代码收藏家技术教程 2025-06-13

MCU程序加密保护系列（一）：基于闪存读写保护的加密解密技术详解

MCU（微控制器单元）的加密方法可以从硬件、软件和通信协议三个层面来理解。以下是常见的MCU加密手段，按类型分类说明：

针对目前 STM32 系列微控制器在程序加密保护方面手段单一、保护效果有限的问题，本文介绍并分析了四种常用的程序保护方法：

闪存读写保护
芯片唯一 ID 验证
外接加密芯片
引导程序加密（Bootloader 加密）

实际在 STM32 开发板上的测试表明，合理组合多种保护机制，能显著增强芯片程序与数据的安全性，有效防止闪存程序被读取、拷贝或篡改，为嵌入式系统提供更可靠的安全保障。

1 闪存读写保护法

STM32 微控制器提供了闪存读写保护的功能，

用来防止对闪存的非法访问。闪存读写保护功能概述：

读保护（RDP）

通过修改 Option Bytes 中的 RDP 位来启用。

启用后，Flash 只能被内部正常执行的程序读取，无法通过 JTAG/SWD 调试接口或从 RAM 启动的程序读取。

解除读保护会触发整片 Flash 擦除，防止逆向工程与调试工具破解。

以 STM32L1 系列为例，RDP 分为 3 个等级，不同等级对应不同的安全强度。

等级	描述
0	无保护（默认）。可以通过 JTAG/SWD 或从 RAM 启动的程序任意读取 Flash。
1	Flash 受保护，防止由调试器（JTAG/SWD）直接读取，也不能通过在 RAM 中加载执行程序来读取。解除 Level 1 保护将触发全片擦除。
2	最严格保护——禁用所有调试功能。一旦设为 Level 2，不可复原，需谨慎使用。

写保护（WRP）

通过在 Option Bytes 中设置 WRP 位来启用。

启用后，对被保护页的任何写或擦除操作都会被硬件阻止，并在状态寄存器中产生错误标志。

可以防止恶意修改中断向量表或关键代码区域。

优缺点对比：

优点：

由硬件层面直接提供，成本为零，易于配置。

能有效防止通过调试接口的非法读写。

缺点：

单一的读/写保护难以抵抗高级物理攻击或侧信道分析。

需要与软件层面的校验（如 CRC、HASH）或更高级的加密方法（如外部加密芯片、Bootloader 加密）组合，才能构建更完善的防护体系。

实施的方法如下，下面以 STM32G4 系列为例，分别介绍如何通过 ST-Link/CubeProgrammer 工具以及 运行时（HAL）编程 两种方式来启用 Flash 的读写保护（RDP 和 WRP）。

方法一：通过 STM32CubeProgrammer 界面设置

打开 CubeProgrammer

启动 STM32CubeProgrammer，选择 “ST-Link” 连接。

读取当前 Option Bytes

在左侧菜单选择 “Option Bytes”。

点击 “Read”，查看当前 RDP（Read Protection）和 WRP（Write Protection）配置。

配置读保护（RDP）

在 “Read protection” 下拉框中选择：

Level 0：无保护

Level 1：Flash 只允许内部执行读取

Level 2：全部调试接口禁用（不可逆）

推荐一般项目选 Level 1。

配置写保护（WRP）

在 “Write protection” 区域，勾选你要保护的 Flash 扇区（Page）。

比如要保护第 0~3 扇区，就勾选对应页号。

写入并重启

点击 “Apply”，CubeProgrammer 会提示需要复位芯片以生效。

确认后，设备重启，Option Bytes 即更新完毕。

方法二：在用户代码中动态配置（HAL 库示例）

如果希望在程序首次运行时，或通过 Bootloader 进行保护设置，可以在固件内部调用 HAL API 来修改 Option Bytes。

/**
 * @brief  启用 RDP Level1 并对指定扇区启用写保护
 * @note   必须在系统启动早期执行，且芯片复位后才生效
 */
void Protect_Flash(void)
{
    HAL_FLASH_Unlock();
    HAL_FLASH_OB_Unlock();

    /* 1) 读保护 → Level1 */
    FLASH_OBProgramInitTypeDef OBInit = {0};
    OBInit.OptionType = OPTIONBYTE_RDP;
    OBInit.RDPLevel   = OB_RDP_LEVEL_1;
    if (HAL_FLASHEx_OBProgram(&OBInit) != HAL_OK) {
        /* 错误处理 */
    }

    /* 2) 写保护 → 保护第 0~15 KB（页 0~15） */
    memset(&OBInit, 0, sizeof(OBInit));
    OBInit.OptionType = OPTIONBYTE_WRP;
    OBInit.WRPState   = OB_WRPSTATE_ENABLE;
    OBInit.WRPPage    = OB_WRP_PAGES0TO3   
                      | OB_WRP_PAGES4TO7   
                      | OB_WRP_PAGES8TO11  
                      | OB_WRP_PAGES12TO15;
    if (HAL_FLASHEx_OBProgram(&OBInit) != HAL_OK) {
        /* 错误处理 */
    }

    HAL_FLASH_OB_Lock();
    HAL_FLASH_Lock();

//    /* 复位生效 */
//    NVIC_SystemReset();
}

其次你会发现程序也烧写不进去。此时目标也达成。

我们说了加密，那如何解密呢？问题在于每次切换RDPLevel 1到0的过程中的时候，会将flash的内容全部擦除。因此这是解密的难点之一。

我们引入思考点一，针对闪存读写保护法这类内容也就是寄存器置位，如果你要切换RDP1到RDP0 的过程伴随着一个问题，STM32 上的 Read-Out Protection（RDP）并不是真正的“加密”，而是一种硬件级的“只读保护”机制——它保证任何试图“解开”这层保护的操作（也就是把 RDP 从 Level 1 降回 Level 0），都会触发一次整片 Flash 的 不可逆擦除，从而根本不可能在芯片上恢复出原来的固件！！！

一旦启用 RDP Level 1，就不可能在器件内“解密”或“读取” Flash 内容；任何试图取消保护的行为都会把所有数据抹掉。

为什么不能“解密”现有固件？？？

STM32 的 RDP 设计上就是「不可逆保护」：降级就擦除。

Flash 中的代码以明文形式存储，Option Bytes 保护只是阻止「直接」访问，但并不做真实的加密。

一旦需要「访问明文」，只能通过内部执行（CPU 跳转），而不是通过调试器或外部读口。

因此问题点来了！！！我们要做的是，在启用了 RDP Level 1 以后，所有基于 JTAG/SWD 或 外部调试器 的直接读 Flash 操作都会被阻止——硬件层面上不可能再通过外部工具把 Flash 整片“拷”出来。不过，RDP Level 1 并不影响 MCU 自身程序对 Flash 的正常读取；换句话说，你只要在芯片内跑一段用户代码，通过 UART/CAN/USB 等总线把 Flash 内容“转发”出去，就能获得完整的二进制镜像。

首先我们要将程序运行在SRAM中，根据自己的芯片主控观察大小，笔者这边是20KB的如下所示：

因此我们的环境在keil，如何配置呢，跟着笔者一步一步来吧。

第一步就是新建立一个模板了如上所示，我们进行切换。

其次就是宏定义了，加上下述内容！

这边就是改配置内容了

接下来就是这个内容的更改了，配置文件具体如何写如下所示：

LR_IROM1 0x20000000 0x00005000  {    ; Total 20KB SRAM region
  ER_IROM1 0x20000000 0x00003000  {  ; Code section: 12KB
   *.o (RESET, +First)
   *(InRoot$$Sections)
   .ANY (+RO)
   .ANY (+XO)
  }
  RW_IRAM1 0x20003000 0x00002000  {  ; Data section: 8KB
   .ANY (+RW +ZI)
  }
}

其次就是这个仿真器命令文件了，如下所示：

具体内容如下所示：

/***********************************************************/
/* Debug_RAM.ini: Initialization File for Debugging from Internal RAM         */
/******************************************************/
/* This file is part of the uVision/ARM development tools.                    */
/* Copyright (c) 2005-2014 Keil Software. All rights reserved.                */
/* This software may only be used under the terms of a valid, current,        */
/* end user licence from KEIL for a compatible version of KEIL software       */
/*development tools. Nothing else gives you the right to use this software  */
/***************************************************/

FUNC void Setup (void) {
SP = _RDWORD(0x20000000); // 设置栈指针SP，把0x20000000地址中的内容赋值到SP。
PC = _RDWORD(0x20000004); // 设置程序指针PC，把0x20000004地址中的内容赋值到PC。
_WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);  // Setup Vector Table Offset Register
}

LOAD %L INCREMENTAL                    // 下载axf文件到RAM
Setup();                           //调用上面定义的setup函数设置运行环境

//g, main   //跳转到main函数，本示例调试时不需要从main函数执行，注释掉了，程序从启动代码开始执行

最后就是debug处了。

之后进入调试你会发现程序在SRAM的运行处。观察汇编代码。

因此，程序成功在SRAM处运行。

都要重新点击“Debug”按钮下载SRAM程序，再全速运行才能正常查看输出。

接着就是写拷贝flash的内容到SRAM处通过UART转发出来。

这是原本的程序地址所示如下了。

如下是通过SRAM来拷贝Flash转发到uart的内容

void dump_flash_via_uart(void)
{
    char hex_str[8];
    for (uint32_t addr = FLASH_START_ADDR; addr < (FLASH_START_ADDR + FLASH_SIZE_BYTES); addr++) {
        uint8_t byte = *(volatile uint8_t*)addr;
        sprintf(hex_str, "%02X ", byte);  // 格式化成十六进制字符串
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)hex_str, strlen(hex_str), HAL_MAX_DELAY);
    }

    const char* end_msg = "\r\n[FLASH DUMP DONE]\r\n";
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)end_msg, strlen(end_msg), HAL_MAX_DELAY);
}

含义	十六进制值	小端转换（实际值）
初始栈地址 MSP	`F8 04 00 20`	`0x200004F8` ✅
Reset_Handler	`05 01 00 08`	`0x08000105` ✅
NMI_Handler?	`5B 13 00 08`	`0x0800135B` ✅
HardFault_Handler?	`C9 11 00 08`	`0x080011C9` ✅

这些值完全一致！

但是在WDP与DRP设置了之后。。

📌 根本原因：

✅ 你能正常读取 Flash，是因为：

STM32 默认 RDP 是 Level 0（无保护）；

此时，即便运行在 SRAM，也能直接访问 0x08000000 地址处的 Flash 内容；

❌ 设置 RDP Level 1 后：

Cortex-M3 核心（STM32F1）硬件禁止访问 Flash 内容；

这是芯片的硬件安全特性，即使代码跑在 SRAM，依然无法读取 Flash 数据，目的就是为了防止“SRAM 下载程序+读取 Flash 代码”这种逆向手段；

因此上述破解方案无效，无法再从芯片内部获取任何 Flash 数据了，数据已经从访问层面彻底封锁。如果想切回回0，flash内容也会全部擦除！

方法	原理	是否可行	备注
芯片解封/酸蚀 + 显微探测	打开芯片封装，用电子显微镜直接读 Flash 电荷状态	✔️理论可行	需要实验室级别设备、极高技术
功耗分析（侧信道攻击）	用高精度设备分析芯片运行时功耗波动，推测程序数据	理论可行，但难度极高	适用于破解算法或加密密钥，不适合整段程序恢复
激光/聚焦扫描干扰	用激光打干扰点，欺骗 Flash 控制器读取受保护数据	✔️高端实验室可能可行	用于芯片逆向取证等高价值目标
IC 解封 + Flash 直接读出	拆解裸片，对 Flash 数字结构逐位扫描	✔️有可能，但需要芯片内部结构图	这属于“物理攻击”范畴

⚠️ 这些都需要 IC 物理逆向实验室、百万级设备成本，不具备民用可行性。

手段	原理	应用场景
X-Ray（X 射线扫描）	非破坏式探测芯片内部结构，识别 layout，理论可判断 Flash 存储	逆向分析芯片、找 ROM Mask
开盖 + 紫外线（UV）曝光	对芯片裸露的 silicon 层曝光，激发电荷或使 EEPROM 状态改变	用于清除 EEPROM 或恢复旧锁定状态