Trustzone硬件架構(gòu)詳解

 一、硬件架構(gòu)

1、AXI總線

(1)通過(guò)系統(tǒng)總線的NS位保護(hù)，為1表示Non-Secure，為0代表Secure

(2)通過(guò)AXI-to-APB bridge保護(hù)外設(shè)安全，安全的連接外設(shè)

(3)內(nèi)存混疊：cache增加了一個(gè)tag位，標(biāo)志著Secure和Non-Secure，由32位地址擴(kuò)充到33位地址(要注意保持?jǐn)?shù)據(jù)的連貫性)，數(shù)據(jù)分兩份分別保存在Secure和Non-Secure中，在修改的時(shí)候要注意保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致。

2、處理器架構(gòu)

2.1 世界切換：

(1) 用時(shí)間片劃分的方式使用兩個(gè)虛擬內(nèi)核，通過(guò)monitor mode進(jìn)行切換。

(2) 通過(guò)SMC指令、IRQ、FIQ或者異常(需要配置)進(jìn)入monitor mode

(3) Monitor用于保存上下文，恢復(fù)被切換的世界

(4) 除非位于monitor，否則CP15中的SCR中的NS位標(biāo)志著world。當(dāng)位于monitor mode時(shí)，都是處于安全世界，但是當(dāng)NS為1時(shí)，可以接受normal world的數(shù)據(jù)。

(5) 如果在Secure模式中把NS置為1，將會(huì)變?yōu)閚ormal模式，使得normal看見secure中的敏感數(shù)據(jù)(不建議)。

2.2 L1高速緩存系統(tǒng)：

(1) L1 memory中最主要的部分是MMU，對(duì)兩個(gè)世界的虛擬地址進(jìn)行映射，分別獨(dú)立。

(2) Non-Secure在進(jìn)行地址映射時(shí)，忽略NS位(因?yàn)樗荒茏x取到NS=1的數(shù)據(jù))，Secure選擇一個(gè)memory進(jìn)行讀取，這使得secure可以讀取到Non-Secure世界和Secure世界的數(shù)據(jù)。

(3) 為了快速轉(zhuǎn)換世界，在TLB上標(biāo)記了入口，不同世界執(zhí)行不同路徑，切換世界之后不用重置TLB。

(4) Cache上加了一個(gè)tag位，可動(dòng)態(tài)改變，Cache動(dòng)態(tài)更新時(shí)，Secure和Non-Secure可以任意驅(qū)逐。

(5) Non-Secure和Secure通過(guò)World-shared memory共享數(shù)據(jù)，使得可以不用重置cache。

(6) TCM：緊耦合內(nèi)存，和Cache功能差不多，程序代碼可以精確地控制什么函數(shù)或代碼放在哪兒(RAM里)。當(dāng)然TCM永遠(yuǎn)不會(huì)被踢出主存儲(chǔ)器，因此，他會(huì)有一個(gè)被用戶預(yù)設(shè)的性能，而不是象cache那樣是統(tǒng)計(jì)特性的性能提高。 TCM對(duì)于以下幾種情況的代碼是非常有用、也是需要的：可預(yù)見的實(shí)時(shí)處理(中斷處理)、時(shí)間可預(yù)見(加密算法)、避免cache分析(加密算法)、或者只是要求高性能的代碼(編解碼功能)。它有兩個(gè)獨(dú)立塊，可以分別分給Secure和Non-Secure，也可以分別獨(dú)立控制。

(7) ACP：加速一致性接口，允許過(guò)程化語(yǔ)言對(duì)CPU存儲(chǔ)空間的一致性訪問(wèn)，是AXI的衍生接口。ACP代表著處理器處理外部(可選)，使ARM處理器中Cache層次定位到外設(shè)，減少了對(duì)Cache的清理，改善了與外設(shè)共享信息的軟件的執(zhí)行速度，如DMA。

(8) AXI衍生系統(tǒng)通過(guò)ARIDMx、AWIDMx區(qū)分processor內(nèi)部處理和以ACP為代表的外部處理。

2.3 安全中斷:

(1) 允許對(duì)安全中斷進(jìn)行靈活的配置，安全中斷不能被normal世界復(fù)制，建議用IRQ進(jìn)入normal world，用FIQ進(jìn)入secure world，如果處理器正在使用正確的內(nèi)核，那么monitor不用切換世界。

(2) 為了防止惡意軟件掩蓋安全世界的敏感中斷，CP15中有一個(gè)配置寄存器，防止更改F(FIQ mask)位和A(external abort mask)位，這個(gè)控制寄存器只能被Secure world接觸。

(3) 有三個(gè)額外的中斷表，分別代表Normal world、Monitor、Secure world。

(4) Secure world的基地址使用VINITHI重置，未維護(hù)的話是0x00000000，否則就是0xFFFF0000

(5) 各個(gè)向量表可以在運(yùn)行時(shí)變化，通過(guò)VBAR實(shí)現(xiàn)。

(6) V位可以控制搞地質(zhì)向量能否被使用，如果設(shè)置了V位，處理器異?？偸菑膕taring(0xFFFF0000)開始，V位是堆積的，是得Normal world和Secure可以獨(dú)立配置向量表，而Monitor異常表總是被明確定義在MVBAR中。

(7) 各種配置選項(xiàng)被當(dāng)作是敏感數(shù)據(jù)，只有Secure可以修改，Normal只能read，而設(shè)置是非敏感的，可以被任意世界加載，使得各個(gè)世界可以獨(dú)立控制。有一些只有安全世界可以修改的全局配置，但是可以影響Norma world。尤其是在一些低級(jí)硬件中，比如Cache lockdown，合法的軟件在normal world中執(zhí)行時(shí)需要的很少或者不用改變。

(8) ARM可以支持多處理器(1-4)，可選SMP和AMP模式，都需要維護(hù)數(shù)據(jù)一致性。多處理器系統(tǒng)一般有ACP，每個(gè)世界都有Secure和Normal，通過(guò)MMU進(jìn)行獨(dú)立控制。

(9) 一個(gè)明確的軟件回喜安智安全世界的并發(fā)執(zhí)行，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，一致性硬件會(huì)使用Cache tag，要Secure和Norma保持一致。

(10) SCU(偵測(cè)控制單元)中有一個(gè)決定自己配置的配置寄存器，SCU中的ACR決定哪個(gè)處理器可以改變SCU配置寄存器以及是否可以重新編制。

(11) TrustZone-aware允許處理Secure和Non-secure中斷，禁止非安全內(nèi)存讀取或修改安全中斷配置，當(dāng)一個(gè)中斷被配置為安全世界的中斷，Non-secure就不能修改配置了，安全世界中斷的優(yōu)先級(jí)大于normal中斷，防止Secure使用中斷時(shí)被normal world攻擊。

(12) 只產(chǎn)生FIQ和IRQ中斷，其他中斷可以被配置為FIQ和IRQ。

2.4 調(diào)試架構(gòu)：

分處理器調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試，debug control signal可以配置為全局允許或不允許，但是debug需要很多資源，為了防止被攻擊，建議全局不允許。

(1) 處理器中斷可以分別獨(dú)立控制為SPIDEN、SPNIDEN、SUIDEN、SUNIDE，具體見3-17。

(2) 全局調(diào)試允許信號(hào)，DBGEN/NIDEN，著可以使核的可視化調(diào)試不可用，包括normal world的調(diào)試。

(3) 多處理器系統(tǒng)中，各個(gè)處理器獨(dú)立控制，在SMP模式下，侵略性debug處理器可以修改不可侵略debug處理器的數(shù)據(jù)。

(4) 執(zhí)行分析：CP15中有一個(gè)執(zhí)行監(jiān)視器，在運(yùn)行時(shí)間對(duì)代碼計(jì)時(shí)和對(duì)處理器事件計(jì)數(shù)，如Cache的調(diào)入調(diào)出。

(5) System debug用的是ARM CoreSight和跟蹤技術(shù)，CoreSight不用標(biāo)準(zhǔn)的AXI-to-APB，它需要接受Non-secure內(nèi)存事物。

(6) Debug模式會(huì)使normal直接影響secure和monitor。