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(hù),。為Cortex-M度身設(shè)計的TrustZone技術(shù)可以保護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)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?；陬A(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(jìn)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(jìn)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(hù),，但安全軟件依然需要謹(jǐn)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(jìn)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(jìn)行處理（包括輸入數(shù)據(jù)的驗證）以避免非安全存儲讀?。粺o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(jìn)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(hù)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,。