如何在MCU中使用二进制库（动态库）？

如何在MCU中使用二进制库（动态库）

作为一个嵌入式软件攻城狮，提起库首先会想到静态库和动态库。静态库一般以.a为后缀，动态库以.so为后缀(Win系统.DLL)。

库类型说明静态库将库中的函数编译进可执行文件，优点是不需要外部库的依赖，缺点是文件会比较大，一旦需要更新就必须重新编译动态库动态库中的函数没有编译到可执行文件中，当执行到相关函数时才会被调用，优点是可执行文件小，动态库的改变不影响应用程序，升级比较方便

而作为一个单片机软件攻城狮，也会经常用到各种静态库，常见的C库有stdio，stdlib，string，time等，第三方库也有CMSIS_DSP_Library，mbedtls，60730等等。为什么要使用这些库呢？个人认为可能有以下几个原因：

1. 系统解耦，可以减少软件模块之间的耦合，使软件结构更清晰。

2. 加速编译，有些库源码有非常多的源文件，如果使用源码编译会大大增加编译时间。

3. 保护知识产权，限定产品的使用范围。比如NXP提供的电机算法库rtcesl当然希望它运行在自己品牌的MCU。

MCU从产品实用角度上看，也是有动态库的需求，比如下面几种场景：

1. 有些产品形态要求MCU的固件分为安全域和非安全域，安全域的逻辑一旦经过认证就无法进行升级，而非安全域的逻辑可以通过bootloader进行远程或本地的升级。比如新规电表，计量部分属于安全域不可更新，而其他固件则可以进行更新

   

2. 有些软件/算法公司并不提供实际的硬件产品，和终端客户的合作模式如果按件收费，除非每个产品必须联网认证，就像我们所用的Windows系统激活，否则很难把控。比较好的做法是，将算法编译成二进制烧入芯片中，向终端客户提供芯片。

   

3. 有些产品经常需要更新固件，受限于通讯速率，Flash大小的问题，希望可更新的固件越小越好。比如内置蓝牙的MCU，其协议栈往往在100KB左右，如果通过源码或者静态库的方式编译，则升级的时候就必须将协议栈也一并升级，即使协议栈本身没有任何修改，由于升级的固件比较大，所需要的更新时间也会非常长。如果通过动态库的方式提供协议栈，就没有这个问题。同时，如果客户要求产品的固件能回退，则Flash必须能放两份固件，如果应用代码超过20K，则最终固件很容易超过128K（APP+BLE），如果使用静态库，则选型时必须使用超过256K的产品(APP+BLE)x2，而动态库则可以使用256K以内的产品(APPx2+BLE)。用过Nordic蓝牙MCU的应该都懂。

   

   今天我们就专门研究下如何在MCU上实现动态库的制作和加载。

首先我们先回忆下如何制作静态库，第三方的或者自己写的静态库，一般由三部分组成：

ItemDescription静态库源码及工程实现软件/算法，编译输出选择Library编译后生成的.a/.lib编译器将源码编译为库文件，用于提供用户程序调用库函数相关.h头文件用户通过.h文件获取库函数接口

在MCU中制作的动态库则需要如下几部分内容：

ItemDescription源码及工程实现软件/算法，编译输出选择应用程序编译后生成.bin/.hex编译器将源码编译为二进制固件库函数指针列表用户通过结构体获取库函数接口

至于具体如何实现，现在以之前介绍的开源PLC为例：

1. 规划内存，将MCU内部的Flash/RAM分出一部分留给库，具体做法需要修改链接文件中的相关地址

   Flash

   0x0000  ~ 0x1000Bootloader4K0x1000 ~ 0x9000APP32K0xA400  ~ 0x29000Library126K0x29000  ~ 0x2A000plc_rte_sec1K

   RAM

   0x1FFFC000~0x1FFFCFFFAPP4K0x20000000  ~ 0x20000FFFShared4K0x20001000  ~ 0x20003FFFLibrary44K

2. 定义函数指针列表结构体，用于提供给用户程序调用：

   typedefstruct
   {
   void(*get_time)(IEC_TIME *);
   void(*set_timer)(unsignedlonglong,unsignedlonglong);
   
   int(*check_retain_buf)(void);
   void(*invalidate_retain_buf)(void);
   void(*validate_retain_buf)(void);
   void(*retain)(unsignedint,unsignedint,void*);
   void(*remind)(unsignedint,unsignedint,void*);
   
   void(*init_dio)();
   void(*get_input)();
   void(*set_output)();
   *************用户可以添加自己的RTE程序************************/
   void(*usr_init)();
   void(*usr_main)();
   
   }
   plc_rte_abi_t;
   

3. 初始化结构体，并实现函数原型：

   __rootconstplc_rte_abi_tplc_glue_rte @.plc_rte_sec"
   {
   .get_time  = PLC_GetTime,
   .set_timer = PLC_SetTimer,
   
   .check_retain_buf      = plc_backup_check,
   .invalidate_retain_buf = plc_backup_invalidate,
   .validate_retain_buf   = plc_backup_validate,
   
   .retain = plc_backup_retain,
   .remind = plc_backup_remind,
   
   .init_dio = plc_init_dio,
   .get_input = plc_get_input,
   .set_output = plc_set_output,
   
   *************用户可以添加自己的RTE程序************************/
   
   .usr_init = plc_user_init,
   .usr_main = plc_user_main
   
   };
   

   voidplc_set_output()
   {
   DO1_OUT = g_u8OutputData[0] &0x01;
   DO2_OUT = (g_u8OutputData[0] >>1) &0x01;
   DO3_OUT = (g_u8OutputData[0] >>2) &0x01;
   DO4_OUT = (g_u8OutputData[0] >>3) &0x01;
   
   }
   

4. 修改链接文件，将函数指针列表放到固定地址

   place at address mem:0x29000{ readonly section .plc_rte_sec };
   

5. 编译并下载到MCU中

生成动态库后，用户只需要知道函数指针列表的地址和结构体列表即可。使用过程如下：

1. 在用户工程中定义相同的结构体，并从固定地址中加载到

   #definePLC_RTE_BASE    0x29000
   plc_rte_abi_t*plc_curr_rte = (plc_rte_abi_t*)PLC_RTE_BASE;
   

2. 通过函数指针执行相应代码即可

   plc_curr_rte->init_dio();
   plc_curr_rte->usr_init();
   

针对动态库的应用场景2，简单的卖芯片也只是防君子不防小人，因为终端客户可以通过JTAG/SWD把动态库读出来，有些芯片虽然支持禁用JTAG/SWD使能ISP的方式下载，但用户还是可以通过指针+地址的方式将库从芯片中读取出来，之后找芯片原厂克隆，针对这种攻击，普通的MCU往往是无力应付的，大部分的软件/算法公司是通过绑定加密芯片的方式来进行保护，但是除非加密芯片中有算法逻辑，否则这种保护也是徒劳的，因为不管是动态库，还是静态库，攻击者都可以通过反汇编看到关键的跳转点，从而bypass验证过程。

难道真的就没有更好的防守么？目前知道有两种方案：

1. NXP Kinetis系列产品在Flash中添加了FAC(Flash Access Control)功能，可以保证在可配置区域内只能被执行，而无法通过指针方式，DMA，JTAG/SWD，Ezport等接口获取

   

2. ARM Cortex-M33内核以及支持了TrustZone，可以将动态库放置在Secure区域，并设置NSC访问接口，具体做法和FAC类似