一.前言

本文對(duì)TrustZone 進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，不涉及具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，旨在有一個(gè)概念性的感性的理解，后面有機(jī)會(huì)再分享幾篇更詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)介紹和實(shí)際應(yīng)用案例。

本文后續(xù)內(nèi)容以瑞薩的RA系列為例，不同廠家芯片可能不同需要參考對(duì)應(yīng)的手冊(cè)。

二.TrustZone介紹

Arm TrustZone 技術(shù)是Armv8-M 架構(gòu)一個(gè)可選的架構(gòu)擴(kuò)展。

其核心思想就是樸素的硬件隔離思想，系統(tǒng)和軟件劃分為安全區(qū)域和非安全區(qū)域，安全軟件可以訪問(wèn)安全和非安全存儲(chǔ)器和資源，而非安全軟件只能訪問(wèn)非安全存儲(chǔ)器和資源。安全與非安全狀態(tài)與現(xiàn)有的線程和處理模式組合，即有四種處理器狀態(tài)，如下所示:

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了安全擴(kuò)展，則系統(tǒng)默認(rèn)以安全狀態(tài)啟動(dòng)的，即啟動(dòng)時(shí)是無(wú)所不能的，一般此時(shí)對(duì)應(yīng)bootrom完全相關(guān)工作，然后跳轉(zhuǎn)到用戶非安全程序運(yùn)行。如果未實(shí)現(xiàn)安全擴(kuò)展，則系統(tǒng)始終處于非安全狀態(tài)。

注意安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，Arm TrustZone只是提供了一種實(shí)現(xiàn)安全的隔離技術(shù)，并未包括安全的所有方面，比如他就不涉及加密等，也并不是說(shuō)使用Arm TrustZone就安全了，安全是需要系統(tǒng)考慮的，任何一處不安全整個(gè)系統(tǒng)就不安全，符合木桶原理。打個(gè)比方，武俠小說(shuō)中很牛逼的反派人物，練就了金鐘罩鐵布衫刀槍不入，但是往往會(huì)有一個(gè)弱點(diǎn)就是比如足下或者腋下很脆弱，這就不是安全系統(tǒng)，木桶原理導(dǎo)致其很容易從非安全處被攻破，所以最后大決戰(zhàn)階段正派一開始被暴擊，最后快要掛了時(shí)，對(duì)準(zhǔn)反派的弱點(diǎn)比如足下一擊，立馬KO。所以安全的考慮要系統(tǒng)的考慮，而不僅僅是考慮使用一種什么技術(shù)，及你就能考慮處理器就可以達(dá)到的。

三.關(guān)鍵組件

隔離的目的就是要隔離關(guān)鍵組件(資源),使得其受保護(hù)，不能被非信任軟件直接訪問(wèn)，避免被攻擊。

關(guān)鍵組件包括以下內(nèi)容:

l安全自舉程序，即前面提到的bootrom程序，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)默認(rèn)是安全狀態(tài)的(能不能啟動(dòng)時(shí)不是安全狀態(tài)呢？不能，如果此時(shí)不是安全狀態(tài)則沒(méi)法配置安全資源，沒(méi)法進(jìn)行初始化配置，所以啟動(dòng)時(shí)必須是安全狀態(tài)，此時(shí)無(wú)所不能)。所以啟動(dòng)程序要保證受保護(hù)，不會(huì)被攻破。

l密鑰，這個(gè)不用說(shuō)，密鑰肯定是要保證不能被非法獲取的，否則別人有了你家的鑰匙，你再牛逼的防盜門也沒(méi)啥用。

l閃存編程支持，這也很重要，因?yàn)槌绦蜃罱K是要寫入FLASH的，如何保證程序燒錄的安全，不被篡改，不燒錄非授信程序等都是保證安全的前提。

l高價(jià)值資產(chǎn)，其他的，比如用戶信息數(shù)據(jù)等都是需要受保護(hù)的。

四.安全系統(tǒng)

要構(gòu)建安全硬件平臺(tái)，安全注意事項(xiàng)不僅僅要考慮處理器級(jí)別，而是需要考慮系統(tǒng)級(jí)別，所以一再?gòu)?qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)安全，而不是處理器安全，主要包括：

存儲(chǔ)器系統(tǒng)

總線系統(tǒng)

外設(shè)

調(diào)試系統(tǒng)等。

4.1存儲(chǔ)器系統(tǒng)

前面提到了TrustZone 技術(shù)的核心是隔離，所以針對(duì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)就是劃分不同的區(qū)域?qū)?yīng)不同的屬性。代碼閃存、數(shù)據(jù)閃存和 SRAM 分為 安全 (S)、非安全 (NS) 和非安全可調(diào)用 (NSC) 區(qū)域，比如瑞薩的RA系列MCU這個(gè)劃分是通過(guò)IDAU控制的。

如下圖所示:

代碼閃存和SRAM都可以執(zhí)行程序所以有非安全可調(diào)用區(qū)域，而數(shù)據(jù)閃存不可執(zhí)行程序只有非安全和安全區(qū)域之分。

當(dāng)器件生命周期為安全軟件開發(fā) (SSD) 狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)使用串行編程命令將這些存儲(chǔ)器安全屬性編程到非易失性存儲(chǔ)器中。

安全區(qū)域，執(zhí)行安全程序，具備最高權(quán)限可以訪問(wèn)所有資源。

安全地址用于只能由安全代碼或安全 master 訪問(wèn)的內(nèi)存和外設(shè)。安全事務(wù)是那些由 master 發(fā)起并在安全狀態(tài)下運(yùn)行的事務(wù)。

非安全區(qū)域，執(zhí)行非安全程序，只能訪問(wèn)非安全資源，也可以調(diào)用非安全可調(diào)用區(qū)域API，執(zhí)行一些安全程序的接口。

非安全地址用于設(shè)備上運(yùn)行的所有軟件均可訪問(wèn)的內(nèi)存和外設(shè)。非?安全事務(wù)源自以非安全方式運(yùn)行的 master或訪問(wèn)非安全地址的安全 master（僅數(shù)據(jù)事務(wù)，非獲取指令）。僅允許非安全事務(wù)訪問(wèn)非?安全地址。非安全事務(wù)不能訪問(wèn)安全地址。

非安全可調(diào)用區(qū)域NSC，即中間地帶，提供非安全程序可調(diào)用的安全API。

NSC 是一種特殊類型的安全位置。這種類型的內(nèi)存是 Armv8-M 處理器允許為其保留 SG（安全門）指令的唯一類型，該指令允許軟件從非安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。該 SG 指令可用于防止非安全應(yīng)用程序從分支進(jìn)入無(wú)效入口點(diǎn)。

當(dāng)非安全代碼調(diào)用安全端函數(shù)時(shí)：

– API 中的第一條指令必須是 SG 指令。

– SG 指令必須在 NSC 區(qū)域內(nèi)。

安全代碼還提供非安全可調(diào)用函數(shù)，為非安全代碼提供安全服務(wù)訪問(wèn)。

基于 TrustZone 區(qū)域 的代碼和數(shù)據(jù)閃存安全功能

從非安全區(qū)域讀取代碼和數(shù)據(jù)閃存區(qū)域?qū)⑸?TrustZone 安全故障。

代碼和數(shù)據(jù)閃存 編程和擦除 (P/E) 模式入口可以配置為僅通過(guò)安全軟件實(shí)現(xiàn)，也可以配置為通過(guò)安全和非安全軟件實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)情況下，MCU 將代碼和數(shù)據(jù)閃存 P/E 功能配置為僅通過(guò)安全軟件實(shí)現(xiàn)。閃存驅(qū)動(dòng)程序可以置于安全分區(qū) 中，并且可以配置為非安全可調(diào)用，以允許非安全應(yīng)用程序執(zhí)行閃存 P/E 操作。

支持安全區(qū)域和非安全區(qū)域的臨時(shí)和永久閃存塊保護(hù)。

SRAM

SRAM 存儲(chǔ)器可以通過(guò)存儲(chǔ)器安全屬性 (MSA) 分為安全/非安全 可調(diào)用/非安全狀態(tài)，并且可以防止非安全訪問(wèn)。當(dāng) MSA 指示 SRAM 存儲(chǔ)區(qū)域處于安全或非安全可調(diào)用狀態(tài) 時(shí)，非安全訪問(wèn)無(wú)法覆寫它們。

4.2總線系統(tǒng)

DMA 控制器和數(shù)據(jù)傳輸控制器

直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器 (DMAC) 和數(shù)據(jù)傳輸控制器 (DTC) 由主 TrustZone 過(guò)濾器監(jiān)控。在訪問(wèn)總線之前，會(huì)提 前檢測(cè)閃存和 SRAM 的 TrustZone 違例區(qū)域。DMAC 和 DTC 中的主 TrustZone 過(guò)濾器可以檢測(cè) IDAU 定義的閃 存區(qū)域（代碼閃存和數(shù)據(jù)閃存）和 SRAM 區(qū)域的安全區(qū)域。當(dāng)非安全通道訪問(wèn)這些地 址時(shí)，主 TrustZone 過(guò)濾器會(huì)檢測(cè)到安全違例，不允許訪問(wèn)違例地址。

以太網(wǎng)DMA控制器

EDMAC RAM 緩沖區(qū)置于 TrustZone 的非安全 RAM 中。EDMAC 被硬編碼為 TrustZone 非安 全總線主器件。這些硬件特性允許以下兩個(gè)以太網(wǎng)程序分區(qū)選項(xiàng)：

在安全區(qū)域中運(yùn)行以太網(wǎng)程序 ，在非安全區(qū)域中放置 EDMAC RAM 緩沖區(qū)

在非安全區(qū)域中運(yùn)行以太網(wǎng)程序 EDMAC RAM 緩沖區(qū)。

MPU

總線主 MPU 可用于除 CPU 外的每個(gè)總線主器件的存儲(chǔ)器保護(hù)功能。安全軟件可以設(shè)置總線主 MPU 的安全 屬性。

4.3外設(shè)

MCU 中的大多數(shù)外設(shè)都可以配置為安全或非安全，但CS 區(qū)域控制器、QSPI、OSPI、ETHERC 和 EDMAC始終是非安全。

外設(shè)分為兩種類型。 類型 1 外設(shè)具有一種安全屬性，對(duì)所有寄存器的訪問(wèn)由一種安全屬性控制。安全應(yīng)用程序?qū)㈩愋?1 外設(shè)安 全屬性設(shè)置到外設(shè)安全屬性寄存器（PSARx：x = B 至 E）。外設(shè)的不同通道可以采用不同的安全屬性。例如，UART 通道 0 和通道 1 可以具有不同的安全或非安 全屬性。

類型 2 外設(shè)具有每個(gè)寄存器或每個(gè)位的安全屬性，根據(jù)這些安全屬性控制對(duì)每個(gè)寄存器或位域的訪問(wèn)。安 全應(yīng)用程序?qū)㈩愋?2 外設(shè)安全屬性設(shè)置到每個(gè)模塊中的安全屬性寄存器。

總結(jié)一下就是外設(shè)類型1顆粒度更大，所有寄存器一起控制安全屬性，類型2顆粒度更小。

時(shí)鐘生成電路針對(duì)每個(gè)時(shí)鐘樹控制都有單獨(dú)的安全屬性?？墒褂靡幌聲r(shí)鐘控制方案。

整個(gè)時(shí)鐘樹僅通過(guò)安全項(xiàng)目進(jìn)行控制，在非安全項(xiàng)目中被鎖定。

整個(gè)時(shí)鐘樹可通過(guò)非安全項(xiàng)目和安全項(xiàng)目進(jìn)行控制。

4.4調(diào)試系統(tǒng)

開發(fā)階段希望有更強(qiáng)大的調(diào)試功能，以方便進(jìn)行各種調(diào)試分析，而發(fā)布階段希望關(guān)閉調(diào)試功能以放置通過(guò)調(diào)試系統(tǒng)被攻破。所以調(diào)試功能分為了不同級(jí)別

調(diào)試功能分為 DBG0、DBG1 和 DBG2 三個(gè)級(jí)別，以 對(duì)支持 TrustZone 技術(shù)的調(diào)試功能提供支持，并為開發(fā)、生產(chǎn)和部署的產(chǎn)品提供安全性。

DBG2：允許調(diào)試器連接，無(wú)限制訪問(wèn)存儲(chǔ)器和外設(shè)。

DBG1：允許調(diào)試器連接，但僅限訪問(wèn)非安全存儲(chǔ)區(qū)域和外設(shè)

DBG0：不允許調(diào)試器連接

調(diào)試級(jí)別根據(jù)產(chǎn)品的器件生命周期狀態(tài)確定。通過(guò)器件生命周期管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試級(jí)別的回退。

五.器件生命周期管理

使用 TrustZone 技術(shù)功能和安全加密引擎 9 (SCE9) 實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件 生命周期管理系統(tǒng)。器件生命周期管理在啟用 TrustZone 技術(shù)的應(yīng)用程序開發(fā)、生產(chǎn)和部署階段非常重要，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

根據(jù)器件生命周期狀態(tài)定義和切換，在開發(fā)和生產(chǎn)階段創(chuàng)建、安 裝和使用器件生命周期管理密鑰等。

六.參考

《TrustZone technology for Armv8-M Architecture Version 2.1》

《Renesas RA Family Security Design with Arm TrustZone - IP Protection》

審核編輯 黃宇