MSP430系列单片机的加密熔断器设计

MSP430 系列单片机是德州仪器(TI)公司推出的一款16位超低功耗单片机。它能够在1.8～3.6 V电压、1 MHz频率的条件下运行，耗电电流在0.1～400μA。在运算速度上，MSP430系列单片机能在8 MHz晶振的驱动下，实现125 ns的指令周期。16位的数据宽度、125 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。

在整合方面，MSP430系列单片机将大量的CPU外围模块集成在片内，有如下一些模块：看门狗(WDT)、模拟比较器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、 10位/12位/14位ADC、端口0～6、基本定时器。其中定时器A、B均带有多个捕获/比较寄存器，同时可实现多路PWM输出;模拟比较器与定时器配合，可方便地实现ADC;液晶驱动多达160笔段;硬件ADC模块在小于10 μs的速率下实现10～14位的高速、高精度转换，同时提供采样/保持与参考电压;端口0、1、2能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入。

MSP430 系列单片机的开发调试有多种技术方案，其中以JTAG和BOOTSTRAP(简称“BSL”)方式最为方便。对于Flash型的MSP430单片机初期开发进行的仿真，只需要1台PC机和1个JTAG控制器即可实现。进入产品级开发阶段，为了保护用户代码，烧断Flash的保护熔丝以后就无法再通过 JTAG口访问单片机，这时用户对Flash中的程序再进行检查或更新就只能通过BOOT-STRAP进行。不用担心用户代码会泄露，BOOTSTRAP 提供了32字节256位的密码保护，能完全确保代码的安全性。

1 熔断加密原理

MSP430 系列单片机采用JTAG(实际上称为IEEE1149.1或边界扫描)接口技术，实现对单片机全部存储器的访问，包括程序Flash、ROM、RAM，并可对其进行擦除、读写。它能用于程序的下载，监测程序使用情况和各个变量与寄存器的使用情况，并可对其进行修改。JTAG接口需要4根信号线、地线和电源线。具体信号线的定义如表1所列。

JTAG 接口为程序的调试、仿真及监控带来了很大的方便，大大提高了编程效率，缩短了开发周期;但在程序测试完成转换为产品推向市场时，就必须对程序代码进行加密处理，防止程序代码的泄漏。JTAG接口的安全性很差，只要符合JTAG标准的控制器就可以将程序代码读出，所以必须禁止JTAG功能。对于MSP430 系列单片机，禁止JTAG功能的途径是将单片机内部的加密保险丝熔断，熔断后的单片机就无法再使用JTAG功能，从而达到加密程序代码的目的。具体的 JTAG及加密保险丝结构框图如图1所示。

MSP430 系列单片机在上电复位时会通过TDI/TCLK端对保险丝进行检测，当保险丝完好时，在TDI/TCLK和地之间会有1 mA的电流流过。保险丝检测出现在上电复位以后TMS端的第一个下降沿上，在第二个下降沿上会解除保险丝的检测，直到下一次的上电复位再进行保险丝检测，即在每一次的上电复位都会对保险丝进行检测。保险丝检测电流只有在保险丝检测方式时才会流过TDI/TCLK端，当检测不到保险丝电流时，JTAG功能就会失效，且这种加密方式是硬件方式的加密，一旦保险丝熔断，JTAG功能就永久失效了，无法再通过JTAG口访问单片机，从而保证了单片机内代码的安全。

2 熔断加密的时序及方法

MSP430单片机保险丝的熔断必须在特定的条件下进行。表2列出了熔断保险丝所需的条件及具体参数。

在满足表2所列的条件下，简单地将6.5 V电压加在TDI/TCLK端上时，是无法熔断保险丝的，必须在一定的时序及指令下才可以完成。下面是熔断保险丝所需的指令及时序：





IR_SHIFT(“IR_CNTRL_SIG_16BIT”) 为切换JTAG进入16位数据接收模式;DR_SHIFT_IN(0x7201)为将TDO信号切换为TDI功能，TDI信号释放，为接入熔断电压Vpp 作准备;IR_SHIFT(“IR_PREPARE_BLOW”)为设置MSP430进入保险丝熔断方式;MsDelay(1)为延时1 ms，同时连接熔断电压Vpp至TDI信号端;TR_SHIFT(“IR_BX_BLOW”)为执行保险丝熔断;MeDelay(1)为延时1ms，同时断开TDI端的熔断电压Vpp，TDI信号端切换回TDI功能，JATG状态机复位。保险丝加密熔断完成。

3 熔断加密器的设计与实现

熔断加密器可以实现对MSP430 Flash单片机的编程、烧熔丝和BSL下载。可以选择编程后是否熔断芯片内熔丝，进行加密;可自行设置密码，彻底保护芯片内容;可进行完全擦除编程和保留编程，通过BSL方式读出目标CPU内的代码。

熔断加密器的硬件采用了MSP430F1111A作为系统芯片，实现对目标JTAG口的通信控制、熔断电压Vpp的加载与分离、目标MSP430单片机中保险丝熔断指令的控制。在电源部分，熔断电压Vpp及100 mA的熔断电流是在7806三端稳压芯片与地之间串接二极管IN4001来实现的;熔断电压Vpp的加载与分离通过继电器的通断来实现，并使用了3个 LED分别指示目标单片机保险丝未熔断、正在熔断及已熔断的状态。熔断加密器系统控制部分的电路如图2所示。

软件部分是通过C语言来实现熔丝加密器与目标单片机之间的数据通信及指令控制的。





本加密熔断器在实际应用中取得了非常理想的效果，可对MSP430系列单片机的保险丝进行可靠而有效的熔断，完全保护了MSP430单片机中的代码安全。整个系统的成本控制在30元左右，在实际的使用中达到非常好的经济效益和社会效益。