ARM TrustZone 是針對片上系統(tǒng)（SoC）設計的系統(tǒng)級安全技術，它基于硬件,，內(nèi)置于CPU和系統(tǒng)內(nèi)核,，為半導體芯片設計師設計設備安全性能（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。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）,，到高性能處理器（搭載針對Cortex-A處理器優(yōu)化的TrustZone技術）,，設計師們終于可以從設計初始就著手打造出色的安全性能了。
TrustZone安全技術將非可信資源和可信資源隔離
TrustZone技術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、周邊設備接口和SoC上的軟件,。
針對ARMv8-M處理器（Cortex-M）的TrustZone技術
ARMv8-M架構將TrustZone技術拓展至Cortex-M級系統(tǒng),，實現(xiàn)了對所有成本點的安全防護。為Cortex-M度身設計的TrustZone技術可以保護固件和周邊設備,，并為安全啟動,、可信更新以及可信根執(zhí)行實現(xiàn)隔離。該架構具備嵌入式解決方案應有的確定性實時響應能力,。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，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,。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）,。管理者模式是特權模式，可以接入SoC的所有資源,；而線程模式則可以設定為特權或非特權兩種,。憑借TrustZone安全拓展技術，我們可以對處理器模式進行鏡像處理,，構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，處理器自動設定為非安全狀態(tài),。這種設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的性能專門設計,，具備確定性實時運行功能,。換言之，只要遵守以預先設定的安全狀態(tài)接入點為基礎的特定規(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的堆棧指示器,，用來保護安全域資產(chǎn),。由于無需使用API層管理調(diào)度，成本大幅減少,?；陬A先設定的接入點，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技術的安全狀態(tài)功能：
非安全應用不能接入安全資源，除非通過事先定義好的安全服務功能接入點
安全固件既可以接入安全存儲,，也可以進入非安全存儲
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度
每根中斷線都可以設置為安全或非安全,。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,，但安全軟件依然需要謹慎的編寫,，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
驗證非可信指示
為異步非安全存儲修改專門設計
建議1：使用最新的ARM C語言拓展技術
經(jīng)過優(yōu)化,，ARMv8-M的TrustZone技術引入了全新指令,，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
有時候,，非安全代碼會提供錯誤的設計指示,，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（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）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計
非安全中斷服務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)商的責任。為實現(xiàn)這一目標,，我們向安全軟件開發(fā)商介紹TrustZone 技術3大關鍵理念與3個重要使用建議——保護調(diào)度函數(shù)寄存器數(shù)據(jù)的ACLE技術,、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,，我們精選了相關文件以供參考。