方案 V2
本节介绍了 SPI Flash 防抄板方案 V2 的详细配置说明,以 D12x 开发板为例。
本方案通过使用 D12x 的 SPIENC 总线加密功能来实现防抄板,结合实际使用的需求,提供对应的软件方案。
SPIENC 总线加密
SPIENC 总线加密功能是一个芯片硬件支持的安全功能。芯片使能了 SPIENC 后,内部的 SPIENC 模块对 SPI 总线上传输的数据进行实时的加密或解密,即对写出去的数据进行 AES 加密,读回来的数据进行 AES 解密, 使得保存在 Flash 上的数据总是密文。
SPIENC 进行加解密时,使用芯片 eFuse 中特定密钥区域中的密钥对数据进行加密和解密,该密钥区域可以做到烧录后 CPU 不可读写,在芯片内部也仅有 SPIENC 模块能够访问,因此可以做到硬件安全保密。
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在芯片中烧录特有的的 AES 密钥,并且将相关密钥区域设置为仅 SPIENC 可访问。
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提供对应的加密固件。
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对 AES 密钥进行妥善管理,防止泄露。
此时芯片和对应的固件就被绑定在一起,提供出去的固件,只能运行在烧录了对应加密密钥的芯片上; 烧录了密钥的芯片,也只能运行使用对应密钥加密后的固件。
SPI ENC 功能对应的 eFuse 烧录信息
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SECURE 区域中的 SPI_ENC_EN 位。
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SPI_ENC KEY 区域中的密钥内容。
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DIS RD/DIS WR 区域中,关于 SPI_ENC KEY 的读写禁止位。
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SECURE 区域中的 JTAG_LOCK 位 (可选,关闭 JTAG 更安全)。
相关信息可参考芯片用户手册 > 安全 > SID 章节。
用途 | 位数 | 地址 | 禁止位 | 禁写 | 禁读 | 归属 | 备注 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
DIS | 32 | 0~3 | 0 | - | - | CSTM | 每位对应 1 个 32bits 空间
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BROM_SECURE | 32 | 4~7 | 1 | V | - | CSTM | BROM 参数配置区域 |
CALI | 64 | 8~F | 2~3 | V | - | AIC | 模拟校准使用 |
CHIP ID | 128 | 10~1F | 4~7 | V | - | AIC | 芯片编号 (子编号用到 Reserved 区域) |
SPI_ENC KEY | 128 | 20~2F | 8~11 | V | V | CSTM | 安全,连接到 SPI_ENC,对称密钥 |
Reserved | 128 | 30~3F | 12~15 | - | - | CSTM | OEM 可自定义使用 |
比特位 | 名称 | 描述 |
---|---|---|
31:29 | - | - |
28 | SPI_ENC_EN | BROM 读取使用,使能 SPI 总线数据加密功能 |
27:25 | - | - |
24 | JTAG_LOCK | 逻辑组合后连接到 CPU 屏蔽 TDO,关闭 JTAG 调试功能,在安全方案中烧录为 1 |
烧录 eFuse
使用 SPIENC 加密功能,需要将一个 128 位的 AES 密钥烧录到芯片 eFuse 中。制作加密镜像时也需要使用上述值。因此,使用过程中,确保上述值保持不变且已妥善管理,以免泄露。
本节描述了生成 eFuse 烧录程序的详细流程。在示例方案中,提供了设置 AES 密钥的输入 txt 文件和一个用于生成及更新密钥的脚本:
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SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/set_aes_key.txt:设置加密密钥
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SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/gen_spienc_key.bat:Windows 上执行编译时,使用该脚本
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SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/gen_spienc_key.sh:Linux 上执行编译时,使用该脚本
生成密钥
根据运行环境执行对应命令,运行生成密钥的脚本:
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确保已经安装 OpenSSL。如未安装,可执行以下命令进行安装:
sudo apt-get install openssl
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准备初始密钥文件 set_aes_key.txt。
set_aes_key.txt 中有一个初始密钥,需要手动修改其中的
HEX
密钥内容。 - 进入开发板根目录:
cd SDK/target/<soc>/<board>/pack/keys/
例如:
cd SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/
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使用下列命令运行脚本生成所需的密钥文件和头文件:
./gen_spienc_key.sh
生成的文件如下所示:-
AES 密钥 spi_aes.key
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AES 对应的 C 语言头文件 spi_aes_key.h
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将 spi_aes_key.h 文件复制粘贴至 lite/bsp/examples_bare/test-efuse/ 目录中,供编译烧录 eFuse 的程序时使用。
spi_aes.key 和其它文件则保留在 SDK/target/<SoC>/<board>/pack/keys/,在使用 mk_image.py 生成加密固件时使用,例如SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/
重要: 生成的密钥务必妥善保管,以免丢失或者泄露。
在 Windows 环境 下:
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准备初始密钥文件 set_aes_key.txt 和 set_nonce.txt。
set_aes_key.txt 和 set_nonce.txt 文件中有一个初始密钥,需要手动修改其中的
HEX
密钥内容。 - 进入开发板根目录:
cd SDK/target/<soc>/<board>/pack/keys/
例如:
cd SDK/target/d21x/demo88-nand/pack/keys/
cd SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/
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使用下列命令运行脚本生成所需的密钥文件和头文件:
./gen_spienc_key.bat
生成的文件如下所示:-
AES 密钥 spi_aes.key
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AES 对应的 C 语言头文件 spi_aes_key.h
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spi_nonce.key
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rotpk.bin
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rsa_private_key.der
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rsa_private_key.pem
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rsa_public_key.der
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rsa_public_key.pem
重要: 生成的密钥请妥善保管,以免丢失或者泄露。 -
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将 spi_aes_key.h 文件复制粘贴至 lite/bsp/examples_bare/test-efuse/ 目录中,供编译烧录 eFuse 的程序时使用。
spi_aes.key 和其它文件则保留在 SDK/target/<SoC>/<board>/pack/keys/,在使用 mk_image.py 生成加密固件时使用,例如SDK/target/d21x/demo88-nand/pack/keys/SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/keys/
重要: 生成的密钥务必妥善保管,以免丢失或者泄露。
编译程序
按照以下步骤配置和编译 BootLoader,并生成烧录固件。
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进入 SDK 根目录,并应用 BootLoader 的配置:
cd <SDK_ROOT>
例如,应用下列 BootLoader 配置:
scons --apply-def=d12x_demo68-nor_baremetal_bootloader_defconfig
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打开 BootLoader 的 menuconfig 菜单:
scons --menuconfig
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分别勾选或者确认已勾选下列参数:
AIC_USING_SID EFUSE_WRITE_SUPPORT AIC_SID_BURN_SPIENC_KEY_TEST AIC_USING_SPIENC AICUPG_FIRMWARE_SECURITY
参数对应的界面配置具体如下:
Board options ---> [*] Using Spienc [*] Enc qspi0 (0) set qspi0 tweak [*] Using Efuse/SID SID Parameter ---> [*] support efuse write (64) set efuse max word Bootloader options ---> [*] Upgrading ---> [*] Secure transfer firmware and burn
Drivers options ---> Drivers examples ---> [*] Enable SID burn spienc key command
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修改代码调用命令烧写 eFuse:
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application/baremetal/bootloader/main.c:
在console_set_usrname
之后,添加上一个命令执行代码console_run_cmd(“efuse_spienc”);
,如下所示。int main(void) { console_init(); console_set_usrname("aic"); console_run_cmd("efuse_spienc"); // 加上此句 ... }
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bsp/examples_bare/test-efuse/efuse_burn_spienc_key_cmd.c:
如果不需要关闭 JTAG,可以将 burn_jtag_lock_bit() 相关的调用注释掉。
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编译程序 BootLoader:
scons # build BootLoader
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编译程序 APP 并且生成烧录固件:
scons --apply-def=d12x_demo68-nor_rt-thread_helloworld_defconfig
scons
编译结果会保存至 SDK/output/<SoC name>_<board name_rt-thread_helloworld/images 目录。例如,SDK/output/d12x_demo68-nor_rt-thread_helloworld/images
AiBurn 烧录
使用 AiBurn 烧录生成的镜像,详情可查看 AiBurn 使用指南。
SD 卡烧录
- 准备一张 SD 卡,确保该卡只有一个分区,并且格式化为 FAT32/ exFAT 文件系统。
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将编译输出目录下的文件复制到 SD 卡的根目录:
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bootcfg.txt
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bootloader.aic
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将 bootcfg.txt 中的内容修改为:
boot0=bootloader.aic
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将该卡插到板卡中,上电运行,即可完成相关 eFuse 的烧录。
烧录日志
tinySPL [Built on Feb 27 2025 11:21:57] BROM SPIENC is ENABLED JTAG LOCK is ENABLED SPI ENC KEY: 0x406efde8 : 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 //烧录后的 key 对 CPU 不可见,所以无法读出 SPI ENC Key is read DISABLED SPI ENC Key is write DISABLED
生成量产固件
按照本节流程编译加密的量产固件。
配置 BootLoader
- 进入 SDK
根目录:
cd <SDK_ROOT>
- 在 SDK
根目录中执行下列命令:
scons --apply-def=d12x_demo68-nor_baremetal_bootloader_defconfig
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打开 BootLoader 的 menuconfig 菜单:
scons --menuconfig
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在配置界面,勾选或确认已勾选下列参数:
AIC_USING_SPIENC AIC_SPIENC_BYPASS_IN_UPGMODE
参数对应的配置界面如下:Board options ---> [*] Using Spienc [*] Enc qspi0 (0) set qspi0 tweak [*] Using Efuse/SID SID Parameter ---> (64) set efuse max word Bootloader options ---> [*] Upgrading ---> [*] Secure transfer firmware and burn
注:编译量产固件时,需将编译烧录 eFuse 程序时的代码修改还原。
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在正式发布的固件中,建议将下列参数选项去掉,防止攻击者通过控制台读出 Flash 中的数据,否则可跳过:
AIC_BOOTLOADER_CMD_MTD AIC_MTD_BARE_TEST
参数对应的功能配置界面如下:BootLoader options ---> Commands ---> [ ] mtd read/write Drivers options ---> Drivers examples ---> [ ] Enable MTD driver test command
配置应用程序
- 进入 SDK
根目录:
cd <SDK_ROOT>
- 在 SDK
根目录,执行下列命令:
scons --apply-def=d12x_demo68-nor_baremetal_bootloader_defconfig
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打开 Application 的 menuconfig 菜单:
scons --menuconfig
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勾选或确认已勾选下列选项:
AIC_USING_SPIENC
对应的配置界面如下:Board options ---> [*] Using Spienc [*] Enc qspi0 (0) set qspi0 tweak
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在正式版本的固件中,建议删除 bsp/examples/test-spinor/test_sfud.c bsp/examples/test-spinor/test_fal.c bsp/examples/test-spinand/test_mtd.c 文件中的 sf、 fal 和 mtd_nand 命令命令,防攻击者通过控制台读出 Flash 中的数据,否则可跳过此步。
固件签名加密
在 SDK/target/<SoC>/<board>/pack/image_cfg.json 文件中配置并生成签名加密固件,例如 SDK/target/d12x/demo68-nor/pack/image_cfg.json。
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对组件进行加密
在 image_cfg.json 的 “temporary” 或 “pre-process” 对象的最后,添加 “data_crypt” 对象配置。
此处使用的 AES 加密密钥,即为SDK/target/<soc>/<board>/pack/keys/ 文件目录中生成的密钥。
在下列示例中,配置了一组需要使用 “data_crypt” 工具进行加密的组件,其中生成 bootloader.aic.enc 组件的配置参数为:-
algo: 加密的算法
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file: 加密的源文件,此处为前面生成的 bootloader.aic 文件
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key: 使用的加密密钥
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tweak: 该值不需要配置,保持为 0 即可
{ "spi-nor": { ... }, "image": { ... }, "info": { // Header information about image ... }, "updater": { // Image writer which is downloaded to RAM by USB/UART ... }, "target": { // Image components which will be burn to device's partitions ... }, "pre-process": { // before v1.0.6 is the name "temporary" "data_crypt": { "bootloader.aic.enc": { //加密 bootloader 分区 "algo": "spienc-aes-128-ecb", "file": "bootloader.aic", // File to be encrypted "key": "keys/spi_aes.key", // Keys the same in eFuse "tweak": "0", }, "env.bin.enc": { //加密 env 分区,备份分区使用同一个组件 "algo": "spienc-aes-128-ecb", "file": "env.bin", // File to be encrypted "key": "keys/spi_aes.key", // Keys the same in eFuse "tweak": "0", }, "d12x_os.itb.enc": { //加密 os 分区 "algo": "spienc-aes-128-ecb", "file": "d12x_os.itb", // File to be encrypted "key": "keys/spi_aes.key", // Keys the same in eFuse "tweak": "0", }, "rodata.fatfs.enc": { //加密 rodata 分区 "algo": "spienc-aes-128-ecb", "file": rodata.fatfs", // File to be encrypted "key": "keys/spi_aes.key", // Keys the same in eFuse "tweak": "0", }, "data.lfs.enc": { //加密 data 分区 "algo": "spienc-aes-128-ecb", "file": "data.lfs.itb", // File to be encrypted "key": "keys/spi_aes.key", // Keys the same in eFuse "tweak": "0", }, ... }, }, }
对于一个或者多个需要进行加密的组件,都应按照上述方式进行配置。
mk_image.py 工具在读取 image_cfg.json 文件时,逐个处理放在 “data_crypt” 中的配置,生成对应的加密组件,然后再进行打包。
重要:“data_crypt” 字段应放在 “temporary”/”pre-process” 的最后,因为处理 “data_crypt” 时,可能需要依赖前面配置生成的文件,比如 ”aicimage”。
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配置烧录加密组件
在 image_cfg.json 中配置下列参数,打包加密组件,以适配烧录加密固件的要求:
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updater 中打包的程序,应为非加密程序
updater 中配置的参数,都不是 .enc 结尾的组件
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target 中打包的程序和数据,应为加密后的程序
target 中配置的参数,都是 .enc 结尾的组件
这是因为:-
SD 卡启动时,首先运行 updater 中的程序,进入烧录模式。此时由于数据是从 SD 卡加载的,不能为加密程序,否则无法正常执行
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target 中打包的程序是要烧录到 Flash 的数据,如果不加密,则无法起到保护的作用,因此需要打包加密后的组件
{ "image": { ... }, "info": { // Header information about image ... }, "updater": { // Image writer which is downloaded to RAM by USB/UART "ddr": { "file": "usbupg-ddr-init.aic", "attr": ["required", "run"], "ram": "0x00103000" }, "spl": { "file": "bootloader.aic", "attr": ["required", "run"], "ram": "0x41000000" }, }, "target": { // Image components which will be burn to device's partitions "spl": { "file": "bootloader.aic.enc", //使用 enc 结尾的加密组件 "attr": ["mtd", "required"], "part": ["spl"] }, "os": { "file": "d21x_os.itb.enc", //使用 enc 结尾的加密组件 "attr": ["mtd", "required"], "part": ["os"] }, "rodata": { "file": "rodata.fatfs.enc", //使用 enc 结尾的加密组件 "attr": ["mtd", "optional"], "part": ["rodata"] }, "data": { "file": "data.fatfs.enc", //使用 enc 结尾的加密组件 "attr": ["mtd", "optional"], "part": ["data"] }, }, "pre-process": { // before v1.0.6 is the name "temporary" ... }, }
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UART 烧录
直接使用编译生成的 img 文件进行量产烧录即可。
SD 卡量产
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标准方式
编译生成下列文件后,将其复制到 SD 卡 FAT32 文件系统的根目录中,等待平台重新上电即可进入烧录:
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bootcfg.txt
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打包后的 img 文件,例如 d12x_demo68-nor_v1.0.0.img
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Direct Mode
修改 bootcfg.txt,并且将 bootcfg.txt 和使用到的组件复制到 SD 卡 FAT32 文件系统的根目录,等待平台重新上电即可进入烧录模式。
bootcfg.txt 示例:
boot0=bootloader.aic writetype=spi-nand writeintf=0 write0=bootloader.aic.enc write1=d21x_os.itb.enc,0x40000 write2=rodata.fatfs.enc,0x240000 write3=data.fatfs.enc,0x840000
重要:在修改 bootcfg.txt 文件后,确保使用 UNIX 格式的换行符,而非 DOS 格式的换行符,即 ‘n’ 换行,而非 ‘rn’ 换行。
eFuse 与固件合并烧录
eFuse 和 量产固件分开可以放松对固件的管控,但需要进行两次烧录,同时 eFuse 的固件和量产固件必须要匹配才能生产,因此可以把 eFuse 和量产固件的烧录合并到同一个固件中进行,降低使用难度,但因为该固件包含了要烧录的 Key,需要对该固件进行保护
实现方法是通过在 eFuse 烧录完成后继续运行,烧录固件,需要配置 BootLoader 宏 AIC_SID_CONTINUE_BOOT_BURN_AFTER。
- 进入 SDK
根目录:
cd <SDK_ROOT>
- 在 SDK
根目录中执行下列命令:
scons --apply-def=d12x_demo68-nor_baremetal_bootloader_defconfig
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打开 BootLoader 的 menuconfig 菜单:
scons --menuconfig
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在配置界面,勾选或确认已勾选下列参数:
AIC_USING_SID EFUSE_WRITE_SUPPORT AIC_SID_BURN_SPIENC_KEY_TEST AIC_SID_CONTINUE_BOOT_BURN_AFTER AIC_USING_SPIENC AICUPG_FIRMWARE_SECURITY
参数对应的配置界面如下:Board options ---> [*] Using Spienc [*] Enc qspi0 (0) set qspi0 tweak [*] Using Efuse/SID SID Parameter ---> [*] support efuse write (64) set efuse max word Bootloader options ---> [*] Upgrading ---> [*] Secure transfer firmware and burn
Drivers options ---> Drivers examples ---> [*] Enable SID burn spienc key command [*] Enable SID continue to boot after burning