加密芯片法（一）ATSHA204A 特性理解

加密芯片法

其实简单来说也就是，加密芯片与 MCU 相互认证， 认证通过后再读取程序运行，从而达到保护程序的目的。以 Atmel 公司推出的专用加密芯片 ATSHA204 为例，它采用哈希算法 SHA-256，具有体积小、安全性高等特点。 认证时主机发送一个 256 位的随机摘要信息到 ATSHA204 芯片 ， 芯片将摘要信息和存储在芯片内的密钥一起通过 SHA256 算法计算出一个响应， 主机同时通过公钥算法计算该摘要信息的响应 ， 两个响应进行对比，竟然说到这里就顺便把更多方法引出来了。

（在讲更多芯片加密法的应用之前，读者还需要明白一些专用名词，对于不接触芯片加密的读者起到知识补充的作用。重要）

下面把常见的几个术语用通俗的语言再解释一下：

质询（Challenge）

就是主机（MCU、手机等）随机生成的一串“问题”或“随机数”。

作用：用来每次“考”芯片，保证每次交互都是新的、不可重放的。

摘要（Digest）

摘要就是把“质询”+“密钥”或其它数据喂给哈希算法（如 SHA‑256）后得到的固定长度输出（通常 32 字节）。

特点：同样的输入总是同样输出，但想从摘要反推出原始数据或密钥几乎不可能。

MAC（消息认证码，Message Authentication Code）

也是一种摘要，但它“带钥匙”——通常指 HMAC‑SHA256：在散列前后加上密钥，安全性更高。

既能防止数据被篡改，也能验证消息的来源。

槽（Slot）／槽数据（Slot Data）

ATSHA204A 内部把 512 B 存储区分成 16 个“槽”，每槽 32 B。

你可以把每槽当成一个“抽屉”，存放不同用途的数据：密钥、校准参数、设备 ID 等。

访问权限（可读/可写）由配置区里的策略决定。

Nonce（随机数／一次性数字）

芯片内部还支持专门生成一个随机数，称为 Nonce。

在计算摘要时把这个 Nonce 一起加进去，进一步防止重放攻击。

GenDig（Generate Digest）命令

意思是“再生成一次摘要”（或多轮摘要），可以把“槽里的其他数据”或“第二把密钥”等一起混合到摘要里。

用途：多层验证、证明多项数据确实都来自芯片而非中间人。

DeriveKey（派生密钥）命令

每用一次，就把“当前密钥”+“系统值”（如计数器、随机数）再算一次 SHA‑256，生成新密钥替换掉旧密钥。

用于密钥滚动、防重放，以及生成仅在特定条件（时间、设备、会话）下有效的新密钥。

CheckMac（校验 MAC）命令

不直接返回完整摘要，而只给一个“对/错”（Yes/No）结果。

用途：保护正确摘要不被暴露，同时能验证输入的密码或消息是否正确。

Encrypted Read/Write（加密读写）

加密读：把读取请求先和摘要做一次异或（XOR），再返回给主机；主机本地再做一次 XOR，就拿到原始数据。

加密写：写入数据时同理，先异或摘要再写，芯片再异或回去。

用途：在普通总线上也能加密保护读写的数据内容。

配置区（Configuration Zone）

芯片内部的一段只在出厂或编程时写入、之后可以锁定的区（88 B）。

存放设备序列号、各槽的访问权限策略等。

OTP 区（One‑Time Programmable）

一次性只写一次、之后不可再改的存储区（64 B）。

常用来保存永久性、不可变更的标志或数据（熔丝记录等）。

到此为止，接下来就是对特性的阐述了，更多是笔者的汇总和应用总结，如下：

下面我把这段较为密集的技术描述，逐条拆开，用更通俗的语言来解释 ATSHA204A 支持的几类“加密操作”——也就是它的命令集和对应的安全特性。

1. 基本质询‑响应（Challenge‑Response）

做什么：主机（比如 MCU 或手机）随机生成一个“质询”数字，发给芯片；芯片把这个数字和它自己内部存的“秘密密钥”一起，跑一遍 SHA‑256（或 HMAC‑SHA256）算法，算出一个“响应”返回给主机。

为什么安全：

监听者只能看到“质询”和“响应”，但不知道密钥，就算截获了也算不出新的响应。

主机也有这把密钥，于是自己算一下、比对结果，就能确认芯片是真正知道密钥的那个“真芯片”。

2. GenDig （生成摘要的延伸，用多槽数据）

作用：在基本质询‑响应只用到一个密钥的基础上，GenDig 允许把芯片里“另一个槽（Slot）”里的数据（比如第二把密钥、设备 ID、计数器……）也一起“揉”进摘要里。

通俗比喻：就像签合同的时候，不仅在合同上签字，还附上身份证扫描件+合同编号一起盖章，外人更难冒充。

好处：

多层验证：多把“钥匙”同时参与，攻击者必须同时知道所有被混合的内容才能伪造响应。

防中间人：即使有人在总线上动手脚、插入假数据，也因为摘要里“包含了真实芯片里数据”，所以伪数据无法通过验证。

3. DeriveKey （密钥滚动／更新）

作用：每次用完一个密钥后，芯片可自动生成一个“新密钥”替换旧密钥。生成方式是把当前密钥和某个“系统值”（如计数器、随机数）一起跑 SHA‑256 算出来。

为什么要滚动：

防重放：即便截获一次密钥或一次响应，下次再用就不是同一把密钥了，旧信息失效。

限时/绑定：可以生成只在某台主机、某段时间、某个系列号下有效的新密钥，增强防盗版或防克隆能力。

例子：就像门禁卡，每刷一次就自动换一把锁芯，偷了旧钥匙也打不开下一次的门。

4. CheckMac （安全的“是/否”校验）

作用：芯片做完挑战‑响应后，不直接给出完整摘要，而只返回一个“OK/FAIL”（1 bit）的结果，让主机知道是否匹配，而不是把正确摘要完全暴露在总线上。

好处：即使你监听到“OK”，也不知道正确的摘要值是多少，进一步保护密钥不被破解。

额外应用：也能用来验证用户输入的密码：用户在外部输入密码发给芯片，芯片把它和存的密钥或参考值做摘要，然后只告诉外部“密码对不对”，密码本身和摘要都不暴露。

5. 加密读/写（Encrypted Read/Write）

Encrypted Read：

把主机准备的“质询＋机密摘要”先在芯片里做一次 SHA‑256，然后把这个摘要跟某个数据槽里的内容做异或（XOR），再发回给主机。

主机自己也算出同样的摘要，再异或回来，就能看到原始数据；但监听者只看到“被异或过”的密文，无法直接看出真数据。

Encrypted Write：

主机把要写入的数据先和 SHA‑256 摘要做 XOR，再发给芯片；芯片拿摘要再异或一次，就得到原始数据写入对应槽里。

好处：在普通 I²C 总线上就能保证读写数据本身也被“加密”了一层，不怕别人扒线监视。

6. 防重放（Nonce 随机数）

Nonce 命令：在每次摘要计算中额外引入一个随机临时数（Nonce），保证每次摘要都不一样；即使是同一个质询、同一个密钥，两次响应也不同。

作用：彻底消除重放攻击的可能——监听者即便截获了之前的响应，也无法重复使用。

7. 底层加密算法：SHA‑256 / HMAC‑SHA256

ATSHA204A 全部基于行业标准 SHA‑256（或其 HMAC 扩展），这是当下各大政府和安全专家都认可的高强度哈希算法。

256 位密钥、256 位摘要，暴力破解几乎不可能。

下面给出一个典型的 MCU 端完整“基于 ATSHA204A（或同类 CryptoAuth 芯片）”的加密认证与保护流程。整个流程从上电启动，到最后安全地读写、运行主程序，涵盖了前面提到的所有命令和机制。

ATSHA204A 在芯片内部一共划分了三块 EEPROM 区域，每块用途不同、访问权限也不同：

区域	大小与结构	作用	命名法示例
数据区	总共 512 B，分成 16 个小“槽（Slot）”，每槽 32 B（256 bit）	存放密钥、校准参数、设备型号、用户数据等 可单独设置每槽的读/写权限	Slot<YY> 表示槽编号 YY（0～15）
配置区	88 B（704 bit）EEPROM 保存序列号、设备 ID 以及每个“槽”的访问策略 写入后可通过 LockConfig/LockValue 锁定	定义： 1. 芯片序列号和厂测数据 2. 各数据槽的读写权限策略	SN<a:b> 表示序列号字段的第 a 到 b 字节
OTP 区	64 B（512 bit）一写即锁的不变区 一旦写入，数据永久不可改	存放一次性熔丝信息、出厂测试标志、只读常量等	OTP<bb> 为第 bb 字节； OTP<aa:bb> 为字节范围 aa 到 bb

1. 数据区（Data Slots）

为什么有槽（Slot）？
芯片给你 512 B，但往往需要存储多把密钥、校准值、版本号等不同用途的“数据包”，把它们分成 16 个 32 B 的“抽屉”更灵活。

访问策略怎么定？
配置区里为每个槽设定“谁能读/写”。常见做法是：

槽 0：只读主秘钥

槽 1：读/写临时校准参数

槽 2：只读设备型号

……

2. 配置区（Configuration Zone）

干什么用？

器件身份：存芯片的唯一序列号（SN）。

权限管理：告诉芯片“槽 0 只能读、槽 1 既能读又能写、槽 2 只能写”……这组规则写好后，可以通过两个锁（LockConfig, LockValue）彻底生效并不可再修改。

锁定时机：

在写配置区之前，LockConfig 必须保持默认（可写）。

写完后，把 LockConfig 置成 0x55 以外的值，就彻底锁死配置。

同时设置 LockValue，才让这些读写规则在后续访问时真正生效。

3. OTP 区（One‑Time Programmable）

什么是 OTP？
一写就锁死（One‑Time Programmable），写入一次后永久不可再改。

典型用途：

存放出厂时的测试结果、熔丝计数等一旦写入就不应变更的数据。

可看作“硬熔丝”——一旦烧录，后续任何读操作都能看到该值，但写操作不被允许。

在后续阅读芯片手册或 API 文档时，会频繁遇到下面这些术语，理解它们能帮助你快速掌握各命令参数含义。

术语	含义
块（Block） / 槽（Slot）	在 SHA‑256 的世界里，一个“块”是 256 bit（32 B）的数据输入单元； 在 ATSHA204A 存储划分中，“槽”就是一个块（每槽 32 B）。
param<b>	在命令格式中出现的“参数字节”，b 表示这个参数是第 b 个字节。
SRAM	芯片内部的工作 RAM，用于命令执行时的输入/输出缓冲和临时状态保存，不是持久存储区。

“块（Block）”的双重含义

SHA‑256 算法层面：算法每次处理 512 bit 的输入，分两轮 256 bit（32 B）块计算。

存储层面：芯片把存储空间也拆成若干 32 B 块（即“槽”），对应术语可以互换使用。

param<b>

例如命令 Read param<1>=0x02 就意味着：命令字的第 1 个参数字节为 0x02。

SRAM

EEPROM/OTP/配置区都是非易失的持久存储；而 SRAM 完全是临时用的，掉电后数据丢失，用于算法执行或临时数据交换。