免拆芯片提取固件

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免拆芯片提取固件

近期做项目,使用芯片夹对 MCU 固件进行了免拆提取。客户很感兴趣,会后负责人特意找到我,想我给他发点相关的资料学习一下。本以为网上很多,搜索了一下都不是很满意,大多讲的固件提取的方式,即没有基础知识介绍,也没有详细的操作步骤。既然没有就自己动手吧,于是便有今天的这篇文章。

为什么要免拆提取呢,直接用热风枪吹下来,用 Flash 编程器读取,它不香吗。免拆,一是懒,吹下来之后还要焊上去,对动手能力要求要高一些;二是,像我们在外面做项目,也不一定有热风枪、电烙铁什么的,出差不可能随声带上吧(下面放一张我出差携带的部分装备)。还有一点,有些情况客户是不允许拆芯片的。

出行装备

另外还有一点,多数资料都是将如何从 Flash 中提取固件,很少讲怎么从 MCU 中提取固件。下面会介绍一些知识,然后分别演示如何从 Flash 和 MCU 免拆提取固件。

 

基础知识

芯片封装与针脚定义

使用芯片夹可以实现 SOP、QFP 封装等针脚外露的芯片免拆固件提取,而对 QFN、BGA 等封装方式则无能无力。

  • SOP8/16
  • SOP(Small Out-Line Package,小外形封装) 针脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L 字形),一般用于针脚不太多的芯片上 。SOP8/16 封装的 Flash 在路由器、摄像头等 IOT 设备厂较为常见。针脚有8根或16根,且一个角上有小圆点(每个芯片都有一个小圆点,小圆点所在的位置是第一针脚,然后逆时针排布第二针脚,第三针脚等),型号代码一般是24或25开头。SOP8/16 SPI Flash 一般的针脚定义如下。

SOP8/16

引脚 定义
/CS 片选
DO 数据输出
/WP 写保护
GND 电源地
VCC 电源正极
/HOLD 输入保持
/RESET 复位
CLK 时钟
DI 数据输入

SPI FLASH

  • QFP
  • QFP(Plastic Quad Flat Package,方型扁平式封装技术)针脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。实现的芯片针脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其针脚数一般都在64以上。在小型IOT设备中可作为主控或协处理器。下图中的芯片就是采用 QFP 封装。

QFP

此类封装由于针脚数不固定,没有统一标准,一般由厂商自行定义,引脚定义详见芯片手册。

  • GBABGA(Ball Grid Array Package,球栅阵列封装) 封装的 I/O 端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。由于 I/O 端子在封装下方,提取固件则需要使用BGA返修台拆卸下来读取,不能实现免拆提取。BGA 封装一般用于 CPU 和大容量存储。BGA此类封装同 QFP 封装的芯片一样,引脚定义需看看相应的芯片手册。

芯片夹

一般使用的夹子有三种。第一种是SOP8/16脚测夹,常用于 SPI 闪存的固件提取;第二种是芯片通用测试夹测试钩子,常用于SOP QFP 封装芯片的固件提取或协议分析;第三种是ECU 探针,多用于汽车 ECU 固件提取。

  • SOP8/16脚测夹

SOP8/16脚测夹适用于 SOP8 以及 SOP16 封装的芯片。

  • 芯片通用测试夹测试钩子

芯片通用测试夹测试钩子此类钩子淘宝上有好几种在售。下图的这种,只适用于芯片针脚较少的芯片,如采用 SOP8 封装的芯片。勾式是单钩钩取,扁式是双钩夹取。这种的价格相对便宜一些。

下面这种夹子更细,能够用在有更多更细的针脚芯片上,如 QFP 封装的 MCU。这类夹子较上面的这种要贵一些。

这类夹子都比较小,当需要夹连续的针脚时有一定的困难,需要反复尝试。另外由于没有支撑,可能刚夹上就被弹开了,这种情况就可以用ECU 探针来连接。

  • ECU 探针

ECU 探针常用于汽车行业,是动力调教等玩车搞车一族的必备单品。当然其他的芯片也可以用它来进行固件提取。这类由于带有支架,使用是只需要把探针搭在对应的芯片针脚上。

 

从 Flash 中提取固件

免拆读取 Flash,一般读取 SOP8 封装的 SPI Flash较多,使用SOP8/16脚测夹较为方便。提取所需的软硬件如下。

  • 软件
    • flashrom: flashrom 是一个开源的跨平台的烧录工具, 提供了不少的芯片支持和编程器支持. 用于识别、 读取、写入、 验证和擦除各种 Flash 芯片。
  • 硬件
    • 测试夹:SOP8/16脚测夹,上文有详细介绍。
    • 编程器:CH341A 编程器/树莓派/CJMCU FT232H等(任选一)

这里我用树莓派做演示,之前用过 CH341A 编程器 提取的速度比较慢,建议使用树莓派或 FT232H 等调试器。

  1. 安装flashrom使用 apt 直接安装。
    sudo apt-get intall flashrom
    
  2. 启用树莓派的 SPI使用树莓派的配置命令rasp_config,依次选择 “Interfacing Options” -> SPI -> YES 启动树莓派的 SPI 接口。
  3. 加载 SPI 模块要使用树莓派的 SPI 接口还需要加载 spi_bcm2835 与 spidev 模块。
    pi@raspberrypi:~ $ sudo modprobe spi_bcm2835
    pi@raspberrypi:~ $ sudo modprobe spidev
    
  4. 接线首先找到板子上的 Flash,然后找到 Flash 的 datasheet 中对引脚的定义与树莓派的引脚定义,根据 flashrom 上给出的使用说明进行连接,如下图。

树莓派引脚 SPI Flash 引脚
25 GND
24 /CS
23 SCK
21 DO
19 DI
17 VCC 3.3V (+ /HOLD, /WP)

一般情况下 SPI Flash 的 VCC、/HOLD、/WP 都需要连接树莓派的 3.3V 的 VCC 上。

按照上表进行接线,连接好的效果图如下。使用编程器、调试器等设备时接线也类似。

  1. 提取接好线后,使用 flashrom 提取固件。-p 选项指定使用的设备类型,这里使用了树莓派的 spi 接口,并设定读写速度;-r 选项指定读取后保存的路径;从文件中写回 flash 所用到的选项为 -w。如下成功提取固件并保存到了当前目录的 w25q_rasp.bin 文件中了。
    pi@raspberrypi:~ $ flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev0.0,spispeed=1000 -r w25q_rasp.bin
    flashrom  on Linux 4.19.57-v7+ (armv7l)
    flashrom is free software, get the source code at https://flashrom.org
    
    Using clock_gettime for delay loops (clk_id: 1, resolution: 1ns).
    Found Winbond flash chip "W25Q128.V" (16384 kB, SPI) on linux_spi.
    Reading flash... done.
    

 

从 MCU 中提取固件

从 Flash 中提取固件较为常见,但有些情况下固件被没有存储在外置的 Flash 上,而是在 MCU 的内置 Flash 中。这时需要通过调试接口(SWD/JTAG等)对固件进行提取,也可以进行动态调试。

对 MCU 上固件进行提取,首先需要根据芯片手册,找到调试接口。有些情况下,调试接口可能会引出。下图是我曾经研究过的一款智能设备,板子上引出 SWD 调试接口。

板子上预留SWD调试接口

但随着硬件厂商对安全的重视,MCU 调试接口被引出的情况越来越少。但遇到这种情况时,可以尝试直接操作芯片针脚。下面演示使用芯片测试夹从 MCU 中提取内置固件。提取所需的软硬件如下。

  • 硬件
    • 测试夹:芯片通用测试夹测试钩子。
    • FT232H:多功能 USB to JTAG SWD/UART/FIFO SPI/I2C 模块。也可以使用 JLink、STLink 等调试器。
  • 软件
    • OpenOCD: OpenOCD(Open On-Chip Debugger)是一个开源的片上调试器,旨在提供针对嵌入式设备的调试、系统编程和边界扫描功能,可以与 GDB 配合进行动态调试。

以下以某 IOT 设备 MCU (STM32f030 RCT6) 为例使用测试夹通过 OpenOCD 提取固件。STM32f030 RCT6采用 QFP 64 封装。

  1. OpenOCD 安装与简单使用使用 apt 直接安装。
    sudo apt-get install openocd
    

    有特殊需求时,也可以进行源码安装。部分芯片厂商对 OpenOCD 进行了适配,如新唐的 OpenOCD-Nuvoton

    OpenOCD 运行需要两个配置文件,第一个是调试器的配置文件,第二个是目标芯片的配置文件。

     openocd -f interface/ft232h-module-swd.cfg  -f target/stm32f0x.cfg
    

    OpenOCD 运行之后,使用 telnet 连接本地的 4444 端口与芯片进行交互。连接后,输入 help 查看支持的命令,不同的芯片支持的命令有所不同。一般而言提取固件使用 dump_image命令。

    GDB 动态调试监听见本地的 3333 端口,进入GDB 后通过 target remote localhost:3333连接。

  2. 连线根据芯片丝印 STM32f030 RCT6下载相应的芯片手册。在手册中找到调试接口,此芯片采用 SWD 进行调试。STM32f030 RCT6有 64 个针脚,对应下图 46 号针脚 SWDIO,49 号针脚 SWCLK,63 号针脚 VSS,7 号针脚 RESET。然后,使用已连接杜邦线的测试夹连接SWD 接口,依次为 7 号针脚(RESET)、 46 号针脚(SWDIO)、 49 号针脚(SWCLK)、 63 号针脚(VSS) ,连接之后如下图。

芯片测试夹连接SWD接口

然后,按下图连接 FT232H。注意 AD2(DO) 需要串联一个电阻,然后与 AD1(DI) 合并组成 SWDIO。

swd-ft2332h SWD连接说明

最后将 FT232H 通过 USB 接口连接电脑。上面的忘记拍全景图了,放张读取其他的芯片的作为参考。连接好的效果图类似下图。

使用FT232H连接SWD接线图

  1. 查看芯片手册找到固件所在位置STM32F030 内存映射根据芯片手册的内存映射(如上图) dump固件。固件地址在 0x0000 0000 – 0x2000 0000 中,0x0000 0000 – 0x0004 0000 为 Flash Memory/System Memory/SRAW depending on BOOT configuration、0x0804 0000 – 0x0800 0000 为 Flash memory、0x1FFF xx00 – 0x1FFF FFFF 为 System memory等。
    • System Memory: 从系统存储器启动,这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。一般来说,这种启动方式用的比较少。系统存储器是芯片内部一块特定的区域,STM32 在出厂时,由 ST 在这个区域内部预置了一段 BootLoader, 也就是我们常说的 ISP 程序, 这是一块 ROM,出厂后无法修改。一般来说,我们选用这种启动模式时,是为了从串口下载程序,因为在厂家提供的 BootLoader 中,提供了串口下载程序的固件,可以通过这个 BootLoader 将程序下载到系统的 Flash 中。
    • Flash Memory:是 STM32 内置的 Flash,一般我们使用 JTAG 或者 SWD 模式下载程序时,就是下载到这个里面,重启后也直接从这启动程序。
    • SRAW:内置 SRAM,既然是 SRAM,自然也就没有程序存储的能力了,这个模式一般用于程序调试。假如我只修改了代码中一个小小的地方,然后就需要重新擦除整个 Flash,比较的费时,可以考虑从这个模式启动代码(也就是 STM32 的内存中),用于快速的程序调试。

    由上可知,固件在 Flash Memory 中,起始地址为 0x8000000 ,大小为 x40000。

  2. 提取固件首先运行 OpenOCD,连接成功的输出如下。
    root@kali:/usr/share/openocd/scripts# openocd -f interface/ft232h-module-swd.cfg  -f target/stm32f0x.cfg 
    Open On-Chip Debugger 0.10.0
    Licensed under GNU GPL v2
    For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
    adapter speed: 1000 kHz
    Info : FTDI SWD mode enabled
    swd
    adapter speed: 1000 kHz
    adapter_nsrst_delay: 100
    none separate
    cortex_m reset_config sysresetreq
    Info : clock speed 1000 kHz
    Info : SWD DPIDR 0x0bb11477
    Info : stm32f0x.cpu: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints
    Polling target stm32f0x.cpu failed, trying to reexamine
    in procedure 'stm32f0x_default_examine_end' 
    in procedure 'mmw' called at file "target/stm32f0x.cfg", line 65
    in procedure 'mrw' called at file "mem_helper.tcl", line 25
    at file "mem_helper.tcl", line 6
    

    然后使用 telnet 连接 locahsot:4444 端口 dump 固件。首先输入命令 halt 中断代码执行,然后使用dump_image 导出固件的文件名 起始地址 导出的数据长度 导出固件。固件的起始地址和大小,我们在上一步已经获取到了。使用命令dump_image flash.bin 0x8000000 0x40000提取固件。

    root@kali:~# telnet 127.0.0.1 4444
    > halt
    target halted due to debug-request, current mode: Thread 
    xPSR: 0x21000000 pc: 0x0801a8de msp: 0x20007990
    > flash list 
    {name stm32f1x base 134217728 size 0 bus_width 0 chip_width 0}
    > dump_image flash.bin 0x8000000 0x40000
    dumped 262144 bytes in 3.812859s (67.141 KiB/s)
    

然而,并不是每一个 QFP 封装的 MCU 都能够免拆提取出固件 ,现在不少芯片开启了代码读取保护(CRP/RDP)。CRP 这一机制就是为了防止固件被提取而设计的。下图是 STM32L151 手册中关于代码读保护的介绍。

STM32L151 代码读保护介绍

另一方面,此方法可以应用在 IOT 安全测试中,用于验证 CRP 是否开启。

另外,使用 ECU 探针读取固件方式与使用芯片通用测试夹测试钩子类似。唯一的差异是探针是搭在针脚上,而不是夹在针脚上。

以上我是近两年对 IOT 设备硬件的一些粗浅认识,有什么不当之处,还请大佬们不吝赐教。

 

参考

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