離線加密編程器中的 BootLoader程序設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、顯示部分、按鍵開關(guān)、存儲(chǔ)部分和串行通信部分等組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中，AVR ATmegal69P(V)單片機(jī)是一種高性能、低功耗的8位微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，130條指令大多數(shù)可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，滿足了本系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行速度的要求。它具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，具有4×25段的LCD驅(qū)動(dòng)器的ATmegal69P(V)，輸入電壓3．3 V，串行US―ART，可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口；存儲(chǔ)部分采用ATmel公司8個(gè)引腳的串口存儲(chǔ)芯片AT45DB041B，主存容量大小為528 KB，一共2 048頁(yè)，每頁(yè)264B，具有2個(gè)大小為265B的數(shù)據(jù)緩存，允許通知對(duì)存儲(chǔ)芯片進(jìn)行讀寫，工作電壓為3．3 V。由于系統(tǒng)單片機(jī)的SPI通信口用來(lái)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行編程，所以采用軟件模擬SPI對(duì)AT45DB041B進(jìn)行讀寫；其通信部分分為與PC機(jī)的通信和與目標(biāo)板的通信。與PC機(jī)的通信采用USB接口，編程器內(nèi)部采用UART―USB轉(zhuǎn)換橋芯片PL一2303，在編程方式上等同于一個(gè)普通的UART接口，非常方便；與目標(biāo)板的通信是通過(guò)高速的SPI接口，達(dá)到對(duì)目標(biāo)板的編程操作；采用雙鍵制按鍵開關(guān)，其中按鍵之一用來(lái)查詢下載器的各種信息，另外一個(gè)按鍵用來(lái)啟動(dòng)對(duì)目標(biāo)板的下載操作；為了充分利用ATmegal69P(V)具有LCD驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，采用段式LCD屏，可以縮小下載器的體積，操作方便。

2 工作原理
2．1 幾個(gè)概念
①開發(fā)方：設(shè)計(jì)IP的開發(fā)單位或個(gè)人。
②IP擁有方：擁有離線加密編程器的知識(shí)產(chǎn)權(quán)方。
③客戶：離線加密編程器的使用者，需向IP擁有方購(gòu)買離線加密編程器的各種軟硬件資源。
2．2 三方關(guān)系
開發(fā)方負(fù)責(zé)開發(fā)離線加密編程器的各種軟硬件，然后向IP擁有方提供各種所需的軟硬件資源，包括編程器硬件、上位機(jī)軟件，并且根據(jù)IP擁有方的要求編寫目標(biāo)板的程序。IP擁有方將軟硬件賣給客戶，客戶使用IP擁有方提供的與編程器相關(guān)的軟硬件對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行編程操作。開發(fā)方提供給IP擁有方的適合目標(biāo)板的程序是未經(jīng)過(guò)加密的，IP擁有方通過(guò)上位機(jī)軟件，自由選擇加密參數(shù)，對(duì)未經(jīng)過(guò)加密的程序進(jìn)行加密?？蛻糍?gòu)買到離線加密編程器后，可以選擇某一IP擁有方，并在選擇的IP擁有方處進(jìn)行注冊(cè)。購(gòu)買授權(quán)下載次數(shù)，通過(guò)客戶端軟件將加密編程器進(jìn)行授權(quán)，此時(shí)，加密編程器具備了下載功能?？蛻舾鶕?jù)自己的要求向自己注冊(cè)過(guò)的IP擁有方提出目標(biāo)板軟件購(gòu)買意向，IP擁有方將客戶要求告知開發(fā)方，開發(fā)方根據(jù)要求進(jìn)行軟件的編寫。軟件編寫成功后，開發(fā)方將軟件交給IP擁有方，IP擁有方將軟件進(jìn)行加密，并交給客戶，客戶通過(guò)客戶端軟件將加密過(guò)的程序存儲(chǔ)到加密編程器。此時(shí)，客戶手中的加密編程器可以脫離PC機(jī)?？蛻魧⒕幊唐鲙У浆F(xiàn)場(chǎng)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行編程，直到授權(quán)下載次數(shù)用完為止。授權(quán)次數(shù)使用完畢后，客戶可以通過(guò)客戶端軟件提取加密編程器的授權(quán)購(gòu)買請(qǐng)求文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將文件傳給IP擁有方，IP擁有方根據(jù)文件的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的授權(quán)操作，然后將生成的授權(quán)文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳給客戶，客戶通過(guò)客戶端軟件將授權(quán)文件下載到加密編程器，如果授權(quán)成功，那么編程器可以繼續(xù)使用。
2．3 文件類型
整個(gè)工作過(guò)程涉及以下幾種文件：
①加密下載文件：該文件是HEX文件經(jīng)過(guò)加密后得到的文件，其中包含密鑰信息和編程數(shù)據(jù)。
②注冊(cè)申請(qǐng)文件：該文件包含申請(qǐng)注冊(cè)所需編程器的內(nèi)部信息及客戶信息。
③注冊(cè)文件：該文件是在注冊(cè)申請(qǐng)文件的基礎(chǔ)上，IP擁有方添加注冊(cè)信息，包括各種參數(shù)。
④授權(quán)申請(qǐng)文件：該文件用來(lái)向IP擁有方購(gòu)買授權(quán)下載次數(shù)，內(nèi)容包括編程器信息、客戶信息，以及交易達(dá)成的各種協(xié)議。
⑤授權(quán)文件：該文件在授權(quán)申請(qǐng)文件的基礎(chǔ)上添加授權(quán)次數(shù)及說(shuō)明。
注：其中注冊(cè)申請(qǐng)文件、授權(quán)申請(qǐng)文件是通過(guò)客戶端軟件從編程器中提取的；注冊(cè)文件、授權(quán)文件通過(guò)客戶端軟件下載到編程器。

3 編程器工作流程
編程器的工作流程如圖2所示。下載到編程器的加密數(shù)據(jù)需要存入具有SPI接口的大容量外存AT45DB041B中，然而Atmegal69P(V)的SPI接口需要用來(lái)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行編程，所以只能采用軟件模擬SPI接口來(lái)對(duì)AT45DB041B進(jìn)行讀寫操作。對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行編程時(shí)，為了防止通過(guò)抓取SPI接口的時(shí)序來(lái)得到有效的編程數(shù)據(jù)，首先編程目標(biāo)板的引導(dǎo)程序，然后對(duì)目標(biāo)板下載加密數(shù)據(jù)，通過(guò)引導(dǎo)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解密后再進(jìn)行目標(biāo)板的編程操作。這樣做的好處是，通過(guò)數(shù)據(jù)加密，使得SPI總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為加密信息，即使得到SPI總線上的時(shí)序，也不能使用。目標(biāo)板的BootLoader程序?qū)⒔邮盏降募用軘?shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這些操作都在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，不會(huì)被破解。

3．1 主程序
主程序要完成系統(tǒng)的初始化、中斷設(shè)置、全局變量設(shè)置等。在初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入主查詢循環(huán)過(guò)程以判斷當(dāng)前進(jìn)行的操作，并進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。