CRC校驗(yàn) | 程序如何檢查自身完整性？（1）

在一些比較嚴(yán)格的行業(yè)里面，不是說(shuō)你的程序能完成必要功能就可以，還需要添加一些額外的功能，比如最常見(jiàn)的看門(mén)狗功能，它可以在程序死機(jī)時(shí)完成重啟，但也僅僅如此而已。很多異常它是無(wú)法檢查的，比如程序偶然跑飛，ram 異常、flash異常等其他問(wèn)題，只有程序hardfault或者其他嚴(yán)重問(wèn)題導(dǎo)致程無(wú)法喂狗時(shí)才能起作用。

所以有些產(chǎn)品為了保障安全，會(huì)增加安規(guī)代碼，保證程序能夠正常運(yùn)行（UL/CSA/IEC 60730-1/60335-1 B類(lèi)認(rèn)證）。

自檢內(nèi)容

MCU 安全檢查一般包括以下幾個(gè)方面：

1、CPU 自測(cè)（寄存器測(cè)試）

2、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率測(cè)量（保證時(shí)鐘正常工作，不快也不慢，GD 芯片在短路晶振后，程序暫停運(yùn)行，無(wú)法檢查，但是 ST 芯片會(huì)自動(dòng)切換到內(nèi)部時(shí)鐘，可以由程序檢查這種異常）

3、RAM 自檢

4、FLASH 存儲(chǔ)器完整性檢查

5、獨(dú)立看門(mén)狗、窗口看門(mén)狗檢查

6、安全相關(guān)變量檢查

7、中斷檢查

8、I/O 口檢查

9、棧檢查

10、程序流程控制

11、AD 口檢查

你會(huì)發(fā)現(xiàn)真要完成這份安規(guī)代碼，難度不是一般的大，不過(guò)一般芯片廠商會(huì)提供相關(guān)參考例程和相關(guān)文檔，但不是說(shuō)有了這些資料就完全沒(méi)有問(wèn)題了。

比如 ST 提供了一個(gè)參考例子，但是它使用的 HAL 庫(kù)（事實(shí)上它還有標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，當(dāng)時(shí)不知道），如果原本程序用的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，那么就需要進(jìn)行移植，這個(gè)工作量也不是一般大（首先要能理解程序，才能進(jìn)行正確移植，而里面的邏輯還是很復(fù)雜的）。如果你不想移植，還有一個(gè)辦法是使用 lib 庫(kù)，就是將相關(guān)功能打包成一個(gè)庫(kù)，雖然程序會(huì)大一些（畢竟很多底層代碼和原來(lái)的重復(fù)了），但確實(shí)是比較簡(jiǎn)單的方法（前提是 flash 夠大）。

魚(yú)鷹走的是第一條路，移植，并且將相關(guān)的底層代碼提供了接口，這樣不管是用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還是 HAL 庫(kù)，只要自己實(shí)現(xiàn)這這些特定的接口即可完成。

另外，參考例子只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最基本的功能，在真正的產(chǎn)品不一定能適用。比如你的程序負(fù)載大，而里面為了測(cè)量時(shí)鐘頻率，幾百微秒時(shí)間就要進(jìn)入一次中斷（即使是分頻后），如果剛好在中斷產(chǎn)生時(shí)，其他程序禁用了中斷，運(yùn)行這些代碼有可能就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，很容易錯(cuò)過(guò)中斷而導(dǎo)致復(fù)位。

在我一開(kāi)始移植的時(shí)候就是如此，在一個(gè)簡(jiǎn)單的程序里面可以正常運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，但是移植到產(chǎn)品工程里面，時(shí)不時(shí)出現(xiàn)時(shí)鐘檢查不通過(guò)的時(shí)候，導(dǎo)致程序不停重啟，最終魚(yú)鷹通過(guò) DMA 傳輸?shù)姆绞浇鉀Q了這個(gè)問(wèn)題，再也不會(huì)因?yàn)闀r(shí)鐘檢查不通過(guò)導(dǎo)致重啟了。

另外一個(gè)難點(diǎn)是對(duì) .sct （分散加載）文件的理解，這個(gè)會(huì)在后面介紹。

安規(guī)相關(guān)的內(nèi)容實(shí)在是太多，要寫(xiě)的話可以寫(xiě)成一個(gè)系列了，如果各位道友感興趣的話，多多轉(zhuǎn)發(fā)支持一下魚(yú)鷹，如果效果不錯(cuò)，魚(yú)鷹會(huì)考慮完成后續(xù)的其它部分。（這里有一份比較全面但簡(jiǎn)單一些的參考文章可以看看 http://news.eeworld.com.cn/mp/STM32/a80041.jspx，只介紹如何做，沒(méi)怎么介紹為什么這么做）

資料

ST 相關(guān)資料可以查看以下內(nèi)容（www.st.com，下載時(shí)需要注冊(cè)郵箱才行，魚(yú)鷹公眾號(hào)后臺(tái)提供了部分資料，可自行領(lǐng)取）

《AN4435 應(yīng)用筆記》中文版，《AN277》（ROM Self-Test）

STM8-SafeCLASSB

https://www.st.com/en/embedded-software/stm8-safeclassb.html

STM32-CLASSB-SPL(基于標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù))

https://www.st.com/en/embedded-software/stm32-classb-spl.html#tools-software

X-CUBE-CLASSB(基于HAL庫(kù))

https://www.st.com/en/embedded-software/x-cube-classb.html（不同版本有不同芯片，比如 2.2.0 版本的是 Fx 相關(guān)的，2.3.0 是H7、G0 相關(guān)的）

當(dāng)然國(guó)產(chǎn)芯片也一般會(huì)提供例程。

本篇筆記只介紹其中一個(gè)內(nèi)容，即 FLASH 檢查，換句話說(shuō)就是程序完整性檢查。

FLASH 檢查

我們以比較復(fù)雜的 boot + app + rtos ，開(kāi)發(fā)環(huán)境 keil 、stm32f103 為例介紹相關(guān)知識(shí)。

一般 boot 和 app 部分是用不同工程管理的，所以 app 部分代碼只能檢查自身的完整性，而不能檢查 boot 部分。

并且 app 的 flash 區(qū)也不是完全檢查的，有一小部分是也沒(méi)法檢查的，但這并不影響它的功能（既然已經(jīng)跳轉(zhuǎn)到 app 里面了，那么 boot 部分 flash 即使在運(yùn)行時(shí)有問(wèn)題也不影響功能，而如果變量初始值的flash有問(wèn)題就是關(guān)鍵變量檢查的問(wèn)題了）。

現(xiàn)在就是如何檢查的問(wèn)題了。

如何檢查 | 基本原理

校驗(yàn)手段有很多，比如 和校驗(yàn)、MD5 校驗(yàn)、CRC 校驗(yàn)，這里我們使用 CRC，因?yàn)橐话阈酒瑑?nèi)部會(huì)內(nèi)置該外設(shè)硬件計(jì)算（如果沒(méi)有，可以純 CPU 計(jì)算）。

然后我們需要了解完整性檢查的基本原理。

所謂程序完整性檢查，就是在下載代碼前，先用工具把要校驗(yàn)的部分通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出一個(gè)值，保存在某個(gè)地方（flash），然后程序在運(yùn)行的時(shí)候，自己也去讀取要校驗(yàn)的 flash 部分，通過(guò)同樣的計(jì)算公式計(jì)算出一個(gè)值，然后將這個(gè)值和保存在 flash 里面的值進(jìn)行比較，就可以看出代碼是否存在異常了，有異常及時(shí)處理，沒(méi)有異常就繼續(xù)重新檢查。

而檢查分成兩個(gè)步驟：

1、開(kāi)機(jī)時(shí)，一次性完成所有計(jì)算，保證運(yùn)行前完整。

2、正常運(yùn)行時(shí)，定時(shí)計(jì)算，每次計(jì)算一個(gè)小塊，當(dāng)計(jì)算完最后一塊時(shí)才比較結(jié)果，成功就重新繼續(xù)計(jì)算，失敗則終止程序運(yùn)行，周而往復(fù)（計(jì)算需要較長(zhǎng)的時(shí)間，分時(shí)計(jì)算可以不影響程序正常功能），這樣可以保證程序在運(yùn)行時(shí)也能檢查 FLASH 的完整性，防止 FLASH 運(yùn)行過(guò)程中破壞掉。

現(xiàn)在有個(gè)問(wèn)題，CRC 保存在何處才是合適的？

隨便保存在一個(gè)地方肯定是不行的。假設(shè)這個(gè)位置在要校驗(yàn)代碼部分的里面，那么當(dāng)工具計(jì)算這個(gè)值時(shí)，又會(huì)篡改掉校驗(yàn)部分里面的數(shù)據(jù)（因?yàn)槟惆?CRC 值放到里面了），那么你的程序校驗(yàn)時(shí)，肯定不通過(guò)，因?yàn)槟阕x了一個(gè)被改變的 CRC 值。所以這個(gè)值一定要放在代碼的最后面才行。

另外前面說(shuō)過(guò)，運(yùn)行時(shí)會(huì)一小塊一小塊，所以要保證你的 CRC 值存放位置應(yīng)該在小塊大小的邊界位置上。比如一次計(jì)算 16 字節(jié)，那你存放的位置應(yīng)該是 16 的倍數(shù)才是正常的。

所以，CRC 存放位置存在這兩個(gè)限制。

另外，如何提前計(jì)算好 CRC 的值呢？IAR 內(nèi)置該功能，而 KEIL 我們可以借助強(qiáng)大的開(kāi)源工具 SRecord《功能強(qiáng)大的 HEX 開(kāi)源轉(zhuǎn)換工具，你值得擁有》（一轉(zhuǎn)眼，這篇文章差不多鴿了四個(gè)多月了）幫助我們計(jì)算。

基本知識(shí)都了解的差不多了，接下來(lái)就是如何操作的問(wèn)題。

實(shí)操

1、固定 CRC 位置。

我們可以在啟動(dòng)文件的最后加入以下代碼（END 前）

這里默認(rèn)是 0x3D334398，但會(huì)在后續(xù)修改成正確的 CRC 值

;*******************************************************************************
; User Checksum - must be placed at the end of memory
;*******************************************************************************
                AREA    CHECKSUM, DATA, READONLY, ALIGN=6
                EXPORT  __Check_Sum
; Alignement here must correspond to the size of tested block at FLASH run time test (16 words ~ 64 bytes)!!!
                ALIGN
__Check_Sum     DCD     0x3D334398;                  ; Check sum computed externaly

這里保證了 __Check_Sum 的地址是 2 ^ 6 大小對(duì)齊，所以你的計(jì)算小塊可以這個(gè)大小，當(dāng)然也可以小一些，比如 2 ^ 5 等。這樣就可以將檢查部分分成固定的小塊，不會(huì)多，也不會(huì)少，剛剛好（必須）。

那么如何將這個(gè)地址固定在代碼最后呢？這個(gè)時(shí)候就需要我們的 .sct 文件發(fā)揮作用了

（ClassB_stm32F10x.sct）。
ER_IROM1 0x08000000 0x10000  {  ; load address = execution address
      *.o (RESET, +First)
      *(InRoot$$Sections)
      .ANY (+RO)
      *.o (CHECKSUM, +Last) ;放置在最后
    }

我們用了 +Last 將其放置在代碼的最后部分，你想把它放置在 bin 文件最后面？暫時(shí)魚(yú)鷹還沒(méi)想到怎么做，有知道的道友可以告訴魚(yú)鷹（通過(guò) sct 的方式）。

2、CRC 計(jì)算腳本

在 windows 叫批處理，.bat ，我們可以在參考例程中找到。crc_gen_keil.bat

我們需要需改三個(gè)位置

第一個(gè)是你的計(jì)算工具的路徑，里面應(yīng)該要有計(jì)算工具。

第二個(gè)就是你的工程名字，我們通過(guò)下面位置確定（魚(yú)鷹用的 Main）：

最后是工程路徑。一般在 Objects 文件夾里面，而 map 文件一般在 Listings 文件夾里面。

說(shuō)白了，這些變量就是為了讓腳本能夠找到 map、hex 文件和工具。但一般默認(rèn)工程，這兩個(gè)文件可能不在一個(gè)文件夾里面，所以我們可以對(duì)例子中的批處理文件 crc_gen_keil.bat 進(jìn)行適當(dāng)修改。

map 文件的作用是為了讓腳本能夠搜索到 __Check_Sum 的地址，然后就可以計(jì)算 CRC 并修改 HEX 里面這個(gè)值了。

另外還有新增了一個(gè)變量 HEX_ADRR，當(dāng)我們的計(jì)算位置不是從 0x08000000 開(kāi)始時(shí)（比如 app 起始地址在 0x08009000），我們就可以修改這個(gè)變量值。還有我們希望在計(jì)算完并修改 CRC 后可以自己生成 bin 文件方便我們更新固件，還需要加入轉(zhuǎn)化成 bin 的命令。

其中為了下載修改（CRC）后的 HEX 文件，我們還需要簡(jiǎn)單修改一下，用于判斷工具是否存在，不存在，直接刪除 hex 和 axf 文件（防止下載未修改的文件）。

%xxx% 類(lèi)似腳本中的 $xxx

if not exist %SREC_PATH% (
    echo %SREC_PATH% is not exit, exit
    echo ----------------------------------------del %INPUT_HEX% -- %AXF_FILE% ---------------
    del %INPUT_HEX% %AXF_FILE%
    exit
)