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2024年ARM的安全启动—ATF TF-A以及它与UEFI的互动_atf runtime spmd，2024年最新在一家公司干多长时间跳槽才合适_arm atf

作者：小桥流水78 | 2024-07-20 20:32:51

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arm atf

学习路线：

这个方向初期比较容易入门一些，掌握一些基本技术，拿起各种现成的工具就可以开黑了。不过，要想从脚本小子变成黑客大神，这个方向越往后，需要学习和掌握的东西就会越来越多以下是网络渗透需要学习的内容：
在这里插入图片描述

网上学习资料一大堆，但如果学到的知识不成体系，遇到问题时只是浅尝辄止，不再深入研究，那么很难做到真正的技术提升。

需要这份系统化资料的朋友，可以点击这里获取

一个人可以走的很快，但一群人才能走的更远！不论你是正从事IT行业的老鸟或是对IT行业感兴趣的新人，都欢迎加入我们的的圈子（技术交流、学习资源、职场吐槽、大厂内推、面试辅导），让我们一起学习成长！

来源：ARM官网

国际CSP全面拥抱ARM服务器的主要原因是技术和成本可控，而性能差距可以接受。出于同样的原因，国内以鲲鹏和飞腾为代表的ARM国产化势力也在持续发力，未来从技术上看希望很大（姑且不论生产卡脖子的问题）。在消费客户端，ARM的成熟度更高。

ARM如此被看好，百敖BIOS自然会全面支持。目前为止，我们在ARM端除了支持国内的鲲鹏和飞腾，也支持国外的NXP。在项目运行中，我发现ARM体系中一些基本概念普及度很低，如ATF/TF-A、Power State Coordination Interface (PSCI)、SMC、Server_Base_Boot_Requirements（SBBR）、Server_Base_System_Architecture（SBSA）、Management Mode（MM）、OPTEE等；还有很多混淆，如ATF和TZ（TrustZone）。我计划写一些文字，分别介绍一下它们，尤其是和固件相关的技术。于此同时，我觉得学习最好能融会贯通，我们将会把这些ARM的概念和x86相应的技术进行对比，希望这样更能够强化大家的理解和记忆。今天就带来第一篇：ATF（ARM Trusted Firmware）。

ATF的由来

TF(Trusted Firmware)是ARM在Armv8引入的安全解决方案，为安全提供了整体解决方案。它包括启动和运行过程中的特权级划分，对Armv7中的TrustZone（TZ）进行了提高，补充了启动过程信任链的传导，细化了运行过程的特权级区间。TF实际有两种Profile，对ARM Profile A的CPU应用TF-A，对ARM Profile M的CPU应用TF-M。我们一般接触的都是TF-A，又因为这个概念是ARM提出的，有时候也缩写做ATF（ARM Trusted Firmware），所以本文对ATF和TF-A不再做特殊说明，ATF也是TF-A，对TF-M感兴趣的读者可以自行查询官网[1]。

有些同学混淆了ATF和TZ的区别。实际上，TZ更多的是和Intel的SGX概念对应，是在CPU和内存中区隔出两个空间：Secure空间和Non-Secure空间。而ATF中有个Firmware概念，它实际上是Intel的Boot Guard、特权级和提高版的TZ的混合体。它在保有TZ的Secure空间和Non-Secure空间的同时，划分了EL0（Exception level 0）到EL3四个特权级：

其中EL0和EL1是ATF必须实现的，EL2和EL3是可选的。实际上，没有EL2和EL3，整个模型就基本退化成了ARMv7的TZ版本。从高EL转低EL通过ERET指令，从低EL转高EL通过exception，从而严格区分不同的特权级。其中EL0、EL1、EL2可以分成NS-ELx(None Secure ELx)和S-ELx（Secure ELx）两种，而EL3只有安全模式一种。

ARMv8 没有 Privilege level 的概念，取而代之的是 Exception level（异常级别），简称为EL，用于描述特权级别，一共有 4 个级别：EL0、EL1、EL2 和 EL3，数字越大，级别越高，权限越大！这四个 EL 级别对应的应用场合如下：

EL0：一般的应用程序
EL1：操作系统，比如 Linux
EL2：虚拟化（Hypervisor），虚拟机管理器
EL3：最底层的安全固件，如 ARM Trusted Firmware（ATF/TF-A）

ARMv8 提供了两种安全状态：Secure 和 Non-secure，也就是安全和非安全，Non-secure 也就是正常世界（NormalWorld）。我们可以在 Non-secure 运行通用操作系统，比如 Linux，在 Secure 运行可信操作系统，比如OP-TEE，这两个操作系统可以同时运行，这个需要处理器支持 ARM 的 TrustZone 功能。在 Normal world 和 Secure world下，ARMv8 个 EL 等级对应的内容和在 ARMv8 的 AArch32 模式下，处理器模式如图所示：

在 AArch32 模式下，EL0~LE3 对应 ARMv7 的不同工作模式：

EL0：对应 ARMv7 的 User 工作模式
EL1：对应 ARMv7 的 SVC、ABT、IRQ、IRQ、UND 和 SYS 这 6 中工作模式
EL2：对应 ARMv7 的 Hyp 工作模式
EL3：对应 ARMv7 的 Mon 工作模式

可以看出，只有 EL3 是用于安全监视器的，所以 TF-A 主要工作在 EL3 下，在看 TF-A源码的时候会看到大量的“EL3”字样的文件或代码。

ATF带来最大的变化是信任链的建立（Trust Chain），整个启动过程包括从EL3到EL0的信任关系的打通，过程比较抽象。NXP的相关文档[2]比较充分和公开，它的源代码也是开源的[3]。我们结合它的文档和源代码来理解一下。

ATF启动流程

ARM开源了ATF的基本功能模块，大家可以在这里下载：

git clone  https://github.com/ARM-software/arm-trusted-firmware.git
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里面已经包含了不少平台，但这些平台的基础代码有些是缺失的，尤其是和芯片部分和与UEFI联动部分。这里我推荐它的一个分支：NXP的2160A芯片的实现。

ARM推出了System Ready计划，效果相当不错，关于它我们今后再单独讲。2020年底，ARM在OSFC推出新的一批System Ready机型[4]，NXP 2160A名列其中：

来源：参考资料4

ATF代码下载可以用：

git clone https://source.codeaurora.org/external/qoriq/qoriq-components/atf -b LX2160_UEFI_ACPI_EAR3
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UEFI代码下载可以用图片上的地址。我们可以把参考资料2和这些代码对照来看，加深理解。
支持ATF的ARM机器，启动过程如下

来源：参考资料2

注意蓝色箭头上的数字，它是启动顺序。一切起源于在EL3的BL1。

BL1：Trusted Boot ROM

启动最早的ROM，它可以类比Boot Guard的ACM，

老狼：什么是Boot Guard？电脑启动中的信任链条解析269 赞同 · 44 评论文章编辑

不过它是在CPU的ROM里而不是和BIOS在一起，是一切的信任根。它的代码在这里：

代码很简单（略去不重要内容）：

func bl1_entrypoint
        ....
	bl	bl1_early_platform_setup
	bl	bl1_plat_arch_setup
        ....
	bl	bl1_main
        ....
	b	el3_exit
endfunc bl1_entrypoint
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bl1_main()开始就是c程序了，那c运行依靠的堆和栈空间在哪里呢？在CPU内部的SRAM里。SRAM一启动就已经可以访问了，bl1_plat_arch_setup（）简单地在其中划分出来一块作为Trusted SRAM给c程序用，而不用像x86在cache里面扣一块出来，简单了很多。

BL1主要目的是建立Trusted SRAM、exception vector、初始化串口console等等。然后找到并验证BL2（验签CSF头），然后跳过去。

BL2：Trusted Boot Firmware

同样运行在EL3上的BL2和BL1一个显著的不同是它在Flash上，作为外置的一个Firmware，它的可信建立在BL1对它的验证上。它也有完整的源代码：

它也会初始化一些关键安全硬件和软件框架。更主要的是，也是我希望大家下载NXP 2160A的分支的重要原因，BL2会初始化很多硬件，而这些硬件初始化在x86中是BIOS完成的（无论是在PEI中还是包在FSP/AGESA中），而在ARM的ATF体系中，很多种CPU是在BL2中完成的。2160A在Plat目录下提供了很多开源的硬件初始化代码，供ATF BL2框架代码调用。比较重要的是bl2_main()

void bl2_main(void)
{
        ...
	bl2_arch_setup();
        ...
	/* initialize boot source */
	bl2_plat_preload_setup();
	/* Load the subsequent bootloader images. */
	next_bl_ep_info = bl2_load_images();
        ...
	bl2_run_next_image(next_bl_ep_info);
}
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最重要的两步都在这个函数中完成：初始化硬件和找到BL31。

bl2_plat_preload_setup()中会初始化一堆硬件，包括读取RCW初始化Serdes等，对内存初始化感兴趣的人（比如我）也可以在里面找到初始化DDR4的代码：dram_init（），它在Plat\nxp\drivers\ddr\nxp-ddr下。比较遗憾的是DDR4 PHY的代码是个Binary，不含源码，这里对DDR4的初始化仅仅聚焦设置timing寄存器和功能寄存器，而没有内存的Training过程。

Anyway，x86带内初始化硬件的很多代码ARM ATF体系都包括在BL2中，而不在UEFI代码中，这是和x86 UEFI代码的一个显著区别。部分原因这些代码都要求是Secure的。更加糟糕的是，很多ARM平台，BL1和BL2，甚至后面的BL31都是以二进制的形式提供，让定制显得很困难。BL2能否提供足够的信息和定制化选择给固件厂商和提供足够信息给UEFI代码，考验BL2的具体设计实现。NXP在两个方面都做的不错，不但提供RCW等配置接口，还开源了大部分代码，十分方便。

BL2在初始化硬件后，开始寻找BL3的几个小兄弟：BL31，BL32和BL33。它先找到BL31，并验签它，最后转入BL31。

BL31：EL3 Runtime Firmware

BL31作为EL3最后的安全堡垒，它不像BL1和BL2是一次性运行的。如它的runtime名字暗示的那样，它通过SMC为Non-Secure持续提供设计安全的服务。关于SMC的调用calling convention我们今后再详细介绍，这里只需要知道它的服务主要是通过BL32。它负责找到BL32，验签，并运行BL32。

BL32：OPTee OS + 安全app

BL32实际上是著名的Open Portable Trusted Execution Enveiroment[5] OS，它是由Linaro创立的。它是个很大的话题，我们今后再细聊。现在仅需要知道OPTee OS运行在 S-EL1，而其上的安全APP运行在S-EL0。OPTee OS运行完毕后，返回EL3的BL31，BL31找到BL33，验签它并运行。

BL33： Non-Trusted Firmware

BL33实际上就是UEFI firmware或者uboot，也有实现在这里直接放上Linux Kernel。2160A的实现是UEFI和uboot都支持。我们仅仅来看UEFI的路径。

第一次看到UEFI居然是Non-Trusted，我是有点伤心的。UEFI运行在NS_EL2，程序的入口点在ARM package

edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/AArch64/ModuleEntryPoint.S
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做了一些简单初始化，就跳到C语言的入口点CEntryPoint( )。其中ArmPlatformInitialize（）做了一些硬件初始化，调用了


edk2-platforms/Silicon/NXP/

的代码。重要的是PrimaryMain（）。

PrimaryMain（）有两个实例，2160A NXP选择的是PrePI的版本（edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/MainUniCore.c），说明它跳过了SEC的部分，直接进入了PEI的后期阶段，在BL2已经干好了大部分硬件初始化的情况下，这个也是正常选择。PrePI的实例直接调用PrePiMain（）（仅保留重要部分）

VOID
PrePiMain (
  IN  UINTN                     UefiMemoryBase,
  IN  UINTN                     StacksBase,
  IN  UINT64                    StartTimeStamp
  )
{
  ....
  ArchInitialize ();
  SerialPortInitialize ();
  InitializeDebugAgent (DEBUG_AGENT_INIT_POSTMEM_SEC, NULL, NULL);
  // Initialize MMU and Memory HOBs (Resource Descriptor HOBs)
  Status = MemoryPeim (UefiMemoryBase, FixedPcdGet32 (PcdSystemMemoryUefiRegionSize));
  BuildCpuHob (ArmGetPhysicalAddressBits (), PcdGet8 (PcdPrePiCpuIoSize));
  BuildGuidDataHob (&gEfiFirmwarePerformanceGuid, &Performance, sizeof (Performance));
  SetBootMode (ArmPlatformGetBootMode ());
  // Initialize Platform HOBs (CpuHob and FvHob)
  Status = PlatformPeim ();
  ....
  Status = DecompressFirstFv ();
  Status = LoadDxeCoreFromFv (NULL, 0);
}
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