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MCU程序加密保护（一）闪存读写保护法加密与解密

news 来源：原创 2025/5/14 8:26:05

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。

20250513 23:38待补全。。。