單晶片程式韌體加密的另一種思路

隨著LSI的出現和發展，MCU將原有電腦的CPU、RAM、ROM、定時器計數器以及各種I/O介面整合到一塊晶片中，從而形成了晶片級電腦。 這也是TI工程師Gary Boone和Michael Cochran發明的世界上第一個微控制器（MCU）TMS 1000系列（下圖）的原型。 此後，日本電子製造商開始生產汽車微控制器，包括用於車內娛樂、自動雨刷、電子鎖和儀表板的4位MCU，以及用於引擎控制的8位MCU。

* TI TMS 1000系列MCU *

如今，除了傳統的玩具市場、工業控制、汽車電子、白色家電等，隨著物聯網和智慧化浪潮的到來，MCU已成為產品設備的核心部件。設備一方面需要即時高效、智慧的訊息，另一方面又可以與其他設備交換資訊。所有這些要求都需要MCU來完成。 可以說，MCU是為應用而生的。除了晶片本身的硬體效能外，與應用相關的程式韌體也變得越來越重要，對韌體安全性的需求也越來越受到重視！

首先，廣義的“安全”也可以視為“資訊安全”，它具有三個重要特徵：

1、保密性：需保證資訊不被其他未經授權的個人或團體取得。

2. 完整性：維護並確保資訊的完整性，防止未經授權的竄改。

3.可行性：被授權存取資訊的主體能夠在需要時及時存取和獲取資訊。

Confidentiality、Integrity、完整性和可行性可用性，簡稱CIA

從上面的描述中，衍生出處理資訊安全的三種常用工具：識別、認證和授權，也簡稱為IAA。

1）身份：身份首先，資訊訪客表明了主體的身份，但不確定主體是否確實可以存取資訊？ 因此，有必要驗證其真實性；

2）認證：認證認證是驗證主體聲稱的內容是否為真。 以便在核實主體身分後做出更詳細的行動。

3）授權：授權

作為更細緻的資訊處理，需要解決的問題包括：哪些資訊可以被授權人查看？ 查看的資訊是否完整、未被擅自修改？ 並且被授權人可以隨時方便地存取可視資訊。

關於資訊安全的三要素以及三個工具之間的關係，請參考下圖：

一般單晶片內部有程式區和資料區，供使用者儲存程式和工作資料。 為了防止對MCU中的程式進行未經授權的存取或複製，大多數微控制器都有加密鎖定或加密位元組來保護晶片上的程式。 如果在編程時啟用（鎖定）加密鎖的定位，則無法用普通編程器直接讀取單晶片中的程序，這稱為單晶片加密。

攻擊者藉助專用設備或自製設備，可以從晶片中提取關鍵訊息，透過各種技術手段獲取晶片中的程序，這就是晶片的解密。 目前，常見的單晶片解密方法主要有：

(1)軟體攻擊：此技術通常使用處理器通訊接口，利用協定、加密演算法或這些演算法中的安全漏洞進行攻擊。 軟體攻擊成功的典型例子是對早期ATMEL AT89C51單晶片的攻擊。 攻擊者利用此系列單晶片擦除操作時序設計的漏洞，透過加密鎖定後的自編譯程序，阻止下一步擦除片內程式記憶體中的資料定位，使加密的單晶片變成未加密的單晶片，然後用程式設計器讀出片內程式。

(2)電子探測攻擊該技術通常以高時間分辨率監測正常運行時處理器的所有電源和介面連接的類比特性，並透過監測其電磁輻射特性進行攻擊。 由於單晶片是一種有源電子設備，當它執行不同的指令時，相應的電源功耗也會發生相應的變化。 這樣，利用專用電子測量儀器和數理統計方法對這些變化進行分析檢測，就可以得到單晶片中具體的關鍵資訊。

(3)故障產生技術此技術利用異常工作條件使處理器出錯，進而提供額外的攻擊途徑。 使用最廣泛的故障發生，攻擊手段有電壓衝擊和時鐘衝擊。 低電壓和高壓攻擊可用於停用保護電路或迫使處理器執行錯誤操作。 瞬態時脈跳變可以重置保護電路，而不會損壞受保護的資訊。 且電源瞬態跳變會影響某些處理器中單一指令的解碼和執行。

(4) 探針技術

該技術是直接暴露晶片的內部連接，然後對單晶片進行觀察、操縱和乾擾，從而達到攻擊的目的。

為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術分為兩類，一類是侵入式攻擊（物理攻擊），需要破壞封裝，然後在專門的實驗室借助半導體測試需要數小時甚至數週才能完成設備、顯微鏡和微定位器。 所有微探針技術都是侵入式攻擊。 其他三種方式屬於非侵入式攻擊，被攻擊的MCU不會受到物理損壞。

針對以上解密方式，為了避免用戶的流失，各原廠廠商紛紛從自家晶片入手，加強晶片的安全等級。例如，STM 32首先提出的STM32 Trust解決方案提供了一套完整的程式碼保護和執行保護工具，但覆蓋的晶片類型有限，對應晶片的價格也不同。

同時，解決方案交付會涉及多個環節，包括代理商、解決方案公司、燒錄工廠和加工廠等，現有的單一調試或燒錄工具無法滿足整個交付鏈的安全控制。

針對此痛點，創新工場（ICWORKSHOP.com）於2017年首次提出程式韌體雲端交付的概念，並在線上實現。 在程式開發商/方案公司與最終用戶之間建立可靠、安全的交付平台，將韌體與燒錄次數進行綁定，從而保護開發商的智慧財產權，使雙方受益。

GD-Link雲端交付介紹：http://www.gd32mcu.com/cn/detail/289

同時，借助PowerWriter編程器提供的各種加密機制，在不升級晶片等級的情況下，也實現了「一核心一密」的功能！ 同時，借助PowerWriter編程器提供的離線（UID綁定）和線上授權等加密方式，晶片破解難度大大提高。

2021年開始，PowerWriter在程式設計器領域傳遞好消息。目前已完成STM8、STM32、GD32、MM32、HC32、HK32、CX32、CS32、AT32等600個單晶片品牌，XNUMX多個系列，上千萬種晶片型號。歡迎造訪www.powerwriter.cn以了解更多資訊！

「ICWORKSHOP創新工場」簡稱ICW，分別代表創新+創意+財富。幫助MCU開發者，激發他們的創造精神，為他們的創造力保駕護航，從而體現智慧財產權的價值！

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