基于MSP430的加密熔斷器設(shè)計(jì)

引 言

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器(TI)公司推出的一款16位超低功耗單片機(jī)。它能夠在1.8～3.6 V電壓、1 MHz頻率的條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1～400μA。在運(yùn)算速度上，MSP430系列單片機(jī)能在8 MHz晶振的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125 ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法(如FFT等)。

在整合方面，MSP430系列單片機(jī)將大量的CPU外圍模塊集成在片內(nèi)，有如下一些模塊：看門狗(WDT)、模擬比較器、串口、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位／12位／14位ADC、端口0～6、基本定時(shí)器。其中定時(shí)器A、B均帶有多個(gè)捕獲／比較寄存器，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多路PWM輸出；模擬比較器與定時(shí)器配合，可方便地實(shí)現(xiàn)ADC；液晶驅(qū)動(dòng)多達(dá)160筆段；硬件ADC模塊在小于10 μs的速率下實(shí)現(xiàn)10～14位的高速、高精度轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供采樣／保持與參考電壓；端口0、1、2能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入。

MSP430系列單片機(jī)的開(kāi)發(fā)調(diào)試有多種技術(shù)方案，其中以JTAG和BOOTSTRAP(簡(jiǎn)稱“BSL”)方式最為方便。對(duì)于Flash型的MSP430單片機(jī)初期開(kāi)發(fā)進(jìn)行的仿真，只需要1臺(tái)PC機(jī)和1個(gè)JTAG控制器即可實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入產(chǎn)品級(jí)開(kāi)發(fā)階段，為了保護(hù)用戶代碼，燒斷Flash的保護(hù)熔絲以后就無(wú)法再通過(guò)JTAG口訪問(wèn)單片機(jī)，這時(shí)用戶對(duì)Flash中的程序再進(jìn)行檢查或更新就只能通過(guò)BOOT-STRAP進(jìn)行。不用擔(dān)心用戶代碼會(huì)泄露，BOOTSTRAP提供了32字節(jié)256位的密碼保護(hù)，能完全確保代碼的安全性。

1 熔斷加密原理

MSP430系列單片機(jī)采用JTAG(實(shí)際上稱為IEEE1149.1或邊界掃描)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)全部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，包括程序Flash、ROM、RAM，并可對(duì)其進(jìn)行擦除、讀寫。它能用于程序的下載，監(jiān)測(cè)程序使用情況和各個(gè)變量與寄存器的使用情況，并可對(duì)其進(jìn)行修改。JTAG接口需要4根信號(hào)線、地線和電源線。

JTAG接口為程序的調(diào)試、仿真及監(jiān)控帶來(lái)了很大的方便，大大提高了編程效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期；但在程序測(cè)試完成轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)，就必須對(duì)程序代碼進(jìn)行加密處理，防止程序代碼的泄漏。JTAG接口的安全性很差，只要符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的控制器就可以將程序代碼讀出，所以必須禁止JTAG功能。對(duì)于MSP430系列單片機(jī)，禁止JTAG功能的途徑是將單片機(jī)內(nèi)部的加密保險(xiǎn)絲熔斷，熔斷后的單片機(jī)就無(wú)法再使用JTAG功能，從而達(dá)到加密程序代碼的目的。

MSP430系列單片機(jī)在上電復(fù)位時(shí)會(huì)通過(guò)TDI／TCLK端對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)保險(xiǎn)絲完好時(shí)，在TDI／TCLK和地之間會(huì)有1 mA的電流流過(guò)。保險(xiǎn)絲檢測(cè)出現(xiàn)在上電復(fù)位以后TMS端的第一個(gè)下降沿上，在第二個(gè)下降沿上會(huì)解除保險(xiǎn)絲的檢測(cè)，直到下一次的上電復(fù)位再進(jìn)行保險(xiǎn)絲檢測(cè)，即在每一次的上電復(fù)位都會(huì)對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行檢測(cè)。保險(xiǎn)絲檢測(cè)電流只有在保險(xiǎn)絲檢測(cè)方式時(shí)才會(huì)流過(guò)TDI／TCLK端，當(dāng)檢測(cè)不到保險(xiǎn)絲電流時(shí)，JTAG功能就會(huì)失效，且這種加密方式是硬件方式的加密，一旦保險(xiǎn)絲熔斷，JTAG功能就永久失效了，無(wú)法再通過(guò)JTAG口訪問(wèn)單片機(jī)，從而保證了單片機(jī)內(nèi)代碼的安全。

2 熔斷加密的時(shí)序及方法

MSP430單片機(jī)保險(xiǎn)絲的熔斷必須在特定的條件下進(jìn)行。

簡(jiǎn)單地將6.5 V電壓加在TDI／TCLK端上時(shí)，是無(wú)法熔斷保險(xiǎn)絲的，必須在一定的時(shí)序及指令下才可以完成。下面是熔斷保險(xiǎn)絲所需的指令及時(shí)序：

　　IR_SHIFT(“IR_CNTRL_SIG_16BIT”)為切換JTAG進(jìn)入16位數(shù)據(jù)接收模式；DR_SHIFT_IN(0x7201)為將TDO信號(hào)切換為TDI功能，TDI信號(hào)釋放，為接入熔斷電壓Vpp作準(zhǔn)備；IR_SHIFT(“IR_PREPARE_BLOW”)為設(shè)置MSP430進(jìn)入保險(xiǎn)絲熔斷方式；MsDelay(1)為延時(shí)1 ms，同時(shí)連接熔斷電壓Vpp至TDI信號(hào)端；TR_SHIFT(“IR_BX_BLOW”)為執(zhí)行保險(xiǎn)絲熔斷；MeDelay(1)為延時(shí)1ms，同時(shí)斷開(kāi)TDI端的熔斷電壓Vpp，TDI信號(hào)端切換回TDI功能，JATG狀態(tài)機(jī)復(fù)位。保險(xiǎn)絲加密熔斷完成。

3 熔斷加密器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熔斷加密器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MSP430 Flash單片機(jī)的編程、燒熔絲和BSL下載?？梢赃x擇編程后是否熔斷芯片內(nèi)熔絲，進(jìn)行加密；可自行設(shè)置密碼，徹底保護(hù)芯片內(nèi)容；可進(jìn)行完全擦除編程和保留編程，通過(guò)BSL方式讀出目標(biāo)CPU內(nèi)的代碼。

　　熔斷加密器的硬件采用了MSP430F1111A作為系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)JTAG口的通信控制、熔斷電壓Vpp的加載與分離、目標(biāo)MSP430單片機(jī)中保險(xiǎn)絲熔斷指令的控制。在電源部分，熔斷電壓Vpp及100 mA的熔斷電流是在7806三端穩(wěn)壓芯片與地之間串接二極管IN4001來(lái)實(shí)現(xiàn)的；熔斷電壓Vpp的加載與分離通過(guò)繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，并使用了3個(gè)LED分別指示目標(biāo)單片機(jī)保險(xiǎn)絲未熔斷、正在熔斷及已熔斷的狀態(tài)。

　　軟件部分是通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)熔絲加密器與目標(biāo)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信及指令控制的。

　以下為加密熔斷器主程序：

本加密熔斷器在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常理想的效果，可對(duì)MSP430系列單片機(jī)的保險(xiǎn)絲進(jìn)行可靠而有效的熔斷，完全保護(hù)了MSP430單片機(jī)中的代碼安全。整個(gè)系統(tǒng)的成本控制在30元左右，在實(shí)際的使用中達(dá)到非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)可應(yīng)用于整個(gè)MSP430系列單片機(jī)，具有功能強(qiáng)大、性能可靠、成本低、體積小等特點(diǎn)。完全可以替代目前市場(chǎng)上售價(jià)高達(dá)1000～2000元的編程器，具有非常廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。