IOT设备硬件分析

IOT设备硬件组成

市面上 IOT 设备的类型众多，不同的 IOT 设备有着不同的功能与用途。

但是，这些 IOT 设备都具有感知和通信功能，以及存储和处理能力。

印制电路板

PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、武器系统，都使用了印制电路板来实现各个元器件之间的电气连接。

目前，印制电路板主要由以下部分组成。

  • 线路与图面：线路是元器件之间导通的工具，在设计 PCB 时，会另外设计大铜面（即图面）作为接地及电源层。而且，线路与图面是在设计（或生产）PCB 时同时做出的。

  • 介电层：俗称基材，用来保持线路及各层之间的绝缘性。

  • 孔：分为导通孔和非导通孔。导通孔可以使不同之间的线路彼此导通，较大的导通孔可以用作零件插件。非导通孔通常用作表面贴装定位，在组装印制电路板时用于固定螺丝。

  • 防焊油墨：并非所有的铜面都要上锡（俗称吃锡）和上零件，因此对于不需要上锡的区域，会印一层用来隔绝铜面上锡的物质（通常为环氧树脂），以免不需要吃锡的线路间短路。根据工艺的不同，防焊油墨可以分为绿油、红油、蓝油、黄油、白油等。

  • 丝印：丝印为 PCB 非必要的组成结构，它的主要功能是在 PCB 上标注各零件的名称、位置框，以方便辨识以及组装后的维修。

  • 表面处理：由于铜面在一般环境中很容易氧化，导致无法上锡（也就是我们说的焊锡性不良），因此需要对上锡的铜面进行保护而且通常是采用喷锡、化金、化银、化锡以及使用有机保焊剂等方法进行保护的。这些方法统称为表面处理，它们各有优缺点，这里不展开介绍。

根据功能与用途的不同，印制电路板可以分为单面板、双面板、多层板。

  • 单面板：指的是只使用印制电路板的一面来设计线路。传统设备（如收音机、遥控器等功能单一的设备）会较多地用到单面板。

  • 双面板：指的是电路板的两面都有布线的设计。不过，要想使用这两面的导线，这两个面之间必须有适当的电路连接才行。这种电路间的 “桥梁” 称为导通孔。随着时代的进步以及消费者对于电子产品的要求（无论是功能还是体积），电子产品需要及时更新换代，而双面板可以有效解决传统设备体积过大、功能相对不足的问题。

  • 多层板：指的是电子产品中的多层线路板，它是使用了更多单面板或双面板的布线板。多层板大多用于体积大小有限制且所需产品功能较多的设备。

存储芯片

只读存储器（Read-Only Memory，ROM）是一种半导体存储器，其结构如图所示。顾名思义，只读存储器只能读出事先存储的数据。它的特性是一旦在其中存储了数据，就无法再将数据进行改变或删除，且存储的数据不会因为电源的关闭而消失。

只读存储器通常用于存储各种固化的程序和数据。

根据 ROM 的工作原理，可以将其细分为 PROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM 几类。

  • 可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）

用户可以使用专用的编程器将自己的数据写入 PROM 但是只有一次写入机会，且数据一旦写入后无法修改。因此，若是在数据写入过程中出现错误，PROM 只能做报废处理。

PROM 的成本较高，数据的写入速率较慢，一般只适用于少量需求的场合，或者用于在量产前进行验证。

  • 可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）

EPROM 可重复擦除和写入，这解决了 PROM 只能写入一次的弊端。EPROM 在其正面的陶瓷封装上，有一个玻璃窗口。透过该窗口，可以看到 EPROM 内部的集成电路。使用紫外线透过该窗口照射内部的集成电路，即可擦除其上存储的数据。当然，真正的信息擦除操作需要使用 EPROM 擦除器来执行。

老式计算机的 BIOS 芯片一般使用的就是 EPROM，其擦除窗口通常使用印有 BIOS 发行商名称、版本和声明的标签进行覆盖。

  • 电擦除可编程只读存储器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）

由于 EPROM 在操作上不是很方便，后来计算机主板上的 BIOS 芯片开始采用 EEPROM。在擦除 EEPROM 上的数据时，不需要借助于其他设备即可完成。它通过电子信号来修改其内容，而且最小的修改单位为字节。这样一来，无须将存储的数据全部擦除就可以写入新的数据，这也就摆脱了 EPROM 擦除器和编程器的束缚。

  • 快闪存储器（Flash Mermory，FLASHROM）

快闪存储器又称为闪存，是一种可以通过电子方式多次复写的半导体存储设备，允许在操作期间进行多次擦除写入。闪存主要用于一般性的资料存储，以及在计算机与其他数字产品（如储存卡与 U 盘）间交换信息。

闪存是 EEPROM 的一种，它结合了 ROM 和 RAM（随机存取存储器）的长处，不仅具备 EEPROM 的性能，而且在断点时不会丢失数据，同时还可以快速读取数据。

内存与 EEPROM 的区别是，闪存按扇区块（block）操作，而 EEPROM 按照字节操作，而且闪存的电路结构比较简单，在同样的容量小占用的芯片面积较小，因此成本要比 EEPROM 低，更适合作为程序存储器使用。

内存主要分为 NOR 内存和 NAND 闪存。其中，NOR 闪存的特点是芯片内执行（XIP，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在内存内运行，而不必把代码读到系统 RAM 中。NOR 内存的传输效率很高，但是写入和擦除速率很低。而 NAND 闪存能提供极高的单元密度，因此存储密度很高，并且写入和擦除速度也很快。但是，NAND 闪存的一个弊端是它需要使用特殊的系统接口进行管理。

闪存是非易失性的存储器。也就是说，单就信息的保存而言，它不需要消耗电力。而且与硬盘相比，内存也有更佳的抗震性，这也是内存广泛应用于移动设备的原因。

电子基础

电压

电压（Voltage）也成为电势差、电位差，用于衡量电位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差。电压的方向规定从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位为伏特（V，简称为伏），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（uV）、千伏（kV）等。

在测量电压的时候，我们需要一个特定位置的参考为基点。这个参考基点通常是地（Ground，GND），或者电池、供电设备的负极。GND 又分为数字地（DGND）和模拟地（AGND）。

电流

电荷的定向移动形成电流（Current）。电流的大小称为电流强度，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，其单位为安培（A，简称为安）。1 安培等于每秒通过 1 库仑的电荷量。电流分为交流电流和直流电流，如图。

  • 交流电流（AC）：大小和方向都发生周期性变化。
  • 直流电流（DC）：方向不随时间发生改变，大小可以改变。

电阻

电阻（Resistance）是一个物理量，在物理学中表示为导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示对电流的阻碍作用越大。不同的导体，其电阻一般不同。导体的电阻通常用字母 R 表示，电阻的单位是 欧姆（Ω，简称为欧）。电阻上一般带有彩蛇的条码，彩色条码用来表示该电阻的电阻值。

电容

在所有的 IOT 设备中，电容器是最常见的电子元器件之一。在物理学中，在既定的电压下，电容器存储电荷的能力称为电容（Capacitance）。电容的单位是法拉（farad，标记为 F）。在电路图中，通常以字母 C 打头的命名方式来标识电容，如 C01、C02、C03、C100 等。电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中发挥了重要的作用。

晶体管

晶体管（Transistor）是一种类似于阀门的固体半导体元器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。

晶体管的一种常见用途是用作电流放大器，即接受较小的电流并将其放大后进行输出。我们经常使用的音响就使用了晶体管的这个原理，即在调节输入到音响中的声波的音量大小后将其输出。

IOT通信接口识别与调试

通信接口是 IOT 设备与计算机进行通信的重要接口，也是我们在进行 IOT 安全研究时最常用的接口。下面看一下常见的 IOT 通信接口都有哪些，以及如何使用 IOT 通信接口对设备进行调试。

通用异步接收器

联合测试工作组

通过通信接口对UART设备进行调试

  1. 准备工作
  • 万用表
  • 杜邦线
  • FT232芯片
  • JTAGulator工具
  1. 测试流程

IOT设备硬件防护

通信接口安全

安全人员可以通过 PCB 的调试接口对 UART、JTAG 等通信接口进行调试。在顺利进入调试界面后，可以利用系统自带的命令获取物联网设备的固件，进而获取固件中保存的密码等敏感信息。

因此，为了防止敏感信息的泄露，IOT 设备在出厂时应默认去掉 PCB 上的接口标记，并关闭 UART、JTAG 等通信接口。在提供售后服务时，如果有调试需求，则应使用飞线的方法进行调试。如果迫不得已，不得不开启设备调试接口，则需要遵循接口信息传输最小化的原则，避免大量敏感信息的传输。

存储芯片安全

存储芯片是 IOT 设备的核心，里面保存着所有 IOT 设备的信息，因此在设备出厂前向input写入数据时，应该对其中的敏感信息进行加密，加密方案可通过操作系统分区加密来实现。

除了对敏感信息进行加密，还需要开启芯片保护机制，以防止通过调试接口来读取数据。

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