嵌入式分享合集16

一、SPI、UART、I2C通信的区别与应用

电子设备之间的通信就像人类之间的交流，双方都需要说相同的语言。在电子产品中，这些语言称为通信协议。

之前有单独地分享了SPI、UART、I2C通信的文章，这篇对它们做一些对比。

串行 VS 并行

电子设备通过发送数据位从而实现相互交谈。位是二进制的，只能是1或0。通过电压的快速变化，位从一个设备传输到另一个设备。在以5V工作的系统中，“0”通过0V的短脉冲进行通信，而“1”通过5V的短脉冲进行通信。

数据位可以通过并行或串行的形式进行传输。另外也可以通过此视频了解:视频讲解UART、I2C、SPI串口通信。在并行通信中，数据位在导线上同时传输。下图显示了二进制（01000011）中字母“C”的并行传输：

在串行通信中，位通过单根线一一发送。下图显示了二进制（01000011）中字母“C”的串行传输：

SPI通信

SPI是一种常见的设备通用通信协议。它有一个独特优势就是可以无中断传输数据，可以连续地发送或接收任意数量的位。而在I2C和UART中，数据以数据包的形式发送，有着限定位数。

在SPI设备中，设备分为主机与从机系统。主机是控制设备（通常是微控制器），而从机（通常是传感器，显示器或存储芯片）从主机那获取指令。

一套SPI通讯共包含四种信号线：MOSI (Master Output/Slave Input) – 信号线，主机输出，从机输入。MISO (Master Input/Slave Output) – 信号线，主机输入，从机输出。SCLK (Clock) – 时钟信号。SS/CS (Slave Select/Chip Select) – 片选信号。

SPI协议特点

实际上，从机的数量受系统负载电容的限制，它会降低主机在电压电平之间准确切换的能力。

时钟信号

每个时钟周期传输一位数据，因此数据传输的速度取决于时钟信号的频率。时钟信号由于是主机配置生成的，因此SPI通信始终由主机启动。

设备共享时钟信号的任何通信协议都称为同步。SPI是一种同步通信协议，还有一些异步通信不使用时钟信号。例如在UART通信中，双方都设置为预先配置的波特率，该波特率决定了数据传输的速度和时序。

片选信号

主机通过拉低从机的CS/SS来使能通信。在空闲/非传输状态下，片选线保持高电平。在主机上可以存在多个CS/SS引脚，允许主机与多个不同的从机进行通讯。

如果主机只有一个片选引脚可用，则可以通过以下方式连接这些从器件：

MOSI和MISO

主机通过MOSI以串行方式将数据发送给从机，从机也可以通过MISO将数据发送给主机，两者可以同时进行。所以理论上，SPI是一种全双工的通讯协议。

传输步骤

1. 主机输出时钟信号

2. 主机拉低SS / CS引脚，激活从机

3. 主机通过MOSI将数据发送给从机

4. 如果需要响应，则从机通过MISO将数据返回给主机

使用SPI有一些优点和缺点，如果在不同的通信协议之间进行选择，则应根据项目要求进行充分考量。

SPI优点

SPI通讯无起始位和停止位，因此数据可以连续流传输而不会中断；没有像I2C这样的复杂的从站寻址系统，数据传输速率比I2C更高（几乎快两倍）。独立的MISO和MOSI线路，可以同时发送和接收数据。

SPI缺点

SPI使用四根线（I2C和UART使用两根线），没有信号接收成功的确认（I2C拥有此功能），没有任何形式的错误检查（如UART中的奇偶校验位等）。

UART代表通用异步接收器/发送器也称为串口通讯，它不像SPI和I2C这样的通信协议，而是微控制器中的物理电路或独立的IC。

UART的主要目的是发送和接收串行数据，其最好的优点是它仅使用两条线在设备之间传输数据。UART的原理很容易理解，但是如果您还没有阅读SPI 通讯协议，那可能是一个不错的起点。

UART通信

在UART通信中，两个UART直接相互通信。相关实例:按下按键，通过串口发送数据实例。发送UART将控制设备（如CPU）的并行数据转换为串行形式，以串行方式将其发送到接收UART。只需要两条线即可在两个UART之间传输数据，数据从发送UART的Tx引脚流到接收UART的Rx引脚：

UART属于异步通讯，这意味着没有时钟信号，取而代之的是在数据包中添加开始和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时读取这些数据。

当接收UART检测到起始位时，它将以特定波特率的频率读取。波特率是数据传输速度的度量，以每秒比特数（bps）表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作，发送和接收UART之间的波特率只能相差约10％。

UART工作原理

发送UART从数据总线获取并行数据后，它会添加一个起始位，一个奇偶校验位和一个停止位来组成数据包并从Tx引脚上逐位串行输出，接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。

UART数据包含有1个起始位，5至9个数据位（取决于UART），一个可选的奇偶校验位以及1个或2个停止位：

起始位：

UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。开始传输时发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平，当接收UART检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据帧：

数据帧内包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则可以是5位，最多8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位。

校验位：

奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后，它将对值为1的位数进行计数，并检查总数是偶数还是奇数，是否与数据相匹配。

停止位：

为了向数据包的结尾发出信号，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位时间。

传输步骤

1.发送UART从数据总线并行接收数据：

2.发送UART将起始位，奇偶校验位和停止位添加到数据帧：

3.整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样：

4.接收UART丢弃数据帧中的起始位，奇偶校验位和停止位：

5.接收UART将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线：

没有任何通信协议是完美的，但是UART非常擅长于其工作。以下是一些利弊，可帮助您确定它们是否适合您的项目需求：

优点

仅使用两根电线
无需时钟信号
具有奇偶校验位以允许进行错误检查
只要双方都设置好数据包的结构
有据可查并得到广泛使用的方法

缺点

数据帧的大小最大为9位
不支持多个从属系统或多个主系统
每个UART的波特率必须在彼此的10％之内

I2C通信

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。相关文章:STM32开发中使用C语言实现IIC驱动。它只需要两根线即可传送信息。它结合了 SPI 和 UART 的优点，您可以将多个从机连接到单个主机（如SPI那样），也可以使用多个主机控制一个或多个从机。当您想让多个微控制器将数据记录到单个存储卡或将文本显示到单个LCD时，这将非常有用。

SDA (Serial Data) – 数据线。

SCL (Serial Clock) – 时钟线。

I2C是串行通信协议，因此数据沿着SDA一点一点地传输。与SPI一样，I2C也需要时钟同步信号且时钟始终由主机控制。

工作原理

I2C的数据传输是以多个msg的形式进行，每个msg都包含从机的二进制地址帧，以及一个或多个数据帧，还包括开始条件和停止条件，读/写位和数据帧之间的ACK / NACK位：

启动条件：当SCL是高电平时，SDA从高电平向低电平切换。

停止条件：当SCL是高电平时，SDA由低电平向高电平切换。

地址帧：每个从属设备唯一的7位或10位序列，用于主从设备之间的地址识别。

读/写位：一位，如果主机是向从机发送数据则为低电平，请求数据则为高电平。

ACK/NACK：消息中的每个帧后均带有一个ACK/NACK位。如果成功接收到地址帧或数据帧，接收设备会返回一个ACK位用于表示确认。

寻址

由于I2C没有像SPI那样的片选线，因此它需要使用另一种方式来确认某一个从设备，而这个方式就是 —— 寻址。

主机将要通信的从机地址发送给每个从机，然后每个从机将其与自己的地址进行比较。如果地址匹配，它将向主机发送一个低电平ACK位。如果不匹配，则不执行任何操作，SDA线保持高电平。

读/写位

地址帧的末尾包含一个读/写位。如果主机要向从机发送数据，则为低电平。如果是主机向从机请求数据，则为高电平。

数据帧

当主机检测到从机的ACK位后，就可以发送第一个数据帧了。数据帧始终为8位，每个数据帧后紧跟一个ACK / NACK位，来验证接收状态。当发送完所有数据帧后，主机可以向从机发送停止条件来终止通信。

传输步骤

1. 在SCL线为高电平时，主机通过将SDA线从高电平切换到低电平来启动总线通信。

2. 主机向总线发送要与之通信的从机的7位或10位地址，以及读/写位：

3. 每个从机将主机发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，则从机通过将SDA线拉低一位返回一个ACK位。如果主机的地址与从机的地址不匹配，则从机将SDA线拉高。

4. 主机发送或接收数据帧：

5. 传输完每个数据帧后，接收设备将另一个ACK位返回给发送方，以确认已成功接收到该帧：

6. 随后主机将SCL切换为高电平，然后再将SDA切换为高电平，从而向从机发送停止条件。

单个主机VS多个从机

由于I2C使用寻址功能，可以通过一个主机控制多个从机。使用7位地址时，最多可以使用128(27)个唯一地址。使用10位地址并不常见，但可以提供1,024(210)个唯一地址。如果要将多个从机连接到单个主机时，请使用4.7K欧的上拉电阻将它们连接，例如将SDA和SCL线连接到Vcc：

多个主机VS多个从机

I2C支持多个主机同时与多个从机相连，当两个主机试图通过SDA线路同时发送或接收数据时，就会出现问题。因此每个主机都需要在发送消息之前检测SDA线是低电平还是高电平。如果SDA线为低电平，则意味着另一个主机正在控制总线。如果SDA线高，则可以安全地发送数据。如果要将多个主机连接到多个从机，请使用4.7K欧的上拉电阻将SDA和SCL线连接到Vcc：

与其他协议相比，I2C可能听起来很复杂。以下是一些利弊，可帮助您确定它们是否适合您的项目需求：

I2C优点

仅使用两根电线
支持多个主机和多个从机
每个UART的波特率必须在彼此的10％之内
硬件比UART更简单
众所周知且被广泛使用的协议

I2C缺点

数据传输速率比SPI慢
数据帧的大小限制为8位 whaosoft aiot http://143ai.com

二、单片机程序被破解

单片机加密、解密

单片机（MCU）一般都有内部程序区和数据区（或者其一）供用户存放程序和工作数据（或者其一）。为了防止未经授访问或拷贝单片机的机内程序，大部分单片机都带有加密锁定位或者加密字节，以保护片内程序。

如果在编程时加密锁定位被使能（锁定），就无法用普通编程器直接读取单片机内的程序，这就叫单片机加密。相关推荐：STM32等单片机程序加密的方法。

单片机程序基本上都存在于Flash中，大部分能够读取或者识别Flash上的数据就能够获得固件文件，从而给复制产品带来了机会。

单片机攻击者借助专用设备或者自制设备，利用单片机芯片设计上的漏洞或软件缺陷，通过多种技术手段，就可以从芯片中提取关键信息，获取单片机内程序这就叫单片机解密。

单片机解密又叫单片机破解、芯片解密、IC解密，但是严格说来这几种称呼都不科学，但已经成了习惯叫法，我们把CPLD解密、DSP解密都习惯称为单片机解密。单片机只是能装载程序芯片的其中一个类。

能烧录程序并能加密的芯片还有 DSP、CPLD、PLD、AVR、ARM等。当然具有存储功能的存储器芯片也能加密，比如DS2401、DS2501、AT88S0104、DM2602、AT88SC0104D等，当中也有专门设计有加密算法用于专业加密的芯片或设计验证厂家代码工作等功能芯片，该类芯片也能实现防止电子产品复制的目的。

单片机解密方法

1 软件攻击

该技术通常使用处理器通信接口并利用协议、加密算法或这些算法中的安全漏洞来进行攻击。

比如一个典型事例是对早期XXX系列单片机的攻击。攻击者利用了该系列单片机擦除操作时序设计上的漏洞，使用自编程序在擦除加密锁定位后，停止下一步擦除片内程序存储器数据的操作，从而使加过密的单片机变成没加密的单片机，然后利用编程器读出片内程序。

目前在其他加密方法的基础上，可以研究出一些设备，配合一定的软件，来做软件解密。

还有比如利用某些编程器定位插字节，通过一定的方法查找芯片中是否有连续空位，也就是说查找芯片中连续的FFFF字节，插入的字节能够执行把片内的程序送到片外的指令，然后用解密的设备进行截获，这样芯片内部的程序就被解密完成了。

2 电子探测攻击

该技术通常以高时间分辨率来监控处理器在正常操作时所有电源和接口连接的模拟特性，并通过监控它的电磁辐射特性来实施攻击。

因为单片机是一个活动的电子器件，当它执行不同的指令时，对应的电源功率消耗也相应变化。这样通过使用特殊的电子测量仪器和数学统计方法分析和检测这些变化，即可获取单片机中的特定关键信息。

3 过错产生技术

该技术使用异常工作条件来使处理器出错，然后提供额外的访问来进行攻击。使用最广泛的过错产生攻击手段包括电压冲击和时钟冲击。

低电压和高电压攻击可用来禁止保护电路工作或强制处理器执行错误操作。时钟瞬态跳变也许会复位保护电路而不会破坏受保护信息。电源和时钟瞬态跳变可以在某些处理器中影响单条指令的解码和执行。

该办法就是使得单片机异常运行从而使得单片机处于非保护状态。

4 探针技术

该技术是直接暴露芯片内部连线，然后观察、操控、干扰单片机以达到攻击目的。

如果芯片内部都完全暴露了，那么芯片相当于在裸奔！

单片机解密分类

为了方便起见，人们将以上四种攻击技术分成两类，一类是侵入型攻击（物理攻击），这类攻击需要破坏封装，然后借助半导体测试设备、显微镜和微定位器，在专门的实验室花上几小时甚至几周时间才能完成。

所有的微探针技术都属于侵入型攻击。另外三种方法属于非侵入型攻击，被攻击的单片机不会被物理损坏。在某些场合非侵入型攻击是特别危险的，这是因为非侵入型攻击所需设备通常可以自制和升级，因此非常廉价。

大部分非侵入型攻击需要攻击者具备良好的处理器知识和软件知识。与之相反，侵入型的探针攻击则不需要太多的初始知识，而且通常可用一整套相似的技术对付宽范围的产品。

因此，对单片机的攻击往往从侵入型的反向工程开始，积累的经验有助于开发更加廉价和快速的非侵入型攻击技术。

侵入式解密过程

侵入型攻击的第一步是揭去芯片封装（简称“开盖”有时候称“开封”，英文为 “DECAP”，decapsulation）。有两种方法可以达到这一目的：第一种是完全溶解掉芯片封装，暴露金属连线；第二种是只移掉硅核上面的塑料封装。

第一种方法需要将芯片绑定到测试夹具上，借助绑定台来操作。第二种方法除了需要具备攻击者一定的知识和必要的技能外，还需要个人的智慧和耐心，但操作起来相对比较方便，完全实验室中操作。

芯片上面的塑料可以用小刀揭开，芯片周围的环氧树脂可以用浓硝酸腐蚀掉。热的浓硝酸会溶解掉芯片封装而不会影响芯片及连线。该过程一般在非常干燥的条件下进行，因为水的存在可能会侵蚀已暴露的铝线连接（这就可能造成解密失败）。

接着在超声池里先用丙酮清洗该芯片以除去残余硝酸，并浸泡。

最后一步是寻找保护熔丝的位置并将保护熔丝暴露在紫外光下。一般用一台放大倍数至少100倍的显微镜，从编程电压输入脚的连线跟踪进去，来寻找保护熔丝。若没有显微镜，则采用将芯片的不同部分暴露到紫外光下并观察结果的方式进行简单的搜索。

操作时应用不透明的物体覆盖芯片以保护程序存储器不被紫外光擦除。将保护熔丝暴露在紫外光下５～10分钟就能破坏掉保护位的保护作用，之后，使用简单的编程器就可直接读出程序存储器的内容。

对于使用了防护层来保护EEPROM单元的单片机来说，使用紫外光复位保护电路是不可行的。对于这种类型的单片机，一般使用微探针技术来读取存储器内容。在芯片封装打开后，将芯片置于显微镜下就能够很容易的找到从存储器连到电路其它部分的数据总线。

由于某种原因，芯片锁定位在编程模式下并不锁定对存储器的访问。利用这一缺陷将探针放在数据线的上面就能读到所有想要的数据。在编程模式下，重启读过程并连接探针到另外的数据线上就可以读出程序和数据存储器中的所有信息。

还有一种可能的攻击手段是借助显微镜和激光切割机等设备来寻找保护熔丝，从而寻查和这部分电路相联系的所有信号线。

由于设计有缺陷，因此，只要切断从保护熔丝到其它电路的某一根信号线（或切割掉整个加密电路）或连接1～3根金线（通常称 FIB：focused ion beam），就能禁止整个保护功能，这样使用简单的编程器就能直接读出程序存储器的内容。

虽然大多数普通单片机都具有熔丝烧断保护单片机内代码的功能，但由于通用低档的单片机并非定位于制作安全类产品，因此，它们往往没有提供有针对性的防范措施且安全级别较低。

加上单片机应用场合广泛，销售量大，厂商间委托加工与技术转让频繁，大量技术资料外泻，使得利用该类芯片的设计漏洞和厂商的测试接口，并通过修改熔丝保护位等侵入型攻击或非侵入型攻击手段来读取单片机的内部程序变得比较容易。

对单片机加密几点建议

任何一款单片机从理论上讲，攻击者均可利用足够的投资和时间使用以上方法来解密。这是系统设计者应该始终牢记的基本原则。

因此，作为电子产品的设计工程师非常有必要了解当前单片机攻击的最新技术，做到知己知彼，心中有数，才能有效防止自己花费大量金钱和时间辛辛苦苦设计出来的产品被人家一夜之间仿冒的事情发生。

下面是根据某公司的解密实践提出的建议：

在选定加密芯片前，要充分调研，了解单片机破解技术的新进展，包括哪些单片机是已经确认可以破解的。尽量不选用已可破解或同系列、同型号的芯片选择采用新工艺、新结构、上市时间较短的单片机。
对于安全性要求高的项目，尽量不要使用普及程度最高，被研究得也最透的芯片。
产品的原创者，一般具有产量大的特点，所以可选用比较生僻、偏冷门的单片机来加大仿冒者采购的难度，选用一些生僻的单片机。
在设计成本许可的条件下，应选用具有硬件自毁功能的智能卡芯片，以有效对付物理攻击；另外程序设计的时候，加入时间到计时功能，比如使用到1年，自动停止所有功能的运行，这样会增加破解者的成本。
如果条件许可，可采用两片不同型号单片机互为备份，相互验证，从而增加破解成本。
打磨掉芯片型号等信息或者重新印上其它的型号，以假乱真。
可以利用单片机未公开,未被利用的标志位或单元,作为软件标志位。
你应在程序区写上你的大名单位开发时间及仿制必究的说法，以备获得法律保护；另外写上你的大名的时候，可以是随机的，也就是说，采用某种算法，外部不同条件下，你的名字不同，比如www.XXXXX.com、www.XXXXX.cn、 www.XXXXX.com.cn等，这样比较难反汇编修改。
采用高档的编程器，烧断内部的部分管脚，还可以采用自制的设备烧断金线，这个目前国内几乎不能解密，即使解密，也需要上万的费用，需要多个母片。
采用保密硅胶（环氧树脂灌封胶）封住整个电路板，PCB上多一些没有用途的焊盘，在硅胶中还可以掺杂一些没有用途的元件，同时把MCU周围电路的电子元件尽量抹掉型号。
可以用编程器把空白区域中的FF改成00，也就是把一些未使用的空间都填充好,这样一般解密器也就找不到芯片中的空位,也就无法执行以后的解密操作。