在MCU上怎樣完成動態(tài)庫的制作和加載

作為一個嵌入式軟件攻城獅，提起庫首先會想到靜態(tài)庫和動態(tài)庫。靜態(tài)庫一般以.a為后綴，動態(tài)庫以.so為后綴(Win系統(tǒng).DLL)。

而作為一個單片機(jī)軟件攻城獅，也會經(jīng)常用到各種靜態(tài)庫，常見的C庫有stdio，stdlib，string，time等，第三方庫也有CMSIS_DSP_Library，mbedtls，60730等等。為什么要使用這些庫呢？個人認(rèn)為可能有以下幾個原因：

系統(tǒng)解耦，可以減少軟件模塊之間的耦合，使軟件結(jié)構(gòu)更清晰。

加速編譯，有些庫源碼有非常多的源文件，如果使用源碼編譯會大大增加編譯時間。

保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，限定產(chǎn)品的使用范圍。比如NXP提供的電機(jī)算法庫rtcesl當(dāng)然希望它運(yùn)行在自己品牌的MCU。

MCU從產(chǎn)品實用角度上看，也是有動態(tài)庫的需求，比如下面幾種場景：

有些產(chǎn)品形態(tài)要求MCU的固件分為安全域和非安全域，安全域的邏輯一旦經(jīng)過認(rèn)證就無法進(jìn)行升級，而非安全域的邏輯可以通過bootloader進(jìn)行遠(yuǎn)程或本地的升級。比如新規(guī)電表，計量部分屬于安全域不可更新，而其他固件則可以進(jìn)行更新

有些軟件/算法公司并不提供實際的硬件產(chǎn)品，和終端客戶的合作模式如果按件收費(fèi)，除非每個產(chǎn)品必須聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證，就像我們所用的Windows系統(tǒng)激活，否則很難把控。比較好的做法是，將算法編譯成二進(jìn)制燒入芯片中，向終端客戶提供芯片。

有些產(chǎn)品經(jīng)常需要更新固件，受限于通訊速率，F(xiàn)lash大小的問題，希望可更新的固件越小越好。比如內(nèi)置藍(lán)牙的MCU，其協(xié)議棧往往在100KB左右，如果通過源碼或者靜態(tài)庫的方式編譯，則升級的時候就必須將協(xié)議棧也一并升級，即使協(xié)議棧本身沒有任何修改，由于升級的固件比較大，所需要的更新時間也會非常長。如果通過動態(tài)庫的方式提供協(xié)議棧，就沒有這個問題。同時，如果客戶要求產(chǎn)品的固件能回退，則Flash必須能放兩份固件，如果應(yīng)用代碼超過20K，則最終固件很容易超過128K（APP+BLE），如果使用靜態(tài)庫，則選型時必須使用超過256K的產(chǎn)品(APP+BLE)x2，而動態(tài)庫則可以使用256K以內(nèi)的產(chǎn)品(APPx2+BLE)。用過Nordic藍(lán)牙MCU的應(yīng)該都懂。

今天我們就專門研究下如何在MCU上實現(xiàn)動態(tài)庫的制作和加載。

制作動態(tài)庫

首先我們先回憶下如何制作靜態(tài)庫，第三方的或者自己寫的靜態(tài)庫，一般由三部分組成：

在MCU中制作的動態(tài)庫則需要如下幾部分內(nèi)容：

至于具體如何實現(xiàn)，現(xiàn)在以之前介紹的開源PLC為例：

規(guī)劃內(nèi)存，將MCU內(nèi)部的Flash/RAM分出一部分留給庫，具體做法需要修改鏈接文件中的相關(guān)地址

定義函數(shù)指針列表結(jié)構(gòu)體，用于提供給用戶程序調(diào)用：

初始化結(jié)構(gòu)體，并實現(xiàn)函數(shù)原型：

修改鏈接文件，將函數(shù)指針列表放到固定地址

編譯并下載到MCU中

加載動態(tài)庫

生成動態(tài)庫后，用戶只需要知道函數(shù)指針列表的地址和結(jié)構(gòu)體列表即可。使用過程如下：

在用戶工程中定義相同的結(jié)構(gòu)體，并從固定地址中加載到

通過函數(shù)指針執(zhí)行相應(yīng)代碼即可

擴(kuò)展知識

針對動態(tài)庫的應(yīng)用場景2，簡單的賣芯片也只是防君子不防小人，因為終端客戶可以通過JTAG/SWD把動態(tài)庫讀出來，有些芯片雖然支持禁用JTAG/SWD使能ISP的方式下載，但用戶還是可以通過指針+地址的方式將庫從芯片中讀取出來，之后找芯片原廠克隆，針對這種攻擊，普通的MCU往往是無力應(yīng)付的，大部分的軟件/算法公司是通過綁定加密芯片的方式來進(jìn)行保護(hù)，但是除非加密芯片中有算法邏輯，否則這種保護(hù)也是徒勞的，因為不管是動態(tài)庫，還是靜態(tài)庫，攻擊者都可以通過反匯編看到關(guān)鍵的跳轉(zhuǎn)點，從而bypass驗證過程。

難道真的就沒有更好的防守么？目前知道有兩種方案：

NXP Kinetis系列產(chǎn)品在Flash中添加了FAC(Flash Access Control)功能，可以保證在可配置區(qū)域內(nèi)只能被執(zhí)行，而無法通過指針方式，DMA，JTAG/SWD，Ezport等接口獲取

ARM Cortex-M33內(nèi)核以及支持了TrustZone，可以將動態(tài)庫放置在Secure區(qū)域，并設(shè)置NSC訪問接口，具體做法和FAC類似

審核編輯：郭婷