51單片機(jī)程序進(jìn)行軟件加密和硬件解密的方法
由于固化在片外EPROM 里的單片機(jī)程序容易復(fù)制,所以,如不在技術(shù)上采取保護(hù)措施,則程序中所采用的處理方法易被他人分析仿制。對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行加密是一種有效的保護(hù)措施,也是一項(xiàng)實(shí)用的技術(shù)。雖然本身帶有EPROM 的單片機(jī)可做到程序保密,但由于價(jià)格和存儲(chǔ)容量方面的原因,用戶仍常常采用外接EPROM 的單片機(jī)來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。
本文以MCS - 51 單片機(jī)為例介紹一種對(duì)片外E2PROM 里的程序進(jìn)行軟件加密和硬件解密的方法。這種方法不增加用戶應(yīng)用程序開(kāi)銷。
1 基本原理
我們知道,異或運(yùn)算有這樣的特點(diǎn): A Ý B Ý B =A ,亦即當(dāng)用變量B 對(duì)變量A 作偶數(shù)次異或運(yùn)算后,其結(jié)果恢復(fù)為變量A。例如A = 32H , B = 5EH ,則AÝ B 的結(jié)果為6CH ,該結(jié)果再與變量B 作異或運(yùn)算,即6CH Ý 5EH 就得到變量A 的值32H。因此,我們可以利用這一特點(diǎn)給單片機(jī)程序加密和解密。
51 系列單片機(jī)在對(duì)外部程序存儲(chǔ)器ROM 和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 操作時(shí)采用兩套不同的指令,在對(duì)RAM 操作時(shí)用MOVX指令,并產(chǎn)生相應(yīng)的讀(RD) 和寫(xiě)(WR) 信號(hào),而當(dāng)對(duì)外部ROM 進(jìn)行讀操作時(shí)不用RD信號(hào),而是有一條專給外部ROM 使用的“讀”數(shù)控制信號(hào)(PSEN) 線。亦即外部RAM 和ROM 的控制信號(hào)是嚴(yán)格分開(kāi)的。這就為利用異或運(yùn)算給外部ROM里的程序進(jìn)行加密后固化、解密后執(zhí)行提供了條件。
這種方法的思路是:首先對(duì)欲固化到外部ROM里的目的代碼(原代碼) 進(jìn)行第一次異或運(yùn)算(加密) ,再把加密后的代碼固化到ROM 里,程序運(yùn)行時(shí)由硬件對(duì)從ROM 讀出的加密代碼進(jìn)行第二次異或運(yùn)算(解密) 變?yōu)樵a后送到數(shù)據(jù)總線。這樣,外部ROM
里固化的是加密代碼,即便該代碼被復(fù)制也反匯編不出原程序。另外該程序的執(zhí)行還需相應(yīng)的解密電路支持。
圖1 是可以在實(shí)際中應(yīng)用的單片機(jī)解密電路。當(dāng)CPU 對(duì)片外EPROM(U04) 進(jìn)行“讀”操作時(shí),控制信號(hào)PSEN為低電平,這時(shí)U04 送出八位加密代碼(RD0～RD7) 并和“密鑰”經(jīng)由U05 、U06 組成的異或運(yùn)算電路作第二次異或運(yùn)算(解密) 得到原代碼,該代碼經(jīng)三
態(tài)緩沖器(U07) 由PSEN信號(hào)控制送入數(shù)據(jù)總線。由于電路中已將單片機(jī)的EA腳接地,故片外EPROM 的最低地址為0 。另外,與RD0～RD7 一起參與異或運(yùn)算的另一個(gè)數(shù)據(jù)(“密鑰”) 取自當(dāng)前待解密代碼在外部EPROM所在存儲(chǔ)單元的低八位地址,并從高位到低位按A0 A2 A4 A6 A1 A3 A5 A7 的順序組合成新的數(shù)據(jù)。例如,原地址分別為35H 和36H ,組合后的地址則分別為E2H 和6AH。采用這樣的方法確定“密鑰”,一是可使一頁(yè)中的代碼中“密鑰”不重復(fù),二是由于同頁(yè)中的代碼字節(jié)的“密鑰”都不同,故很難找到加密規(guī)律,可增加破譯難度。
2 操作過(guò)程
現(xiàn)以SICE 通用單片機(jī)仿真器為例說(shuō)明制作加密程序并固化到片外EPROM 里的操作過(guò)程。設(shè)程序一是一個(gè)待固化到片外EPROM 里執(zhí)行的用戶應(yīng)用程序。為簡(jiǎn)便起見(jiàn),它對(duì)外部RAM 的前256 個(gè)單元賦于相應(yīng)的低地址后轉(zhuǎn)入死循環(huán)。因?yàn)榉抡嫫鞯某鼋鑂AM 為從8000H 開(kāi)始的24K空間,故應(yīng)根據(jù)程序大小用偽指令把最低地址定位在8000H～DFFFH的24K空間里(如程序一中的ORG 8000H) ,否則,無(wú)法直接對(duì)該程序的目的碼進(jìn)行第一次異或運(yùn)算。
程序二是對(duì)程序一的目的代碼(存放于仿真RAM的8000H～804AH 中共4BH 個(gè)字節(jié)) 進(jìn)行第一次異或加密運(yùn)算的。要加密的總代碼字節(jié)數(shù)由程序一經(jīng)匯編后得知。該程序中“密鑰”的計(jì)算應(yīng)與硬件電路中送到解密電路的低八位地址線的連接關(guān)系相一致。
程序一:MAIN. ASM
ORG 8000H
SJMP MAIN
ORG 8003H
RETI
ORG 800BH
RETI
ORG 8013H
RETI
ORG 801BH
RETI
ORG 8023H
RETI
ORG 8030H
MAIN : CLR EA
CLR RS0
CLR RS1
MOV A , # 0
MOV DPTR , # 0
MOV B , # 0
ACALL SUBR
LOOP : NOP
SJMP LOOP
SUBR : MOVX @DPTR ,A
INC A
INC DPTR
DJNZ B ,SUBR
NOP
RET
END
程序二:XORM. ASM
XORM: MOV R0 , # 4BH ;置欲加密代碼字節(jié)數(shù)
MOV DPTR , # 8000H ;置程序一首地址
LOP1 : MOVX A , @DPTR
PUSH ACC
MOV A ,DPL ;取代碼單元的低地址
MOV B ,A
MOV C ,B. 0 ;組合新數(shù)據(jù)開(kāi)始加密
MOV ACC. 7 ,C
MOV C ,B. 2
MOV ACC. 6 ,C
MOV C ,B. 4
MOV ACC. 5 ,C
MOV C ,B. 6
MOV ACC. 4 ,C
MOV C ,B. 1
MOV ACC. 3 ,C
MOV C ,B. 3
MOV ACC. 2 ,C
MOV C ,B. 5
MOV ACC. 1 ,C
MOV C ,B. 7
MOV ACC. 0 ,C
POP B
XRL A ,B ;“異或”產(chǎn)生加密代碼
MOVX @DPTR ,A ;加密代碼存入原單元
INC DPTR
DJNZ R0 ,LOP1
NOP
STOP : NOP
首先把程序一調(diào)入仿真器匯編,目的是得到總的代碼字節(jié)數(shù)。即鍵入如下內(nèi)容(帶下劃線的為鍵入內(nèi)容,否則為顯示內(nèi)容) 。
> ASM51 |
FD ASM251 V3. 0
Copyright 1989 Microcomputer Lab. Fudan University
No ERROR
Display List ? ( Y/ N) N |
Next adr :804B ;記下程序一的末地址為804BH ,由此可知總代碼字節(jié)數(shù)為4BH。再把程序二添加到程序一的末尾(RET 指令后,END 偽指令前) ,調(diào)入仿真器后再匯編。即:
> ASM51 |
FD ASM251 V3. 0
Copyright 1989 Microcomputer Lab. Fudan University
No ERROR
Display List ? ( Y/ N) N |
Next adr : 8081
> EXIT | ;退到監(jiān)控狀態(tài)
3 MAP 3 | ;仿真RAM 出借(8000H～DFFFH)
3 DX 8000 | ;顯示未加密代碼(原代碼)
8000 : 80 2E 5B 32 CD 90 07 98 A4 C0 5C 32 C9 94 03 9C
8010 : 80 E4 78 32 ED B0 27 B8 84 E5 6F 32 E9 B7 29 B8
8020 : 40 22 4F 32 72 4F 18 8F 52 CF 83 C3 12 92 F4 83
8030 : C2 AF C2 D3 C2 D4 74 00 90 00 00 75 F0 00 11 43
8040 : 00 80 FD F0 04 A3 D5 F0 FA 00 22 78 4B 90 80 00
8050 : E0 C0 E0 E5 82 F5 F0 A2 F0 92 E7 A2 F2 92 E6 A2
8060 : F4 92 E5 A2 F6 92 E4 A2 F1 92 E3 A2 F3 92 E2 A2
8070 : F5 92 E1 A2 F7 92 E0 D0 F0 65 F0 F0 A3 D8 D1 00
8080 : 00 00 00 00 00 A0 41 AC 44 50 48 8D 43 4A 4E 45
這里應(yīng)該注意的是如果在程序一中使用了長(zhǎng)轉(zhuǎn)移(LJMP) 或長(zhǎng)調(diào)用(LCALL) 指令,就應(yīng)列表顯示或打印匯編結(jié)果,查找這些指令涉及的標(biāo)號(hào)地址的高八位,并把高八位地址減去80H ,使其與外部EPROM 的地址相符。
3 GO XORM ,STOP | ;執(zhí)行程序二,對(duì)程序一的目的碼進(jìn)行異或加密運(yùn)算
3 DX 8000 | ;顯示加密的代碼,804BH以后的代碼不變
8000 : 80 AE 53 BA 8D 50 4F 50 A0 44 50 BE 8D 50 4F 50
8010 : A0 44 50 9A 8D 50 4F 50 A0 41 43 9E 8D 53 45 54
8020 : 42 A0 45 B8 30 D8 53 45 54 49 8D 4D 54 54 BA4D
8030 : E0 0D E8 79 A0 36 1E EA B6 A6 2E DB 96 E6 7FAD
8040 : 10 10 E5 68 54 73 8D 28 EE 94 3E 78 4B 90 80 00
8050 : 0E C0 E0 E5 82 F5 F0 A2 F0 92 E7 A2 F2 92 E6 A2
8060 : F4 92 E5 A2 F6 92 E4 A2 F1 92 E3 A2 F3 92 E2 A2
8070 : F5 92 E1 A2 F7 92 E0 D0 F0 65 F0 F0 A3 D8 D1 00
8080 : 00 00 00 00 00 A0 41 AC 44 50 48 8D 43 4A 4E 45
3 MECK 0 ,3FFF | ;檢查待固化ROM
OK
3 MEP 8000 ,804B ,0 ,5 | ;將仿真RAM 中8000H～804BH 的加密代碼
OK 固化到外部ROM 的0 地址開(kāi)始的單元里
3 MAP 0 | ; 使用片外ROM ,取消仿真RAM 出借
3 EX 0 | ; 執(zhí)行片外ROM 里的程序
3 DX 0 | ;顯示外部RAM 從0 地址開(kāi)始的單元內(nèi)容可見(jiàn)程序執(zhí)行無(wú)誤(顯示略)對(duì)于大的用戶應(yīng)用程序,其操作過(guò)程仍如上述,但需改變程序二的加密字節(jié)數(shù),并注意不要把程序二的代碼固化到EPROM 里,否則,加密方法會(huì)暴露。
3 討論
由于單片機(jī)程序是固化在EPROM 里的,所以不能象個(gè)人計(jì)算機(jī)那樣利用類似磁盤防復(fù)制等這一類的方法對(duì)單片機(jī)程序防復(fù)制(帶保密位的單片機(jī)除外) ,而只能在程序本身和相應(yīng)的硬件上做文章。
本文雖然以MCS - 51 單片機(jī)為例介紹了一種用異或運(yùn)算對(duì)片外EPROM里的單片機(jī)程序進(jìn)行軟件加密和硬件解密的方法,但本方法也適用于其它外接E2PROM 的單片機(jī),此法一直應(yīng)用在筆者于1993 年研制成功并生產(chǎn)了20 余套的一種分布式數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)中。
使用上面介紹的方法,如果解密電路做得隱蔽,使非設(shè)計(jì)者不知道加密方法,則要破譯片外EPROM 里的程序具有一定的難度。實(shí)際使用中還可采用更為復(fù)雜的方法產(chǎn)生“密鑰”, “密鑰”周期還可進(jìn)一步加長(zhǎng);在硬件上也應(yīng)做得隱蔽,解密電路亦可用編程器件實(shí)現(xiàn),以進(jìn)一步增加破譯難度。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
