目前越来越多的微控器(MCU)应用需要使用到复杂的算法及中间件解决方案(middleware solution),因此,如何保护软件方案商开发出来的核心算法等知识产权代码(IP-Code),便成为微控制器应用中一项很重要的课题。因为这一重要的需求,AT32F402/405系列提供了安全库区(SLIB)的功能,以防止重要的IP-Code被终端用户的程序做修改或读取,进而达到保护的目的。本文档将详细阐述AT32F402/405系列安全库区的应用原理和软件使用方法。
应用原理
安全库区的应用原理
下图是包含安全库区的主闪存区映射示意图,安全库区的程序代码可以很容易地被终端用户调用并执行, 但不能直接被读取,因而达到保护的功能。
图1. 带有安全库区的主闪存区映射
安全库区的范围大小是以扇区(sector)为单位做设定,每一扇区的大小以实际MCU型号为准。表1是AT32F402/405系列各型号的主闪存大小、每扇区大小及可设置范围。另外启动程序代码区在开启了主存扩展功能后,整个20KB区域也是可以作为安全库区。
表1. AT32F402/405各型号闪存大小总表
如何启动安全库区保护
默认状态下,安全库区设定寄存器始终是不可读且被写保护。要想对安全库区设定寄存器进行写操作,首先要对安全库区设定寄存器解锁,对SLIB_UNLOCK寄存器写入解锁0xA35F6D24值,通过查看SLIB_MISC_STS寄存器的SLIB_ULKF位确认解锁成功,随后便允许对安全库区设定寄存器写入设定值。
启动主闪存安全库区的步骤如下:
注意事项:
关于安全库区设定寄存器的详细说明,请参阅AT32F402/405系列技术手册。
启动安全库区的程序可参考安全库区应用范例project_l0中位于main.c中的slib_enable()函数。亦可使用雅特力的ICP或ISP刻录工具做设定,后面章节将会有详细的说明。
如何解除安全库区保护
当安全库区的保护功能被启动后,可以透过在SLIB_PWD_CLR寄存器写入先前设置的密码来解除保护功能。解除安全库区的保护时,芯片将会执行主闪存的整片擦除(包含安全库区的内容)。解除主闪存安全库区的步骤如下:
编排及执行安全库区的程序
如前面章节所提到,在指令安全库区(SLIB_INSTRUCTION)内的的程序代码可以被MCU经由I-Code总线抓取,但不能经由D-Code总线以读取数据的方式去读出,这样的保护是全面性的,也就是说在指令安全库区之内的程序代码,也不能读取同样被放置在指令安全库区之内的数据,例如C程序代码常被编译成的文字池(literal pool)、分支表(branch table)或常数(constant)等之类当指令被执行时会经由D-Code总线去读取的数据。这代表指令安全库区之内只能放置指令,不能放置任何数据。因此用户在编排要放置在指令安全库区之内的程序代码时,必须配置编译程序(compiler)的设定去产生只执行(execute-only)的代码以避免上述那些型态的数据产生。图2及图3是一般常见的文字池跟分支表的例子:switch()是C程序中常用的跳转指令,此例子中的sclk_source变量是去读取CRM_CFG寄存器,图2可看到编译出来的汇编代码(assembly code)“LDR R7, [PC, #288]”,会用程序计数器(program counter, PC)间接寻址的方式去取得CRM_CFG寄存器的地址,而CRM_CFG的地址会被以常数的方式存放在邻近的指令区(也在指令安全库区之内),因此执行switch()指令时就会发生数据的读取。如果指令安全库区内有这类的程序代码,在执行的时候就会产生错误。第三章的范例程序将会说明如何设定编译程序的配置来避免这样的问题。
图2. 文字池例子(1)
图3. 文字池例子(2)
一、不可将中断向量表设置为安全库区的指令区
中断向量表包含每个中断处理程序的入口点地址,由MCU通过D-Code总线读取。通常,中断向量表位于主闪存第一扇区(sector 0)的起始地址0x08000000,因此在设置指令安全库区时,必须遵守以下的规则:
二、安全库区代码与用户区代码的关联性
受安全库区保护的程序代码(IP-Code)可以从位于用户代码区(安全库区之外的区域)的函数库中调用函数。在这种情形下,IP-Code将会包含这些函数的地址,允许PC(程序计数器)在执行IP-Code时跳转到这些函数。一旦安全库区被启动,这些函数的地址就不能被改变,此时,这些位于用户代码区的函数的地址就必须固定下来,否则PC将跳转到错误的地址而无法正常工作。因此在设置安全库区的时候,应该将所有与IP-Code相关联的函数都一起编排到安全库区之内以避免此情况发生。下图显示出一个被保护的函数Function_A()调用到用户区内的函数Function_B()的例子。图4. 安全库区的函数调用用户区函数的例子
此外,另一个最常见的情形就是使用到C语言的标准函式库,例如memset()及memcpy()这类函数。如果IP-Code跟用户区代码都有调用到这类函数,就会有上述问题的困扰。列举两种常用的解决方法:1) 将其编译到安全库区范围内,具体如何实现可以查看keil或IAR的相关文档。2) 避免在IP-Code内使用C的标准函式库,若非要使用,就必须将用到的函数改写为其他名称,以下是一个范例,在IP-Code 中写一个my_memset()函数取代原先的memset()。图5. 自定义函数范例
安全库区范例程序
本章节将以为例介绍安全库区的使用范例,并详述完成此范例程序所需的每一个步骤。
范例需求
一、硬件需求
二、软件需求
范例概述
本应用指南提供了两个范例项目,展示了软件开发商开发智权代码(IP-Code)给终端用户应用的场景。其中
Project_L0完成的算法将预先下载刻录到AT32F402芯片并设置安全库区保护,同时提供下列各项设定讯息给终端客户应用程序使用:
图6. 范例流程示意图
软件方案商可以参考Project_L0范例开发算法代码,并参考Project_L1提供终端用户使用,下图为应用示意图。图7. 应用示意图
安全库区保护的代码:FIR低通滤波器
本范例使用CMSIS-DSP库提供的FIR低通滤波器(FIR lowpass filter)算法作为被安全库保护的IPCode,关于FIR低通滤波器算法可详阅CMSIS-DSP的相关文件,这里仅着重在说明如何设置安全库以保护此算法及如何被终端用户的程序代码调用。范例中的低通滤波器的输入信号是一个混和了频率各为1KHz及15KHz的两个正弦波的讯号,而低通滤波器的截止频率约为6KHz。经过低通滤波后,将15KHz的讯号滤除而仅剩下1KHz的正弦波输出。下图为FIR低通滤波功能的示意图。图8. FIR低通滤波器
使用到的CMSIS DSP库的函数及文件包括:
此函数的功能是做滤波器函数的初始化设定,包含在arm_fir_init_f32.c文件里
此函数为滤波器算法的主要部分,包含在arm_fir_f32.c文件里
此函数为使用上述两个基本函数写成的FIR低通滤波器全局函数,供终端用户调用,包含在fir_filter.c文件里
此C文件内含FIR滤波器函数所使用的系数(只读的常数),在范例中会将这些系数放置到唯读安全库区
在此范例中,MCU内嵌的FPU及DSP指令会被用来做信号处理以及浮点运算,以达到准确的运算及正确的输出信号。
Project_L0: 方案商范例
在此阶段的范例程序,将完成下列几个项目:
一、产生只执行(Execute-only)代码
每一种工具链(toolchain)都有自己的设定选项,可以防止编译程序生成文字池(literal pools)和分支表(branch table)这些在指令执行时会发生读取数据的指令格式,例如”LDR Rn, [PC, #offset]”这类指令。关于文字池及分支表的例子可参照章节2.4的说明。以Keil μvision为例,Keil μvision有Execute-only Code的选项来做设定,设定的方式如下:Keil μvision:使用Execute-only Code选项设置的方式是:
图9. Keil进入Option界面
图10. Keil选择Execute-only Code
IAR:使用No data read in code memory选项设置的方式是:
图11. IAR进入Option界面
图12. IAR设置C/C++窗口选项
AT32 IDE:添加Other compiler flags关键字设置的方式是:
图13. AT32 IDE进入Properties界面
图14. AT32 IDE设置Miscellaneous
二、编排安全库区的地址
前面章节提到的,主闪存的第一扇区(sector 0)会被用来存放中断向量表。下图为主闪存的映射及RAM的使用分区。RAM的分区主要是为了避免SLIB保护区的代码与终端用户的代码用到相同的RAM而产生的冲突问题。图15. 范例程序的主闪存映像及RAM分区
Keil μvision的scatter file步骤如下:
图16. Keil设置Linker窗口选项
图17. Keil scatter修改
IAR的ICF file步骤如下:
图18. icf文件中SLIB地址定义
图19. icf文件中地址分配
图20. icf文件中SLIB使用的RAM修改
AT32 IDE的ld file步骤如下:
图21. ld文件中使用的RAM和ROM范围修改
图22. ld文件中编排放置位置
图23. 添加修改后的ld文件
图24. 添加额外关键字避免编译报错
三、启用安全库区保护
要启用安全库区的保护功能,有以下两种方式:(1) 使用ICP刻录工具Artery ICP Programmer(建议用此方式)要使用ICP Programmer,请参照以下步骤:
图25. 配置ICP Programmer
图26. 设置下载选项参数
关于ICP Programmer的详细说明,请参阅ICP Programmer用户手册。(2) 使用范例程序main.c之中的slib_enable()函数在低通滤波函数测试正确后执行过一次此函数,就可以启用安全库区的保护功能。要执行此函数,只要在main.c中使能#define USE_SLIB_FUNCTION即可。
四、Project_L0执行流程
在此范例中,FIR低通滤波器会针对混和1KHz及15KHz正弦波的输入信号testInput_f32_1kHz_15kHz 做计算,计算后输出的1KHz正弦波数据存放到testOutput,然后会跟预先用MATLAB软件计算好且存放在refOutput中的数据做比对,如果误差值小于预期值(讯噪比SNR大于预设的门坎),板子上绿色的LED灯会一值闪烁,反之则是红色的LED灯一值闪烁,下图是Project_L0的整个流程图27. Project_L0执行流程
要执行此范例程序,请按照下列步骤:(1) 使用Keil μvision开启\utilities\AT32F402_405_slib_demo\project_l0\mdk_v5\目录下的Project_L0项目,并重新编译。(2) 在下载代码之前,先检查AT-START-F402板子上的芯片是否已经有SLIB或读写保护(FAP/EPP),如果有,就请先用ICP刻录工具将这些保护都解除,然后再下载代码。(3) 下载成功后并开始值执行后,会看到板子上的LED3灯持续快速闪烁。(4) 按下板子上的USER按键,就会执行低通滤波器的运算。(5) 比对运算结果,若结果正确,绿色LED4灯会持续闪烁。反之,则是红色LED2灯持续闪烁。(6) 在比对结果正确的条件下,如果main.c中的USE_SLIB_FUNCTION有被定义且芯片未启用过SLIB的话,就会执行slib_enable()函数去设置SLIB,若设置失败,红色LED2灯会一直亮着。若设置成功,绿色LED4灯会点亮约3秒钟然后执行系统重置(system reset)来启动SLIB。然后程序又回到步骤(3)。
五、产生头文件及符号定义文件
头文件(header file)跟符号定义文件(symbol definition file)是终端客户应用范例Project_L1在调用FIR低通滤波函数时需要用到。在范例中,就是main.c中包含的fir_filter.h文件。符号定义文件的产出方法跟使用的工具链(toolchain)相关。使用Keil μvision产生符号定义文件方法如下:
图28. 设置Keil Misc controls选项
图29. 修改后的fir_filter_symbol.txt内容
使用IAR产生符号定义文件方法如下:
图30. 设置IAR Build Actions选项
$TOOLKIT_DIR$\bin\isymexport.exe--edit "$PROJ_DIR$\steering_file.txt"
"$TARGET_PATH$" "$PROJ_DIR$\fir_filter_symbol.o"
图31. 编辑的steering_file.txt内容
使用AT32 IDE产生符号定义文件方法如下:
图32. AT32 IDE添加post-build命令
Project_L1: 终端用户范例
Project_L1范例会使用到在Project_L0中调试好,并已经被刻录到AT32F402芯片的主闪存中且被SLIB保护的FIR低通滤波器函数。根据Project_L0提供的头文件、符号定义文件以及主闪存区块映像,终端用户就可以参照Project_L1做到
注意事项:Project_L1必须使用跟Project_L0开发时一样的工具链及相同版本的编译程序,不然有可能会因为版本差异的兼容性问题,而无法使用Project_L0提供的代码。例如本范例中Project_L0使用的是Keil μvision V5.36.0.0,那Project_L1也要使用同样的这个版本。
一、建立用户的应用项目
因为Project_L0启用的安全库区已经占用了一些特定的主闪存扇区,Project_L1的代码必须参照Project_L0提供的主闪存区块映像来编排放置的地址。图15为此范例的主闪存区块映射,其中sector 2至sector 5为安全库区所占用,终端用户需使用linker control file将这个区域隔离起来,避免代码在编译时被编排到这个区域内,方式如下:Keil μvision的scatter file可参照project_l1\mdk_v5\目录的end_user_code.sct文件,将主闪存空间切成两个区块,中间空出来的区域就是SLIB保护区。此外,RAM的区域也要保留0x20017000之后的区域。如下图图33. 修改后的scatter文件
IAR的ICF file可参照project_l1\iar_V8.2\目录下enduser.icf文件中如下图的部分图34. 修改后的icf文件AT32 IDE的ld file可参照project_l1\at32_ide\目录下FLASH_enduser.ld文件修改,添加如下图的行图35. ld文件添加project_l0生成的文件
二、在项目中加入符号定义文件
Project_L0所产生的符号定义文件fir_filter_symbol.txt必须被添加到Project_L1项目中,才能被正确的编译并链结到SLIB保护区的代码。在Keil μ vision中加入符号定义文件工程中添加fir_filter_symbol.txt这个符号定义文件,如下图:图36. 在Keil加入symbol definition file
将文件加入fir_filter群组后,必须将它的文件类型更改为Object文件,而不是原来的文本(text)文件,修改方式如下图37. 修改符号定义文件的类型为Object file
在IAR中加入符号定义文件将fir_filter_symbol.o这个Object文件加到加到fir_filter群组即可,如下图图38. 在IAR中加入符号定义文件
在AT32 IDE中加入符号定义文件例程中将keep_sym_app.ld放在了fir_filter文件夹内添加进工程,在Project->Properties->C/C++Build->Setting->GNU ARM Cross C Linker->Library中添加keep_sym_app.ld所在路径图39. 在AT32 IDE中添加ld路径
三、调用SLIB保护区的函数
当filter.h头文件被main.c引用且符号定义文件也正确地加入项目之后,保护区的低通波器函数就可以被调用。方式如下:FIR_lowpass_filter(inputF32, outputF32, TEST_LENGTH_SAMPLES);其中:inputF32 :指向包含输入信号数据表的指针outputF32 :指向存放输出信号数据表的指针TEST_LENGTH_SAMPLES :要被处理的信号样本数
四、Project_L1执行流程
Project_L1的执行流程如下图,说明如下:
图40. Project_L1流程图
五、调试模式下的SLIB保护
当终端用户在开发应用程序时,会用到开发工具调试代码,以下将以Keil μ vision为例,说明在调试模式下,SLIB如何防止保护区内的代码被以数据的方式读取
图41. 进入Show Disassembly at Address
图42. 设置Show Code at Address可以看到代码都是0x00图43. 代码查看
图44. Memory窗口查看代码
图45. Memory窗口查看SLIB_READ_ONLY起始页面对安全库区的数据尝试做修改,FLASH_STS寄存器的EPPERR位置”1”提出警告,显示写保护发生作用图46. SLIB写测试
如果有使能写保护错误中断,继续执行程序就会进入中断程序里面图47. 写保护错误中断
方案商和终端用户代码整合及下载操作流程
方案商和终端用户的代码设计完成后,需要下载到同一个MCU中,这就涉及到各自代码的安全性问题。以下列举两种常用下载操作流程供用户参考,仍然是以上面Project_L0和Project_L1为例。操作中涉及到AT-Link的离线下载模式,详细描述可以参考ICP使用文档及AT-Link使用文档。
方案商和终端用户代码分别烧录
方案商先烧录SLIB代码到MCU,然后终端用户再烧录应用代码到MCU,步骤如下:(1) 方案商将编译完成的工程中SLIB部分的代码提取并保存成BIN或者HEX档,这步可以通过各个IDE软件或者ICP工具实现,例如在KEIL工程中,user选项中添加fromelf.exe--bin--output.\Listings\@L.bin !L,编译生成对应固件的bin档,将对应的SLIB段文件添加后缀名.bin格式,本例中修改为ER_SLIB_INSTRUCTION.bin和ER_SLIB_READ_ONLY.bin,对应的就是SLIB-INSTRUCTION文件和SLIB-DATA文件,也可以新版ICP直接打开工程完整HEX档然后点击文件->文件另存为bin格式,分段的bin名对应地址,如下图。图48. 生成SLIB代码部分bin文件(2) 将bin通过ICP工具,在线烧录到MCU,如下图图49. ICP在线烧录MCU
(3) 或者通过ICP工具配置成离线项目工程保存到AT-Link,然后经过AT-Link离线烧录到MCU,保存离线项目工程如下图。图50. AT-Link离线烧录到 MCU
(4) 经过步骤2或者步骤3,终端用户拿到烧录好SLIB部分的MCU,此时SLIB状态会显示为已启用,终端用户通过在线烧录或者离线烧录应用代码到MCU完成整个过程,在线烧录如下图。图51. 终端用户烧录代码到MCU
方案商和终端用户代码合并烧录
方案商的SLIB代码和终端用户的应用代码整合到一个离线项目工程中,通过AT-Link离线烧录一次下载到MCU,步骤如下:(1) 方案商将编译完成的工程按照上一章节所述方法处理,得到SLIB部分的BIN档。(2) 方案商通过ICP制作离线项目工程并保存到PC,可以根据最终需求配置各种参数,比如限制下载次数、项目文件绑定AT-Link、下载完成后开启FAP等,保存离线项目工程如下图注意:离线项目工程本身已经经过加密,为进一步提升安全性,方案商还可以将slib.bin制作成加密的slib.benc文件再添加到离线项目工程中,但此时的离线项目工程只能在对应匹配加密秘钥的AT-Link上才能使用图52. 制作离线项目工程(3) 终端用户拿到该离线项目工程,用ICP打开项目文件,通过添加文件功能,可以添加应用代码部分到该离线项目工程,然后再保存到PC或者直接存储到AT-Link,通过执行离线下载完成操作,项目文件添加方法如下图。注意:为防止代码泄露被破解等风险,离线项目工程添加代码文件时其余配置都不可更改,所以需要方案商预先将最终配置设置好图53. 添加项目文件
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