基于DSP 嵌入式软件的安全设计策略

2020-09-11刘林

商品与质量 2020年29期

刘林

长沙瀚鹏电子技术有限公司湖南长沙 410221

DSP 拥有卓越的性能、超强的运算能力，已广泛运用于工业控制、消费类电子领域。随着大量基于DSP 芯片设计的产品投放市场，如何防止设计成果不被盗取，知识产权不遭受侵犯，已成为嵌入式软件设计者的重要考虑因素。本文以TI 公司的TMS320F2812芯片为介绍对象，提出了一种可以用于DSP 嵌入式系统的加密、解密，并有效防止嵌入式代码被非法提取的方法[1]。

1 加密原理

外界非法提取嵌入式代码主要通过JTAG 口连接MCU 提取二进制机器码，因此，我们需要从JTAG 入手防止上述情况的发生。TMS320F2812 芯片有加密模块CSM（Code Security Module）可以使用，其片上Flash 都包含了一个CSM 代码加密模块。如果芯片被加密，那么就禁止任何未授权的用户访问片内存储器——即禁止了代码被复制和逆向操作。代码加密模块（后简称CSM）可以保护片内Flash、OTP、和L0/L1SARAM 存储区的内容[2]。以TMS320F2812 为例，CSM 模块由起始地址为0x3F7FF8 的128位密匙（8 个16 位单元）组成，分别是KEY0、KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6、KEY7，映射到FLASH 的地址是0x3F7FF8-0x3F7FFF。默认情况下，128 位密匙内容全为1，因此我们可以随意对上述的片内存储区进行擦除、烧写工作；如果128 位密匙内容全为0，DSP 芯片将被锁住，不再可能被调试连接或者重新烧写程序了；上述两种情况之外，就是用户可以设置密码，对程序进行加密和解密操作。DSP 可以自检加密与否，以及执行加密后密码对比、解密，过程流程如下图所示。

图1 DSP 密码比对过程

对程序加密有两种方式：

（1）CCS 编译器窗口配置加密，如下图对窗口的KEY0-KEY7 配置加密密码。

图2 CCS 编译器窗口配置加密密码

（2）在DSP2833x_CSMPasswords.asm 源码中，设置密码，如下图为密码设置区。

图3 DSP2833x_CSMPasswords.asm 源码设置密码

（3）硬件设计。硬件是基于DSP 控制的外围电路，在多级程序嵌套应用中，操作FLASH 需要进行解密操作。为了加强解密的安全措施，使DSP 芯片解密更安全、方便，在硬件设计上外加了一片EEPROM 存储器，用于片段密匙存储，同时，在读取和写入EEPROM 片段密匙时加入DES 加密算法，避免在DSP 读取密匙时，外部通过数据流非法获取密码片段。

图4 硬件设计

2 DES 加密算法

DES 算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准。明文按64 位进行分组，密匙长64 位，密匙长64 位，密匙事实上是56 位参与DES 运算，第8、16、24、32、40、48、56、64 位是校验位，使得每个密匙都有奇数个1，分组后的明文组和56 位的密匙按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。

其入口参数有三个：key、data、mode。Key 为加密解密使用的密匙，data 为加密解密的数据，mode 为其工作模式。当模式为加密模式时，明文按照64 位进行分组，形成明文组，key 用于对数据加密，当模式为解密模式时，key 用于对数据解密。实际运用中，密匙只用到了64 位中的56 位，这样才具有更高的安全性。

图5 DES 算法流程图

3 多级程序嵌套解密处理方案

两级以上嵌套的嵌入式程序，在第一层程序即boot 程序中就需要对密码设置进行加密，但是这样会使第二层程序或者第三层应用程序无法进行FLASH 操作（擦除、烧写等），因此，第二或者第三层程序操作FLASH 之前必须要进行解密操作[3]。解密方案具体实施如下：首先，在boot 程序通过上述两种方式对PWL（password locations）0x3F7FF8-0x3F7FFF 区进行密码设置；然后，在第二层程序和第三层应用程序要擦除或烧写FLASH 的代码前面，使用CsmUnlock 函数进行解密操作；由于加密时，将密码部分片段DES 算法计算后，写入特定的EEPROM 空间，在解密时，MCU 可从EEPROM 读出此密码片段，DES 算法解析后将密码进行重组，完成程序的解密工作；最后，待FLASH 操作完成，重新对FLASH 进行加密操作。具体解密流程如下图所示。