條路,移植,并且將相關(guān)的底層代碼提供了接口,這樣不管是用標(biāo)準(zhǔn)庫還是 HAL 庫,只要自己實現(xiàn)這這些特定的接口即可完成。另外,參考例子只是實現(xiàn)了一個最基本的功能,在真正的產(chǎn)品不一定能適用。比如你的程序負載大,而里面為了測量時鐘頻率,幾百微秒時間就要進入一次中斷(即使是分頻后),如果剛好在中斷產(chǎn)生時,其他程序禁用了中斷,運行這些代碼有可能就會出現(xiàn)問題,很容易錯過中斷而導(dǎo)致復(fù)位。在我一開始移植的時候就是如此,在一個簡單的程序里面可以正常運行很長時間,但是移植到產(chǎn)品工程里面,時不時出現(xiàn)時鐘檢查不通過的時候,導(dǎo)致程序不停重啟,最終魚鷹通過 DMA 傳輸的方式解決了這個問題,再也不會因為時鐘檢查不通過導(dǎo)致重啟了。另外一個難點是對 .sct (分散加載)文件的理解,這個會在后面介紹。
安規(guī)相關(guān)的內(nèi)容實在是太多,要寫的話可以寫成一個系列了,(這里有一份比較全面但簡單一些的參考文章可以看看 http://news.eeworld.com.cn/mp/STM32/a80041.jspx,只介紹如何做,沒怎么介紹為什么這么做)
資料
ST 相關(guān)資料可以查看以下內(nèi)容(www.st.com,下載時需要注冊郵箱才行,魚鷹公眾號后臺提供了部分資料,可自行領(lǐng)?。?/span>《AN4435 應(yīng)用筆記》中文版,《AN277》(ROM Self-Test)STM8-SafeCLASSB
https://www.st.com/en/embedded-software/stm8-safeclassb.htmlSTM32-CLASSB-SPL(基于標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫)
https://www.st.com/en/embedded-software/stm32-classb-spl.html#tools-softwareX-CUBE-CLASSB(基于HAL庫)
https://www.st.com/en/embedded-software/x-cube-classb.html(不同版本有不同芯片,比如 2.2.0 版本的是 Fx 相關(guān)的,2.3.0 是H7、G0 相關(guān)的)當(dāng)然國產(chǎn)芯片也一般會提供例程。
本篇筆記只介紹其中一個內(nèi)容,即 FLASH 檢查,換句話說就是程序完整性檢查。
FLASH 檢查
我們以比較復(fù)雜的 boot app rtos ,開發(fā)環(huán)境 keil 、stm32f103 為例介紹相關(guān)知識。一般 boot 和 app 部分是用不同工程管理的,所以 app 部分代碼只能檢查自身的完整性,而不能檢查 boot 部分。并且 app 的 flash 區(qū)也不是完全檢查的,有一小部分是也沒法檢查的,但這并不影響它的功能(既然已經(jīng)跳轉(zhuǎn)到 app 里面了,那么 boot 部分 flash 即使在運行時有問題也不影響功能,而如果變量初始值的flash有問題就是關(guān)鍵變量檢查的問題了)。現(xiàn)在就是如何檢查的問題了。
如何檢查 | 基本原理
校驗手段有很多,比如 和校驗、MD5 校驗、CRC 校驗,這里我們使用 CRC,因為一般芯片內(nèi)部會內(nèi)置該外設(shè)硬件計算(如果沒有,可以純 CPU 計算)。然后我們需要了解完整性檢查的基本原理。所謂程序完整性檢查,就是在下載代碼前,先用工具把要校驗的部分通過計算公式計算出一個值,保存在某個地方(flash),然后程序在運行的時候,自己也去讀取要校驗的 flash 部分,通過同樣的計算公式計算出一個值,然后將這個值和保存在 flash 里面的值進行比較,就可以看出代碼是否存在異常了,有異常及時處理,沒有異常就繼續(xù)重新檢查。而檢查分成兩個步驟:1、開機時,一次性完成所有計算,保證運行前完整。2、正常運行時,定時計算,每次計算一個小塊,當(dāng)計算完最后一塊時才比較結(jié)果,成功就重新繼續(xù)計算,失敗則終止程序運行,周而往復(fù)(計算需要較長的時間,分時計算可以不影響程序正常功能),這樣可以保證程序在運行時也能檢查 FLASH 的完整性,防止 FLASH 運行過程中破壞掉。現(xiàn)在有個問題,CRC 保存在何處才是合適的?隨便保存在一個地方肯定是不行的。假設(shè)這個位置在要校驗代碼部分的里面,那么當(dāng)工具計算這個值時,又會篡改掉校驗部分里面的數(shù)據(jù)(因為你把 CRC 值放到里面了),那么你的程序校驗時,肯定不通過,因為你讀了一個被改變的 CRC 值。所以這個值一定要放在代碼的最后面才行。另外前面說過,運行時會一小塊一小塊,所以要保證你的 CRC 值存放位置應(yīng)該在小塊大小的邊界位置上。比如一次計算 16 字節(jié),那你存放的位置應(yīng)該是 16 的倍數(shù)才是正常的。所以,CRC 存放位置存在這兩個限制。另外,如何提前計算好 CRC 的值呢?IAR 內(nèi)置該功能,而 KEIL 我們可以借助強大的開源工具 SRecord《功能強大的 HEX 開源轉(zhuǎn)換工具,你值得擁有》(一轉(zhuǎn)眼,這篇文章差不多鴿了四個多月了)幫助我們計算。基本知識都了解的差不多了,接下來就是如何操作的問題。實操
1、固定 CRC 位置。我們可以在啟動文件的最后加入以下代碼(END 前)這里默認是 0x3D334398,但會在后續(xù)修改成正確的 CRC 值; Alignement here must correspond to the size of tested block at FLASH run time test (16 words ~ 64 bytes)!!! ALIGN
__Check_Sum DCD 0x3D334398; ; Check sum computed externaly 這里保證了 __Check_Sum 的地址是 2 ^ 6 大小對齊,所以你的計算小塊可以這個大小,當(dāng)然也可以小一些,比如 2 ^ 5 等。這樣就可以將檢查部分分成固定的小塊,不會多,也不會少,剛剛好(必須)。那么如何將這個地址固定在代碼最后呢?這個時候就需要我們的 .sct 文件發(fā)揮作用了(ClassB_stm32F10x.sct)。
在 windows 叫批處理,.bat ,我們可以在參考例程中找到。crc_gen_keil.bat我們需要需改三個位置
第一個是你的計算工具的路徑,里面應(yīng)該要有計算工具。
第二個就是你的工程名字,我們通過下面位置確定(魚鷹用的 Main):
最后是工程路徑。一般在 Objects 文件夾里面,而 map 文件一般在 Listings 文件夾里面。說白了,這些變量就是為了讓腳本能夠找到 map、hex 文件和工具。但一般默認工程,這兩個文件可能不在一個文件夾里面,所以我們可以對例子中的批處理文件 crc_gen_keil.bat 進行適當(dāng)修改。
map 文件的作用是為了讓腳本能夠搜索到 __Check_Sum 的地址,然后就可以計算 CRC 并修改 HEX 里面這個值了。另外還有新增了一個變量 HEX_ADRR,當(dāng)我們的計算位置不是從 0x08000000 開始時(比如 app 起始地址在 0x08009000),我們就可以修改這個變量值。還有我們希望在計算完并修改 CRC 后可以自己生成 bin 文件方便我們更新固件,還需要加入轉(zhuǎn)化成 bin 的命令。其中為了下載修改(CRC)后的 HEX 文件,我們還需要簡單修改一下,用于判斷工具是否存在,不存在,直接刪除 hex 和 axf 文件(防止下載未修改的文件)。
%xxx% 類似腳本中的 $xxx
否則,下載的默認 axf 文件會因為 CRC 未修改,程序?qū)⒉粩嘀貑?/span>。
完整的修改(可以自行對比官方例程文件):
REM Path configurationSET SREC_PATH=C:\SRECSET MAP_NAME=STM3210C_EVALSET MAP_PATH=STM3210C_EVALSET TARGET_NAME=STM3210C_EVALSET TARGET_PATH=STM3210C_EVALSET BYTE_SWAP=1SET COMPARE_HEX=1SET CRC_ADDR_FROM_MAP=1REM Not used when CRC_ADDR_FROM_MAP=1SET CRC_ADDR=0x08007ce0
REM Derived configurationSET HEX_ADRR=0x08000000SET MAP_FILE=%MAP_PATH%\%MAP_NAME%.mapSET AXF_FILE=%TARGET_PATH%\%MAP_NAME%.axfSET INPUT_HEX=%TARGET_PATH%\%TARGET_NAME%.hexSET OUTPUT_HEX=%TARGET_PATH%\%TARGET_NAME%_CRC.hexSET OUTPUT_BIN=.\%TARGET_NAME%_CRC.binSET TMP_FILE=crc_tmp_file.txt
if not exist %SREC_PATH%\srec_cat.exe ( echo %SREC_PATH% is not exit, exit echo ----------------------------------------del %INPUT_HEX% -- %AXF_FILE% --------------- del %INPUT_HEX% %AXF_FILE% exit)
IF NOT "%CRC_ADDR_FROM_MAP%"=="1" goto:end_of_map_extractionREM Extract CRC address from MAP fileREM -----------------------------------------------------------REM Load line with checksum location to crc_search variableECHO Extracting CRC address from MAP fileFINDSTR /R /C:"^ *CHECKSUM" %MAP_FILE%>%TMP_FILE%SET /p crc_search=<%TMP_FILE%DEL %TMP_FILE%REM remove '(' character and string after, which causes errorsfor /f "tokens=1 delims=(" %%a in ("%crc_search%") do set crc_search=%%aREM remove CHECKSUM string from variableSET crc_search=%crc_search:CHECKSUM=%REM get first word at line, which should be CRC address in HEX formatfor /f "tokens=1 delims= " %%a in ("%crc_search%") do set CRC_ADDR=%%aREM -----------------------------------------------------------REM End of CRC address extraction:end_of_map_extraction
REM Compute CRC and store it to new HEX fileECHO CRC address: %CRC_ADDR%if "%BYTE_SWAP%"=="1" (REM ECHO to see what is going onECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -stm32-b-e %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -o %TMP_FILE% -intel %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -stm32-b-e %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -o %TMP_FILE% -intel ) else (REM ECHO to see what is going onECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -stm32-l-e %CRC_ADDR% ^ -o %TMP_FILE% -intel%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -stm32-l-e %CRC_ADDR% ^ -o %TMP_FILE% -intel)ECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel -exclude -within %TMP_FILE% -intel ^ %TMP_FILE% -intel ^ -o %OUTPUT_HEX% -intel%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel -exclude -within %TMP_FILE% -intel ^ %TMP_FILE% -intel ^ -o %OUTPUT_HEX% -intelREM Delete temporary fileDEL %TMP_FILE%ECHO Modified HEX file with CRC stored at %OUTPUT_HEX%
REM Compare input HEX file with output HEX fileif "%COMPARE_HEX%"=="1" (ECHO Comparing %INPUT_HEX% with %OUTPUT_HEX%%SREC_PATH%\srec_cmp.exe ^ %INPUT_HEX% -intel %OUTPUT_HEX% -intel -v)
del %INPUT_HEX%
ECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %OUTPUT_HEX% -intel -offset -%HEX_ADRR% -o %OUTPUT_BIN% -binary%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %OUTPUT_HEX% -intel -offset -%HEX_ADRR% -o %OUTPUT_BIN% -binary
ECHO ------------------------------------- 3、 CRC 計算部分代碼(摘自官方例程)
完整計算
分小塊計算
需要注意的是,每次全部檢查完之后得復(fù)位一下 CRC 外設(shè),否則會繼續(xù)用之前的結(jié)果繼續(xù)計算。4、工程配置
準(zhǔn)備好前面的內(nèi)容后,即可進行工程配置。
生成 HEX
使用 debug 按鈕時下載的文件:
crc_load.ini (需要根據(jù)自己的工程自行修改)
特別注意里面的雙反斜杠,沒有它,將找不到正確路徑。這里以工程文件(.uvprojx)所在路徑為相對路徑。
使用 load 按鈕時下載配置:
不然你下載(點擊 load)的時候,就會下載默認的 axf 文件,而 axf 里面的 CRC 值也是默認的,并沒有被修改,所以這一步也是必須的。使用修改的分散加載文件,這可以保證我們的 CRC 存放位置在代碼最后面。
最后一步,當(dāng)編譯完成后,讓工具幫我們自動計算 CRC 值,并將值修改到 HEX 文件里面。添加我們前面的批處理文件:
這樣所有的工程配置就完成了。
效果
我們可以看看效果。首先,我們并沒有添加工具,我們可以看到,腳本自動退出了,并且刪除了 hex 文件和 axf 文件,這樣就不會下載錯誤的 HEX 文件了(點擊下載會發(fā)現(xiàn)找不到 axf 文件)。當(dāng)我們在 C 盤添加工具后編譯:
從這里我們可以得到幾點信息:
1、計算范圍 0x08000000 ~ 0x08007640。
2、CRC 存放位置在 0x08007640,四個字節(jié)
3、可以使用 srec_cmp.exe 比較兩個 HEX 文件的區(qū)別(修改前和修改后)。這里的區(qū)別在 0x08007640 ~ 0x8007643。
4、生成的 bin 文件和 hex 文件相對存放路徑。
大功告成!
工具命令解釋
現(xiàn)在我們可以從這里了解到三個命令。end