引言- s! P! A1 v% e4 C$ u 在 IoT(物联网)应用中,设备很容易受到通过互联网实施的恶意入侵。因此,保护设备和信息并使可信区域和不可信区域彼此隔离,这些安全主题就非常的重要。 STM32L5 和 STM32U5 系列器件(本文档的后面部分称其为 STM32L5、STM32U5 或 STM32L5/U5)基于高性能 Arm®Cortex®-M33 32 位 RISC 内核。该处理器使用 Armv8‑M 架构,主要应用于非常注重安全性的环境。 面向 Armv8-M 的 Arm® TrustZone®技术是一种安全扩展,旨在将硬件划分为安全区域和非安全区域。通过 Arm® TrustZone®技术和软件方法,STM32L5/U5 微控制器(MCU)为安全应用程序提供良好的设计灵活性。3 d v' s9 I! m/ c7 s7 S( P9 U 本文档介绍 Arm® TrustZone®技术和 STM32L5/U5 器件的各项特性,这些特性允许将 MCU 内存/资源划分为安全区域和非安全区域。 1 概述 本应用笔记适用于基于 Arm® Cortex®内核设备的 STM32L5 和 STM32U5 系列微控制器。: d* r: }( o7 C, c. R$ Q6 f 提示 Arm 是 Arm Limited(或其子公司)在美国和/或其他地区的注册商标。, C1 s% V% J. [5 \! q4 @ 2 Arm TrustZone 技术1 J9 V" P' v; K( E- u3 H 2.1 概述+ ]% c. H% |( L. M+ \# Q 面向 Armv8-M 的 Arm TrustZone 技术将系统分为两个区域:一个是安全区域,另一个是非安全区域。安全与非安全区域的划分是基于内存映射的。* l$ ]# }; w6 f& e( i0 @ 所有可用的微控制器资源(包括 Flash 存储器、SRAM、外部存储器、外设和中断)被分配给安全区域或非安全区域。规划了这些资源的安全属性之后,非安全区域只能访问非安全内存和资源,而安全区域可以访问这两个区域中的所有内存和资源,包括安全和非安全资源。 需要保护的重要数据(如加密密钥)必须在安全区域中以安全的方式进行存储和处理。 代码的执行位置定义了其类型:" U5 m% U8 P- @# w • 如果代码在安全内存中执行,则称其为安全代码。& q# W4 z+ S/ ]( b4 W" L+ r T: k • 如果代码在非安全内存中执行,则称其为非安全代码。- x! v% N2 }8 J5 e 安全代码和非安全代码在相同的 STM32L5/U5 器件上运行,如下图所示。' I) z0 J. z& x j : D# ?& t6 v, p% ~8 l 2.2 安全状态 在简化视图中,执行的代码地址决定了 CPU 的安全状态,即安全或非安全: • 如果 CPU 在非安全内存中运行代码,则 CPU 处于非安全状态。 • 如果 CPU 在安全内存中运行代码,则 CPU 处于安全状态。; N" r( C7 \' T) X2 b* U j+ V Armv8-M 技术定义了以下地址安全属性: • 安全1 p; w. r6 E9 G, B2 w" Y! Z# Y 安全地址用于只能由安全代码或安全 master 访问的内存和外设。安全事务是那些由 master 发起并在安全状态下运行的事务。 • 非安全可调用(NSC)8 Z3 T7 Q2 _$ N% U! K: L NSC 是一种特殊类型的安全位置。这种类型的内存是 Armv8-M 处理器允许为其保留 SG(安全门)指令的唯一类型,该指令允许软件从非安全状态转为安全状态。该 SG 指令可用于防止非安全应用程序从分支进入无效入口点。 当非安全代码调用安全端函数时: – API 中的第一条指令必须是 SG 指令。 – SG 指令必须在 NSC 区域内。$ D3 Q" b" C! Q. i) O 安全代码还提供非安全可调用函数,为非安全代码提供安全服务访问。 • 非安全 非安全地址用于设备上运行的所有软件均可访问的内存和外设。非‑安全事务源自以非安全方式运行的 master或访问非安全地址的安全 master(仅数据事务,非获取指令)。仅允许非安全事务访问非‑安全地址。非安全事务不能访问安全地址。; A, F# u5 s6 X" C9 Q 3 在 STM32L5 和 STM32U5 系列器件上实现 TrustZone 3.1 激活 STM32L5 和 STM32U5 TrustZone7 G; z* P( S' a( x: P! k 在 STM32L5/U5 中,TrustZone 是默认禁用的,可以通过在相应的选项字节中设置 TZEN 选项位进行启用。/ A# Y5 F+ [4 W& V8 ]# u. J 本文档中描述的所有特性适用于启用了 TrustZone 的 STM32L5/U5 器件。 + U: n% V) }; p% X( Q 3.2 TrustZone 框图( i; Y9 R/ E6 k6 J# Q _: i3 L 在 STM32L5/U5 中,TrustZone 的实现得益于 SAU(安全属性单元)、IDAU(实现定义的属性单元)、Flash 存储器和 GTZC(全局 TrustZone 安全控制器 )。# u" b7 a3 r# u/ d' I' q+ { 下面的框图详细说明了 TrustZone 的实现过程。 % D8 N) r3 }' f" p; Y( [3 E2 `2 d1 R) q 3.3 安全属性单元(SAU)和实现定义的属性单元(IDAU) CPU 看到的内存地址安全状态由内部 SAU(安全属性单元)和 IDAU(实现定义的属性单元)组合控制。 安全属性的最终结果取决于 IDAU 和 SAU 其中较高的安全设置。安全属性的优先级如下:3 ]0 _6 | Y0 h! u/ n0 K( o5 ^+ ` • 安全具有最高的安全优先级。 • 非安全可调用的安全优先级次之。 • 非安全的安全优先级最低。 下表显示了如何将特定的安全属性(安全、非安全、激活非安全可调用)分配给特定地址。& v, s) N! m! v, d$ }9 \( E % h" D$ z" ^; J5 |* h & B I( B9 y, B# q, e: C ' l$ q3 Z+ {! N4 g3 |. V 3.3.1 STM32L5 和 STM32U5 的 IDAU 和存储器别名使用 STM32L5/U5 内存映射遵循 Arm 的建议实现一个重复的内存映射,一个用于安全视图,另一个用于非安全视图。 这意味着内存映射的每个区域(代码、SRAM、外设)被分成两个子区域,其中内部存储和外设被解码在两个单独的地址位置 - 非安全视图中和安全视图中。IDAU 的实现定义了这些区域的安全属性。 IDAU 内存映射分区不可配置。它由硬件确定。下表显示了 STM32L5/U5 IDAU 定义的内存映射安全属性分区。 6 }6 z3 Z6 }2 ]1 R- F M ( ]" F/ j6 t0 x3 J( r2 A 3.3.2 STM32L5 和 STM32U5 SAU STM32L5/U5 中有 8 个 SAU 区域。用户通过 SAU 修改所需的安全配置分区,如下表所示。启用 TrustZone 后,SAU 将所有地址默认为安全:所有内存区域均认为安全。! L5 Z: p$ x5 E- p& I 0 `% u! e% {" ^$ q2 x * ~* b6 v5 f: i+ b 示例 外设在两个地址范围被解码:非安全视图中的 0x4000 0000 和安全视图中的 0x5000 0000。 根据 SAU 和 IDAU 的编程,安全代码通过生成安全事务来访问安全视图中的外设,而非安全代码在非安全视图中的另一个地址访问相同的外设。根据 GTZC/TZSC 如何定义外设安全属性,授权或拒绝访问。详情请参见第 4 节 和第 5 节 。 完整版请查看:附件1 F- J: u+ \( Y1 ^4 B, e" B |
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