MTK平台调试加密芯片ATSHA204A

本文是概括篇，我会在我的资源那里上传代码，敬请后续关注，方便读者参考使用,如有疑问或者有业务合作，可私信我。

调试的平台：mt6580 系统：android5.1
加密芯片：ATSHA204A(8脚S0IC封装)
推荐：具有4.5kb eeprom，且性价比最高。
接口：Interface Type ：Single-wire; I2C，推荐使用i2c接口，传输速率可达1Mb/s
I2C_Address：0x64 （由0xC8右移一位得到，至于为什么右移是因为这个驱动在寻址的时候会自动左移一位，详情可百度)
datasheet pdf文档可在下面的链接下载（如不能下载，建议拷贝网址到别的浏览器试下或者百度找一下或者找fae）：
https://www.microchip.com/sitesearch/search/All/ATSHA204A

供电电压范围：2.0v~5.5v
通讯电压范围：1.8v~5.5v(io/i2c接口的电压范围)
休眠功耗：<150 nA
硬件连接：这个是ATSHA204A的SOIC封装，只需要电源，地，I2C的SCL和SDA这4根线即可，SCL和SDA需要上拉电阻

应用范围：
安全下载和引导
生态控制
反克隆
信息安全

关于烧录器这块：官网上也有卖，不过价格有点略贵，网上自己买或者自己做，主要还是iic写进去（所以也可以自己在驱动中添加代码I2C实现，强烈推荐在调试过程中使用I2C写入即可，可以省一笔钱，土豪随意）。

ATSHA204A的EEPROM总共包含664字节(5312位)，并被划分为以下区域：Data，Configuration，One Time Programmable

Data包含512字节(4.0 kb)区域划分为16个32字节(256位)的通用只读或读/写存储器插槽，每个插槽可用于存储密钥、校准数据、型号或其他信息，通常与ATSHA204A设备所附加的项目相关。每个数据槽的访问策略由编程到相应配置值的值决定。但是，策略仅在设置锁值字节时生效，slot主要意图是存放密钥，当然也可以设置成eeprom来使用，但一般用户都不会这么做。

Configuration包含序列号和其他ID信息的88字节(704位)EEPROM区域，以及访问数据内存每个插槽的权限信息。在配置区域中编程的值决定了每个数据槽如何响应的访问策略。可以修改配置区域，直到锁定它为止(LockConfig设置为!=0x55)。为了启用访问策略，必须设置锁值字节。

OTP位的64字节(512位)区域。在锁定OTPzone，位可以使用标准的写命令自由地写。OTP区域可用于存储只读数据或单向保险丝类型的消耗日志记录信息

我这里使用的是I2C通讯，使用这个芯片可以分为三步，

第一步是调通I2C，实现加密IC跟mcu主控的通讯

1、唤醒加密ic：
对ATSHA204A操作时，首先要对设备进行唤醒操作，唤醒操作如下 ：
SDA线保持低电平60us，芯片退出休眠状态，然后再等待2.5ms以上后，才能开始接受命令，详细说明在datasheet的第36页，见下表。

我这边的做法是直接向设备发送0x00数据等效于拉低SDA数据线电平然后隔4ms使用i2c读函数读取返回值。
2、i2C通讯数据格式:
说明：一般的加密芯片都有自己固定的指令包格式，如果格式不对，IC要么不响应，要么响应错误，所以在向芯片发包之前，需要了解一下数据包的格式。
ATSHA204A有固定的接收包和发送包的格式，主控MCU必须要按照固定的格式发送数据包过来，ATSHA204A才能返回正确的响应字节。
可以参考datasheet：8. Security Commands和8.5 Command Sequence（datasheet 44页），Command Opcodes的定义在datasheet 45页。Word Address Values定义在datasheet 31页
发送包结构：Command + Count 包的长度（不包括command，但包含本身的字节数）+ Opcode + Param1 + Param2 + Data + Checksum

接收包结构：count（byte:0）+Date-Packet(byte:1到N-1)+CRC两个字节的校验和（N-1到N）

注意：command对应就是WordAddress，对芯片的操作主要使用command，即0x03来操作，其他command如下表说明。

ATSHA204A的Opcode主要有以下这几种，见下表：

ATSHA204A的响应字节如下表所示（例如你写入字节成功，会返回0x00，其他返回状态见下表）：

第二步是成功配置这个芯片。在config zone配置，配置完要锁定配置区

关于IC的锁定这块的说明：

1、芯片的config区和data区一旦锁定，没有办法解锁，锁的方法只能通过lock command来进行锁定。

2、config区在没锁定的时候，可以使用write command来进行写操作，但注意，0x00-0x03地址(word地址，详情请参考手册)不能被写，0x15word地址不能使用write command来写。

3、在config锁定前，data区(包括slot区和OTP区)既不能写也不能读。而在config锁定后，data区锁定前，data区只能写不能读，在data区锁定后，可以根据config中的配置来进行读写。

只有正确配置了config，atsha204a芯片才能按自己的意图办事（Configuration Zone的word adress定义和说明在datasheet的第10页，其实可以按照datasheet的默认配置值来配置使用）。

由表知道配置区地址0x00-0x03是一直不允许写的，只能读。
对于一般用户，0x04地址的4个配置按默认值设置即可（即配置成0xc8(atsha204a的i2C地址) 0x00 0x55 0x00）。
接下来是地址0x05-0x0C关于slot 的配置了，这里才是这节的重点，也是需要注意最多的地方。

每个slot config占用2个字节，每个位具体配置如下：
一位一位的说
bit0-3：指定加密读的slot区，这里的意思是，如果你把slotX设置成可以加密读取，则这里要指定加密读取的密钥存放的slot，简单来说，你要读一个slotX，而slot config[X]已经被配置成可以加密读，
但是需要知道slot config[X].ReadKey中指定的slot区的密钥。

bit4：0：这个slot区可以用于所有加密命令，1：这个slot只能用于CheckMac命令和GenDig命令。

bit5：0：此slot中存放的密钥可以无限使用，1：此slot存放的密钥有限使用，次数根据UseFlag或LastKeyFlag指定。

bit6：0: 可以明文读取，1：必须加密读取。

bit7：0: 此slot不是密钥区，可以随意读写，1: 此slot作为密钥区，如果能读写则必须是加密进行
bit8-bit11：指定加密写操作的slot区密钥，跟bit0-3类似，只不过这里是写操作，使用write command命令。

bit12-15对于DeriveKey Command 和 Write command命令有不同的意思，对于DeriveKey Command，就是决定生成的新的密钥要通过什么途径来获取(Target?,Parent?)

Write Command，定义如下

bit15 = 0;bit14 = 0;bit13 =0; 随意写

bit15 = x;bit14 = 0;bit13 =1; 不能写

bit15 = 1;bit14 = 0;bit13 =x; 不能写

bit15 = x;bit14 = 1;bit13 =x; 加密写

Write Configuration Bits — Derivekey Command
bit15 = 0; bit14 = x; bit13 =1; bit12 =0;无需授权MAC (Roll)即可运行DeriveKey命令。
bit15 = 1; bit14 = x; bit13 =1; bit12 =0;为DeriveKey命令(Roll)授权MAC。
bit15 = 1; bit14 = x; bit13 =1; bit12 =1;为DeriveKey命令(创建)授权MAC。
bit15 = x; bit14 = x; bit13 =0; bit12 =x;WriteConfig字段中具有此值的槽不能用作DeriveKey命令的目标。

以下是我的一个模板，可以把slotX的值填进来，再对应说明来看，就知道是配置的哪种策略了”
bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0

Lock Data 和Lock Config是控制锁定数据区和配置区的两个字节，

LockData = 0x55，data区没有锁定可以进行写操作。

LockData = 0x00，data区进行锁定，读写需要根据配置来进行。

LockConfig =0x55，config区没有锁定可以进行读写操作。

LockConfig = 0x00，config区不能写。

锁定config zone：Table 8-20 Input Parameters（datasheet 55页）

由Table 8-20表格可知，输入包数据结构：command+count+opcode+param1+param2+crc

Zone.bit0决定的是锁config还是OTP区，Zone.bit7 = 1，则不计算需要锁定区域的CRC16值，否则需要输入一个CRC16值来校验。
Summary如果Zone.bit7=0，那么就这里就需要填入相应锁定区域的CRC16值，否则填0x0000。
如果命令成功就返回0。

往data区写入数据：
此区的配置没那么复杂，slot主要意图是存放密钥，当然也可以设置成eeprom来使用，但一般用户都不会这么做。

slot区一共分16部分，slot0-15，每部分可以存放32字节密钥，相信足够使用。

对slot区的配置无外乎读写内容，在config区锁定前，所有对slot区的读写操作均返回错误。在config区锁定后，data区锁定前，只能写slot区而不能读取，在二者都锁定后，可以根据上节所讲的slot config
来进行读写。
假设我们配置完了config区，现在我们来写slot区，很简单，在data区锁定前可以随意读写，但强烈建议使用32字节来写操作，采用4字节写操作，会有很多的限制条件。

假如我们对slot0写入0x11,0x11,……0x11（共32个0x11），使用write command，参数如下（这里我们暂时先不考虑各种加密读写）。

command= 0x03（WordAddress）；
count = 0x27（39 bytes）
opcode = 0x12（write）；
zone = 0x80|0x02; （即0x82）//32字节写，写slot区；
address = 0x00 0x00（byte0=00，byte1=0x00（固定是0x00）；
data_1 = 32个字节 0x11；
data_2 不填 ；
CRC = 0x00 0x00；

如果写入成功，atsha204a将会返回0。

接下来就是往opt写入数据，
OTP zone的说明Table 2-8. OTP Zone在datasheet的15页；
OTP区和slot区配置类似，在atsha204a里，OTP分16部分，每部分4字节，默认值都是0xffffffff，OTP区在config区锁定前无法进行任何读写操作，在config锁定后，data区锁定前，不能读，只能写，与slot区不同的是，OTP区并没有加密读写这一概念，另外也强烈建议使用32字节写，4字节写入会有很多限制，在data区锁定后，OTP区的读写操作由OTP Mode决定。
command：COMMAND_ADDRESS(0x03);
Input Parameters:
count = 0x27(39个byte);
Opcode:0x12(write);
Param1: 0x81(表示写入的是otp zone);
Param2:0x00 0x00(2 bytes address);
data(32 bytes) ;
CRC(0x00 0x00)

然后锁定otp区，数据包格式参考下表。

第三步是进行认证（即实现加密验证）

用通俗易懂的语言说一下atsha204a的加密原理：

首先我们要对atsha204a进行配置，写密匙，设置为不可读写，锁定。这样芯片里的密匙就只有你自己知道了。配置完成后接下来就是使用了，在你的程序启动时首先初始化完i2c就开始与atsha204a通信，验证密匙。你在程序里随机生成32字节的随机数作为挑战码发送给ATSHA204A 芯片。ATSHA204A 芯片会使用芯片内的 SN[0:1], SN[8], 还有你指定的某个slot区的ID（KeyID）,此slot区的数据（32字节），接收到的挑战码,KeyID , MAC 命令码和mode使用SHA256算法作一次哈希运算, 输出一组 32 字的Digest, 并传回给主MCU，同时MCU也根据上述数据通过官方库里带的SHA256算法计算出自己的Digest然后与ATSHA204 芯片返回的Digest进行比较，如果完全一样则通过，不一样则密匙验证失败。由于你每次发送的挑战码是随机生成的，所以每次校验码也是不一样的，别人也就无法拷贝你的程序了。
最后说说我使用的加密方案：
（一）使用MAC命令验证密匙
MAC命令计算存储在设备中的key、一个挑战（0到32字节，一般是32 bytes）和设备上的其他信息的SHA-256摘要Digest。此命令的输出是此消息（例如挑战）的摘要Digest。如果消息中包含了设备的序列号，则表示响应是“多样化的”

使用此命令的一般命令流如下:

1、运行Nonce命令加载输入挑战（Chanllenge），并可选择将其与生成的随机数组合。该操作的结果是在tempkey中存储在设备内部的nonce。

2、可选地运行GenDig命令，将设备中存储的一个或多个EEPROM位置与nonce组合在一起。结果存储在tempkey中的设备内部。此功能允许将两个或多个密钥用作响应生成的一部分。

3、 运行这个MAC命令，将步骤1(如果需要，还可以将步骤2)的输出与EEPROM密钥结合起来，生成输出响应(或摘要)。

写入芯片的数据包格式输入参数可以根据Table 8-22 Input Parameters（datasheet 的56页），函数的执行可以参考库函数文件。

mode bit0设置使用Tempkey计算还是直接使用Data中的挑战码来计算返回的digest.
mode .bit1 设置使用slot区中的值计算还是Tempkey中的值来计算返回的digest.
mode .bit2 如果bit0或bit2设置了,那么此位要结合Tempkey.sourceflag位设置.也就是说,使用了nonce命令的话,如果nonce命令中的nonce.mode == 0x00 或者0x01.这里就等于0, 如果nonce .mode == 0x03,这里就等于1.
mode .bit3 = 0.
mode .bit4和mode.bit5 是选择是否使用OTP中的的值来参与计算.
mode .bit6 是使用序列号来参与计算.
mode .bit7 = 0.

使用SHA-256算法散列的message由以下内容组成（88 bytes）：

包含有Chanllenge的数据包发送到加密芯片ATSHA204A后，如果执行正常，会返回一个32字节的digest（摘要）给到MCU主控端读取，同时MCU也根据上述数据（message）通过官方库函数文件里带的SHA256算法计算出自己的Digest，然后与ATSHA204 芯片返回的Digest进行比较，如果完全一样则密钥验证通过，不一样则密匙验证失败。

关于ATSHA204A还有很多加密的功能，篇幅有限，我就不一一介绍了，建议大家还是多看看datasheet，才能更好的领会这个加密IC的作用和使用。

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