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)。

作为一名单片机软件开发者，我们经常会使用各种静态库。常见的C库包括stdio、stdlib、string、time等，而第三方库则有CMSIS_DSP_Library、mbedtls、60730等等。那么为什么我们需要使用这些库呢？我个人认为可能有以下几个原因：

1. 系统解耦：使用库可以减少软件模块之间的耦合，使软件结构更加清晰。
2. 加速编译：有些库源码包含了非常多的源文件，在使用源码进行编译时会增加编译时间。而使用库可以避免这种情况，加快编译速度。
3. 保护知识产权：某些库的使用可能受到限制，限定了产品的使用范围。举个例子，像NXP提供的电机算法库rtcesl，他们希望这个库只能在自己品牌的MCU上运行。

除了上述原因，从产品的实际需求角度来看，单片机也可能需要动态库。以下是几种可能的场景：

1. 一些产品需要将MCU固件划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。举个例子，像新型电表，计量部分属于安全域，是不可更新的，而其他固件则可以进行更新。

1. 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。

   

2. 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。

制作动态库

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：

在MCU中制作的动态库则需要如下几部分内容：

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 ~ 0x1000	Bootloader	4K
   0x1000 ~ 0x9000	APP	32K
   0xA400 ~ 0x29000	Library	126K
   0x29000 ~ 0x2A000	plc_rte_sec	1K

   RAM

   0x1FFFC000~0x1FFFCFFF	APP	4K
   0x20000000 ~ 0x20000FFF	Shared	4K
   0x20001000 ~ 0x20003FFF	Library	44K

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：

   __root constplc_rte_abi_t plc_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
   
   };
   

   void plc_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

加载动态库

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

   #define PLC_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();
   

扩展知识

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

   

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