STM32单片机安全编程指南：保护嵌入式系统免受攻击的权威指南

# 1. 嵌入式系统安全威胁概述**

嵌入式系统广泛应用于工业控制、物联网和汽车等关键领域，其安全至关重要。然而，这些系统面临着独特的安全挑战：

* **资源受限：**嵌入式系统通常具有有限的计算能力和存储空间，这限制了安全措施的实施。
* **网络连接：**许多嵌入式系统连接到网络，这为攻击者提供了远程访问的机会。
* **固件不可变性：**嵌入式系统中的固件通常是不可变的，一旦部署就很难更新，这使得修复安全漏洞变得困难。

# 2.1 安全启动和固件验证

### 2.1.1 启动加载程序和安全引导流程

STM32单片机采用多阶段启动流程，其中包括一个称为启动加载程序的特殊程序。启动加载程序负责初始化硬件、加载和验证固件映像，并将其执行权交给主应用程序。

安全引导流程涉及以下步骤：

1. **复位后执行启动加载程序：**当单片机复位时，它会从一个预定义的地址执行启动加载程序。
2. **验证固件映像：**启动加载程序使用加密哈希函数（例如 SHA-256）验证固件映像的完整性。如果验证失败，启动加载程序将中止启动过程并进入故障模式。
3. **加载固件映像：**如果验证成功，启动加载程序将固件映像加载到内存中。
4. **执行主应用程序：**启动加载程序将执行权移交给主应用程序。

### 2.1.2 固件验证机制

STM32单片机提供多种固件验证机制，包括：

- **安全引导：**安全引导使用加密哈希函数验证固件映像的完整性。如果验证失败，启动加载程序将中止启动过程并进入故障模式。
- **数字签名：**数字签名使用公钥密码术来验证固件映像的真实性。固件映像由私钥签名，而启动加载程序使用公钥验证签名。如果验证失败，启动加载程序将中止启动过程并进入故障模式。
- **自签名固件：**自签名固件使用单片机内部的唯一标识符（例如设备ID）来生成固件映像的签名。启动加载程序使用相同的标识符验证签名。如果验证失败，启动加载程序将中止启动过程并进入故障模式。

// STM32 启动加载程序固件验证示例代码

// 包含启动加载程序头文件
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm32f4xx_hal_flash.h"

// 定义固件映像的地址和大小
#define FIRMWARE_ADDRESS 0x08000000
#define FIRMWARE_SIZE 0x10000

// 定义加密哈希函数
#define HASH_FUNCTION SHA256

// 验证固件映像的完整性
int verify_firmware(void) {
  // 计算固件映像的哈希值
  uint8_t hash[HASH_FUNCTION_SIZE];
  HAL_FLASH_Read(FIRMWARE_ADDRESS, hash, HASH_FUNCTION_SIZE);
  HAL_FLASH_ComputeHash(FIRMWARE_ADDRESS, FIRMWARE_SIZE, hash, HASH_FUNCTION);

  // 与存储的哈希值进行比较
  uint8_t stored_hash[HASH_FUNCTION_SIZE];
  HAL_FLASH_Read(FIRMWARE_ADDRESS + FIRMWARE_SIZE, stored_hash, HASH_FUNCTION_SIZE);
  if (memcmp(hash, stored_hash, HASH_FUNCTION_SIZE