基于M33核NXP LPC55Sxx MCU拥有的TrustZone技术来实现IoT安全

物联网（IoT）是嵌入式开发者的热门话题，IoT系统产品变得更加复杂，同时也需要更好的方案来保证系统的安全。本文介绍基于M33核NXP LPC55Sxx MCU拥有的TrustZone技术来实现IoT安全。

一、TrustZone技术介绍

LPC5500系列MCU以Arm最新的Cortex-M33为核心，与前几代产品相比，改进了产品架构并提高了集成度；大幅减小了功耗，并提供高级安全功能，通过Arm TrustZone-M保护资产。

近几年来，物联网（IoT）成为了嵌入式开发者的热门话题。IoT系统产品变得更加复杂，同时也需要更好的方案来保证系统的安全。

传统的方案是通过把软件分成特权和非特权两部分解决。特权级软件利用MPU防止非特权软件的应用，访问包含敏感信息在内的关键系统资源。

这些方案对一些IoT系统非常适合，但是在一些情况下，只有两层划分是不够的。特别是那些包含很多复杂特权级别的软件组成的系统，特权级代码的一个缺陷，就可能导致黑客彻底的控制整个系统。

为了更好地提高MCU的安全性能，Arm在ARMv8-M架构中引入了TrustZone技术。ARMv8-M中的TrustZone技术是一种可选择的安全扩展，旨在为各种嵌入式系统应用提供基本的安全保障。

TrustZone技术将系统分为安全区和非安全区两部分，并通过特殊的指令实现两种区域内函数的相互访问。

TrustZone的概念不是最新的了，它被应用在Arm Cortex-A系列处理器中已经有一段时间了，现在被扩展到了ARMv8-M 处理器中，它与Cortex-A处理器中的TrustZone并不是完全相同的，本篇中所描述的TrustZone技术都是基于Cortex-M处理器的。

1.1TrustZone的特性： 

允许用户将内存划分为安全和非安全区域；

允许在未经过身份验证时阻止调试安全代码/数据；

NVIC、MPU、SYSTICK、内核控制寄存器等也被备份到两个区域中 ，安全代码和非安全代码可以独立访问自己的资源；

安全区和非安全区都有MSP和PSP堆栈指针；

提出了Secure Gateway的概念，非安全代码可以通过Secure Gateway访问特定的安全代码，这也是非安全代码访问安全代码的唯一方式；

提供了一个Stack Limit Checking(堆栈限制检查)功能，可以用于检测堆栈溢出的情况。在Cortex-M33对应的ARMv8-M架构中，每个堆栈指针都有相应的堆栈限制寄存器。

1.2Register banking 

上节提到一些有内核相关的寄存器也被备份到了安全/非安全区域中，下图展示了具体哪些通用/特殊寄存器被备份到两种内存中。

1.3TrustZone 技术可以满足的安全需求 

Data protection：敏感数据可以存储在安全内存中，只可以被安全软件访问。只有在安全检查和授权之后，非安全软件才可以访问安全APIs。

Firmware protection：固件可以预装载在安全区域中，防止逆向操作和恶意攻击。

Operation protection：关键操作可以像安全固件一样，被预加载到安全内存中，并且配置适当的外设仅在安全状态下访问。通过这种方式, 可以保护操作免受来自非安全端的入侵。

Secure boot：安全启动机制可以使用户对自己的平台充满信心，因为它始终从安全内存启动。

二、Secure/Non-Secure存储器配置

在Cortex-M33中，如果选配了TrustZone技术，则4G的内存空间将被划分为安全和非安全内存区域。安全内存空间又可以进一步划分为两种类型： Secure和Non-secure Callable（NSC）。

三种内存区域的特性：

Secure：安全数据只可以被安全代码访问，安全代码只有在CPU处于安全模式时才可以被执行；

Non-secure：非安全数据可以被安全和非安全状态访问，但非安全代码只能在CPU处于非安全状态时被执行；

Non-secure Callable(NSC)：NSC区域作为非安全函数访问安全函数的跳板。非安全代码需要先跳转到NSC区域中，执行SG指令，然后再跳转到相应的的安全函数处执行，这也是NS代码访问S函数的唯一方式。

引入NSC存储区的原因，是为了防止其他二进制数据（例如，具有与SG指令的操作码相同的值的查找表）被用作安全状态的入口函数。

2.1内存区域的的安全属性定义 

内存区域的安全属性是由Secure Attribution Unit(SAU)和Implementation Defined Attribution Unit(IDAU) 共同决定的。

SAU的作用和IDAU是相似的，都是用于分离安全区和非安全区。两者最大的区别是SAU位于CPU内部，IDAU在CPU外部。

无论是IDAU和SAU都可以定义一块内存的安全属性，此时CPU会选择两者中较高的安全属性作为此块内存最终的安全属性，最高的安全属性是Secure，其次是Non-Secure Callable，最后是Non-secure。

2.2IDAU 

IDAU除了可以向处理器指示特定存储器地址是Secure、NSC还是Non-secure，提供存储器地址所在的区域编号之外，它还可以标记免受安全检查的内存区域，例如ROM表。

理论上，IDAU是可以设计为可编程的，但是IDAU接口上的信号位于时序的关键路径上，这会使IDAU的设计变得非常复杂，不切实际，也会导致设计中的门数更高。

实际上，IDAU只提供了有限的可配置的简单存储器映射。

LPC55Sxx 的IDAU提供的配置如下图所示：

其中，0x00000000到0x1FFFFFFF是NS区域，在0x20000000到0xFFFFFFF范围内，是根据存储器地址的第28位来判断该内存地址的安全属性，若Bit_28=0, 则为非安全地址，若Bit_28=1, 则为安全地址。

2.3SAU 

SAU为每个内存区域定义了一个Region Number(RN)。RN可以被TT指令用来决定目标内存的访问权限和安全属性。RN的数量可以被SAU配置为0、4或者8。

SAU是由设计者配置的，设计者可以在IDAU配置的内存属性的基础上，用SAU去重定义内存中的一些区域的安全属性，CPU会根据IDAU和SAU的配置，决定内存的最终安全属性。

LPC55Sxx复位后，默认的SAU配置是： 所有存储空间都是安全的。结合IDAU的默认配置，LPC55Sxx的最终默认配置如下图所示，即所有内存区域都是安全的。

三、Secure/Non-secure转换

第二节中介绍了如何利用SAU和IDAU配置一块内存区域的安全属性，用户可以在安全区和非安全区定义相应的函数，TrustZone技术允许两种状态下的函数相互调用，在进行相互调用时需要用到几个特殊指令：SG、BXNS、BLXNS, 如下表所示。

执行状态切换时的具体操作如下图所示：

SG指令：用于从非安全状态切换到安全状态，是从非安全区跳转到NSC区域之后执行的第一条指令；

BXNS指令: 用于从安全状态返回到非安全状态；

BLXNS指令: 用于在安全状态下调用非安全函数。

这里介绍两种特殊的函数：Entry function和Non-secure function。

Entry function是指那些可以被非安全函数调用的安全函数；

Non-secure function是指那些可以被安全函数调用的非安全函数。

用户在实现两种状态下函数的相互调用时，不需要额外关注该执行哪条特殊指令（SG/BXNS/BLXNS），而只需要将那些被调用的函数定义为Entry function或 Non-secure function即可。下面简单介绍如何定义以及使用Entry function和Non-secure function。

3.1Entry function 

Entry function需要用“__attribute__((cmse_nonsecure_entry)) ”属性修饰，举例如下：

此时func1()已经被定义为了entry function，在非安全内存中调用entry function的方法与调用普通的非安全函数的方法是相同的，如下所示：

这样即可实现非安全函数调用安全函数的功能。

3.2Non-secure function call 

Non-secure function函数定义如下所示：

在安全内存中的调用non-secure function的方法如下：

这样即可实现在安全函数中调用0x21000248u处的非安全函数。

四、总结

看到这里，各位看官是不是对LPC55Sxx中的TrustZone技术的使用方法有了初步的了解呢，下面小编再为大家总结一下使用TrustZone时软件的工作流程：

在明白了这些之后，大家就可以开始行动起来，利用手里的LPC55Sxx来设计自己的安全系统了。

TrustZone详细培训视频最后，让我们来看看由本文作者做的，一个关于TrustZone的详细培训视频，您可以更深入地理解前面所讲的内容。