0 引言

　　STM32是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3[1]內(nèi)核的系列微控制器。STM32系列微控制器在Coretex-M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上集成了豐富的外設(shè)單元[2]，具有高性能、低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療和手持設(shè)備等眾多領(lǐng)域中。與PC上的軟件一樣，嵌入式系統(tǒng)的固件（即軟件）也需要不斷升級(jí)。現(xiàn)在固件的升級(jí)一般是使用JTAG或SWD仿真器，通過專用軟件完成，所有產(chǎn)品的升級(jí)使用相同的文件，因此易被非法用戶盜版使用。

　　為了防止固件被盜版，文獻(xiàn)[3]提出了一種使用硬件狗對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行加密的方法，程序在運(yùn)行過程中不斷對(duì)硬件狗進(jìn)行訪問和讀寫，通過硬件狗的唯一性來保證加密后的固件不被非法訪問和復(fù)制。文獻(xiàn)[4]利用一種專用加密芯片AT88SA102S把單片機(jī)中的固件程序和加密芯片進(jìn)行綁定，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)程序的保護(hù)。文獻(xiàn)[5]使用一種1-Wire安全器件，采用安全散列算法SHA-1對(duì)固件程序進(jìn)行認(rèn)證，防止對(duì)固件的非法拷貝。文獻(xiàn)[6]提出了應(yīng)用芯片唯一身份識(shí)別碼、RC振蕩器頻率和上電標(biāo)志進(jìn)行軟件加密的方法。

　　上述方法雖然能有效地保護(hù)單片機(jī)的應(yīng)用程序，但是采用硬件器件加密的方法需要額外的硬件單元，提高了電路的復(fù)雜性和產(chǎn)品的成本；采用軟件加密的方法，則需要對(duì)每一個(gè)芯片單獨(dú)編譯燒寫加密后的應(yīng)用程序，增加了產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)的工作量。

　　針對(duì)上述固件升級(jí)以及硬件和軟件加密方案的不足，本文在分析了STM32系列微控制器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，把STM32內(nèi)部的全球唯一CPUID作為密鑰，應(yīng)用AES算法對(duì)STM32應(yīng)用程序所在的bin文件進(jìn)行加密，給不同的STM32芯片生成不同的升級(jí)bin文件。加密后的bin文件由STM32以自己的CPUID作為密鑰解密，并通過IAP技術(shù)寫入Flash，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的合法升級(jí)完全由唯一的CPUID控制，只有合法的STM32芯片才能正確地升級(jí)固件，防止了非法用戶對(duì)應(yīng)用程序的拷貝復(fù)制。

1 CPUID和AES算法

　　1.1 STM32的CPUID

　　每一個(gè)STM32微控制器內(nèi)部都有一個(gè)96位的全球唯一序列號(hào)，存儲(chǔ)在地址0x1fff7a10-0x1fff7a18處，稱為CPUID。這個(gè)CPUID是STM32芯片的身份標(biāo)識(shí)[7]，只能讀出不能寫入，任何兩片STM32微控制器的CPUID都是不相同的，并且同一批次的STM32芯片的CPUID也毫無規(guī)律性，所以CPUID可以用來判斷芯片的合法性以決定是否執(zhí)行固件程序。

　　1.2 AES算法

　　AES(Advanced Encryption Standard)是NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)用來代替DES算法的新一代數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。NIST要求AES 候選算法需滿足以下基本要求：AES在體制上應(yīng)是對(duì)稱分組密碼；密鑰的長(zhǎng)度可以是128 bit、 192 bit或 256 bit；數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度可以是128 bit、192 bit或256 bit；AES算法應(yīng)容易在各種硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過幾輪篩選，最終由Joan Daemen和Vincent Rijmen設(shè)計(jì)的Rijndael算法在2000年10月成為AES標(biāo)準(zhǔn)的最終算法[8]。

　　AES算法是一種對(duì)稱加密算法，加密和解密使用相同的密鑰。AES算法的輸入是固定長(zhǎng)度的分組，輸出分組的長(zhǎng)度和輸入分組相同，每一個(gè)分組和密鑰的長(zhǎng)度可以是128 bit、192 bit或256 bit，對(duì)應(yīng)的加密輪數(shù)分別是10、12或14輪。取分組長(zhǎng)度和密鑰同為128 bit，給出AES算法加密和解密的流程如圖1和圖2所示[9]。

2 IAP技術(shù)

　　IAP（In Application Programing)[10]的意思是“在應(yīng)用編程”，指CPU執(zhí)行程序時(shí)，通過正在執(zhí)行的程序完成對(duì)片內(nèi)Flash的改寫。利用IAP，可以在程序正常執(zhí)行時(shí)向Flash寫入新的數(shù)據(jù)或程序，克服了以往改寫Flash需要停止程序運(yùn)行的缺點(diǎn)。

　　通過IAP更新固件，新的固件可以來自串行口、USB、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)接口，也可以來自外接的TF卡。STM32在執(zhí)行IAP操作時(shí)，首先對(duì)片內(nèi)Flash解鎖，接著擦除需要重新編程的Flash區(qū)域，最后把新的固件代碼寫入。使用IAP功能，需要有兩個(gè)可執(zhí)行程序，一個(gè)稱為Bootloader，另一個(gè)稱為App。Bootloader和App分別存儲(chǔ)在Flash的不同區(qū)域，存儲(chǔ)空間不能重合。Bootloader是啟動(dòng)引導(dǎo)程序，負(fù)責(zé)應(yīng)用IAP改寫App固件并跳轉(zhuǎn)到App執(zhí)行。App是正常工作時(shí)系統(tǒng)完成具體功能的應(yīng)用程序。

3 基于CPUID和AES算法的STM32固件加密升級(jí)

　　3.1 系統(tǒng)架構(gòu)和總體原理

　　本文提出的加密升級(jí)方案，一共需要三個(gè)組成部分：STM32系統(tǒng)、PC、服務(wù)器，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。STM32系統(tǒng)是需要升級(jí)的嵌入式系統(tǒng)。PC上運(yùn)行一個(gè)升級(jí)控制程序，控制STM32的升級(jí)操作，并在STM32系統(tǒng)和服務(wù)器之間進(jìn)行通信。服務(wù)器上存儲(chǔ)有IAP升級(jí)用的原始bin文件和所有合法的STM32微控制器的CPUID，負(fù)責(zé)為每一個(gè)STM32生成不同的bin文件。STM32系統(tǒng)須具有一個(gè)USB從機(jī)接口，用來與PC連接；還要有一個(gè)接在SDIO接口上的TF卡，這個(gè)TF卡通過FatFS文件系統(tǒng)被模擬成一個(gè)U盤，使PC可以象操作普通U盤一樣操作這個(gè)TF卡，STM32和PC的數(shù)據(jù)交換通過TF卡進(jìn)行。TF卡初始化后在其中建立一個(gè)標(biāo)記是否升級(jí)App的標(biāo)志文件。

　　STM32升級(jí)固件時(shí)，把自己的CPUID加密后傳給PC上的控制程序，由PC通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給服務(wù)器。服務(wù)器事先保存了所有合法的CPUID，當(dāng)收到PC送來的CPUID時(shí)，首先檢查其合法性，如合法則用接收的CPUID作為密鑰對(duì)原始bin文件進(jìn)行AES加密，所以對(duì)不同的STM32能生成不同的升級(jí)用bin文件。如果其他STM32試圖用自己的CPUID作密鑰解密這個(gè)bin文件，則解密出的程序是錯(cuò)誤的，不能執(zhí)行。

　　STM32系統(tǒng)的Bootlaoder可以在硬件能正常工作后用仿真器統(tǒng)一燒寫，第一個(gè)App可以直接應(yīng)用本文提出的方法升級(jí)寫入。

　　3.2 Bootloader的設(shè)計(jì)

　　Bootloader在完成自身的初始化后，檢查TF卡上的寫入標(biāo)志文件的變化，如果同時(shí)具有寫入標(biāo)志和新的bin文件，則把bin文件讀入內(nèi)存，以自己的CPUID作密鑰，應(yīng)用AES算法解密bin文件，接著使用IAP把新的App寫入Flash。新的App寫入完成或者無需升級(jí)時(shí)，直接跳轉(zhuǎn)到App執(zhí)行。Bootloader的工作流程可用圖4表示。

　　3.3 App的設(shè)計(jì)

　　App程序執(zhí)行時(shí)，除完成正常工作外，每隔一定時(shí)間檢查一次TF卡上的寫入標(biāo)志文件，如果發(fā)現(xiàn)PC上的控制程序改寫了升級(jí)標(biāo)志，則讀出CPUID，用一個(gè)固定密鑰經(jīng)AES加密后寫到TF卡上，通過這種方式把加密后的CPUID由PC傳給了服務(wù)器。PC控制程序獲得服務(wù)器返回的加密bin文件后，寫到TF卡上。STM32重啟后在Bootloader中完成App的固件升級(jí)。

4 STM32的IAP功能的實(shí)現(xiàn)

　　4.1 STM32的IAP

　　STM32有三種啟動(dòng)方式，具體采用哪種由STM32的BOOT0和BOOT1兩個(gè)引腳的組合決定[11]，只要BOOT0置低，無論BOOT1置高或置低，STM32都從內(nèi)部Flash啟動(dòng)。STM32內(nèi)部的Flash地址從0x8000000開始，Cortex-M3內(nèi)核的Flash起始地址的第一個(gè)字（4 B）必須是棧頂指針的值，第二個(gè)字存放復(fù)位中斷向量的地址，隨后才是STM32要執(zhí)行的代碼。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的IAP功能，STM32片內(nèi)的Flash要分成兩個(gè)區(qū)域，開始的一部分存儲(chǔ)Bootloader，后面的一部分存儲(chǔ)App。STM32啟動(dòng)時(shí)首先從0x8000000地址開始執(zhí)行，即先執(zhí)行Bootloader，在Bootloader中再跳轉(zhuǎn)到App。

　　Bootloader中的IAP流程是：首先解鎖Flash，擦除App占用的Flash塊區(qū)；然后從TF卡中讀出升級(jí)bin文件，應(yīng)用AES算法解密；解密后的代碼按順序?qū)懭肷弦徊讲脸腇lash，全部App寫入完成再對(duì)Flash加鎖以防止被調(diào)試工具讀出。

　　Bootloader通過IAP完成固件的寫入后，執(zhí)行以下代碼完成到App的跳轉(zhuǎn)[12]：

　　JumpAddress=*(__IO uint32_t*) (APPLICATION_

　　ADDRESS + 4)；//取出App的中斷向量地址

　　Jump_To_Application=(pFunction) JumpAddress；

　　//給函數(shù)指針賦值

　　__set_MSP(*(__IO uint32_t*) APPLICATION_ADDRESS)；

　　//初始化用戶堆棧指針

　　Jump_To_Application()；//跳轉(zhuǎn)到App執(zhí)行

　　4.2 App代碼的修改和開發(fā)環(huán)境的設(shè)置

　　因?yàn)锳pp程序沒有存儲(chǔ)在Flash的起始地址，所以在App的main函數(shù)中要重新設(shè)置中斷向量表的起始地址，否則會(huì)因?yàn)橹袛嘞蛄康刂烦鲥e(cuò)導(dǎo)致App不能正常運(yùn)行。這可以通過調(diào)用STM32固件庫(kù)中的函數(shù)NVIC_Set-

　　VectorTable來實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是Flash的起始地址，第二個(gè)參數(shù)是App在Flash中的偏移量。

　　通過IAP升級(jí)App使用的文件必須是bin格式，但編譯器直接編譯生成的是hex文件，因此還需要使用開發(fā)工具鏈中的工具把hex文件轉(zhuǎn)換成bin文件，PC控制程序拷貝到TF卡中的就是服務(wù)器加密后的bin文件。

5 結(jié)語(yǔ)

　　STM32芯片內(nèi)置的全球唯一96位ID可以作為芯片的身份認(rèn)證標(biāo)志，同時(shí)具有大容量的Flash，可以同時(shí)存儲(chǔ)Bootloader和App，并支持IAP。STM32的這兩個(gè)特點(diǎn)為使用AES算法加密生成不同的升級(jí)文件提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，把服務(wù)器為某一個(gè)STM32生成的加密bin文件拷貝到其他STM32系統(tǒng)后并正確改寫升級(jí)標(biāo)志，STM32系統(tǒng)重啟后應(yīng)用程序無法執(zhí)行。應(yīng)用二進(jìn)制分析軟件對(duì)不同STM32請(qǐng)求升級(jí)得到的bin文件進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有bin文件均不相同，因此本文提出的方法可以為不同的STM32生成唯一的升級(jí)文件，有效防止了非法用戶的盜版行為。

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