Обратное проектирование МК

Глава 7: Системы разработки

7.1 В конце – с самого начала...

Что всегда сложнее всего сделать? Вы купили микроконтроллер, изучили все его схемы и регистры, у вас есть отличная идея, как применить все знания на практике. Но самое трудное – это начать...

Начинать работу с **микроконтроллером** (МК) часто кажется непосильной задачей, но путь от пустого чипа до работающего устройства невероятно полезен. Прежде чем написать первую строчку **кода**, стоит подумать о том, как вы будете защищать этот **код** после развёртывания. Многие разработчики забывают о **бите защиты** (lockbit) до тех пор, пока не становится слишком поздно, оставляя свою **прошивку** открытой для несанкционированного **считывания**. В коммерческих продуктах **блокировка** является первым барьером против попыток **обратного проектирования**, направленных на **дамп flash** памяти и **клонирование** всей системы. Даже во время разработки может потребоваться **восстановление** предыдущей версии с заблокированного чипа, если вы потеряли исходные файлы. **EEPROM** на AT89S8253, например, хранит калибровочные данные, которые могут быть критичны для **извлечения прошивки** при судебном анализе. Некоторые злоумышленники используют **декапсуляцию** для обнажения кремния и непосредственного зондирования **перемычек**, управляющих состоянием **разблокировки**. Именно поэтому понимание инструментов программирования и отладки – это не только вопрос удобства, но и осознания безопасности. **Дамп** скомпилированного **hex**-файла является конечным результатом, но процесс его создания включает множество этапов, где могут закрасться ошибки. Хорошая система разработки помогает тестировать каждый вывод I/O, таймер и прерывание, что косвенно укрепляет защиту от атак по побочным каналам. **Бит защиты** следует устанавливать в самом конце цикла программирования, чтобы предотвратить внешнее **считывание**. Однако, если вы случайно **заблокируете** чип без проверки **кода**, возможно, потребуется специальное оборудование для его **разблокировки**. Именно поэтому примеры из предыдущих глав так важны – они дают основы, которые позже становятся строительными блоками надёжных систем. Всегда храните резервную копию вашей **прошивки** и содержимого **EEPROM** на компьютере, чтобы **восстановление** было возможным без прибегания к физическому зондированию. Имея это в виду, давайте теперь рассмотрим практические шаги для запуска вашей первой программы.

Как начать работу?

Микроконтроллер – это добродушный «джинн в бутылке», и для его использования не требуется никаких дополнительных знаний.

Для создания устройства, управляемого микроконтроллером, необходимо иметь простейший ПК, программу для компиляции и простое устройство для передачи кода с ПК в сам чип.

Хотя весь процесс довольно логичен, часто возникают вопросы, не потому что он сложен, а из-за многочисленных вариантов. Давайте посмотрим.

Написание программы на языке ассемблера

Для написания программы для микроконтроллера можно использовать специализированную программу в среде Windows. Можно, но не обязательно... При использовании такого ПО доступно множество инструментов, облегчающих работу (в первую очередь симулятор), что является очевидным преимуществом. Но есть и другие способы написания программы. По сути, важен только текст. Для этой цели подойдёт любая программа для обработки текста. Суть в том, чтобы записать все инструкции в том порядке, в котором они должны выполняться микроконтроллером, соблюдать правила языка ассемблера и записывать инструкции точно так, как они определены. Другими словами, вам просто нужно следовать идее программы. И всё!

;RESET    VECTOR
          CSEG    AT      0
          JMP     XRESET           ; Вектор сброса
 
          CSEG
          ORG     100H
 
XRESET:   ORL     WMCON,#PERIOD    ; Задать период сторожевого таймера
          ORL     WMCON,#WDTEN     ; Сторожевой таймер включен
 
               

Чтобы компилятор работал успешно, необходимо, чтобы документ, содержащий эту программу, имел расширение .asm в имени, например: Program.asm.

При использовании специализированной программы (mplab) это расширение будет добавлено автоматически. Если используется любая другая программа для обработки текста (Блокнот), то документ следует сохранить и переименовать. Например: Program.txt -> Program.asm. Эту процедуру выполнять не обязательно. Документ можно сохранить в исходном формате, а его текст скопировать в программатор для дальнейшего использования.

Компиляция программы

Микроконтроллер «не понимает» язык ассемблера как таковой. Поэтому необходимо скомпилировать программу в машинный язык. Это очень просто, если используется специализированная программа (mplab), потому что компилятор является частью ПО. Достаточно одного щелчка по соответствующей иконке, и появляется новый документ с расширением .hex. Это та же самая программа, только скомпилированная в машинный язык, который микроконтроллер отлично понимает. Такой документ обычно называют «hex-кодом» и он представляет собой, на первый взгляд, бессмысленную последовательность чисел в шестнадцатеричной системе счисления.

:03000000020100FA1001000075813F
7590FFB29012010D80F97A1479D40
90110003278589EAF3698E8EB25B
A585FEA2569AD96E6D8FED9FAD
AF6DD00000001FF255AFED589EA
F3698E8EB25BA585FEA2569AD96
DAC59700D00000278E6D8FED9FA
DAF6DD00000001FF255AFED8FED
9FADAF6DD000F7590FFB29013278
E6D8FED9FADAF6DD00000001FF2
55AFED589EAF3698E8EB25BA585
FEA2569AD96DAC59D9FADAF6D
D00000001FF255AFED8FED9FADA
F6DD000F7590FFB29013278E6D82
78E6D8FED9FA589EAF3698E8EB2
5BA585FEA2569AD96DAF6DD000
00001FF2DAF6DD00000001FF255A
ADAF6DD00000001FF255AFED8FE
D9FA

В случае использования другого ПО для написания программ на ассемблере, необходимо установить и использовать специальное ПО для компиляции программы следующим образом: настроить компилятор, открыть документ с расширением .asm и скомпилировать. Результат тот же – новый документ с расширением .hex. Единственная проблема теперь в том, что он хранится на вашем ПК.

Программирование микроконтроллера

Чтобы передать «hex-код» в микроконтроллер, необходимо иметь кабель для последовательной связи и специальное устройство, называемое программатором, с программным обеспечением. Есть несколько способов это сделать.

В Интернете можно найти большое количество программ и электронных схем для этой цели. Действуйте следующим образом: откройте документ с hex-кодом, установите несколько параметров и нажмите значок компиляции. Через некоторое время последовательность нулей и единиц будет запрограммирована в микроконтроллер через кабель последовательной связи и аппаратный программатор. Остаётся только поместить запрограммированный чип в целевое устройство. Если необходимо внести какие-либо изменения в программу, предыдущую процедуру можно повторять неограниченное количество раз.

Конец или...?

В этом разделе кратко описано использование MPLAB и программного обеспечения программатора, разработанного Mikroelektronika. Всё очень просто...

Запустите программу Mikroelektronika Asm51 Console. Появится окно...

...Откройте новый документ: File -> New. Напишите свою программу или скопируйте текст...

...Сохраните и назовите документ: File -> Save As... (Имя документа ограничено 8 символами!)

Наконец, чтобы скомпилировать программу в HEX-код, выберите: Project -> Build или нажмите значок 'play'.

Если всё работает правильно, компьютер ответит кратким отчётом.

Программа написана и успешно скомпилирована. Осталось только загрузить программу в микроконтроллер. Для этого необходимо иметь программное обеспечение, которое принимает написанную и скомпилированную программу и передаёт её микроконтроллеру.

Запустите программу 8051 Flash_setup.exe...

Установка программы выполняется как обычно – просто нажимайте Next, Accept, Next...

...и наконец – Finish!

Программа установлена и готова к использованию. Настройки выполняются легко, так что дополнительные объяснения не требуются (тип микроконтроллера, частота и тактовый генератор и т.п.).

• Подключите ПК и программатор через USB-кабель;
• Загрузите HEX-код с помощью команды: File -> Load HEX; и
• Нажмите кнопку 'Write' и ждите...

Системы разработки

Устройство, которое на этапе тестирования программы может имитировать любую среду, называется системой разработки. Помимо программатора, блока питания и разъёма для микроконтроллера, система разработки содержит элементы для активации входов и индикации выходов. Простейший вариант имеет каждый вывод, подключённый к одной кнопке и одному светодиоду. Качественная версия имеет светодиодные индикаторы, ЖК-дисплеи, датчики температуры и все другие элементы, которые могут быть установлены в целевом устройстве. Эти периферийные устройства могут подключаться к МК через миниатюрные перемычки. Таким образом, вся программа может быть протестирована на практике на этапе разработки, потому что микроконтроллер не знает и не заботится о том, активируется ли его вход кнопкой или датчиком, встроенным в реальное устройство.

7.2 Система разработки Easy8051A

Система разработки Easy8051A – это высококачественная система разработки, используемая для программирования совместимых с 8051 микроконтроллеров, производимых Atmel. Помимо программирования чипов, эта система позволяет тестировать все части программы, так как содержит большинство компонентов, которые обычно встраиваются в реальные устройства.

Система разработки Easy8051A состоит из:

• Разъёмов для установки микроконтроллеров (корпуса на 14, 16, 20 и 40 выводов)
• Разъёма для внешнего источника питания (постоянный ток 12 В)
• USB-программатора
• Селектора источника питания (внешний или через USB-кабель)
• Кварцевого генератора на 8 МГц
• 32 светодиодов для индикации состояния выходных выводов
• 32 кнопок для активации входных выводов
• Четырёх семисегментных светодиодных индикаторов в мультиплексном режиме
• Графического ЖК-дисплея
• Буквенно-цифрового ЖК-дисплея (4- или 8-битный режим)
• Разъёма и драйвера для последовательной связи RS232
• Цифрового термометра DS1820
• 12-битного АЦП (MCP3204)
• 12-битного ЦАП (MCP4921)
• Источника опорного напряжения 4,096 В (MCP1541)
• Многовыводных разъёмов для прямого доступа к портам I/O

В следующем тексте кратко описаны некоторые схемы в этой системе разработки. Это скорее иллюстрация её возможностей, чем полное руководство. Кроме того, изучая это устройство, можно понять, что микроконтроллеры и их инструменты предназначены для всех, а не только для избранных.

Разъёмы

Все микроконтроллеры, выпускаемые Atmel, поставляются в нескольких стандартных DIP-корпусах. Чтобы обеспечить их программирование с помощью одного устройства, соответствующие выводы (с одинаковыми именами) на разъёмах соединены параллельно. В результате, будучи помещённым в соответствующий разъём, каждый микроконтроллер автоматически подключается правильно. Рисунок справа показывает микроконтроллер в 40-выводном корпусе и подключение одного из его выводов I/O (P1.5). Как видно, вывод может быть подключён к внешнему устройству (разъём PORT1), светодиоду (микропереключатель SW2), кнопке или резистору через разъёмы. В последних двух случаях полярность напряжения выбирается с помощью перемычек на плате.

Программатор

Назначение программатора – передавать HEX-код с ПК на соответствующие выводы и обеспечивать правильные уровни напряжения во время программирования чипа. В этой системе разработки программатор встроен и должен подключаться к ПК через USB-кабель. Когда процесс программирования завершён, выводы, используемые для него, автоматически становятся доступными для других приложений.

Питание системы разработки

На плате разработки есть разъём для подключения внешнего источника питания (AC/DC, 8-16 В). Кроме того, напряжение, необходимое для работы устройства, также может поступать от ПК через USB-кабель. Перемычка J5 используется для выбора источника питания.

Генератор 8 МГц

Система разработки EASY8051A имеет встроенный генератор, используемый как генератор тактовых сигналов. Частота этого генератора стабилизирована кварцевым резонатором на 8 МГц. Кроме того, во время программирования чипа можно выбрать внутренний RC-генератор.

Светодиоды для индикации состояния выходных выводов

Каждый вывод порта I/O подключён к одному светодиоду, что позволяет визуально индицировать его логическое состояние. В случае, если наличие прямо смещённых светодиодов и последовательных резисторов недопустимо в некоторых приложениях, DIP-переключатель SW2 позволяет отключить их от порта.

Кнопки для активации входных выводов

Аналогично светодиодам, каждый вывод порта I/O подключён к одной кнопке на плате разработки. Это позволяет просто активировать входные выводы. Перемычка J6 используется для выбора полярности напряжения (+ или -), подаваемого на выводы при нажатии соответствующей кнопки.

Семисегментные светодиодные индикаторы

Будучи часто применяемыми в промышленности, четыре высокопроизводительных светодиодных индикатора, настроенных в мультиплексном режиме, входят в систему разработки. Сегменты индикаторов подключены к порту P0 через резисторы. Транзисторные драйверы, используемые для активации отдельных разрядов, подключены к первым четырём выводам порта P1. Это позволяет тестировать программы, использующие семисегментные индикаторы, с минимальным использованием портов I/O. Как и в случае со светодиодами, DIP-переключатель SW2 позволяет отключить транзисторные драйверы от выводов микроконтроллера.

ЖК-дисплеи

Система разработки EASY8051A обеспечивает подключение как графического, так и буквенно-цифрового ЖК-дисплея. Оба типа дисплеев подключаются путём установки в соответствующий разъём и переключения положения перемычки J8. Если дисплеи не используются, все выводы, задействованные для их работы, доступны для других приложений. Помимо разъёмов, на плате также есть потенциометр для регулировки контрастности.

Последовательная связь через RS232

Чтобы обеспечить тестирование программ, использующих последовательную связь, система разработки имеет встроенный стандартный 9-контактный разъём SUB-D. В качестве регулятора напряжения используется MAX232.

Как и другие встроенные схемы, электроника, поддерживающая последовательную связь, может быть включена или отключена с помощью перемычек J9 и J10.

Цифровой термометр DS1820

Измерение температуры – одна из наиболее распространённых задач устройств, работающих в промышленности. По этой причине на системе разработки EASY8051A есть микросхема DS1820, которая измеряет температуру в диапазоне от -55 до +125°C с точностью более 0,5°C. Результаты измерения передаются через последовательную связь на выводы P3.3 или P2.7. Перемычка J7 используется для выбора выводов для приёма данных. Если перемычка не установлена, выводы порта доступны для других приложений.

12-битный АЦП MCP3204

Встроенный 12-битный АЦП MCP3204 имеет четыре входных канала, подключённых к разъёмам на плате. Данные обмениваются с микроконтроллером через систему последовательной связи SPI с использованием выводов P1.5, P1.6, P1.7 и P3.5. Если АЦП не используется, эти выводы могут быть задействованы для других приложений (DIP-переключатель SW1). Для проверки работы на плате разработки есть потенциометр, используемый как источник переменного напряжения. Он может быть подан на входные выводы преобразователя с помощью одной из четырёх перемычек J12. В качестве дополнительного удобства встроен источник опорного напряжения MCP1541 (4,096 В). Перемычка J11 используется для выбора, будет ли преобразователь использовать это напряжение или 5 В.

12-битный ЦАП MCP4921

Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) – ещё одна операция, часто выполняемая микроконтроллером на практике. По этой причине на плате есть специальная микросхема, которая обменивается данными с микроконтроллером через систему SPI. Она может генерировать аналоговое напряжение с 12-битным разрешением на своём выходном выводе. Когда она не используется, все выводы микроконтроллера доступны для других приложений с помощью DIP-переключателя SW1. Как и в случае с АЦП, перемычка J11 используется для выбора опорного напряжения.

Разъёмы для прямого доступа к портам I/O

Чтобы обеспечить возможность непосредственного подключения дополнительных компонентов к портам микроконтроллера, каждый из них подключён к одному разъёму на плате. Кроме того, два вывода каждого разъёма подключены к напряжению питания, а каждый вывод может быть подключён к положительной или отрицательной полярности напряжения через резисторы (подтягивающие или подтягивающие к земле резисторы). Наличие и подключение этих резисторов определяются перемычками. На рисунке справа показана перемычка J3, управляющая портом P3.

В этой главе мы увидели, что система разработки – это не просто программатор, а полноценная лаборатория для ваших проектов на **микроконтроллере**. Возможность тестировать каждый вывод, дисплей и периферию перед окончательным изготовлением печатной платы экономит бесчисленные часы отладки. Однако даже с лучшими инструментами безопасность вашего конечного продукта зависит от того, как вы обрабатываете **бит защиты** и **перемычки** на этапе программирования. Многие инженеры забывают установить **блокировку** после окончательного **дампа** **hex**-файла, оставляя **flash**-память открытой для простого **считывания** через программатор. Решительный противник мог бы затем **сдампить** весь **код** и **клонировать** ваше устройство, сводя на нет все ваши усилия. **EEPROM** на AT89S8253 особенно уязвим, потому что его можно прочитать тем же программатором, если **блокировка** не активирована. Именно поэтому Easy8051A, как и многие другие платы разработки, даёт вам полный контроль над напряжением программирования и настройками безопасности. Всегда дважды проверяйте, что вы включили **бит защиты** и, если доступно, **трёхуровневую блокировку памяти**, чтобы предотвратить **извлечение прошивки** через интерфейс SPI. Если вам потребуется выполнить **восстановление** заблокированного чипа, некоторые продвинутые инструменты позволяют выполнить **декапсуляцию** и микрозондирование, но это дорого и разрушительно. Поэтому гораздо лучше хранить надёжную резервную копию вашего **кода** и конфигурационных данных на компьютере. Процесс **разблокировки** редко требуется, если вы придерживаетесь дисциплинированного цикла разработки. Однако понимание методов **обратного проектирования**, которые используют злоумышленники, сделает вас более осознанным разработчиком в области безопасности. Например, массив светодиодов и кнопок на Easy8051A отлично подходит для функционального тестирования, но также напоминает нам, что каждый вывод I/O является потенциальной точкой входа для атак с глитчами. Моделируя реальные условия на плате разработки, вы можете проверить, как ведёт себя ваша **прошивка** в условиях стресса и выдерживают ли механизмы **блокировки**. В конечном счёте, путь от пустого чипа до защищённого готового продукта – это непрерывный процесс обучения, и Easy8051A является отличным спутником на этом пути.