詳解芯片UID加密方案

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的加密和解密永遠(yuǎn)是一對矛盾的統(tǒng)一體。為了保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)人員的技術(shù)成果，研究新型加密技術(shù)是非常有必要的。這里我們聊聊使用芯片UID加密的方案。

首先需要明確的是，沒有一種加密是“絕對”可靠的，但是加密手段可以增加非法使用者的解密成本，借此來防止技術(shù)被“輕易”盜取。本次以LPC1000的UID加密方案為例進(jìn)行介紹。

一、LPC1000系列的加密方案

通過分析得出，基于CortexM0或CortexM3內(nèi)核的LPC1000系列MCU通過軟件加密的方法有兩種：

1、使用代碼讀保護(hù)機(jī)制，限制用戶訪問片內(nèi)Flash;

2、通過芯片UID并添加加密算法使每片MCU內(nèi)的程序具有唯一性。

代碼讀保護(hù)機(jī)制是通過使能系統(tǒng)中的不同安全級別，以便限制訪問片內(nèi)Flash，本次不做重點(diǎn)介紹。

二、UID加密

UID是唯一標(biāo)識符(unique identifier)，在LPC1000系列微控制器的每一顆芯片都具有全球唯一的標(biāo)識符，該標(biāo)識符為128位二進(jìn)制序列。因此我們可以利用芯片UID的唯一性對程序進(jìn)行加密，使每一個(gè)產(chǎn)品中的程序也具有唯一性，即使非法使用者獲取了MCU中的程序復(fù)制到其他芯片中也是不能正常運(yùn)行的，從而達(dá)到保護(hù)開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯和盜用的目的。

三、LPC1000的UID加密方案

基本思路是使用上位機(jī)軟件通過編程器讀取芯片的UID，經(jīng)加密算法運(yùn)算后生成密鑰，下載程序的同時(shí)向MCU的Flash中某個(gè)地址寫入密鑰;MCU上電后，首先讀取芯片的UID，再通過與上位機(jī)相同的加密算法運(yùn)算后計(jì)算出密鑰，并與之前寫入Flash中的密鑰比較，若相同則繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，否則跳入死循環(huán)或執(zhí)行程序開發(fā)者指定的代碼。

圖1 LPC1000 UID加密方案流程圖

實(shí)現(xiàn)此方案需要準(zhǔn)備的資源如下。

硬件資源：

LPC1766FBD100芯片;

SmartPRO 5000U-PLUS編程器;

QFP100-NXP適配座;

SmartCortex M3-1700開發(fā)板(測試用，非必需)。

軟件資源：

SmartPRO 2008 2.0.56.exe上位機(jī)軟件;

Programmer.rar編程器上位機(jī)UID加密補(bǔ)丁;

Uid.rar編程器上位機(jī)UID加密算法;

LPC1766在Keil4下的工程模板;

Keil4開發(fā)環(huán)境;

Microsoft Visual C++ 6.0。

1、下位機(jī)

下位機(jī)(即LPC1766芯片)上電并初始化后，首先讀取芯片的UID，解析密鑰并與Flash中的密鑰比較判斷后，再繼續(xù)執(zhí)行用戶代碼。這里我們舉例采用的加密算法是將UID的補(bǔ)碼作為密鑰，加密方法比較簡單，用戶可自行對加密算法進(jìn)行修改，寫出復(fù)雜的加密算法。

讀取芯片UID的方法是通過調(diào)用芯片內(nèi)部的IAP函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖所示。

圖2 讀取UID

2、上位機(jī)

在下位機(jī)LPC1766的程序編寫完成并生成hex或bin文件后，按照以下步驟對MCU進(jìn)行加密：

首先，在Microsoft Visual C++ 6.0下編寫加密算法，這里我們已經(jīng)編寫完成，僅需解壓uid.rar并打開其中的VC工程。用戶需要在uid.cpp中的UidAlgorithm函數(shù)中添加自定義算法，如圖。

圖3 加密算法工程

加密算法編寫完成后，編譯將生成一個(gè)名為uid.dll的算法文件。

第二步，安裝SmartPRO 2008軟件，我們默認(rèn)安裝在C:Program Files路徑下;

第三步，安裝SmartPRO 2800加密補(bǔ)丁，方法是將Programmer.rar解壓到C:Programd FilesSmartPRO 2008Programmer路徑下，覆蓋原來的文件;

第四步，將加密算法生成的uid.dll文件復(fù)制到C:Programd FilesSmartPRO 2008Programmer下，SmartPRO 2008啟動(dòng)后將會(huì)自動(dòng)調(diào)用uid.dll;

第五步，連接硬件，將LPC1766芯片放入適配座ZY503D中，連接USB通信電纜和電源;

第六步，燒寫文件，啟動(dòng)SmartPRO 2008軟件，選擇芯片“LPC1766@LQFP100”，打開燒錄文件(在Keil編寫下位機(jī)程序時(shí)生成的hex或bin文件 )。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)如圖4的特殊提示，這是因?yàn)镵eil編譯器在編譯時(shí)沒有將Flash中前8個(gè)字單元的內(nèi)容進(jìn)行代碼有效校驗(yàn)和的填充而產(chǎn)生該警告，點(diǎn)擊“確定”即可，編譯器在下載過程中會(huì)調(diào)用校驗(yàn)算法自動(dòng)添加校驗(yàn)。關(guān)于代碼有效校驗(yàn)和填充的相關(guān)內(nèi)容請參考LPC1766用戶手冊中“Flash編程”一章的相關(guān)內(nèi)容。

圖4 用戶代碼無效提示

第七步，開始下載，點(diǎn)擊“組合”即可，默認(rèn)執(zhí)行的是擦除、編程、校驗(yàn)三個(gè)步驟的結(jié)合。

成功編程后，如果重新讀取Flash，打開緩沖區(qū)，定位到0x00002000處，可以看到已經(jīng)寫入的密鑰。如圖5所示，與此前設(shè)計(jì)的加密算法和加密預(yù)期效果一致。

圖5 緩沖區(qū)查看密鑰

驗(yàn)證方法：取下適配座中的芯片，焊接到TinyARMT17核心板上，查到SmartCortex M3-1700開發(fā)板底板上，連接P0.11到BEEP插針，如所示。開發(fā)板上電后即可聽到蜂鳴器的鳴叫。以此驗(yàn)證芯片計(jì)算出的密鑰與Flash中寫入的密鑰校驗(yàn)一致，芯片程序正常運(yùn)行。

圖6 開發(fā)板驗(yàn)證

經(jīng)此方法向芯片下載程序后，若有產(chǎn)品盜版者試圖將程序讀出然后復(fù)制到其他芯片上使用，程序?qū)⑼Ａ粼谂袛嗝荑€是否匹配語句，導(dǎo)致程序不再向下執(zhí)行，從而防止軟件程序被非法使用者盜用。