王玉麗

　　(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

       摘要：為應(yīng)對安全攻擊，Kinetis系列MCU提供了保密和Flash保護特性、UID特性等很多機制，但這些機制較為復(fù)雜且必須深度掌握，才能滿足應(yīng)用的安全設(shè)計要求。針對這一問題，文章對其保密和保護特性進行了深入研究，從工作機理、應(yīng)用場合、配置方法、注意事項等多方面進行了分析和比對，為靈活應(yīng)用這些機制奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：Kinetis；MCU；Flash；UID

　　中圖分類號：TP3文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.008

　　引用格式：王玉麗.Kinetis系列MCU的保密和保護特性剖析［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（3）：26-28，32.

0引言

　　在嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域，有效地應(yīng)對各種安全攻擊至關(guān)重要。安全攻擊主要是指：人為地試圖獲取或者破壞芯片內(nèi)容而獲取利益，例如復(fù)制軟件進而克隆系統(tǒng)、竊取關(guān)鍵信息（如數(shù)據(jù)庫等）、惡意篡改或者重新編程制作“流氓”軟件等。

　　目前嵌入式應(yīng)用中Freescale公司基于ARM CortexM內(nèi)核的32位Kinetis系列MCU應(yīng)用非常廣泛，它提供了一系列應(yīng)對安全攻擊的機制，包括保密特性、Flash保護特性、芯片唯一標識符UID特性等，由于這些機制比較復(fù)雜，設(shè)置視具體應(yīng)用而異，靈活多變，并涉及大量寄存器，加上Kinetis產(chǎn)品面世時間短，安全機制方面的中文資料稀缺（尚未有相關(guān)論文發(fā)表，只在部分書籍/網(wǎng)絡(luò)資料中有簡述），給開發(fā)者帶來了困擾。因此本文針對Kinetis的保密和保護特性進行了研究，深入剖析了保密特性(包括工作原理、保密等級、整體擦除、后門機制、對外部接口的影響、保密設(shè)置方法等)，分析了保護特性（原理、保護與解除保護策略等），綜合比對了二者的異同與關(guān)聯(lián)，為基于Kinetis應(yīng)用的安全設(shè)計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1Kinetis的保密特性

　　1.1保密特性概述

　　Kinetis的保密特性使得它可以工作在保密Secure和非保密Unsecure兩種模式下，區(qū)別在于是否允許通過外部接口訪問芯片內(nèi)部存儲器［1］。保密模式下，不能通過外部接口(如JTAG/SWD調(diào)試接口、EzPort、FlexBus)對芯片內(nèi)部存儲器進行任何操作(整體擦除Mass Erase指令除外) ［23］。非保密模式則無此限制。

　　1.2保密特性工作原理

　　Kinetis的保密特性基于Flash保密寄存器FTFL_FSEC和Flash配置區(qū)域(Flash Configuration Field,FCF)共同實現(xiàn)。FTFL_FSEC控制著所有與保密相關(guān)的位。FCF是位于0x400~0x40F地址區(qū)間的一個獨立的16 B配置區(qū)域，用來存儲保密/保護及MCU啟動的一些配置信息。FCF結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在芯片復(fù)位完成前，位于FCF中的保密字節(jié)FSEC（地址0x40C）會被自動加載到FTFL_FSEC寄存器中，通過寄存器中的保密狀態(tài)位SEC位來設(shè)定芯片的保密狀態(tài)。這種機制會引發(fā)兩個問題：

　　(1)在芯片運行過程中，即使修改了FCF中的保密字節(jié)FSEC，如果未復(fù)位則不會生效。

　　(2)在芯片運行過程中，即使通過特定方式臨時解除了保密狀態(tài)，如果FCF中的保密字節(jié)FSEC未修改，則芯片復(fù)位后，F(xiàn)lash依然處于保密狀態(tài)。

　　1.3保密等級

　　FTFL_FSEC寄存器內(nèi)容將影響保密程度，寄存器結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　保密狀態(tài)下，根據(jù)寄存器中KEYEN、MEEN、FSLACC的不同，對應(yīng)多種保密方案，通常保密等級可分為4級：等級0,禁止KEYEN;等級1,全部啟用;等級2,禁止FSLACC;等級3,禁止FSLACC和MEEN。由于等級3禁用了整體擦除和工廠訪問功能，只能通過后門機制解密，而如果程序中沒有加入后門解密功能，會導(dǎo)致芯片代碼再也無法重新編程或修改，所以使用時務(wù)必先確認后門功能完好再啟用保密。

　　1.4后門訪問機制原理與注意事項

　　后門訪問為開發(fā)者提供了一種便利的訪問途徑，使得保密后，使用后門訪問密碼(Backdoor Cccess Key)經(jīng)驗證后門指令(Verify Backdoor Command)驗證成功，即可通過調(diào)試接口再次訪問Flash。其無需整體擦除Flash，常用于固件升級。

　　后門機制需要開發(fā)者預(yù)先將一個8 B的后門密碼燒寫到Flash配置區(qū)域FCF中的后門密碼字節(jié)處(地址0x400~0x407)，并編寫好驗證代碼。在芯片進入保密模式后，用戶通過外部串行口將密碼輸入MCU，然后通過驗證指令進行驗證，驗證一致則MCU解密。使用后門訪問時需要注意以下事項：

　　（1）在保密狀態(tài)且KEYEN使能情況下，可通過后門密碼暫時解除保密狀態(tài)，后門密碼必須在FCF中配置，且不能全0或全1，否則驗證命令會報錯。

　　（2）沒有預(yù)設(shè)機制用于獲取后門密碼并運行驗證，需要自行編碼，接收用戶輸入的密碼來進行驗證。

　　（3）驗證失敗，再次驗證需要上電復(fù)位。

　　（4）通過后門只能暫時解除保密狀態(tài)，復(fù)位后會重回保密狀態(tài)，除非更改了FCF中的保密設(shè)置。

　　1.5保密模式對外部接口及FlexBus的影響

　　保密模式下，調(diào)試接口JTAG/SWD被禁止調(diào)試，是否允許整體擦除通過MEEN位控制，除JTAG掃描和調(diào)試寄存器MDMAP外，其他寄存器無法訪問；同樣，Ezport是否允許整體擦除指令通過MEEN位控制，除EzPort狀態(tài)寄存器外，其他寄存器無法訪問；保密模式下默認阻塞所有外部訪問FlexBus的操作，但可通過SIM_SOPT2［FBSL］編程控制保密時允許進行哪些操作，可以選擇只允許數(shù)據(jù)存取，或者同時允許數(shù)據(jù)和操作碼的訪問，如果都允許，則不管是否保密，F(xiàn)lexBus控制器將同樣運作。

　　1.6保密設(shè)置方法

　　保密模式需要通過修改FCF中的保密字節(jié)實現(xiàn)，IAR環(huán)境下FCF信息存放在”/工程目錄/src/cpu/”文件夾下的vectors.c和vectors.h文件中。vectors.h文件的末尾部分存放著CONFIG_1~CONFIG_4字段(共計16 B)，如下圖2所示。vectors.c中有對應(yīng)的中斷向量地址信息，修改圖2中fe信息即可完成保密模式的修改，修改完成后可通過查看生成的s19文件確認保密字節(jié)是否修改成功。需要特別注意的是IAR6.6之后，其自帶的flashloader默認對0x40C~0x40F段進行了保護，所以會導(dǎo)致修改失效，因此在燒寫前需要首先對flashloader進行配置：打開Flash Loader Configuration在extra parameters部分輸入-enable_config_write，保存設(shè)置然后再燒寫即可。　

2Kinetis的Flash保護機制

　　2.1保護概述

　　Kinetis提供的保護機制主要用于防止CPU對Flash的誤操作，例如燒寫bootloader、防止誤操作Flash中的配置參數(shù)等，用戶可以選定Flash區(qū)域進行保護，受保護的區(qū)域CPU擁有只讀權(quán)限。

　　2.2保護原理

　　Kinetis提供了3個寄存器分別針對3種類型的存儲空間進行保護：程序Flash(PFlash)、數(shù)據(jù)Flash(DFlash)和EEPROM［1］。3種類型的Flash保護機制類似，本文以PFlash為例進行闡述。PFlash的保護基于PFlash保護寄存器FTFL_FPROTn和FCF共同實現(xiàn)。在芯片復(fù)位完成前會把FCF中的PFlash保護字節(jié)（地址0x408~0x40B）加載到Kinetis的4個保護寄存器FTFL_FPROT0~FTFL_FPROT3中，根據(jù)位設(shè)置進行保護。4個保護寄存器中的32個位將PFlash等分成32個區(qū)域進行保護配置，每個位控制1/32區(qū)域?qū)懕Ｗo，對應(yīng)位為1則不保護，為0則保護。這種機制使得Flash最小可配置保護單元大小取決于芯片的Flash容量，比如容量512 KB其最小保護單元為512/32=16 KB，32 KB則為32/32=1 KB。系統(tǒng)所支持的最小保護單元為1 KB，容量小于32 KB的，以24 KB為例，32位中的后8位就被忽略掉了，其他情況依次類推。

　　2.3保護設(shè)置與解除

　　保護與保密設(shè)置方法類似，可通過修改FCF的保護字節(jié)完成，不再贅述。Flash配置區(qū)域一旦被保護，就不能通過常規(guī)Flash擦寫指令修改，只能通過EzPort執(zhí)行塊擦除指令(bulk erase)或運用Segger JLink的命令行工具運行“unlock Kinetis”指令來擦除。

3保密與保護特性對比

　　保密與保護雖然都是安全機制，但二者差異顯著，綜合比對如下:

　　(1)配置字節(jié)：二者均駐留在Flash配置域FCF中，分別對應(yīng)保密和保護字節(jié)。

　　(2)作用范圍：保密特性針對整個芯片，對Flash本身影響很小；保護特性則只影響選定的部分/全部Flash區(qū)域，對處理器的其余部分沒有影響。

　　(3)目的與用途：保密旨在防止惡意者通過外部接口非法讀出Flash內(nèi)容，不影響CPU讀寫Flash。為防止芯片內(nèi)容被非法讀出后被“暴力”寫入到同類芯片運行，Kinetis還提供了芯片唯一標識符UID可進行唯一性驗證，可配合保密機制阻止非法程序運行［4］。保護旨在防止CPU對內(nèi)部Flash意外擦除和寫入。

　　(4)方向性：保密針對外部接口，保護針對CPU。

　　(5)寄存器與讀寫性：保密特性基于FTFL_FSEC，保護特性基于FTFL_FPROTn。FTFL_FSEC寄存器是只讀的，F(xiàn)PROTn寄存器是可讀可寫的，在運行過程中可以更改其內(nèi)部配置，具體方法與工作模式有關(guān)。

4結(jié)論

　　本文深入分析了Kinetis系列MCU的保密和保護特性，闡述了保密和保護的工作原理、應(yīng)用場合、配置方法與注意事項等。保密特性禁用外部端口，使得軟件固件被鎖定，免受外部攻擊，保護特性可防止對特定Flash區(qū)域進行擦除，免受內(nèi)部CPU誤操作的影響，二者結(jié)合可以應(yīng)對多種安全問題，保密和保護機制的靈活應(yīng)用可為基于Kinetis的應(yīng)用在安全設(shè)計方面提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻

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　　［4］ NXP Semiconductors.How to address the challenge of security/privacy with Kinetis (REV 0) ［DB/OL］.［2016-06-10］.http://www.nxp.com/.2014.