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(yōu)勢,，被廣泛應用在工業(yè)控制、醫(yī)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(tǒng)的固件（即軟件）也需要不斷升級。現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品批量生產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(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(美國國家標準技術研究所)用來代替DES算法的新一代數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn),。經(jīng)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(shù)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(zhí)行程序時,，通過正在執(zhí)行的程序完成對片內(nèi)Flash的改寫。利用IAP,，可以在程序正常執(zhí)行時向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(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，首先對片內(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,，需要有兩個可執(zhí)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(qū)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(zhí)行,。App是正常工作時系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),、PC,、服務器，系統(tǒng)架構如圖3所示,。STM32系統(tǒng)是需要升級的嵌入式系統(tǒng),。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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡發(fā)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(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(nèi)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(zhí)行。Bootloader的工作流程可用圖4表示,。

　　3.3 App的設計

　　App程序執(zhí)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(fā)現(xiàn)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(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(xiàn)

　　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(nèi)部Flash啟動,。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(zhí)行的代碼,。為了實現(xiàn)應用程序的IAP功能，STM32片內(nèi)的Flash要分成兩個區(qū)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(zhí)行,，即先執(zhí)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(qū),；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(zhí)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(shù)指針賦值

　　__set_MSP(*(__IO uint32_t*) APPLICATION_ADDRESS)；

　　//初始化用戶堆棧指針

　　Jump_To_Application(),；//跳轉到App執(zhí)行

　　4.2 App代碼的修改和開發(fā)環(huán)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(shù)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(shù)NVIC_Set-

　　VectorTable來實現(xiàn),，該函數(shù)的第一個參數(shù)是Flash的起始地址，第二個參數(shù)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(fā)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(nèi)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(jīng)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(tǒng)后并正確改寫升級標志，STM32系統(tǒng)重啟后應用程序無法執(zhí)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(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生成唯一的升級文件,，有效防止了非法用戶的盜版行為,。

　　參考文獻

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　　[2] 黃智偉，王兵,，朱衛(wèi)華.STM32F 32位ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社,，2014.

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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(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng),，2013（9）：56-59.

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　　[10] ST Microelectronic Corporation.STM32F10x in-application programming[Z].2008.

　　[11] ST Microelectronics Corporation.STM32F10x Flash prog-ramming[Z].2008.