Flash型单片机的加密与解密

2005年4月A版

摘要：随着Flash型单片机的普及，单片机加密的技术已经有了较大的变化。本文以HCS12系列单片机为例，介绍一种典型的加解密机制，并着重讨论使用密码加解密的方法以及相应的用户接口程序设计思路。
关键词：Flash型单片机；加密；解密；密码

引言
    厂商利用单片机进行产品开发时，都会关心其代码和数据的保密性。考虑到用户在编写和调试代码时所付出的时间和精力，代码的成本是不言而喻的。
    早期的单片机，代码是交给芯片制造商制成掩膜ROM。有两种加密的机制，一是彻底破坏读取代码的功能，无论是开发者还是使用者都永远无法读取其中的内容。从安全上来说，这种方式很彻底，但是已经无法检查ROM中的代码了。另一种方法是不公开读取方法，厂商仍可以读取代码。这种方式留有检查代码的可能性，但是并不能算是一种真正的“加密”，被破解的可能性是存在的。
    客观地讲，一方面希望加密很彻底，而另外一方面又希望留有检查代码的可能，这是相互矛盾的要求。
    自Flash技术得到广泛应用以来，各类单片机制造商纷纷采用了多种不同的芯片加密方法，对比掩膜ROM芯片来说，Flash ROM在线可编程特性使得芯片的加密和解密方式变得更加灵活和可靠。在Flash型单片机中，芯片的加密和解密工作都是通过对Flash ROM的编程来完成的，由于用户程序可以在线地改写ROM的内容，可以编写一套加密和解密的小程序，随用户程序下载到芯片中，通过运行该程序，在线修改Flash ROM的内容，对芯片进行加密和解密，使整个的加解密过程更为简单灵活。
    Freescale公司的HCS12单片机采用的加解密思路有一定的典型性，我们对此作了一些研究，现以MC9S12DP256单片机为例，介绍Flash型单片机的加密解密方法。

BDM程序调试接口
    Freescale公司的很多单片机都借用一种被称为后台调试模式（Background Debug Mode，BDM）作为下载和调试程序的接口。
    BDM是一种单线调试模式，芯片通过一个引脚与编程器进行通信。在HCS12系列单片机中，内部都置有标准的BDM调试模块。
该模块的有三种作用：
1) 对内部存储器的读写。将用户程序下载到目标芯片中或是将存储器中的数据读出。
2) 对单片机工作方式和资源进行配置。部分涉及到单片机工作方式和资源配置的寄存器只能在特殊模式下由编程器发送BDM命令来修改。
3) 程序调试。利用BDM模块可以读写内存和CPU内部寄存器，调试程序。
    在HCS12单片机未加密的状态下，使用BDM硬件命令可以将Flash ROM中的程序读出或将新的程序写入。BDM命令可以由独立的硬件系统来送出，我们一般称此类系统为BDM编程器。
    BDM编程器的时序协议是公开的，任何人都可以根据协议设计硬件、编写程序，实现BDM编程器的功能。使用BDM接口，编程器可以很容易的访问到目标系统的存储器，这给程序调试和烧写带来了很大的方便，然而，便利的对外接口也给盗用者留下了可乘之机。
    在带有BDM模块的单片机中引入数据保密机制并非HCS12系列的首创，先前的HC12系列单片机的D家族中，就已经引入了屏蔽Lockout BDM读写的机制，可惜，该机制在单片机的扩展工作模式下存在着漏洞。相比之下，HCS12系列单片机中的保密机制更加完善，无论在BDM模式下或是扩展模式下，都可以屏蔽外部对Flash ROM的读写。

两种加密解密方法
    在HCS12系列单片机中，加密可以分成两种方法：完全加密和使用密码的加密。这两种加密的方法根据用户的需求，使用的场合也有所不同。