MCU程序加密保護（一）閃存讀寫保護法 加密與解密

MCU（微控制器單元）的加密方法可以從硬件、軟件和通信協議三個層面來理解。以下是常見的MCU加密手段，按類型分類說明：

針對目前 STM32 系列微控制器在程序加密保護方面手段單一、保護效果有限的問題，本文介紹并分析了四種常用的程序保護方法：

  1. 閃存讀寫保護

  2. 芯片唯一 ID 驗證

  3. 外接加密芯片

  4. 引導程序加密（Bootloader 加密）

實際在 STM32 開發板上的測試表明，合理組合多種保護機制，能顯著增強芯片程序與數據的安全性，有效防止閃存程序被讀取、拷貝或篡改，為嵌入式系統提供更可靠的安全保障。?

1 閃存讀寫保護法

STM32 微控制器提供了閃存讀寫保護的功能，

用來防止對閃存的非法訪問。 閃存讀寫保護功能概述：

讀保護（RDP）

  • 通過修改 Option Bytes 中的 RDP 位來啟用。

  • 啟用后，Flash 只能被內部正常執行的程序讀取，無法通過 JTAG/SWD 調試接口或從 RAM 啟動的程序讀取。

  • 解除讀保護會觸發整片 Flash 擦除，防止逆向工程與調試工具破解。

  • 以 STM32L1 系列為例，RDP 分為 3 個等級，不同等級對應不同的安全強度。

等級描述
0無保護（默認）。可以通過 JTAG/SWD 或從 RAM 啟動的程序任意讀取 Flash。
1Flash 受保護，防止由調試器（JTAG/SWD）直接讀取，也不能通過在 RAM 中加載執行程序來讀取。
解除 Level 1 保護將觸發全片擦除。
2最嚴格保護——禁用所有調試功能。
一旦設為 Level 2，不可復原，需謹慎使用。

寫保護（WRP）

  • 通過在 Option Bytes 中設置 WRP 位來啟用。

  • 啟用后，對被保護頁的任何寫或擦除操作都會被硬件阻止，并在狀態寄存器中產生錯誤標志。

  • 可以防止惡意修改中斷向量表或關鍵代碼區域。

優缺點對比：

優點：

由硬件層面直接提供，成本為零，易于配置。

能有效防止通過調試接口的非法讀寫。

缺點：

單一的讀/寫保護難以抵抗高級物理攻擊或側信道分析。

需要與軟件層面的校驗（如 CRC、HASH）或更高級的加密方法（如外部加密芯片、Bootloader 加密）組合，才能構建更完善的防護體系。

實施的方法如下，下面以 STM32G4 系列為例，分別介紹如何通過 ST-Link/CubeProgrammer 工具以及 運行時（HAL）編程 兩種方式來啟用 Flash 的讀寫保護（RDP 和 WRP）。

方法一：通過 STM32CubeProgrammer 界面設置

打開 CubeProgrammer

啟動 STM32CubeProgrammer，選擇 “ST-Link” 連接。

讀取當前 Option Bytes

在左側菜單選擇 “Option Bytes”。

點擊 “Read”，查看當前 RDP（Read Protection）和 WRP（Write Protection） 配置。

配置讀保護（RDP）

在 “Read protection” 下拉框中選擇：

Level 0：無保護

Level 1：Flash 只允許內部執行讀取

Level 2：全部調試接口禁用（不可逆）

推薦一般項目選 Level 1。

配置寫保護（WRP）

在 “Write protection” 區域，勾選你要保護的 Flash 扇區（Page）。

比如要保護第 0~3 扇區，就勾選對應頁號。

寫入并重啟

點擊 “Apply”，CubeProgrammer 會提示需要復位芯片以生效。

確認后，設備重啟，Option Bytes 即更新完畢。

方法二：在用戶代碼中動態配置（HAL 庫示例）

如果希望在程序首次運行時，或通過 Bootloader 進行保護設置，可以在固件內部調用 HAL API 來修改 Option Bytes。

/*** @brief  啟用 RDP Level1 并對指定扇區啟用寫保護* @note   必須在系統啟動早期執行，且芯片復位后才生效*/
void Protect_Flash(void)
{HAL_FLASH_Unlock();HAL_FLASH_OB_Unlock();/* 1) 讀保護 → Level1 */FLASH_OBProgramInitTypeDef OBInit = {0};OBInit.OptionType = OPTIONBYTE_RDP;OBInit.RDPLevel   = OB_RDP_LEVEL_1;if (HAL_FLASHEx_OBProgram(&OBInit) != HAL_OK) {/* 錯誤處理 */}/* 2) 寫保護 → 保護第 0~15 KB（頁 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) {/* 錯誤處理 */}HAL_FLASH_OB_Lock();HAL_FLASH_Lock();//    /* 復位生效 */
//    NVIC_SystemReset();
}

?其次你會發現程序也燒寫不進去。此時目標也達成。

我們說了加密，那如何解密呢？問題在于每次切換RDPLevel 1到0的過程中的時候，會將flash的內容全部擦除。因此這是解密的難點之一。

我們引入思考點一，針對閃存讀寫保護法這類內容也就是寄存器置位，如果你要切換RDP1到RDP0?的過程伴隨著一個問題，STM32 上的 Read-Out Protection（RDP）并不是真正的“加密”，而是一種硬件級的“只讀保護”機制——它保證 任何 試圖“解開”這層保護的操作（也就是把 RDP 從 Level 1 降回 Level 0），都會觸發一次整片 Flash 的 不可逆擦除，從而根本不可能在芯片上恢復出原來的固件！！！

一旦啟用 RDP Level 1，就不可能在器件內“解密”或“讀取” Flash 內容；任何試圖取消保護的行為都會把所有數據抹掉。

為什么不能“解密”現有固件？？？

STM32 的 RDP 設計上就是「不可逆保護」：降級就擦除。

Flash 中的代碼以明文形式存儲，Option Bytes 保護只是阻止「直接」訪問，但并不做真實的加密。

一旦需要「訪問明文」，只能通過內部執行（CPU 跳轉），而不是通過調試器或外部讀口。

因此問題點來了！！！我們要做的是，在啟用了 RDP Level 1 以后，所有基于 JTAG/SWD 或 外部調試器 的直接讀 Flash 操作都會被阻止——硬件層面上不可能再通過外部工具把 Flash 整片“拷”出來。不過，RDP Level 1 并不影響 MCU 自身程序對 Flash 的正常讀取；換句話說，你只要在芯片內跑一段用戶代碼，通過 UART/CAN/USB 等總線把 Flash 內容“轉發”出去，就能獲得完整的二進制鏡像。

首先我們要將程序運行在SRAM中，根據自己的芯片主控觀察大小，筆者這邊是20KB的如下所示：

因此我們的環境在keil，如何配置呢，跟著筆者一步一步來吧。

第一步就是新建立一個模板了 如上所示，我們進行切換。

其次就是宏定義了，加上下述內容！

這邊就是改配置內容了

接下來就是這個內容的更改了，配置文件具體如何寫如下所示：

LR_IROM1 0x20000000 0x00005000  {    ; Total 20KB SRAM regionER_IROM1 0x20000000 0x00003000  {  ; Code section: 12KB*.o (RESET, +First)*(InRoot$$Sections).ANY (+RO).ANY (+XO)}RW_IRAM1 0x20003000 0x00002000  {  ; Data section: 8KB.ANY (+RW +ZI)}
}

其次就是這個仿真器命令文件了，如下所示：

具體內容如下所示：

/***********************************************************/
/* Debug_RAM.ini: Initialization File for Debugging from Internal RAM         */
/******************************************************/
/* This file is part of the uVision/ARM development tools.                    */
/* Copyright (c) 2005-2014 Keil Software. All rights reserved.                */
/* This software may only be used under the terms of a valid, current,        */
/* end user licence from KEIL for a compatible version of KEIL software       */
/*development tools. Nothing else gives you the right to use this software  */
/***************************************************/FUNC void Setup (void) {
SP = _RDWORD(0x20000000); // 設置棧指針SP，把0x20000000地址中的內容賦值到SP。
PC = _RDWORD(0x20000004); // 設置程序指針PC，把0x20000004地址中的內容賦值到PC。
_WDWORD(0xE000ED08, 0x20000000);  // Setup Vector Table Offset Register
}LOAD %L INCREMENTAL                    // 下載axf文件到RAM
Setup();                           //調用上面定義的setup函數設置運行環境//g, main   //跳轉到main函數，本示例調試時不需要從main函數執行，注釋掉了，程序從啟動代碼開始執行

最后就是debug處了。

之后進入調試你會發現程序在SRAM的運行處。觀察匯編代碼。

因此，程序成功在SRAM處運行。

都要重新點擊“Debug”按鈕下載SRAM程序，再全速運行才能正常查看輸出。

接著就是寫拷貝flash的內容到SRAM處通過UART轉發出來。

這是原本的程序地址所示如下了。

如下是通過SRAM來拷貝Flash轉發到uart的內容

void dump_flash_via_uart(void)
{char hex_str[8];for (uint32_t addr = FLASH_START_ADDR; addr < (FLASH_START_ADDR + FLASH_SIZE_BYTES); addr++) {uint8_t byte = *(volatile uint8_t*)addr;sprintf(hex_str, "%02X ", byte);  // 格式化成十六進制字符串HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)hex_str, strlen(hex_str), HAL_MAX_DELAY);}const char* end_msg = "\r\n[FLASH DUMP DONE]\r\n";HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)end_msg, strlen(end_msg), HAL_MAX_DELAY);
}
含義十六進制值小端轉換（實際值）
初始棧地址 MSPF8 04 00 200x200004F8 ?
Reset_Handler05 01 00 080x08000105 ?
NMI_Handler?5B 13 00 080x0800135B ?
HardFault_Handler?C9 11 00 080x080011C9 ?

這些值完全一致！

但是在WDP與DRP設置了之后。。

📌 根本原因：

? 你能正常讀取 Flash，是因為：

  • STM32 默認 RDP 是 Level 0（無保護）；

  • 此時，即便運行在 SRAM，也能直接訪問 0x08000000 地址處的 Flash 內容；

? 設置 RDP Level 1 后：

  • Cortex-M3 核心（STM32F1）硬件禁止訪問 Flash 內容；

  • 這是芯片的硬件安全特性，即使代碼跑在 SRAM，依然無法讀取 Flash 數據，目的就是為了防止“SRAM 下載程序+讀取 Flash 代碼”這種逆向手段；

因此上述破解方案無效，無法再從芯片內部獲取任何 Flash 數據了，數據已經從訪問層面徹底封鎖。如果想切回回0，flash內容也會全部擦除！

方法原理是否可行備注
芯片解封/酸蝕 + 顯微探測打開芯片封裝，用電子顯微鏡直接讀 Flash 電荷狀態??理論可行需要實驗室級別設備、極高技術
功耗分析（側信道攻擊）用高精度設備分析芯片運行時功耗波動，推測程序數據理論可行，但難度極高適用于破解算法或加密密鑰，不適合整段程序恢復
激光/聚焦掃描干擾用激光打干擾點，欺騙 Flash 控制器讀取受保護數據??高端實驗室可能可行用于芯片逆向取證等高價值目標
IC 解封 + Flash 直接讀出拆解裸片，對 Flash 數字結構逐位掃描??有可能，但需要芯片內部結構圖這屬于“物理攻擊”范疇

?? 這些都需要 IC 物理逆向實驗室、百萬級設備成本，不具備民用可行性。

手段原理應用場景
X-Ray（X 射線掃描）非破壞式探測芯片內部結構，識別 layout，理論可判斷 Flash 存儲逆向分析芯片、找 ROM Mask
開蓋 + 紫外線（UV）曝光對芯片裸露的 silicon 層曝光，激發電荷或使 EEPROM 狀態改變用于清除 EEPROM 或恢復舊鎖定狀態

補充：

STM32 跟一些 MCU（比如 AVR、ESP32）那種通過 熔絲（fuse）位 永久寫死不同。

STM32 的 Option Bytes 是可擦除/可重寫的 Flash 區域；

只不過 RDP Level 2 一旦寫入，就不可降級、無法還原；

RDP Level 1 還可以通過 全芯片擦除 恢復成 Level 0（但數據沒了）。

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