探究eFuse：硬件保障与系统安全的核心

探究eFuse：硬件保障与系统安全的核心

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图1： 编程熔断的 eFuse

eFUSE的全名是"Electrically Programmable Read-Only Memory Fuse"，它是一种电可编程只读存储器。
eFUSE是一种用于存储固定信息的存储器，它的主要特点是一旦编程后就无法再进行擦除或修改，类似于传统的只读存储器（ROM）的功能。

作为系统工程师，虽然不会对eFuse 这块做深入的开发，更多的还是依赖芯片厂商自己的实现，然后取出自己的数据，但是通过对 eFuse 大致的了解，能够对整机的一些概念紧密联系起来，让知识图谱更全面。

目前手机行业内，出厂都会做熔丝处理，熔丝之后，不能进行随意刷机，非熔丝设备一般属于开发设备，用来内部自定义刷机。
熔丝过程中，有一个步骤就是写入设备ID信息， 熔丝设备通常具有唯一的设备ID，可以用防止软件篡改和仿冒，一些商业化行为的唯一标记等。
这些标识通常是在制造过程中预先烧录到eFUSE中的，用于识别每个设备的唯一性，Bootloader可以读取eFUSE中的这些标识，并在设备启动时使用它们来进行身份验证。

eFuse不是软件上的分区

eFUSE（熔断保护）通常是硬件特性，而不是预置的软件特性，eFUSE是一种一次性可编程的硬件存储器，用于存储固定的数据或配置信息，例如设备序列号、密钥、硬件配置等。
eFUSE在手机或其他设备的主板上实现，并由硬件厂商预置一些不可更改的数据。这些数据通常在制造过程中被烧录到eFUSE中，并且无法在后续的使用中被修改。因此，eFUSE中存储的信息是设备固有的、不可更改的。
在 Android 系统中，eFUSE通常被用于存储一些重要的设备信息和安全相关的数据，例如设备唯一标识、安全密钥、加密相关信息等。这些数据的安全性和不可篡改性是系统的重要保障，因此通常会将它们存储在eFUSE中，以防止被非法篡改或泄漏。
由于eFUSE的特性，它一般不受 Android 系统软件的影响，也不是可编程的软件特性。因此，Google 原生 Android 系统上的eFUSE通常是由设备硬件厂商预置和配置的，与 Android 系统软件无关。

BootLoader 实现读取

eFUSE 在Bootloader中扮演着重要的角色，用于存储关键的设备信息和安全配置，帮助确保设备的启动过程和运行环境的安全性。它是Android设备等嵌入式系统中重要的安全保障措施之一。

Android bootloader 是一个引导加载程序，它位于 Android 设备的存储芯片中，负责启动设备并加载操作系统。它是设备上的第一个软件程序，负责执行一系列初始化任务和配置操作，以确保设备能够正确启动。
目前 bootloader 不属于 AOSP 内标准的模块，一般是芯片厂商在维护，目录结构也不统一，对于 eFuse 的读取模块也在 lk 内， 高通的 bsp 模块一般是独立编译，MTK和展讯所在的目录也不太一样，常见的有这些目录结构：

  • bsp/bootloader/lk
  • kernel/lk/

eFuse 存在 BootLoader 中的功能有：

  1. 安全启动验证
    Bootloader是在设备启动时运行的第一个软件程序，负责初始化硬件和加载操作系统，在安全启动流程中，Bootloader通常会检查 eFUSE 中的安全配置信息，例如是否启用了 Secure Boot（安全启动）功能。
    如果eFUSE中的安全标志被设置为启用，Bootloader会执行相应的安全验证流程，以确保设备启动的固件和操作系统是经过验证的，从而防止未经授权的固件加载。

  2. 设备唯一标识
    Bootloader可能会使用eFUSE中存储的设备唯一标识（Device ID）作为设备的身份认证信息。
    这些标识通常是在制造过程中预先烧录到eFUSE中的，用于识别每个设备的唯一性。
    Bootloader可以读取eFUSE中的这些标识，并在设备启动时使用它们来进行身份验证。

  3. 安全密钥存储
    某些Bootloader可能会使用eFUSE来存储安全密钥，例如用于加密和解密数据的密钥。这些密钥通常是在制造过程中预先烧录到eFUSE中的，以确保密钥的安全性和不可篡改性。

  4. 防止硬件修改
    Bootloader可能会使用eFUSE来检查设备硬件的配置和状态，以确保硬件没有被修改或篡改。通过读取eFUSE中存储的硬件配置信息，Bootloader可以识别任何不合法的硬件修改，从而确保设备的完整性和安全性。

eFuse 和 NVRAM 的区别

eFUSE（Electrically Programmable Read-Only Memory Fuse）和 NVRAM（Non-Volatile Random Access Memory）

  • eFUSE（电可编程只读存储器）：

    • 特性：eFUSE是一种只读存储器，一旦编程后就无法再进行擦除或修改。它是一次性可编程的，一旦被烧录，存储的数据将变为永久性的。
    • 用途：eFUSE通常用于存储一些重要的设备信息和安全相关的数据，例如设备唯一标识、安全密钥、硬件配置等。这些数据的安全性和不可篡改性是系统的重要保障。
    • 编程：eFUSE通常在制造过程中被烧录，由硬件厂商预置一些不可更改的数据。它一般不受软件的影响，也不是可编程的软件特性。

  • NVRAM（非易失性随机存取存储器）：

    • 特性：NVRAM是一种随机访问存储器，它可以读取和写入数据，并且数据在断电后仍然保持不变，具有非易失性特性。
    • 用途：NVRAM通常用于存储一些配置信息、用户设置、操作系统状态等需要持久化保存的数据。
    • 编程：NVRAM中的数据通常由操作系统或应用程序进行读取和写入，可以在运行时进行修改和更新。

在手机行业中， eFuse 涉及到的开发一般是工具开发工程师在处理，兼容不同芯片，将设备ID等基础功能兼容好，NVRAM的开发更多是涉及到软件工程师，根据实际的需求来读写数据。

比如常见的电子保卡，WIFI、MAC等一些格式化需要保留的信息等，后续文章会针对性在讲解。

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MTK的刷机设备上通过 Download Only 以及 Android设备自带的恢复出厂设置就不会将 NVRAM 存储的数据清除， 但是 Format ALL+Download(格式化刷机) 就会将NVRAM数据清除。

eFuse 一般就是一次写入，比如设备ID， NVRAM是根据实际的需求，由软件工程师来进行读写。

熔丝工具

熔丝工具（Fuse Programming Tool）是用于编程eFuse的特定工具，其原理主要涉及以下方面：

  • 接口和通信
    熔丝工具需要与目标设备建立通信，并通过特定的接口与设备进行数据传输。通常，熔丝工具使用USB、JTAG、SWD（Serial Wire Debug）等接口与目标设备进行连接。
  • 认证和权限
    为了确保对eFuse的编程是安全可靠的，熔丝工具通常需要进行认证和权限验证。这可以防止未经授权的访问者对设备的eFuse进行编程。
  • 操作命令
    熔丝工具通过发送特定的操作命令到目标设备来控制eFuse的编程。这些命令可能包括读取eFuse的状态、擦除eFuse、编程eFuse等。
  • 保护机制
    为了防止误操作或恶意篡改，熔丝工具可能会实现一些保护机制，如写保护功能、编程次数限制等。
  • 错误处理
    熔丝工具需要能够处理可能出现的错误情况，如通信错误、设备响应超时、编程失败等，以保证编程的准确性和稳定性。

熔丝工具原理可能因厂商、芯片型号和设备特性而异， 因此，在使用熔丝工具时，需要严格按照厂商提供的文档和指导进行操作，避免因错误的操作而导致设备损坏或数据丢失，
此外，由于eFuse是一次性编程的，一旦编程完成，其中的信息将无法修改或擦除，因此操作时必须谨慎。

所以对于工具工程师而言，这里面核心的工作任务就是兼容不同芯片，保证熔丝的稳定。

一般涉及到 eFuse 写入的稳定性问题，一般都是芯片厂内部的逻辑，对于手机厂商而言，如果遇到设备ID失败，异常的问题，就会被归类为影响整机的严重问题。

安全问题

任天堂的 Switch 掌机通过 eFuse 来防止设备降级， 在用户升级系统时，机器会熔断一定数量 eFuse ，而用户试图降级系统时会校验版本和熔丝的数量，如果不匹配就无法刷入系统。
软破解的任天堂的Switch，就是通过外接锡纸的形式然后进入到一个大气层系统，然后在进入到Switch原始的系统， 对于设备的破解而言，一般都是推荐用户在离线的模式下进行，一个是防止软件上的数据更新导致的异常行为被发现，一个是设备升级版本之后，会对 eFuse进行熔断到当前的系统版本，如果熔断到最新版本后，可能就没法在刷入三方系统。

eFuse 是可以通过电子显微镜看见熔断的情况，见图一。

在大型安全SOC芯片中, eFuse 是一种重要的非易失性存储单元,由熔丝结构构成,通过熔丝可以在芯片上编程并存储信息.常常用于存储安全相关的内容，比如密钥、密码等信息，
因此对于芯片的安全系统非常重要。但是由于工艺尺寸的突飞猛进，efuse作为一种较为脆弱的电路单元，常常在使用过程中由于静电或者其他原因造成efuse损坏，造成整个芯片和系统无法工作，只能整机报废,从而导致大量的浪费。

eFuse 读取

对于设备ID而言，一般是通过在 BootLoader 内部读取 eFuse存储位中的信息得到设备ID，可以写入到属性，然后Android 系统进入后，就可以通过读取属性得到唯一的设备ID。
大部分的情况而言，设备ID的异常问题，是出现在 BootLoader 的读取里面，需要手机厂商自行去解决。

例如，在某些系统中，eFuse 可能被配置为存储一个 32 位的整数值。读取该 eFuse 后，得到的数据可能是一个 32 位的二进制数，或以十六进制表示的 8 位数（4 字节）。

比如通过芯片厂商提供的接口，能够获取到32位的整数值，然后需要转换记录到本地, 比如fdt32_to_cpu 函数的实现：

#include <stdint.h>

uint32_t fdt32_to_cpu(const uint32_t *val)
{
// 假设系统为小端字节序（Little-Endian）
uint32_t result;
uint8_t *p = (uint8_t *)val;

    result = (uint32_t)p[0];
    result |= ((uint32_t)p[1] << 8);
    result |= ((uint32_t)p[2] << 16);
    result |= ((uint32_t)p[3] << 24);

    return result;
}

fdt32_to_cpu 函数接受一个指向 FDT 中存储 32 位整数的指针 val，然后按照小端字节序将这个 32 位整数值转换为 CPU 的本地字节序，并将转换后的值返回。

本文只是从软件开发的角度，简单梳理一下eFuse 涉及到的模块以及基本概念，本文也在持续的更新中，如果你需要得到最新的更新，请访问: 探究eFuse：硬件保障与系统安全的核心

posted @ 2023-07-31 20:16  10cl  阅读(1458)  评论(0)  编辑  收藏  举报