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ARM公司白皮書 ARM TrustZone 是針對片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計的系統(tǒng)級安全技術(shù)，它基于硬件，內(nèi)置于CPU和系統(tǒng)內(nèi)核，為半導(dǎo)體芯片設(shè)計師設(shè)計設(shè)備安全性能（如可信根）量身打造。TrustZone可用于任何基于ARM Cortex-A的系統(tǒng)，隨著全新Cortex-M23和Cortex-M33處理器的發(fā)布與升級，Cortex-M也已經(jīng)支持該技術(shù)。從尺寸最小的微控制器（搭載針對Cortex-M處理器優(yōu)化的TrustZone技術(shù)），到高性能處理器（搭載針對Cortex-A處理器優(yōu)化的TrustZone技術(shù)），設(shè)計師們終于可以從設(shè)計初始就著手打造出色的安全性能了。 
TrustZone安全技術(shù)將非可信資源和可信資源隔離 TrustZone技術(shù)的核心理念是將可信資源與非可信資源在硬件上實現(xiàn)隔離。在處理器內(nèi)部，軟件只能安裝于安全或非安全域其中一處；在兩個域間切換則必須經(jīng)過Cortex-A處理器的軟件（后文稱安全監(jiān)視器）和Cortex-M處理器的硬件（核心邏輯）處理才能執(zhí)行。這種將安全（可信）域和非安全（非可信）域隔離理念的實現(xiàn)不僅涉及CPU，還涵蓋存儲、片上總線系統(tǒng)、中斷、周邊設(shè)備接口和SoC上的軟件。 針對ARMv8-M處理器（Cortex-M）的TrustZone技術(shù) ARMv8-M架構(gòu)將TrustZone技術(shù)拓展至Cortex-M級系統(tǒng)，實現(xiàn)了對所有成本點的安全防護。為Cortex-M度身設(shè)計的TrustZone技術(shù)可以保護固件和周邊設(shè)備，并為安全啟動、可信更新以及可信根執(zhí)行實現(xiàn)隔離。該架構(gòu)具備嵌入式解決方案應(yīng)有的確定性實時響應(yīng)能力。同時，因為安全與非安全域間的上下文切換在硬件中完成，所以更快實現(xiàn)轉(zhuǎn)換及更高的電源效率。該架構(gòu)無需安裝任何安全監(jiān)視器軟件，因為處理器本身就能完成切換任務(wù)，不僅可以減少存儲足跡，還能降低代碼執(zhí)行的動態(tài)功率。 在繼續(xù)討論編程之前，我們先介紹以下幾個概念： 1. 地址定義安全 2. 新增執(zhí)行狀態(tài) 3. 跨域調(diào)用 概念1：地址定義安全 第一個需要了解的概念是：地址定義安全，即每一個地址都與一個特定的安全狀態(tài)相關(guān)。Cortex-M處理器采用全新引入的安全屬性單元來檢查地址的安全狀態(tài)。根據(jù)整體SoC設(shè)計，系統(tǒng)級接口可以重寫該屬性。選擇此狀態(tài)后，該地址還會通過一個存儲保護單元（視系統(tǒng)配置而定）。
地址定義安全圖解 概念2：新增執(zhí)行狀態(tài) 第二個概念是“新增執(zhí)行狀態(tài)”。ARMv7-M和ARMv6-M架構(gòu)定義了兩種執(zhí)行模式：管理者模式（handler mode）和線程模式（thread mode）。管理者模式是特權(quán)模式，可以接入SoC的所有資源；而線程模式則可以設(shè)定為特權(quán)或非特權(quán)兩種。憑借TrustZone安全拓展技術(shù)，我們可以對處理器模式進行鏡像處理，構(gòu)造安全和非安全兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)都各自包含管理者模式和線程模式。安全狀態(tài)和處理器模式是正交的，因此可形成4種狀態(tài)和模式的組合。在安全的存儲器中運行軟件時，處理器自動設(shè)定為安全狀態(tài)；反之，在非安全存儲器中運行軟件時，處理器自動設(shè)定為非安全狀態(tài)。這種設(shè)計消除了本來用于管理狀態(tài)切換的安全監(jiān)控軟件的必要性，從而實現(xiàn)減少存儲足跡和功耗的目的。
新增正交態(tài) 概念3：跨域調(diào)用 ARMv8-M為實現(xiàn)Cortex-M的性能專門設(shè)計，具備確定性實時運行功能。換言之，只要遵守以預(yù)先設(shè)定的安全狀態(tài)接入點為基礎(chǔ)的特定規(guī)則，任何狀態(tài)下的任何功能都可以直接調(diào)用其他狀態(tài)下的任何其他功能。此外，每個狀態(tài)都有一個獨特的堆棧集和對應(yīng)的堆棧指示器，用來保護安全域資產(chǎn)。由于無需使用API層管理調(diào)度，成本大幅減少。基于預(yù)先設(shè)定的接入點，調(diào)度可以直接讀取被調(diào)函數(shù)。
跨域調(diào)用 應(yīng)用案例簡述 如下圖表介紹了一個使用案例簡述。該環(huán)境下，用戶應(yīng)用和I/O驅(qū)動都處于非安全狀態(tài)，而系統(tǒng)的啟動代碼和通訊堆棧則處于安全狀態(tài)。用戶應(yīng)用調(diào)度并轉(zhuǎn)入通訊堆棧以傳輸、接收數(shù)據(jù)，而該堆棧將使用非安全狀態(tài)的I/O驅(qū)動來完成界面上的數(shù)據(jù)傳輸和接收。
所有相似系統(tǒng)環(huán)境下，示例軟件配置都可以得益于TrustZone技術(shù)的安全狀態(tài)功能： 非安全應(yīng)用不能接入安全資源，除非通過事先定義好的安全服務(wù)功能接入點 安全固件既可以接入安全存儲，也可以進入非安全存儲 安全和非安全代碼可以用不同的定時器制定獨立的時間進度 每根中斷線都可以設(shè)置為安全或非安全。安全軟件和非安全軟件的中斷向量表也可以分開。 盡管處理器硬件可以為安全軟件提供核心保護，但安全軟件依然需要謹慎的編寫，才能確保整個系統(tǒng)的安全。以下是軟件開發(fā)商在設(shè)計安全軟件時必須牢記的三個內(nèi)容： 使用最新的ARM C語言拓展（ACLE）技術(shù) 驗證非可信指示 為異步非安全存儲修改專門設(shè)計 建議1：使用最新的ARM C語言拓展技術(shù) 經(jīng)過優(yōu)化，ARMv8-M的TrustZone技術(shù)引入了全新指令，支持安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換。軟件開發(fā)商再也無需創(chuàng)建封裝器來生成這些指令了，他們現(xiàn)在可以使用ARM C語言拓展功能（ACLE）中定義的全新編譯器，讓軟件工具理解上述功能的安全使用，并生成所需的最佳代碼。ACLE功能由多家編譯器廠商實現(xiàn)并支持，代碼非常便捷易用。 比如說，在創(chuàng)建可以從非安全狀態(tài)調(diào)度的安全API時，應(yīng)該使用一個名為“cmse_nonsecure_entry”的全新功能屬性來做函數(shù)聲明。安全狀態(tài)調(diào)度功能使用結(jié)束時，處理器中的寄存器仍可能保留一些秘密信息。憑借正確的功能屬性，編譯器便可自動插入代碼，清空R0-R3、R12和應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器（APSR）中仍保留秘密信息的寄存器，但是寄存器將結(jié)果返還給非安全軟件的情況除外。寄存器R4到R11有不同的處理方式，因為它們的內(nèi)容在函數(shù)邊界保持不變。如果它們的值在函數(shù)執(zhí)行過程中改變，那么就必須在返還非安全調(diào)度功能之前改回原值。 建議2：驗證非可信指標(biāo) 有時候，非安全代碼會提供錯誤的設(shè)計指示，試圖接入安全存儲。為了徹底杜絕這一可能，ARMv8-M引入了一個全新指令——測試目標(biāo)（TT）指令。TT指令可以將一個地址的安全屬性返還，安全軟件即可由此判斷該指示指向安全還是非安全地址。 為了提高指示檢查效率，每個存儲區(qū)都有一個安全配置定義的區(qū)域號。軟件可以用區(qū)域號判斷相鄰的存儲區(qū)是否具有類似的安全屬性。 TT指令將來自地址值的安全屬性和區(qū)域號（還有MPU的區(qū)域號）返還原軟件。如果在存儲段的起始和終止地址上使用TT指令，并確定兩個地址都處于同一個區(qū)域號內(nèi)時，軟件便可迅速判斷存儲范圍（如數(shù)據(jù)陣列或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）是否完全位于非安全空間。
檢查指示是否指向安全的區(qū)域邊界 使用上述機制，憑借API調(diào)度進安全側(cè)的安全代碼即可判斷，非安全軟件區(qū)域發(fā)起的指示請求是否具備符合該API的安全屬性。通過這種方法，我們可以阻止非安全軟件在安全軟件中使用API來讀取或破壞安全信息。 建議3：為異步非安全存儲修改專門設(shè)計 非安全中斷服務(wù)程序可以修改正在被安全軟件處理的非安全數(shù)據(jù)。因此，已經(jīng)通過安全API驗證的輸入數(shù)據(jù)可以在經(jīng)過驗證之后被一個非安全的ISR更改。避免這種情況的一個方法就是在安全存儲中為那份輸入數(shù)據(jù)建立一個本地副本，并用安全副本進行處理（包括輸入數(shù)據(jù)的驗證）以避免非安全存儲讀取；無法創(chuàng)建該副本時（如在特定存儲區(qū)域中處理大量數(shù)據(jù)），則可以選擇另一種方法，即對安全屬性單元進行編程，以確保該存儲區(qū)域的安全。 總結(jié) 確保整個系統(tǒng)的安全性并阻止安全數(shù)據(jù)泄漏至非安全側(cè)，是安全軟件開發(fā)商的責(zé)任。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們向安全軟件開發(fā)商介紹TrustZone 技術(shù)3大關(guān)鍵理念與3個重要使用建議——保護調(diào)度函數(shù)寄存器數(shù)據(jù)的ACLE技術(shù)、驗證指示的TT指令；最后一點開發(fā)商也必須牢記，非安全側(cè)可能會通過干擾安全側(cè)來修改數(shù)據(jù)。欲知更多詳情，請點此瀏覽，為協(xié)助您在ARMv8-M處理器上開發(fā)安全固件，我們精選了相關(guān)文件以供參考。 |
