有關(guān)單片機的概念及學(xué)習應用重要部分細解

　　三、 從經(jīng)典電子技術(shù)時(shí)代到現代電子技術(shù)時(shí)代

　　進(jìn)入20世紀80年代，世紀經(jīng)濟中最重要的變革是計算機的產(chǎn)業(yè)革命。而計算機產(chǎn)業(yè)革命的最重要標志則是計算機嵌入式應用的誕生。近代電子計算機是應數值計算要求誕生的。在很長(cháng)的時(shí)間內，電子計算機都是以發(fā)展海量數值計算為己任。但是電子計算機表現出的邏輯運算、處理、控制能力，吸引了電子控制領(lǐng)域的專(zhuān)家，他們要求發(fā)展能滿(mǎn)足控制對象要求，實(shí)現嵌入式應用的計算機系統。如果將滿(mǎn)足海量數據處理的計算機系統稱(chēng)為通用計算機系統，那么則可把嵌入到對象體系(如艦船、飛機、機車(chē)等)中的計算機系統稱(chēng)作嵌入式計算機。顯而易見(jiàn)，兩者的技術(shù)發(fā)展方向是不同的。前者要求海量數據存儲、吞吐、高速數據處理分析及傳輸;而后者要求在對象環(huán)境中可靠運行，對外部物理參數的高速采集、邏輯分析處理和對外部對象的快速控制等。早期人們將通用計算機加上數據采集單元、輸出驅動(dòng)電路勉為其難地構成一個(gè)熱處理爐的溫控系統。這樣的通用計算機系統不可能為大多數電子系統采用，而且要使通用計算機系統滿(mǎn)足嵌入式應用要求，必然影響高速數值處理技術(shù)的發(fā)展。為了解決計算機技術(shù)發(fā)展的矛盾，在20世紀70年代，半導體專(zhuān)家另辟蹊徑，完全按照電子系統的計算機嵌入式應用要求，將一個(gè)微型計算機的基本系統集成在一個(gè)芯片上，形成了早期的單片機(Single Chip Microcomputer)。單片機問(wèn)世后，在計算機領(lǐng)域中開(kāi)始出現了通用計算機系統和嵌入式系統的兩大分支。此后，無(wú)論是嵌入式系統，還是通用計算機系統都得到了飛速的發(fā)展。

　　早期雖然有通用計算機改裝而成的嵌入式計算機系統，而真正意義上的嵌入式系統始于單片機的出現。因為單片機是專(zhuān)門(mén)為嵌入式應用設計的，單片機只能實(shí)現嵌入式應用。單片機能最好地滿(mǎn)足嵌入式應用的環(huán)境要求，例如，芯片級的物理空間、大規模集成電路的低價(jià)位、良好的外圍接口總線(xiàn)和突出控制功能的指令系統。

　　單片機有計算機系統內核，嵌入到電子系統中，為電子系統智能化奠定了基礎。因此，當前單片機在電子系統中的廣泛使用，使經(jīng)典電子系統迅速過(guò)渡到智能化的現代電子系統。

　　四、 單片機開(kāi)創(chuàng )了現代電子系統時(shí)代

　　1?單片機與嵌入式系統

　　嵌入式系統源于計算機的嵌入式應用，早期嵌入式系統為通用計算機經(jīng)改裝后嵌入到對象體系中的各種電子系統，如艦船的自動(dòng)駕駛儀，輪機監測系統等。嵌入式系統首先是一個(gè)計算機系統，其次它被嵌入到對象體系中、在對象體系中實(shí)現對象要求的數據采集、處理、狀態(tài)顯示、輸出控制等功能，由于嵌入在對象體系中，嵌入式系統的計算機沒(méi)有計算機的獨立形式及功能。單片機完全是按照嵌入式系統要求設計的，因此單片機是最典型的嵌入式系統。早期的單片機只是按嵌入式應用技術(shù)要求設計的計算機單芯片集成，故名單片機。隨后，單片機為滿(mǎn)足嵌入式應用要求不斷增強其控制功能與外圍接口功能，尤其是突出控制功能，因此國際上已將單片機正名為微控制器(MCU，Microcontroller Unit)。

　　2?單片機構成的現代電子系統將成為主流電子系統

　　單片機是器件級計算機系統，它可以嵌入到任何對象體系中去，實(shí)現智能化控制。小到微型機械，如手表、助聽(tīng)器。集成器件級的低價(jià)位，低到幾元、十幾元，足以使單片機普及到許多民用家電、電子玩具中去。單片機構成的現代電子系統已深入到各家各戶(hù)，正改變我們的生活，如家庭中的音響、電視機、洗衣機、微波爐、電話(huà)、防盜系統、空調機等。單片機革新了原有電子系統，如微波爐采用單片機控制后，可方便地進(jìn)行時(shí)鐘設置、程序記憶、功率控制;空調機采用單片機后不但遙控參數設置方便，運行狀態(tài)自動(dòng)變換，還可實(shí)現變頻控制。目前許多家用電器如VCD、DVD只有單片機出現后才可能實(shí)現其功能。

　　3?嵌入式系統帶動(dòng)了整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)

　　目前電子元器件產(chǎn)業(yè)除了微處理器、嵌入式系統器件外，大多是圍繞現代電子系統配套的元器件產(chǎn)業(yè)，例如滿(mǎn)足人機交互用的按鍵，LED/LCD顯示驅動(dòng)、LED/LCD顯示單元、語(yǔ)音集成器件等，滿(mǎn)足數據采集通道要求的數字傳感器、ADC、數據采集模塊、信號調理模塊等，滿(mǎn)足伺服驅動(dòng)控制的DAC、固體繼電器、步進(jìn)電機控制器、變頻控制單元等，滿(mǎn)足通信要求的各種總線(xiàn)驅動(dòng)器、電平轉換器等。

　　世界電子元器件在嵌入式系統帶動(dòng)下，沿著(zhù)充分滿(mǎn)足嵌入式應用的現代電子系統要求發(fā)展。這就使原來(lái)經(jīng)典電子系統的天地愈來(lái)愈小。電子系統中的各類(lèi)從業(yè)人員應盡早轉向現代電子系統的康莊大道。

　　五、 單片機將造就新一代電子精英

　　如果說(shuō)五十年代起，無(wú)線(xiàn)電世界造就了幾代精英，那么當今的單片機世界將會(huì )造就出新一代電子精英。

　　1?單片機帶你進(jìn)入智能化電子領(lǐng)域

　　若將經(jīng)典電子系統當作一個(gè)僵死的電子系統，那么智能化的現代電子系統則是一個(gè)具有“生命”的電子系統。單片機應用系統的硬件結構給予電子系統“身軀”，單片機應用系統的應用程序賦予其“生命”。例如，在設計智能化儀器顯示器的顯示功能時(shí)，可在開(kāi)機時(shí)顯示系統自檢結果，未進(jìn)入工作時(shí)顯示各種待機狀態(tài)，儀器運行時(shí)顯示運行過(guò)程，工作結束后可顯示當前結果、自檢結果、原始數據、各種處理報表等。在無(wú)人值守時(shí)，可給定各種自動(dòng)運行功能。

　　電子系統的智能化為無(wú)止境境界，常常不需硬件資源的增添就能實(shí)現各種翻新功能。這也是當前許多家用電器功能大量增設的因素之一。

　　2?單片機帶你進(jìn)入計算機工控領(lǐng)域

　　21世紀是全人類(lèi)進(jìn)入計算機時(shí)代的世紀，許多人不是在制造計算機便是在使用計算機。在使用計算機的人們中，只有從事嵌入式系統應用的人才真正地進(jìn)入到計算機系統的內部軟、硬件體系中，才能真正領(lǐng)會(huì )計算機的智能化本質(zhì)并掌握智能化設計的知識。從學(xué)習單片機應用技術(shù)入手是當今培養計算機應用軟、硬件技術(shù)人才的最佳道路之一。

　　3?單片機帶你進(jìn)入最具魅力的電子世界

　　獨具魅力的單片機能使你體會(huì )到電腦的真諦，你可以用單片機親自動(dòng)手設計智能玩具，可以設計不同的應用程序實(shí)現不同的功能。既有硬件制作又有軟件設計，既動(dòng)腦、又動(dòng)手。初級水平可開(kāi)發(fā)智能玩具，用宏指令編程。中級水平可開(kāi)發(fā)一些智能控制器，如電腦鼠、智能車(chē)、各種遙控模型。高級水平可開(kāi)發(fā)機器人，如機器人足球賽，開(kāi)發(fā)工業(yè)控制單元，網(wǎng)絡(luò )通信等，并用匯編語(yǔ)言或高級語(yǔ)言設計應用程序。圍繞單片機及嵌入式系統形成的電子產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，將會(huì )為電子愛(ài)好者提供廣闊的天地，一個(gè)比當年無(wú)線(xiàn)電世界更廣闊、更豐富、更持久、更具魅力的電子世界。投身到單片機世界來(lái)，將使你一生受益。

　　單片機攻擊技術(shù)

　　目前，攻擊單片機主要有四種技術(shù)，分別是：

　　(1)軟件攻擊

　　該技術(shù)通常使用處理器通信接口并利用協(xié)議、加密算法或這些算法中的安全漏洞來(lái)進(jìn)行攻擊。軟件攻擊取得成功的一個(gè)典型事例是對早期A(yíng)TMEL AT89C 系列單片機的攻擊。攻擊者利用了該系列單片機擦除操作時(shí)序設計上的漏洞，使用自編程序在擦除加密鎖定位后，停止下一步擦除片內程序存儲器數據的操作，從而使加過(guò)密的單片機變成沒(méi)加密的單片機，然后利用編程器讀出片內程序。

　　(2) 電子探測攻擊

　　該技術(shù)通常以高時(shí)間分辨率來(lái)監控處理器在正常操作時(shí)所有電源和接口連接的模擬特性，并通過(guò)監控它的電磁輻射特性來(lái)實(shí)施攻擊。因為單片機是一個(gè)活動(dòng)的電子器件，當它執行不同的指令時(shí)，對應的電源功率消耗也相應變化。這樣通過(guò)使用特殊的電子測量?jì)x器和數學(xué)統計方法分析和檢測這些變化，即可獲取單片機中的特定關(guān)鍵信息。

　　(3)過(guò)錯產(chǎn)生技術(shù)

　　該技術(shù)使用異常工作條件來(lái)使處理器出錯，然后提供額外的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)進(jìn)行攻擊。使用最廣泛的過(guò)錯產(chǎn)生攻擊手段包括電壓沖擊和時(shí)鐘沖擊。低電壓和高電壓攻擊可用來(lái)禁止保護電路工作或強制處理器執行錯誤操作。時(shí)鐘瞬態(tài)跳變也許會(huì )復位保護電路而不會(huì )破壞受保護信息。單片機和時(shí)鐘瞬態(tài)跳變可以在某些處理器中影響單條指令的解碼和執行。

　　(4)探針技術(shù)

　　該技術(shù)是直接暴露芯片內部連線(xiàn)，然后觀(guān)察、操控、干擾半導體以達到攻擊目的。為了方便起見(jiàn)，人們將以上四種攻擊技術(shù)分成兩類(lèi)，一類(lèi)是侵入型攻擊(物理攻擊)，這類(lèi)攻擊需要破壞封裝，然后借助電源測試設備、顯微鏡和微定位器，在專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗室花上幾小時(shí)甚至幾周時(shí)間才能完成。所有的微探針技術(shù)都屬于侵入型攻擊。另外三種方法屬于非侵入型攻擊，被攻擊的單片機不會(huì )被物理?yè)p壞。在某些場(chǎng)合非侵入型攻擊是特別危險的，這是因為非侵入型攻擊所需設備通?？梢宰灾坪蜕?，因此非常廉價(jià)。

　　大部分非侵入型攻擊需要攻擊者具備良好的處理器知識和軟件知識。與之相反，侵入型的探針攻擊則不需要太多的初始知識，而且通?？捎靡徽紫嗨频募夹g(shù)對付寬范圍的產(chǎn)品。

　　單片機侵入型攻擊的一般過(guò)程

　　侵入型攻擊的第一步是揭去芯片封裝。有兩種方法可以達到這一目的：第一種是完全溶解掉芯片封裝，暴露金屬連線(xiàn)。第二種是只移掉硅核上面的塑料封裝。第一種方法需要將芯片綁定到測試夾具上，借助綁定臺來(lái)操作。第二種方法除了需要具備攻擊者一定的知識和必要的技能外，還需要個(gè)人的智慧和耐心，但操作起來(lái)相對比較方便。

　　芯片上面的塑料可以用小刀揭開(kāi)，芯片周?chē)沫h(huán)氧樹(shù)脂可以用濃硝酸腐蝕掉。熱的濃硝酸會(huì )溶解掉芯片封裝而不會(huì )影響芯片及連線(xiàn)。該過(guò)程一般在非常干燥的條件下進(jìn)行，因為水的存在可能會(huì )侵蝕已暴露的鋁線(xiàn)連接。

　　接著(zhù)在超聲池里先用丙酮清洗該芯片以除去殘余硝酸，然后用清水清洗以除去鹽分并干燥。沒(méi)有超聲池，一般就跳過(guò)這一步。這種情況下，芯片表面會(huì )有點(diǎn)臟，但是不太影響紫外光對芯片的操作效果。最后一步是尋找保護熔絲的位置并將保護熔絲暴露在紫外光下。一般用一臺放大倍數至少100倍的顯微鏡，從編程電壓輸入腳的連線(xiàn)跟蹤進(jìn)去，來(lái)尋找保護熔絲。若沒(méi)有顯微鏡，則采用將芯片的不同部分暴露到紫外光下并觀(guān)察結果的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的搜索。操作時(shí)應用不透明的紙片覆蓋芯片以保護程序存儲器不被紫外光擦除。將保護熔絲暴露在紫外光下5～10分鐘就能破壞掉保護位的保護作用，之后，使用簡(jiǎn)單的編程器就可直接讀出程序存儲器的內容。

　　對于使用了防護層來(lái)保護EEPROM單元的單片機來(lái)說(shuō)，使用紫外光復位保護電路是不可行的。對于這種類(lèi)型的單片機，一般使用微探針技術(shù)來(lái)讀取存儲器內容。在芯片封裝打開(kāi)后，將芯片置于顯微鏡下就能夠很容易的找到從存儲器連到電路其它部分的數據總線(xiàn)。

　　由于某種原因，芯片鎖定位在編程模式下并不鎖定對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。利用這一缺陷將探針?lè )旁跀祿€(xiàn)的上面就能讀到所有想要的數據。在編程模式下，重啟讀過(guò)程并連接探針到另外的數據線(xiàn)上就可以讀出程序和數據存儲器中的所有信息。

　　還有一種可能的攻擊手段是借助顯微鏡和激光切割機等設備來(lái)尋找保護熔絲，從而尋查和這部分電路相聯(lián)系的所有信號線(xiàn)。由于設計有缺陷，因此，只要切斷從保護熔絲到其它電路的某一根信號線(xiàn)，就能禁止整個(gè)保護功能。由于某種原因，這根線(xiàn)離其它的線(xiàn)非常遠，所以使用激光切割機完全可以切斷這根線(xiàn)而不影響臨近線(xiàn)。這樣，使用簡(jiǎn)單的編程器就能直接讀出程序存儲器的內容。

　　雖然大多數普通單片機都具有熔絲燒斷保護單片機內代碼的功能，但由于通用低檔的單片機并非定位于制作安全類(lèi)產(chǎn)品，因此，它們往往沒(méi)有提供有針對性的防范措施且安全級別較低。加上單片機應用場(chǎng)合廣泛，銷(xiāo)售量大，廠(chǎng)商間委托加工與技術(shù)轉讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類(lèi)芯片的設計漏洞和廠(chǎng)商的測試接口，并通過(guò)修改熔絲保護位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來(lái)讀取單片機的內部程序變得比較容易。