TrustZone技术详解————这篇是AI写的包括图

TrustZone 基本概念

TrustZone 是 ARM 架构中实现硬件级安全隔离的关键技术，它通过将系统划分为 安全世界 (Secure World) 和 非安全世界 (Non-secure World) 两个物理隔离的执行环境。

• 安全世界：运行可信执行环境 (TEE)、安全监控模式 (EL3) 和安全服务。
• 非安全世界：运行普通操作系统 (Rich OS) 和应用程序。
• 硬件隔离：通过总线信号 (NS bit) 实现内存、外设和中断的物理隔离。

处理器实现机制

安全状态切换

• 监控模式调用 (SMC)：通过 smc 指令触发世界切换。
• 异常级别转换：EL3 作为安全世界和非安全世界的桥梁。
• 上下文保存：自动保存通用寄存器、系统寄存器状态。

// 典型SMC调用示例
mov x0, #SERVICE_ID
smc #0

内存隔离机制

外设隔离

• TZPC (TrustZone Protection Controller)：配置外设安全属性。

• TZASC (TrustZone Address Space Controller)：划分内存区域的安全属性。

系统级实现

中断处理流程

1. 中断触发时，硬件会检查通用中断控制器 (GIC) 的安全配置，以确定中断的目标世界。
2. 处理器根据中断目标，自动切换到安全或非安全状态。
3. 来自安全世界的中断可以抢占非安全世界的正常执行流程，以确保高优先级的安全任务得到及时处理。

典型 TrustZone 系统组成

一个典型的基于 ARM TrustZone 的系统启动流程涉及多个引导加载程序阶段，逐级建立安全环境并加载非安全操作系统。其基本流程如下：

• Boot ROM: 系统上电后执行的固化代码，负责加载并验证第一阶段引导加载程序 (BL1)。
• BL1 (TF-A): 作为信任根，负责加载第二阶段引导加载程序 (BL2)。
• BL2 (TF-A): 负责加载安全世界的可信固件 (BL31)、可信操作系统 (BL32) 以及非安全世界的引导加载程序 (BL33)。
• BL31 (TF-A): 作为 EL3 运行时的安全监控固件，负责处理安全监控调用 (SMC) 和世界切换。
• BL32 (OP-TEE): 可选的安全世界负载，例如一个完整的可信执行环境 (TEE)。
• BL33 (UEFI/Linux): 非安全世界的负载，例如 UEFI 固件或 Linux 内核。

TF-A 中的 TrustZone 支持

关键实现模块

• bl31/tspd: TEE 调度器，负责处理来自非安全世界的安全监控调用 (SMC) 并将其分派给对应的 TEE。

• services/spd: 安全负载分发器 (Secure Payload Dispatcher)，提供一个框架用于将 SMC 调用路由到已加载的安全服务。

• plat/arm：负责平台特定的 TrustZone 配置，例如内存和外设的安全属性设置。

典型配置流程

// 初始化安全世界环境
void bl31_plat_arch_setup(void) {
    // 配置MMU安全属性，为非安全和安全内存区域添加映射
    mmap_add_region(BASE_NS_MEM, BASE_NS_MEM, SIZE_NS_MEM, MT_NS | MT_RW);
    mmap_add_region(BASE_SEC_MEM, BASE_SEC_MEM, SIZE_SEC_MEM, MT_SEC | MT_RW);
    
    // 初始化 TrustZone 地址空间控制器 (TZASC)
    tzc400_init(PLAT_ARM_TZC_BASE);
    // 配置 TZASC 的区域0，设定非安全内存区域，并限制安全世界的访问权限
    tzc400_configure_region(0, BASE_NS_MEM, TOP_NS_MEM, TZC_REGION_S_NONE);
}

安全扩展应用

典型用例

• 安全支付：指纹识别等生物特征认证流程在可信执行环境 (TEE) 中完成，以保护敏感数据。
• DRM 保护：受数字版权管理 (DRM) 保护的媒体内容的解密密钥和解密过程在安全世界中执行，防止内容被非法复制。
• 设备认证：设备的唯一密钥和身份凭证被安全地存储，相关的加密操作也在隔离的安全环境中进行。

性能考量

• 上下文切换开销：在安全世界与非安全世界之间切换，通常会产生约 1000 至 2000 个时钟周期的开销。
• 缓存影响：由于安全世界与非安全世界的翻译后备缓冲器 (TLB) 需要分开维护，可能会对性能产生影响。
• 优化技术：可通过批处理安全监控调用 (SMC) 、使用共享内存缓冲区等技术来降低性能开销。

安全威胁与防护

注：TrustZone 并非万无一失的银弹，必须与良好的安全开发实践相结合，才能构建出真正完整的安全解决方案。