程序如何检查自身完整性？
时间：2021-08-20 16:37:53
[导读]关注「嵌入式大杂烩」，选择「星标公众号」一起进步！来源| 鱼鹰谈单片机在一些比较严格的行业里面，不是说你的程序能完成必要功能就可以，还需要添加一些额外的功能，比如最常见的看门狗功能，它可以在程序死机时完成重启，但也仅仅如此而已。很多异常它是无法检查的，比如程序偶然跑飞，ram异常...
关注「嵌入式大杂烩」，选择「星标公众号」一起进步！
来源 | 鱼鹰谈单片机
在一些比较严格的行业里面，不是说你的程序能完成必要功能就可以，还需要添加一些额外的功能，比如最常见的看门狗功能，它可以在程序死机时完成重启，但也仅仅如此而已。很多异常它是无法检查的，比如程序偶然跑飞，ram 异常、flash异常等其他问题，只有程序hardfault或者其他严重问题导致程无法喂狗时才能起作用。所以有些产品为了保障安全，会增加安规代码，保证程序能够正常运行（UL/CSA/IEC 60730-1/60335-1 B类认证）。
2、系统时钟频率测量（保证时钟正常工作，不快也不慢，GD 芯片在短路晶振后，程序暂停运行，无法检查，但是 ST 芯片会自动切换到内部时钟，可以由程序检查这种异常）
3、RAM 自检
4、FLASH 存储器完整性检查
5、独立看门狗、窗口看门狗检查
6、安全相关变量检查
7、中断检查
8、I/O 口检查
9、栈检查
10、程序流程控制
11、AD 口检查你会发现真要完成这份安规代码，难度不是一般的大，不过一般芯片厂商会提供相关参考例程和相关文档，但不是说有了这些资料就完全没有问题了。比如 ST 提供了一个参考例子，但是它使用的 HAL 库（事实上它还有标准库，当时不知道），如果原本程序用的标准库，那么就需要进行移植，这个工作量也不是一般大（首先要能理解程序，才能进行正确移植，而里面的逻辑还是很复杂的）。如果你不想移植，还有一个办法是使用 lib 库，就是将相关功能打包成一个库，虽然程序会大一些（毕竟很多底层代码和原来的重复了），但确实是比较简单的方法（前提是 flash 够大）。鱼鹰走的是第一条路，移植，并且将相关的底层代码提供了接口，这样不管是用标准库还是 HAL 库，只要自己实现这这些特定的接口即可完成。另外，参考例子只是实现了一个最基本的功能，在真正的产品不一定能适用。比如你的程序负载大，而里面为了测量时钟频率，几百微秒时间就要进入一次中断（即使是分频后），如果刚好在中断产生时，其他程序禁用了中断，运行这些代码有可能就会出现问题，很容易错过中断而导致复位。在我一开始移植的时候就是如此，在一个简单的程序里面可以正常运行很长时间，但是移植到产品工程里面，时不时出现时钟检查不通过的时候，导致程序不停重启，最终鱼鹰通过 DMA 传输的方式解决了这个问题，再也不会因为时钟检查不通过导致重启了。另外一个难点是对 .sct （分散加载）文件的理解，这个会在后面介绍。
安规相关的内容实在是太多，要写的话可以写成一个系列了，如果各位道友感兴趣的话，多多转发支持一下鱼鹰，如果效果不错，鱼鹰会考虑完成后续的其它部分。（这里有一份比较全面但简单一些的参考文章可以看看 http://news.eeworld.com.cn/mp/STM32/a80041.jspx，只介绍如何做，没怎么介绍为什么这么做）
STM8-SafeCLASSB
https://www.st.com/en/embedded-software/stm8-safeclassb.htmlSTM32-CLASSB-SPL(基于标准外设库)
https://www.st.com/en/embedded-software/stm32-classb-spl.html#tools-softwareX-CUBE-CLASSB(基于HAL库)
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 相关的，2.3.0 是H7、G0 相关的）当然国产芯片也一般会提供例程。
本篇笔记只介绍其中一个内容，即 FLASH 检查，换句话说就是程序完整性检查。
现在就是如何检查的问题了。
在 windows 叫批处理，.bat ，我们可以在参考例程中找到。crc_gen_keil.bat我们需要需改三个位置
第一个是你的计算工具的路径，里面应该要有计算工具。
第二个就是你的工程名字，我们通过下面位置确定（鱼鹰用的 Main）：
最后是工程路径。一般在 Objects 文件夹里面，而 map 文件一般在 Listings 文件夹里面。说白了，这些变量就是为了让脚本能够找到 map、hex 文件和工具。但一般默认工程，这两个文件可能不在一个文件夹里面，所以我们可以对例子中的批处理文件 crc_gen_keil.bat 进行适当修改。
map 文件的作用是为了让脚本能够搜索到 __Check_Sum 的地址，然后就可以计算 CRC 并修改 HEX 里面这个值了。另外还有新增了一个变量 HEX_ADRR，当我们的计算位置不是从 0x08000000 开始时（比如 app 起始地址在 0x08009000），我们就可以修改这个变量值。还有我们希望在计算完并修改 CRC 后可以自己生成 bin 文件方便我们更新固件，还需要加入转化成 bin 的命令。其中为了下载修改（CRC）后的 HEX 文件，我们还需要简单修改一下，用于判断工具是否存在，不存在，直接删除 hex 和 axf 文件（防止下载未修改的文件）。
%xxx% 类似脚本中的 $xxx
否则，下载的默认 axf 文件会因为 CRC 未修改，程序将不断重启。
完整的修改（可以自行对比官方例程文件）：
完整计算
分小块计算
需要注意的是，每次全部检查完之后得复位一下 CRC 外设，否则会继续用之前的结果继续计算。4、工程配置
准备好前面的内容后，即可进行工程配置。
生成 HEX
使用 debug 按钮时下载的文件：
crc_load.ini （需要根据自己的工程自行修改）
特别注意里面的双反斜杠，没有它，将找不到正确路径。这里以工程文件（.uvprojx）所在路径为相对路径。
使用 load 按钮时下载配置：
不然你下载（点击 load）的时候，就会下载默认的 axf 文件，而 axf 里面的 CRC 值也是默认的，并没有被修改，所以这一步也是必须的。使用修改的分散加载文件，这可以保证我们的 CRC 存放位置在代码最后面。
最后一步，当编译完成后，让工具帮我们自动计算 CRC 值，并将值修改到 HEX 文件里面。添加我们前面的批处理文件：
这样所有的工程配置就完成了。
当我们在 C 盘添加工具后编译：
从这里我们可以得到几点信息：
1、计算范围 0x08000000 ~ 0x08007640。
2、CRC 存放位置在 0x08007640，四个字节
3、可以使用 srec_cmp.exe 比较两个 HEX 文件的区别（修改前和修改后）。这里的区别在 0x08007640 ~ 0x8007643。
4、生成的 bin 文件和 hex 文件相对存放路径。
大功告成！
来源 | 鱼鹰谈单片机
在一些比较严格的行业里面，不是说你的程序能完成必要功能就可以，还需要添加一些额外的功能，比如最常见的看门狗功能，它可以在程序死机时完成重启，但也仅仅如此而已。很多异常它是无法检查的，比如程序偶然跑飞，ram 异常、flash异常等其他问题，只有程序hardfault或者其他严重问题导致程无法喂狗时才能起作用。所以有些产品为了保障安全，会增加安规代码，保证程序能够正常运行（UL/CSA/IEC 60730-1/60335-1 B类认证）。
自检内容
MCU 安全检查一般包括以下几个方面：1、CPU 自测（寄存器测试）2、系统时钟频率测量（保证时钟正常工作，不快也不慢，GD 芯片在短路晶振后，程序暂停运行，无法检查，但是 ST 芯片会自动切换到内部时钟，可以由程序检查这种异常）
3、RAM 自检
4、FLASH 存储器完整性检查
5、独立看门狗、窗口看门狗检查
6、安全相关变量检查
7、中断检查
8、I/O 口检查
9、栈检查
10、程序流程控制
11、AD 口检查你会发现真要完成这份安规代码，难度不是一般的大，不过一般芯片厂商会提供相关参考例程和相关文档，但不是说有了这些资料就完全没有问题了。比如 ST 提供了一个参考例子，但是它使用的 HAL 库（事实上它还有标准库，当时不知道），如果原本程序用的标准库，那么就需要进行移植，这个工作量也不是一般大（首先要能理解程序，才能进行正确移植，而里面的逻辑还是很复杂的）。如果你不想移植，还有一个办法是使用 lib 库，就是将相关功能打包成一个库，虽然程序会大一些（毕竟很多底层代码和原来的重复了），但确实是比较简单的方法（前提是 flash 够大）。鱼鹰走的是第一条路，移植，并且将相关的底层代码提供了接口，这样不管是用标准库还是 HAL 库，只要自己实现这这些特定的接口即可完成。另外，参考例子只是实现了一个最基本的功能，在真正的产品不一定能适用。比如你的程序负载大，而里面为了测量时钟频率，几百微秒时间就要进入一次中断（即使是分频后），如果刚好在中断产生时，其他程序禁用了中断，运行这些代码有可能就会出现问题，很容易错过中断而导致复位。在我一开始移植的时候就是如此，在一个简单的程序里面可以正常运行很长时间，但是移植到产品工程里面，时不时出现时钟检查不通过的时候，导致程序不停重启，最终鱼鹰通过 DMA 传输的方式解决了这个问题，再也不会因为时钟检查不通过导致重启了。另外一个难点是对 .sct （分散加载）文件的理解，这个会在后面介绍。
安规相关的内容实在是太多，要写的话可以写成一个系列了，如果各位道友感兴趣的话，多多转发支持一下鱼鹰，如果效果不错，鱼鹰会考虑完成后续的其它部分。（这里有一份比较全面但简单一些的参考文章可以看看 http://news.eeworld.com.cn/mp/STM32/a80041.jspx，只介绍如何做，没怎么介绍为什么这么做）
资料
ST 相关资料可以查看以下内容（www.st.com，下载时需要注册邮箱才行，鱼鹰公众号后台提供了部分资料，可自行领取）《AN4435 应用笔记》中文版，《AN277》（ROM Self-Test）STM8-SafeCLASSB
https://www.st.com/en/embedded-software/stm8-safeclassb.htmlSTM32-CLASSB-SPL(基于标准外设库)
https://www.st.com/en/embedded-software/stm32-classb-spl.html#tools-softwareX-CUBE-CLASSB(基于HAL库)
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 相关的，2.3.0 是H7、G0 相关的）当然国产芯片也一般会提供例程。
本篇笔记只介绍其中一个内容，即 FLASH 检查，换句话说就是程序完整性检查。
FLASH 检查
我们以比较复杂的 boot app rtos ，开发环境 keil 、stm32f103 为例介绍相关知识。一般 boot 和 app 部分是用不同工程管理的，所以 app 部分代码只能检查自身的完整性，而不能检查 boot 部分。并且 app 的 flash 区也不是完全检查的，有一小部分是也没法检查的，但这并不影响它的功能（既然已经跳转到 app 里面了，那么 boot 部分 flash 即使在运行时有问题也不影响功能，而如果变量初始值的flash有问题就是关键变量检查的问题了）。现在就是如何检查的问题了。
如何检查 | 基本原理
校验手段有很多，比如 和校验、MD5 校验、CRC 校验，这里我们使用 CRC，因为一般芯片内部会内置该外设硬件计算（如果没有，可以纯 CPU 计算）。然后我们需要了解完整性检查的基本原理。所谓程序完整性检查，就是在下载代码前，先用工具把要校验的部分通过计算公式计算出一个值，保存在某个地方（flash），然后程序在运行的时候，自己也去读取要校验的 flash 部分，通过同样的计算公式计算出一个值，然后将这个值和保存在 flash 里面的值进行比较，就可以看出代码是否存在异常了，有异常及时处理，没有异常就继续重新检查。而检查分成两个步骤：1、开机时，一次性完成所有计算，保证运行前完整。2、正常运行时，定时计算，每次计算一个小块，当计算完最后一块时才比较结果，成功就重新继续计算，失败则终止程序运行，周而往复（计算需要较长的时间，分时计算可以不影响程序正常功能），这样可以保证程序在运行时也能检查 FLASH 的完整性，防止 FLASH 运行过程中破坏掉。现在有个问题，CRC 保存在何处才是合适的？随便保存在一个地方肯定是不行的。假设这个位置在要校验代码部分的里面，那么当工具计算这个值时，又会篡改掉校验部分里面的数据（因为你把 CRC 值放到里面了），那么你的程序校验时，肯定不通过，因为你读了一个被改变的 CRC 值。所以这个值一定要放在代码的最后面才行。另外前面说过，运行时会一小块一小块，所以要保证你的 CRC 值存放位置应该在小块大小的边界位置上。比如一次计算 16 字节，那你存放的位置应该是 16 的倍数才是正常的。所以，CRC 存放位置存在这两个限制。另外，如何提前计算好 CRC 的值呢？IAR 内置该功能，而 KEIL 我们可以借助强大的开源工具 SRecord《功能强大的 HEX 开源转换工具，你值得拥有》（一转眼，这篇文章差不多鸽了四个多月了）帮助我们计算。基本知识都了解的差不多了，接下来就是如何操作的问题。实操
1、固定 CRC 位置。我们可以在启动文件的最后加入以下代码（END 前）这里默认是 0x3D334398，但会在后续修改成正确的 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这里保证了 __Check_Sum 的地址是 2 ^ 6 大小对齐，所以你的计算小块可以这个大小，当然也可以小一些，比如 2 ^ 5 等。这样就可以将检查部分分成固定的小块，不会多，也不会少，刚刚好（必须）。那么如何将这个地址固定在代码最后呢？这个时候就需要我们的 .sct 文件发挥作用了（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 }我们用了 Last 将其放置在代码的最后部分，你想把它放置在 bin 文件最后面？暂时鱼鹰还没想到怎么做，有知道的道友可以告诉鱼鹰（通过 sct 的方式）。2、CRC 计算脚本在 windows 叫批处理，.bat ，我们可以在参考例程中找到。crc_gen_keil.bat我们需要需改三个位置
第一个是你的计算工具的路径，里面应该要有计算工具。
第二个就是你的工程名字，我们通过下面位置确定（鱼鹰用的 Main）：
最后是工程路径。一般在 Objects 文件夹里面，而 map 文件一般在 Listings 文件夹里面。说白了，这些变量就是为了让脚本能够找到 map、hex 文件和工具。但一般默认工程，这两个文件可能不在一个文件夹里面，所以我们可以对例子中的批处理文件 crc_gen_keil.bat 进行适当修改。
map 文件的作用是为了让脚本能够搜索到 __Check_Sum 的地址，然后就可以计算 CRC 并修改 HEX 里面这个值了。另外还有新增了一个变量 HEX_ADRR，当我们的计算位置不是从 0x08000000 开始时（比如 app 起始地址在 0x08009000），我们就可以修改这个变量值。还有我们希望在计算完并修改 CRC 后可以自己生成 bin 文件方便我们更新固件，还需要加入转化成 bin 的命令。其中为了下载修改（CRC）后的 HEX 文件，我们还需要简单修改一下，用于判断工具是否存在，不存在，直接删除 hex 和 axf 文件（防止下载未修改的文件）。
%xxx% 类似脚本中的 $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)这样可以保证，一定能够正确下载 HEX 文件，而不是下载默认的 axf 文件。否则，下载的默认 axf 文件会因为 CRC 未修改，程序将不断重启。
完整的修改（可以自行对比官方例程文件）：
@echo offECHO Computing CRCECHO -------------------------------------REM Batch script for generating CRC in KEIL projectREM Must be placed at MDK-ARM folder (project folder)
REM Path configurationSET SREC_PATH=C:\SRECSET MAP_NAME=STM3210C_EVALSET MAP_PATH=STM3210C_EVALSET TARGET_NAME=STM3210C_EVALSET TARGET_PATH=STM3210C_EVALSET BYTE_SWAP=1SET COMPARE_HEX=1SET CRC_ADDR_FROM_MAP=1REM Not used when CRC_ADDR_FROM_MAP=1SET CRC_ADDR=0x08007ce0
REM Derived configurationSET HEX_ADRR=0x08000000SET MAP_FILE=%MAP_PATH%\%MAP_NAME%.mapSET AXF_FILE=%TARGET_PATH%\%MAP_NAME%.axfSET INPUT_HEX=%TARGET_PATH%\%TARGET_NAME%.hexSET OUTPUT_HEX=%TARGET_PATH%\%TARGET_NAME%_CRC.hexSET OUTPUT_BIN=.\%TARGET_NAME%_CRC.binSET TMP_FILE=crc_tmp_file.txt
if not exist %SREC_PATH%\srec_cat.exe ( echo %SREC_PATH% is not exit, exit echo ----------------------------------------del %INPUT_HEX% -- %AXF_FILE% --------------- del %INPUT_HEX% %AXF_FILE% exit)
IF NOT "%CRC_ADDR_FROM_MAP%"=="1" goto:end_of_map_extractionREM Extract CRC address from MAP fileREM -----------------------------------------------------------REM Load line with checksum location to crc_search variableECHO Extracting CRC address from MAP fileFINDSTR /R /C:"^ *CHECKSUM" %MAP_FILE%>%TMP_FILE%SET /p crc_search=<%TMP_FILE%DEL %TMP_FILE%REM remove '(' character and string after, which causes errorsfor /f "tokens=1 delims=(" %%a in ("%crc_search%") do set crc_search=%%aREM remove CHECKSUM string from variableSET crc_search=%crc_search:CHECKSUM=%REM get first word at line, which should be CRC address in HEX formatfor /f "tokens=1 delims= " %%a in ("%crc_search%") do set CRC_ADDR=%%aREM -----------------------------------------------------------REM End of CRC address extraction:end_of_map_extraction
REM Compute CRC and store it to new HEX fileECHO CRC address: %CRC_ADDR%if "%BYTE_SWAP%"=="1" (REM ECHO to see what is going onECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -stm32-b-e %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -o %TMP_FILE% -intel %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -stm32-b-e %CRC_ADDR% ^ -byte_swap 4 ^ -o %TMP_FILE% -intel ) else (REM ECHO to see what is going onECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -stm32-l-e %CRC_ADDR% ^ -o %TMP_FILE% -intel%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel ^ -crop %HEX_ADRR% %CRC_ADDR% ^ -stm32-l-e %CRC_ADDR% ^ -o %TMP_FILE% -intel)ECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel -exclude -within %TMP_FILE% -intel ^ %TMP_FILE% -intel ^ -o %OUTPUT_HEX% -intel%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %INPUT_HEX% -intel -exclude -within %TMP_FILE% -intel ^ %TMP_FILE% -intel ^ -o %OUTPUT_HEX% -intelREM Delete temporary fileDEL %TMP_FILE%ECHO Modified HEX file with CRC stored at %OUTPUT_HEX%
REM Compare input HEX file with output HEX fileif "%COMPARE_HEX%"=="1" (ECHO Comparing %INPUT_HEX% with %OUTPUT_HEX%%SREC_PATH%\srec_cmp.exe ^ %INPUT_HEX% -intel %OUTPUT_HEX% -intel -v)
del %INPUT_HEX%
ECHO %SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %OUTPUT_HEX% -intel -offset -%HEX_ADRR% -o %OUTPUT_BIN% -binary%SREC_PATH%\srec_cat.exe ^ %OUTPUT_HEX% -intel -offset -%HEX_ADRR% -o %OUTPUT_BIN% -binary
ECHO -------------------------------------3、 CRC 计算部分代码（摘自官方例程）完整计算
分小块计算
需要注意的是，每次全部检查完之后得复位一下 CRC 外设，否则会继续用之前的结果继续计算。4、工程配置
准备好前面的内容后，即可进行工程配置。
生成 HEX
使用 debug 按钮时下载的文件：
crc_load.ini （需要根据自己的工程自行修改）
特别注意里面的双反斜杠，没有它，将找不到正确路径。这里以工程文件（.uvprojx）所在路径为相对路径。
使用 load 按钮时下载配置：
不然你下载（点击 load）的时候，就会下载默认的 axf 文件，而 axf 里面的 CRC 值也是默认的，并没有被修改，所以这一步也是必须的。使用修改的分散加载文件，这可以保证我们的 CRC 存放位置在代码最后面。
最后一步，当编译完成后，让工具帮我们自动计算 CRC 值，并将值修改到 HEX 文件里面。添加我们前面的批处理文件：
这样所有的工程配置就完成了。
效果
我们可以看看效果。首先，我们并没有添加工具，我们可以看到，脚本自动退出了，并且删除了 hex 文件和 axf 文件，这样就不会下载错误的 HEX 文件了（点击下载会发现找不到 axf 文件）。当我们在 C 盘添加工具后编译：
从这里我们可以得到几点信息：
1、计算范围 0x08000000 ~ 0x08007640。
2、CRC 存放位置在 0x08007640，四个字节
3、可以使用 srec_cmp.exe 比较两个 HEX 文件的区别（修改前和修改后）。这里的区别在 0x08007640 ~ 0x8007643。
4、生成的 bin 文件和 hex 文件相对存放路径。
大功告成！
工具命令解释
现在我们可以从这里了解到三个命令。C:\SREC\srec_cat.exe STM3210C_EVAL\STM3210C_EVAL.hex -intel -crop 0x08000000 0x08007640 -byte_swap 4 -stm32-b-e 0x08007640 -byte_swap 4 -o crc_tmp_file.txt -intel这个命令用于截取 0x08000000~0x08007640 的内容并计算 CRC 值，并且在 0x08007640 位置处写入 CRC 值。0x08007640 由 map 文件得出，即 __Check_Sum 的地址。C:\SREC\srec_cat.exe STM3210C_EVAL\STM3210C_EVAL.hex -intel -exclude -within crc_tmp_file.txt -intel crc_tmp_file.txt -intel -o STM3210C_EVAL\STM3210C_EVAL_CRC.hex -intel该命令用于将两个 HEX 文件合并，如果以 crc_tmp_file.txt 文件为基准，即同一个地址的值如果不同，则保留 crc_tmp_file.txt 里面的（里面有正确的 CRC），-intel 代表 HEX 文件类型。C:\SREC\srec_cmp.exe STM3210C_EVAL\STM3210C_EVAL.hex -intel STM3210C_EVAL\STM3210C_EVAL_CRC.hex -intel -v终于搞定啦，可以放下这个了。 
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