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單片機(jī)一般都有內(nèi)部ROM/EEPROM/FLASH供用戶存放程序。為了防止未經(jīng)授權(quán)訪問或拷貝單片機(jī)的機(jī)內(nèi)程序，大部分單片機(jī)都帶有加密鎖定位或者加密字節(jié)，以保護(hù)片內(nèi)程序。如果在編程時(shí)加密鎖定位被使能（鎖定），就無法用普通編程器直接讀取單片機(jī)內(nèi)的程序，這就是所謂拷貝保護(hù)或者說鎖定功能。

事實(shí)上，這樣的保護(hù)措施很脆弱，很容易被破解。單片機(jī)攻擊者借助專用設(shè)備或者自制設(shè)備，利用單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)上的漏洞或軟件缺陷，通過多種技術(shù)手段，就可以從芯片中提取關(guān)鍵信息，獲取單片機(jī)內(nèi)程序。

因此，作為電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師非常有必要了解當(dāng)前單片機(jī)攻擊的最新技術(shù)，做到知己知彼，心中有數(shù)，才能有效防止自己花費(fèi)大量金錢和時(shí)間辛辛苦苦設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品被人家一夜之間仿冒的事情發(fā)生。

單片機(jī)攻擊技術(shù)

目前，攻擊單片機(jī)主要有四種技術(shù)，分別是：

1軟件攻擊

該技術(shù)通常使用處理器通信接口并利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來進(jìn)行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對(duì)早期ATMELAT89C 系列單片機(jī)的攻擊。攻擊者利用了該系列單片機(jī)擦除操作時(shí)序設(shè)計(jì)上的漏洞，使用自編程序在擦除加密鎖定位后，停止下一步擦除片內(nèi)程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的操作，從而使加過密的單片機(jī)變成沒加密的單片機(jī)，然后利用編程器讀出片內(nèi)程序。

2電子探測(cè)攻擊

該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來監(jiān)控處理器在正常操作時(shí)所有電源和接口連接的模擬特性，并通過監(jiān)控它的電磁輻射特性來實(shí)施攻擊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是一個(gè)活動(dòng)的電子器件，當(dāng)它執(zhí)行不同的指令時(shí)，對(duì)應(yīng)的電源功率消耗也相應(yīng)變化。這樣通過使用特殊的電子測(cè)量?jī)x器和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析和檢測(cè)這些變化，即可獲取單片機(jī)中的特定關(guān)鍵信息。

3過錯(cuò)產(chǎn)生技術(shù)

該技術(shù)使用異常工作條件來使處理器出錯(cuò)，然后提供額外的訪問來進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過錯(cuò)產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時(shí)鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來禁止保護(hù)電路工作或強(qiáng)制處理器執(zhí)行錯(cuò)誤操作。時(shí)鐘瞬態(tài)跳變也許會(huì)復(fù)位保護(hù)電路而不會(huì)破壞受保護(hù)信息。電源和時(shí)鐘瞬態(tài)跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執(zhí)行。

4探針技術(shù)

該技術(shù)是直接暴露芯片內(nèi)部連線，然后觀察、操控、干擾單片機(jī)以達(dá)到攻擊目的。為了方便起見，人們將以上四種攻擊技術(shù)分成兩類，一類是侵入型攻擊（物理攻擊），這類攻擊需要破壞封裝，然后借助半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備、顯微鏡和微定位器，在專門的實(shí)驗(yàn)室花上幾小時(shí)甚至幾周時(shí)間才能完成。所有的微探針技術(shù)都屬于侵入型攻擊。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機(jī)不會(huì)被物理損壞。在某些場(chǎng)合非侵入型攻擊是特別危險(xiǎn)的，這是因?yàn)榉乔秩胄凸羲柙O(shè)備通常可以自制和升級(jí)，因此非常廉價(jià)。

大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識(shí)和軟件知識(shí)。與之相反，侵入型的探針攻擊則不需要太多的初始知識(shí)，而且通常可用一整套相似的技術(shù)對(duì)付寬范圍的產(chǎn)品。因此，對(duì)單片機(jī)的攻擊往往從侵入型的反向工程開始，積累的經(jīng)驗(yàn)有助于開發(fā)更加廉價(jià)和快速的非侵入型攻擊技術(shù)。

侵入型攻擊的一般過程

侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝。有兩種方法可以達(dá)到這一目的：第一種是完全溶解掉芯片封裝，暴露金屬連線。第二種是只移掉硅核上面的塑料封裝。第一種方法需要將芯片綁定到測(cè)試夾具上，借助綁定臺(tái)來操作。第二種方法除了需要具備攻擊者一定的知識(shí)和必要的技能外，還需要個(gè)人的智慧和耐心，但操作起來相對(duì)比較方便。芯片上面的塑料可以用小刀揭開，芯片周圍的環(huán)氧樹脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會(huì)溶解掉芯片封裝而不會(huì)影響芯片及連線。該過程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行，因?yàn)樗拇嬖诳赡軙?huì)侵蝕已暴露的鋁線連接。接著在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸，然后用清水清洗以除去鹽分并干燥。

沒有超聲池，一般就跳過這一步。這種情況下，芯片表面會(huì)有點(diǎn)臟，但是不太影響紫外光對(duì)芯片的操作效果。最后一步是尋找保護(hù)熔絲的位置并將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺(tái)放大倍數(shù)至少100倍的顯微鏡，從編程電壓輸入腳的連線跟蹤進(jìn)去，來尋找保護(hù)熔絲。若沒有顯微鏡，則采用將芯片的不同部分暴露到紫外光下并觀察結(jié)果的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的搜索。操作時(shí)應(yīng)用不透明的紙片覆蓋芯片以保護(hù)程序存儲(chǔ)器不被紫外光擦除。將保護(hù)熔絲暴露在紫外光下5～10分鐘就能破壞掉保護(hù)位的保護(hù)作用，之后，使用簡(jiǎn)單的編程器就可直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

對(duì)于使用了防護(hù)層來保護(hù)EEPROM單元的單片機(jī)來說，使用紫外光復(fù)位保護(hù)電路是不可行的。對(duì)于這種類型的單片機(jī)，一般使用微探針技術(shù)來讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容。在芯片封裝打開后，將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易的找到從存儲(chǔ)器連到電路其它部分的數(shù)據(jù)總線。

由于某種原因，芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對(duì)存儲(chǔ)器的訪問。利用這一缺陷將探針放在數(shù)據(jù)線的上面就能讀到所有想要的數(shù)據(jù)。在編程模式下，重啟讀過程并連接探針到另外的數(shù)據(jù)線上就可以讀出程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的所有信息。

還有一種可能的攻擊手段是借助顯微鏡和激光切割機(jī)等設(shè)備來尋找保護(hù)熔絲，從而尋查和這部分電路相聯(lián)系的所有信號(hào)線。由于設(shè)計(jì)有缺陷，因此，只要切斷從保護(hù)熔絲到其它電路的某一根信號(hào)線，就能禁止整個(gè)保護(hù)功能。由于某種原因，這根線離其它的線非常遠(yuǎn)，所以使用激光切割機(jī)完全可以切斷這根線而不影響臨近線。這樣，使用簡(jiǎn)單的編程器就能直接讀出程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

雖然大多數(shù)普通單片機(jī)都具有熔絲燒斷保護(hù)單片機(jī)內(nèi)代碼的功能，但由于通用低檔的單片機(jī)并非定位于制作安全類產(chǎn)品，因此，它們往往沒有提供有針對(duì)性的防范措施且安全級(jí)別較低。加上單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，銷售量大，廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測(cè)試接口，并通過修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。

應(yīng)對(duì)單片機(jī)破解的幾點(diǎn)建議

任何一款單片機(jī)，從理論上講，攻擊者均可利用足夠的投資和時(shí)間使用以上方法來攻破。所以，在用單片機(jī)做加密認(rèn)證或設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量加大攻擊者的攻擊成本和所耗費(fèi)的時(shí)間。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該始終牢記的基本原則。除此之外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在選定加密芯片前，要充分調(diào)研，了解單片機(jī)破解技術(shù)的新進(jìn)展，包括哪些單片機(jī)是已經(jīng)確認(rèn)可以破解的。盡量不選用已可破解或同系列、同型號(hào)的芯片。

（2）盡量不要選用MCS51系列單片機(jī)，因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)在國內(nèi)的普及程度最高，被研究得也最透。

（3）產(chǎn)品的原創(chuàng)者，一般具有產(chǎn)量大的特點(diǎn)，所以可選用比較生僻、偏冷門的單片機(jī)來加大仿冒者采購的難度。

（4）選擇采用新工藝、新結(jié)構(gòu)、上市時(shí)間較短的單片機(jī)，如ATMELAVR系列單片機(jī)等。

（5）在設(shè)計(jì)成本許可的條件下，應(yīng)選用具有硬件自毀功能的智能卡芯片，以有效對(duì)付物理攻擊。

（6）如果條件許可，可采用兩片不同型號(hào)單片機(jī)互為備份，相互驗(yàn)證，從而增加破解成本。

（7）打磨掉芯片型號(hào)等信息或者重新印上其它的型號(hào)，以假亂真。當(dāng)然，要想從根本上防止單片機(jī)被解密，程序被盜版等侵權(quán)行為發(fā)生，只能依靠法律手段來保障。

然后談一下單片機(jī)硬件抗干擾常用方法

影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

形成干擾的基本要素有三個(gè)：

（1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。
（2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
（3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、 D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等。

干擾的耦合方式

（1）直接耦合：
這是最直接的方式，也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號(hào)通過電源線侵入系統(tǒng)。對(duì)于這種形式，最有效的方法就是加入去耦電路。

（2）公共阻抗耦合：
這也是常見的耦合方式，這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共同通路的情況。為了防止這種耦合，通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。使干擾源和被干擾對(duì)象間沒有公共阻抗。

（3）電容耦合：
又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。

（4）電磁感應(yīng)耦合：
又稱磁場(chǎng)耦合。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。

（5）漏電耦合：
這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。

常用硬件抗干擾技術(shù)

針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。

抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt， di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。

抑制干擾源的常用措施如下：

（1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

（2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。

（3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1 μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

（5）布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

（6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。

切斷干擾傳播路徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。

所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。

（2）如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。

（3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

（4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。

（5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。

（6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

（7）在單片機(jī)I/O口、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：

（1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。
（2）布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。
（3）對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。
（4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如： IMP809，IMP706，IMP813， X5043，X5045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。
（5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。
（6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

其它常用抗干擾措施

（1）交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖。
（2）變壓器雙隔離措施：變壓器初級(jí)輸入端串接電容，初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地，次級(jí)外屏蔽層接印制板地，這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器：吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。
（3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源： 有過流、過壓、過熱等保護(hù)作用。
（4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。
（5）通訊線用雙絞線：排除平行互感。
（6）防雷電用光纖隔離最為有效。
（7）A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換：減少誤差。
（8）外殼接大地：解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。
（9）加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充分， CPU就工作，尤其有EEPROM的器件，復(fù)位不充份會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容。
（10）印制板工藝抗干擾：

① 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。
② CPU、RAM、ROM等主芯片，VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。
③ 獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少接插件與連線，提高可靠性，減少故障率。
④ 集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。
⑤ 有條件的采用四層以上印制板，中間兩層為電源及地。
PS本文參考自電子產(chǎn)品世界