芯片 UID 加密方案

时间:2017-10-26 09:37来源:ZLG致远电子

摘要:嵌入式系统产品的加密和解密永远是一对矛盾的统一体。为了保护产品研发人员的技术成果,研究新型加密技术是非常有必要的。这里我们聊聊使用芯片UID加密的方案。

嵌入式系统产品的加密和解密永远是一对矛盾的统一体。为了保护产品研发人员的技术成果,研究新型加密技术是非常有必要的。这里我们聊聊使用芯片 UID 加密的方案。

首先需要明确的是,没有一种加密是“绝对”可靠的,但是加密手段可以增加非法使用者的解密成本,借此来防止技术被“轻易”盗取。本次以 LPC1000 的 UID 加密方案为例进行介绍。

一、LPC1000 系列的加密方案
通过分析得出,基于 CortexM0 或 CortexM3 内核的 LPC1000 系列 MCU 通过软件加密的方法有两种:

1、使用代码读保护机制,限制用户访问片内 Flash;
2、通过芯片 UID 并添加加密算法使每片 MCU 内的程序具有唯一性。

代码读保护机制是通过使能系统中的不同安全级别,以便限制访问片内 Flash,本次不做重点介绍。

二、UID 加密
UID 是唯一标识符(unique identifier),在 LPC1000 系列微控制器的每一颗芯片都具有全球唯一的标识符,该标识符为128位二进制序列。因此我们可以利用芯片 UID 的唯一性对程序进行加密,使每一个产品中的程序也具有唯一性,即使非法使用者获取了 MCU 中的程序复制到其他芯片中也是不能正常运行的,从而达到保护开发者的知识产权不被侵犯和盗用的目的。

三、LPC1000 的 UID 加密方案
基本思路是使用上位机软件通过编程器读取芯片的 UID,经加密算法运算后生成密钥,下载程序的同时向 MCU 的 Flash 中某个地址写入密钥;MCU 上电后,首先读取芯片的 UID,再通过与上位机相同的加密算法运算后计算出密钥,并与之前写入 Flash 中的密钥比较,若相同则继续执行用户程序,否则跳入死循环或执行程序开发者指定的代码。


图1  LPC1000 UID 加密方案流程图

实现此方案需要准备的资源如下。

硬件资源:

♦ LPC1766FBD100 芯片;
♦ SmartPRO 5000U-PLUS 编程器;
♦ QFP100-NXP 适配座;
♦ SmartCortex M3-1700 开发板(测试用,非必需)。

软件资源:

 SmartPRO 2008 2.0.56.exe 上位机软件;
♦ Programmer.rar 编程器上位机 UID 加密补丁;
♦ Uid.rar 编程器上位机 UID 加密算法;
♦ LPC1766 在 Keil4 下的工程模板;
♦ Keil4 开发环境;
♦ Microsoft Visual C++ 6.0。

1、下位机
下位机(即 LPC1766 芯片)上电并初始化后,首先读取芯片的 UID,解析密钥并与 Flash 中的密钥比较判断后,再继续执行用户代码。这里我们举例采用的加密算法是将 UID 的补码作为密钥,加密方法比较简单,用户可自行对加密算法进行修改,写出复杂的加密算法。

读取芯片 UID 的方法是通过调用芯片内部的 IAP 函数实现,如图所示。


 
图2  读取 UID
 
2、上位机
在下位机 LPC1766 的程序编写完成并生成 hex 或 bin 文件后,按照以下步骤对 MCU 进行加密:
首先,在 Microsoft Visual C++ 6.0 下编写加密算法,这里我们已经编写完成,仅需解压 uid.rar 并打开其中的 VC 工程。用户需要在 uid.cpp 中的 UidAlgorithm 函数中添加自定义算法,如图。


 
图3  加密算法工程

加密算法编写完成后,编译将生成一个名为 uid.dll 的算法文件。

第二步,安装 SmartPRO 2008 软件,我们默认安装在 C:\Program Files 路径下;

第三步,安装 SmartPRO 2800 加密补丁,方法是将 Programmer.rar 解压到 C:\Programd Files\SmartPRO 2008\Programmer 路径下,覆盖原来的文件;

第四步,将加密算法生成的 uid.dll 文件复制到 C:\Programd Files\SmartPRO 2008\Programmer下,SmartPRO 2008 启动后将会自动调用 uid.dll;

第五步,连接硬件,将 LPC1766 芯片放入适配座 ZY503D 中,连接 USB 通信电缆和电源;

第六步,烧写文件,启动 SmartPRO 2008 软件,选择芯片“LPC1766@LQFP100”,打开烧录文件(在 Keil 编写下位机程序时生成的 hex 或 bin 文件 )。此时会出现一个如图4的特殊提示,这是因为 Keil 编译器在编译时没有将 Flash 中前8个字单元的内容进行代码有效校验和的填充而产生该警告,点击“确定”即可,编译器在下载过程中会调用校验算法自动添加校验。关于代码有效校验和填充的相关内容请参考 LPC1766 用户手册中“Flash 编程”一章的相关内容。


 
图4  用户代码无效提示
 
第七步,开始下载,点击“组合”即可,默认执行的是擦除、编程、校验三个步骤的结合。

成功编程后,如果重新读取 Flash,打开缓冲区,定位到 0x00002000 处,可以看到已经写入的密钥。如图5所示,与此前设计的加密算法和加密预期效果一致。


图5  缓冲区查看密钥
 
验证方法:取下适配座中的芯片,焊接到 TinyARMT17 核心板上,查到 SmartCortex M3-1700 开发板底板上,连接 P0.11 到 BEEP 插针,如所示。开发板上电后即可听到蜂鸣器的鸣叫。以此验证芯片计算出的密钥与 Flash 中写入的密钥校验一致,芯片程序正常运行。

 
图6  开发板验证
 
经此方法向芯片下载程序后,若有产品盗版者试图将程序读出然后复制到其他芯片上使用,程序将停留在判断密钥是否匹配语句,导致程序不再向下执行,从而防止软件程序被非法使用者盗用。
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