文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)03-0028-03
中文引用格式：曹欲曉,韓冬,徐金寶.一種基于CPUID和AES算法的STM32固件升級方案[J].電子技術應用,2015,41(03):28-30+34
0 引言
STM32是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3[1]內核的系列微控制器。STM32系列微控制器在Coretex-M3內核的基礎上集成了豐富的外設單元[2]，具有高性能、低功耗、低成本的優勢，被廣泛應用在工業控制、醫療和手持設備等眾多領域中。與PC上的軟件一樣，嵌入式系統的固件（即軟件）也需要不斷升級?，F在固件的升級一般是使用JTAG或SWD仿真器，通過專用軟件完成，所有產品的升級使用相同的文件，因此易被非法用戶盜版使用。
為了防止固件被盜版，文獻[3]提出了一種使用硬件狗對單片機程序進行加密的方法，程序在運行過程中不斷對硬件狗進行訪問和讀寫，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制。文獻[4]利用一種專用加密芯片AT88SA102S把單片機中的固件程序和加密芯片進行綁定，從而實現了對單片機程序的保護。文獻[5]使用一種1-Wire安全器件，采用安全散列算法SHA-1對固件程序進行認證，防止對固件的非法拷貝。文獻[6]提出了應用芯片唯一身份識別碼、RC振蕩器頻率和上電標志進行軟件加密的方法。
上述方法雖然能有效地保護單片機的應用程序，但是采用硬件器件加密的方法需要額外的硬件單元，提高了電路的復雜性和產品的成本；采用軟件加密的方法，則需要對每一個芯片單獨編譯燒寫加密后的應用程序，增加了產品批量生產時的工作量。
針對上述固件升級以及硬件和軟件加密方案的不足，本文在分析了STM32系列微控制器結構特點的基礎上，把STM32內部的全球唯一CPUID作為密鑰，應用AES算法對STM32應用程序所在的bin文件進行加密，給不同的STM32芯片生成不同的升級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技術寫入Flash，從而實現應用程序的合法升級完全由唯一的CPUID控制，只有合法的STM32芯片才能正確地升級固件，防止了非法用戶對應用程序的拷貝復制。
1 CPUID和AES算法
1.1 STM32的CPUID
每一個STM32微控制器內部都有一個96位的全球唯一序列號，存儲在地址0x1fff7a10-0x1fff7a18處，稱為CPUID。這個CPUID是STM32芯片的身份標識[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也毫無規律性，所以CPUID可以用來判斷芯片的合法性以決定是否執行固件程序。
1.2 AES算法
AES(Advanced Encryption Standard)是NIST(美國國家標準技術研究所)用來代替DES算法的新一代數據加密標準。NIST要求AES 候選算法需滿足以下基本要求：AES在體制上應是對稱分組密碼；密鑰的長度可以是128 bit、 192 bit或 256 bit；數據分組的長度可以是128 bit、192 bit或256 bit；AES算法應容易在各種硬件平臺和軟件平臺上實現。經過幾輪篩選，最終由Joan Daemen和Vincent Rijmen設計的Rijndael算法在2000年10月成為AES標準的最終算法[8]。
AES算法是一種對稱加密算法，加密和解密使用相同的密鑰。AES算法的輸入是固定長度的分組，輸出分組的長度和輸入分組相同，每一個分組和密鑰的長度可以是128 bit、192 bit或256 bit，對應的加密輪數分別是10、12或14輪。取分組長度和密鑰同為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
IAP（In Application Programing)[10]的意思是“在應用編程”，指CPU執行程序時，通過正在執行的程序完成對片內Flash的改寫。利用IAP，可以在程序正常執行時向Flash寫入新的數據或程序，克服了以往改寫Flash需要停止程序運行的缺點。
通過IAP更新固件，新的固件可以來自串行口、USB、以太網等數據接口，也可以來自外接的TF卡。STM32在執行IAP操作時，首先對片內Flash解鎖，接著擦除需要重新編程的Flash區域，最后把新的固件代碼寫入。使用IAP功能，需要有兩個可執行程序，一個稱為Bootloader，另一個稱為App。Bootloader和App分別存儲在Flash的不同區域，存儲空間不能重合。Bootloader是啟動引導程序，負責應用IAP改寫App固件并跳轉到App執行。App是正常工作時系統完成具體功能的應用程序。
3 基于CPUID和AES算法的STM32固件加密升級
3.1 系統架構和總體原理
本文提出的加密升級方案，一共需要三個組成部分：STM32系統、PC、服務器，系統架構如圖3所示。STM32系統是需要升級的嵌入式系統。PC上運行一個升級控制程序，控制STM32的升級操作，并在STM32系統和服務器之間進行通信。服務器上存儲有IAP升級用的原始bin文件和所有合法的STM32微控制器的CPUID，負責為每一個STM32生成不同的bin文件。STM32系統須具有一個USB從機接口，用來與PC連接；還要有一個接在SDIO接口上的TF卡，這個TF卡通過FatFS文件系統被模擬成一個U盤，使PC可以象操作普通U盤一樣操作這個TF卡，STM32和PC的數據交換通過TF卡進行。TF卡初始化后在其中建立一個標記是否升級App的標志文件。
STM32升級固件時，把自己的CPUID加密后傳給PC上的控制程序，由PC通過網絡發給服務器。服務器事先保存了所有合法的CPUID，當收到PC送來的CPUID時，首先檢查其合法性，如合法則用接收的CPUID作為密鑰對原始bin文件進行AES加密，所以對不同的STM32能生成不同的升級用bin文件。如果其他STM32試圖用自己的CPUID作密鑰解密這個bin文件，則解密出的程序是錯誤的，不能執行。
STM32系統的Bootlaoder可以在硬件能正常工作后用仿真器統一燒寫，第一個App可以直接應用本文提出的方法升級寫入。
3.2 Bootloader的設計
Bootloader在完成自身的初始化后，檢查TF卡上的寫入標志文件的變化，如果同時具有寫入標志和新的bin文件，則把bin文件讀入內存，以自己的CPUID作密鑰，應用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時，直接跳轉到App執行。Bootloader的工作流程可用圖4表示。
3.3 App的設計
App程序執行時，除完成正常工作外，每隔一定時間檢查一次TF卡上的寫入標志文件，如果發現PC上的控制程序改寫了升級標志，則讀出CPUID，用一個固定密鑰經AES加密后寫到TF卡上，通過這種方式把加密后的CPUID由PC傳給了服務器。PC控制程序獲得服務器返回的加密bin文件后，寫到TF卡上。STM32重啟后在Bootloader中完成App的固件升級。
4 STM32的IAP功能的實現
4.1 STM32的IAP
STM32有三種啟動方式，具體采用哪種由STM32的BOOT0和BOOT1兩個引腳的組合決定[11]，只要BOOT0置低，無論BOOT1置高或置低，STM32都從內部Flash啟動。STM32內部的Flash地址從0x8000000開始，Cortex-M3內核的Flash起始地址的第一個字（4 B）必須是棧頂指針的值，第二個字存放復位中斷向量的地址，隨后才是STM32要執行的代碼。為了實現應用程序的IAP功能，STM32片內的Flash要分成兩個區域，開始的一部分存儲Bootloader，后面的一部分存儲App。STM32啟動時首先從0x8000000地址開始執行，即先執行Bootloader，在Bootloader中再跳轉到App。
Bootloader中的IAP流程是：首先解鎖Flash，擦除App占用的Flash塊區；然后從TF卡中讀出升級bin文件，應用AES算法解密；解密后的代碼按順序寫入上一步擦除的Flash，全部App寫入完成再對Flash加鎖以防止被調試工具讀出。
Bootloader通過IAP完成固件的寫入后，執行以下代碼完成到App的跳轉[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()；//跳轉到App執行
4.2 App代碼的修改和開發環境的設置
因為App程序沒有存儲在Flash的起始地址，所以在App的main函數中要重新設置中斷向量表的起始地址，否則會因為中斷向量地址出錯導致App不能正常運行。這可以通過調用STM32固件庫中的函數NVIC_Set-
VectorTable來實現，該函數的第一個參數是Flash的起始地址，第二個參數是App在Flash中的偏移量。
通過IAP升級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工具鏈中的工具把hex文件轉換成bin文件，PC控制程序拷貝到TF卡中的就是服務器加密后的bin文件。
5 結語
STM32芯片內置的全球唯一96位ID可以作為芯片的身份認證標志，同時具有大容量的Flash，可以同時存儲Bootloader和App，并支持IAP。STM32的這兩個特點為使用AES算法加密生成不同的升級文件提供了物質基礎。經過實際測試，把服務器為某一個STM32生成的加密bin文件拷貝到其他STM32系統后并正確改寫升級標志，STM32系統重啟后應用程序無法執行。應用二進制分析軟件對不同STM32請求升級得到的bin文件進行對比，發現所有bin文件均不相同，因此本文提出的方法可以為不同的STM32生成唯一的升級文件，有效防止了非法用戶的盜版行為。
參考文獻
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[4] 張煒軒，王菲，王玉平.基于專用加密芯片的單片機加密系統設計[J].單片機與嵌入式系統，2013（9）：56-59.
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[6] 潘永雄，胡敏強，羅小偉.單片機控制程序加密策略探索與應用[J].計算機工程與設計，2010，31（11）：2466-2469.
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[10] ST Microelectronic Corporation.STM32F10x in-application programming[Z].2008.
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