ARM TrustZone技术解析：构建嵌入式系统的安全扩展基石_arm trustzone 架构_trustzone安全扩展的处理器核有哪些

铁黄 iron oxide yellow

文章目录

• 1、背景：
• • 1.1、ARM Trustzone的安全扩展简介
    • 1.2、ARM Trustzone的安全扩展详细解剖
    • 1.3、 AMBA-AXI对Trustzone的支持
    • 1.4Processor的SCR.NS比特位
• 2.TZC400和TZPC简介
• • 2.1 MMU对Trustzone的支持
    • 2.2 cache对Trustzone的支持
    • 2.3 TLB对Trustzone的支持
    • 2.4 gicv的安全中断
• 3.ARM Trustzone技术对软件带来的变化
• • 3.1、EL3 is AArch64：
    • 3.2、EL3 is AArch32：
    • 3.3、armv7：
• 思考：通过MMU/TLB/Cache对安全内存攻击的可能性
• • • • 推荐

本文转自 周贺贺，baron，代码改变世界ctw，Arm精选， armv8/armv9，trustzone/tee，secureboot，资深安全架构专家，11年手机安全/SOC底层安全开发经验。擅长trustzone/tee安全产品的设计和开发。文章有感而发。

说明： 在默认情况下，本文讲述的都是ARMV8-aarch64架构，linux kernel 64位

1、背景：

随着时代的发展、科技的进步，安全需求的趋势也越来越明显，ARM也一直在调整和更新其新架构，很多都是和安全相关的。 如下列出了一些和安全相关的架构

1.1、ARM Trustzone的安全扩展简介

其中：

• (1)、AMBA-AXI总线的扩展, 增加了标志secure读和写地址线：AWPROT[1]和ARPROT[1]
• (2)、processor的扩展(或者说master的扩展)，在ARM Core内部增加了SCR.NS比特位，这样ARM Core发起的操作就可以被标记“是以secure身份发起的访问，还是以non-secure身份发起的访问”
• (3)、TZPC扩展，在AXI-TO-APB端增加了TZPC，用于配置apb controller的权限(或者叫secure controller)，例如将efuse(OTP Fuse)配置成安全属性后，那么processor以non-secure发起的访问将会被拒绝，非法的访问将会返回给AXI总线一个错误。
• (4)、TZASC扩展，在DDRC(DMC)之上增加一个memory filter，现在一般都是使用TZC400，或由SOC厂商自己设计一个这样的IP，或叫MPU，或集成在DMC内部，它的作用一般就是配置DDR的权限。 如果配置了DDR中某块region为安全属性，那么processor以non-secure发起的访问将会被拒绝。
• (5)、MMU/Cache对安全扩展的支持 在软件架构的设计中，就分为: Non-secure EL0&1 Transslation Regime 和 Secure EL0&1 Transslation Regime，即normal world和secure world侧使用不同的Transslation Regime，其实就是使用不同的TTBRx_ELn寄存器，使用不同得页表。 注意：在armv7上，TTBRx_EL0、TTBRx_EL1是banked by Security State，也就是说在安全世界和非安全世界各有一组这样的寄存器，所以在linux和tee中可以各自维护一张自己的内存页表. 在armv8/armv9上，TTBRx_EL0、TTBRx_EL1不再是banked了，但是world switch时会在ATF中switch cpu context, 所以从hypervisror或os的视角来看，依然还是两套不同的TTBRx_ELn寄存器，linux和tee各有各的页表。 而在TLB中，又为每一个entry增加了Non-secure属性位，即标记当前翻译出的物理地址是secure还是non-secure； cache的扩展：在cache的entry中的TAG中，有一个NON-Secure Identifier标记为，表示当前缓存数据的物理地址是属于non-secure还是secure。
• (6)、gic对安全扩展的支持，在gicv2、gicv3的版本中，都增加了对安全扩展的支持. 以gicv3为例，将中断划分成了group0、secure group1和non-secure group1. 在软件的配置下，group0和secure group1的中断将不会target到REE(linux)中处理

1.2、ARM Trustzone的安全扩展详细解剖

1.3、 AMBA-AXI对Trustzone的支持

ARPROT[2:0]和AWPROT[2:0] 分别是读通道和写通道中的关于权限的信号，例如他们中的BIT[1]则分别表示正是进行secure身份的读或secure身份的写操作。

1.4Processor的SCR.NS比特位

SCR_EL3.NS 表示当前processor的安全状态，NS=1表示是non-secure的，NS=0表示是Secure的

2.TZC400和TZPC简介

TZC400接在core和(DMC)DDR之间，相当于一个memory filter。 TZC400一般可以配置8个region（算上特殊region0, 也可以说9个），然后可以对每一个region配置权限。例如讲一块region配置成secure RW的，那么当有non-secure的master来访问这块内存时，将会被TZC挡住。

2.1 MMU对Trustzone的支持

首页，在软件架构的设计中，就分为: Non-secure EL0&1 Transslation Regime 和 Secure EL0&1 Transslation Regime，即normal world和secure world侧使用不同的Transslation Regime;
其实就是使用不同的TTBRx_ELn寄存器，使用不同得页表 其次，在MMU使用的页表中，也有NS比特位。
Non-secure Transslation Regime 只能翻译NS=1的页表项，secure Transslation Regime 可以翻译NS=1和NS=0的页表项。
即secure的页表可以映射non-secure或secure的内存，而non-secure的页表只能去映射non-secure的内存，否则在转换时会发生错误 在Page Descriptor中(页表entry中)，有NS比特位（BIT[5]），表示当前的映射的内存属于安全内存还是非安全内存：

2.2 cache对Trustzone的支持

如下所示，以为cortex-A78为例，L1 Data Cache TAG中 ，有一个NS比特位（BIT[33]），表示当前缓存的cacheline是secure的还是non-secure的

2.3 TLB对Trustzone的支持

如下所示，以为cortex-A78为例，L1 Data TLB entry中 ，有一个NS比特位（BIT[35]），表示当前缓存的entry是secure的还是non-secure的

2.4 gicv的安全中断

在gicv2/gicv3中，支持了安全中断，配置有如下： （1）、Group分组(GICD_IGROUPRn) – gicv2 ◾group0：安全中断，由nFIQ驱动 ◾group1：非安全中断，由nIRQ驱动

（2）、Group分组(GICD_IGROUPRn)– gicv3 ◾group0：安全中断 ◾non-secure group1：非安全中断 ◾secure group1：安全中断

3.ARM Trustzone技术对软件带来的变化

ARM Trustzone技术对软件框架带来了变化

3.1、EL3 is AArch64：

3.2、EL3 is AArch32：

AArch32和AArch64 secure monitor的理解：

• 如果secureos和monitor都是64位，secureos跑在el1, monitor跑在el3;- 如果secureos和monitor都是32位，secureos和monitor都跑在EL3（secureos在svc模式、monitor在svc模式），它俩共用页表；- 如果monitor是64位，secureos是32位，那么secureos跑在svc模式(el1)，monitor跑在el3，他俩不共用页表

3.3、armv7：

思考：通过MMU/TLB/Cache对安全内存攻击的可能性

在安全架构的设计时，我们在Core和DDR之间增加了一个TZC做为memory filter，数据流为:Core ---> TZC---->DDR, 这种架构下，core以非安全身份发起的对安全内存的读写，将会被TZC挡住。

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