古典风网站,超级营销型网站模板,订货商城小程序源码,网站建设教案上一篇笔记中#xff0c;正点原子的文档简单讲解了一下什么是TF-A#xff0c;并且也学习了如何编译TF-A。但是TF-A是如何运行的#xff0c;它的一个运行流程并未涉及。TF-A的详细运行过程是很复杂的#xff0c;涉及到很多ARM处理器底层知识#xff0c;所以这一篇笔记的内容…上一篇笔记中正点原子的文档简单讲解了一下什么是TF-A并且也学习了如何编译TF-A。但是TF-A是如何运行的它的一个运行流程并未涉及。TF-A的详细运行过程是很复杂的涉及到很多ARM处理器底层知识所以这一篇笔记的内容就是讲解一下TF-A的整个框架以及运行的大致流程。
设备如何保证安全
设备的安全保护涉及到很多方面这里的笔记主要就是讲解TF-A。TF-A主要保护的就是设备启动过程通过各种鉴权保证设备启动的过程中每个阶段的固件都是安全的。
对于传统的ARM处理而言 Linux系统的启动流程就是内部BootROM-Uboot-kernel-rootfs整个启动过程是一个链式结构启动过程其实是没有安全校验的(有些公司会自行定义一些校验方法)。加入TF-A固件以后 TF-A就可以对uboot、kernel进行校验如果还要使用TEE OS(Trusted Execution Environment,TEE)那么TF-A还要完成对TEE OS的校验。
之前的笔记已经有所涉及STM32MP1的安全启动 (Secure Boot有些资料也叫做安全引导安全启动目的是为了保证整个启动过程各个镜像的完整性防止被不法分子破坏或替换掉。Linux启动是一个链式结构因此安全启动的鉴权 (校验)过程也是链式结构的。在系统启动的过程中会先对下一个要加载运行的镜像进行鉴权只有鉴权成功此镜像才能运行并进入到下一阶段同样要先对下一阶段的镜像进行鉴权只要其中有一环鉴权失败那么整个系统就会启动失败。也就是说鉴权成功了才会进入下一个鉴权不然直接启动失败。
STM32MP1使用ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature椭圆曲线数字签名算法)验证算法来完成鉴权ECDSA相比 RSA效果好而且秘钥更小STM32MP1使用256位的ECDSA秘钥。一共有两个算法用于计算 ECDSA
P-256 NISTBrainpool 256
可以在STM32MP1头部信息中定义使用哪个算法STM32MP1整个加密过程比较复杂正点原子的教程中不做讲解。STM32MP1启动的时候内部Boot代码会对FSBL进行鉴权然后FSBL会对后续的内容进行鉴权这个FSBL就是TF-A。
TF-A概述
TF-A简介
TF-A是ARM可信任固件是ARM官方提供的一个固件代码它提供了统一的接口标准方便不同的半导体厂商将自家的芯片添加到TF-A里面。ST就是在TF-A官 方源码里面添加了STM32MP1系列芯片之前已经有过笔记教程完成了针对正点原子的STM32MP157开发板完成TF-A的源码补丁这个补丁文件就是STM32MP1芯片对应的源码补丁文件。
TF-A官网地址为TF-A官网此网站不仅仅提供了TF-A还有针对Cortex-M单片机的TF-M以及OP-TEE等安全相关软件库。关于TF-A的文档在开发板的资料盘里也是有的就是Trusted Firmware-A(TF-A用户手册).pdf如果我之后对这部分感兴趣就去看看目前只是想学习linux驱动开发这一部分不是重点。
TF-A一共分为5部分bl1、bl2、bl2u、bl31、bl32和bl33打开TF-A源码目录可以看到这5部分如下图所示 但是在图中可以发现我们并没有看到bl33这个文件夹这是因为bl33是TF-A启动的其他镜像固件比如uboot。上图中bl1、bl2和bl31都属于TF-A固件而bl32和bl33是TF-A要启动的其他第三方固件比如TEE OS和uboot。
bl1、bl2、bl31、bl32和bl33是TF-A的不同启动阶段TF-A的启动过程是链式的不同的阶段完整的功能不同bl1、bl2、bl31、bl32和bl33全名如下
bl1Boot loader stage 1(BL1)bl2Boot loader stage 2(BL2)bl31Boot loader stage 3-1 (BL31)bl32Boot loader stage 3-2 (BL32)bl33Boot loader stage 3-3 (BL33)。
ARMv7和ARMv8权限等级
TF-A一开始是为ARMv8准备的ARMv8最突出的特点就是支持64位指令但是为了兼容原来的ARMv7ARMv8提供了两种指令集AAarch64和AArch32根据字面意思就是64位和32位其中AArch32和ARMv7基本一样 (会多一些其他操作指令)。 STM32MP1内核为32位的 Cortex-A所以对应TF-A中的 AArch32。正是因为TF-A一开始是针对 ARMv8准备的所以TF-A的资料比较难已学习牵涉到很多底层知识需要对ARM CPU有所了解。安全不能仅仅依靠软件来实现也是需要硬件支持的比如ARM处理器就有不同的运行等级运行在低等级 (非安全模式)的应用就不能访问高等级 (安全模式)的资源以此来保证敏感资源的安全性。
ARMv7-A工作模式
以前的ARMv7处理器有7种运行模型User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和System。但新的ARMv7-A架构加入了TrustZone安全扩展所以就新加了一种运行模式Monitor新的处理器架构还支持虚拟化扩展因此又加入了另一个运行模式Hyp所以Cortex-A7处理器有9种处理模式如下图所示 不同的处理器模式下CPU对于硬件的访问权限不同叫做Privilege Level(特权等级)一共有两个特权级别Privilege(特权级)和non-privilege(非特权级)。其中只有User模式处于non-privilege也就是非特权级剩下的8个模式都是privilege(特权级)。系统启动以后应用软件都是运行在User模式也就是非特权级这个时候处理器对于敏感资源的访问是受限的如果要访问这些敏感资源就需要切换到对应的工作模式下。
ARMv7-A对Privilege Level进行了命名PL0和PL1后来也出现了PL2用于虚拟扩展。ARMv7-A新增的Monitor模式就是针对安全扩展的为了支持TEE而引入的。
ARMv8工作模式
ARMv8没有Privilege level的概念取而代之的是**Exception level(异常级别)简称为EL用于描述特权级别一共有4个级别EL0、EL1、EL2和EL3数字越大级别越高权限越大**这四个EL级别对应的应用场合如下
EL0一般的应用程序EL1操作系统比如LinuxEL2虚拟化 (Hypervisor)虚拟机管理器EL3最底层的安全固件(安全监视器)比如ARM Trusted Firmware(ARM安全固件 ATF也就是TF-A)。
ARMv8提供了两种安全状态Secure和Non-secure也就是安全和非安全Non-secure也就是正常世界(Normal World)。我们可以在Non-secure运行通用操作系统比如Linux在Secure运行可信操作系统比如OP-TEE这两个操作系统可以同时运行这个需要处理器支持 ARM的TrustZone功能。在Normal world和Secure world下 ARMv8的4个EL等级对应的内容如下图所示 在ARMv8的AArch32模式下处理器模式如下图所示 从上图可以看出在AArch32模式下EL0-LE3对应 ARMv7的不同工作模式
EL0对应 ARMv7的User工作模式EL1对应ARMv7的SVC、ABT、IRQ、UND和SYS这 6种工作模式EL2对应ARMv7的Hyp工作模式EL3对应ARMv7的Mon工作模式。
可以看出只有EL3是用于安全监视器的所以TF-A主要工作在EL3下TF-A的源码就有大量的“EL3”字样的文件或代码。
TF-A不同启动阶段
TF-A分为不同的启动阶段按照链式结构依次启动 ATF代码启动流程如下图所示 从上图中可以看到当芯片复位以后首先运行bl1代码bl1一般是芯片内部的ROM代码bl1主要工作就是将外置Flash中的bl2固件加载到指定的RAM中然后跳转到bl2部分。
bl2为安全启动固件bl2会将剩余的三个启动阶段bl31、bl32和bl33对应的镜像文件加载到指定的内存中。比如bl32中的安全操作系统(OP-TEE)bl31中的EL3 运行时固件(Runtime Firware)bl33中的uboot。bl2将这些固件加载完成以后就会启动相应的固件也就是进入到第三启动阶段。
TF-A 启动流程就是bl1-bl2-(bl31/bl32/bl33)。注意bl31、bl32和bl33对应的镜像不需要全部都有但是bl33一般是必须的因为bl33一般是uboot。
bl1
bl1是TF-A的第一个启动阶段芯片复位以后就会运行bl1镜像TF-A 提供了bl1源码。但是实际上bl1 一般是半导体厂商自己编写的内部Boot ROM代码并没有使用TF-A提供的bl1镜像比如STM32MP1的内部ROM代码就是bl1。
一般bl1要做的就是初始化CPU如果芯片支持不同的启动设备那么还需要初始化不同的启动设置 比如NAND、EMMC、SD、USB或串口等。然后根据BOOT引脚的高低电平来判断当前所选择的启动设备从对应的启动设备中加载bl2镜像并放到对应的内存中最后跳转到bl2镜像并运行。
bl2
bl2会进一步的初始化芯片比如初始化DDR、MMU、串口等。bl2会将剩下三个阶段(bl31、bl32和bl33)对应的镜像加载到指定的内存中最后根据实际情况来启动剩下三个阶段的镜像。
bl31
在AArch64中bl31主要是EL3的Runtime固件。只有AArch64涉及AArch32没有。
bl32
bl32一般为安全系统 (TEE OS)固件比如OP-TEE。 TF-A为AArch32提供了EL3的Runtime软件这个Runtime软件就是bl32固件sp_min就是这个Runtime软件。在TF-A的源码bl32文件夹下就有一个“sp_min”的子文件夹就是bl32的sp_min源码。
STM32MP1的bl32部分可以使用OP-TEE也可以使用 sp_min在正点原子的教程中为了学习的简便选择采用sp_min作为bl32镜像。
bl33
bl33就是Normal World下的镜像文件比如uboot。
至此对TF-A的基本启动流程有了一个大概的了解我们知道了TF-A分为多个阶段不同的阶段其工作内容不同。但是在实际的开发中并不一定会用到TF-A中所有启动阶段。接下来我们就会以STM32MP1为例看一下 ST是如何在自家的STM32MP1中使用TF-A的。
STM32MP1中的TF-A
STM32MP1 TF-A框架
STM32MP1支持TrustZone所以ST提供的软件包包含了安全固件。相比传统ARM处理器(如ARM9、ARM11等 )最常见的uboot和linux kernelSTM32MP1的软件包还另外提供了TF-A、OP-TEE等安全相关的关键软件因此STM32MP1的整体软件框架必然和传统的ARM芯片不同STM32MP1软件架构如下图所示 上图中从左到右分为三部分Cortex-A7 Secure、Cortex-A7 Non-Secure和Cortex-M4Cortex-M4属于裸机开发部分不是linux驱动部分这个教程不涉及。所以就剩下了Cortex-A7 Secure、Cortex-A7 Non-Secure也就是A7的安全和非安全两种情况。
在Cortex-A7 Secure下重点是TF-A和OP-TEETF-A是用于完成安全启动的 OP-TEE是TEE OS如果使用OP-TEE的话它会和linux内核同时运行 OP-TEE负责可信应用linux就是普通的应用程序。在Cortex-A7 Non-Secure下就是传统的ARM软件框架uboot、linux kernel和根文件系统。
之前已经讲解过TF-A分为了不同阶段bl1、bl2、bl31、bl32和bl33这个主要是面向AArch64的对于 AArch32而言只有4个阶段
bl1第1个阶段一般为芯片内部ROM代码bl2第2个阶段可信启动固件bl32EL3运行时(Runtime)软件bl33非安全固件比如uboot。
其中 bl1、bl2和bl32都属于TF-A的一部分 (如果使用 TF-A提供的bl1的话)。
STM32MP1下的bl1
bl1部分是可选的在编译STM32MP1的TF-A的时候可以通过添加BL2_AT_EL3编译选项来移除bl1默认情况下ST提供的TF-A源码是有添加BL2_AT_EL3编译选项的在TF-A源码里面找到tf-a-stm32mp-2.2.r1/plat/st/stm32mp1/platform.mk此文件定义了 STM32MP1这个平台的编译选项有下图配置 可以看出platform.mk文件定了BL2_AT_EL3为1因此在编译STM32MP1平台对应的TF-A的时候不会编译bl1部分STM32MP1内部ROM代码完成了TF-A中的bl1部分的工作主要就是将外部 Flash中的bl2代码加载到内部RAM中并运行。
STM32MP1下的bl2
bl2为可信启动固件在STM32MP1中就是TF-A的bl2部分bl2的主要功能就是加载下面几个阶段的固件到内存中因此bl2需要初始化所要用到的外设。
首先是安全部分STM32MP1的bl2部分会初始化的外设如下
BOOT、安全和OTP控制器也就是BSEC外设扩展的TrustZone保护控制器也就是ETZPC外设TrustZone针对DDR的地址空间保护控制器也就是TZC外设。
由于bl2需要从外部Flash中加载下一阶段镜像因此还需要初始化一些外部Flash例如
SD卡EMMCNANDNOR。
最后STM32MP1的bl2还需要初始化一些其他外设
DDR内存时钟串口用于调试以及使用STM32CubeProgrammer时需要串口下载系统USB用STM32CubeProgrammer通过USB烧写系统。
bl2还需要对镜像进行验证和鉴权鉴权是通过调用内部 ROM代码的鉴权服务来完成。最后bl2会加载bl32和bl33的固件到指定的内存区域并跳转到bl32bl32接着运行。
STM32MP1下的bl32
bl32提供运行时安全服务在TF-A中默认使用sp_min。sp_min是一个最小的AArch32安全负载(Secure Payload)整合了PSCI库以及AArch32的EL3运行时软件。sp_min可以替代可信系统(TEE OS)或者可信执行环境(TEE)比如OP-TEE。当然了STM32MP1同时支持sp_min以及OP-TEE用户可以自行选择bl32使用哪个软件包。正点原子是选择用sp_min。
bl32充当安全监控(secure monitor)因此它向非安全系统(non-secure os比如 linux)提供了一些安全服务。非安全的应用软件可以通过安全监控调用(secure monitor calls)来使用这些安全服务这些代码支持标准的服务调用比如PSCI。
另外bl32也支持ST32MP1所特有的一些安全服务可以访问特有的安全外设比如 RCC、PWR、RTC或BSEC。
STM32MP1下的bl33
bl33就是传统的 uboot并不属于TF-A本身。
简单总结一下默认情况下TF-A有bl1、bl2、bl31、bl32和bl33这几个启动阶段。如果bl32使用sp_min的话那么 bl1、bl2、bl31和bl32都属于TF-A。但是对于STM23MP1而言因为其使用的是AArch32因此没有bl31部分。而bl1部分ST又没有用TF-A提供的采用的是STM32MP1内部ROM代码因此就只剩下了bl2和bl32。所以对于STM32MP1而言TF-A就两个固件bl2 和bl32(sp_min)TF-A 源码也采用了设备树(device tree)来设备信息因此对于STM32MP1 而言TF-A 一共有三部分设备树、bl2和bl32这三部分在编译的时候会被合并成一个二进制文件。当然了还要在最前面加上重要的头部信息最终这4部分就组成了我们烧写到外部flash中的TF-A镜像比如之前讲义中中烧写到EMMC 中的tf-a-stm32mp157datk-trusted.stm32其文件结构如下图所示 STM32MP1的TF-A启动流程如下图所示 上图中TF-A 启动分了5步这5步的含义如下
复位以后内部ROM加载TF-A整个镜像然后运行bl2镜像bl2将bl32镜像加载到指定内存区域bl2将bl33镜像加载到指定内存区域bl2执行完毕以后就会跳转到bl32镜像bl32镜像执行完以后跳转到bl33镜像也就是uboot。
最后uboot引导非安全系统也就是linux内核。
STM32MP1 TF-A镜像存储映射
上一小节讲了最终烧写到STM32MP1里面的TF-A镜像有4部分除去头部信息还有设备树、bl2和bl32。这3部分虽然被打包在了一起但是实际是三部分比如bl2是一个镜像bl32是另外一个镜像其执行顺序都是不一样的当加载到内存上以后这3部分的存储映射如下图所示 上图中TF-A各部分存储映射不是固定的编译TF-A的时候配置不同其存储地址也不同重点是存储映射形式。
TF-A的基础知识就讲解到这里对TF-A有了初步的认识了解了STM32MP1中的TF-A组织形式方便我们后续学习。
总结
这一章节学习的就是TF-A源码的一些基本框架熟悉了ARMv7和ARMv8的工作模式我们的STM32MP157开发板是32位的也就是工作在AArch32模式TF-A主要工作在EL3级别下。
对于ST公司的这块STM32MP157开发板TF-A主要就是bl2、bl32以及设备树bl1已经被写在ROM代码中了来启动bl2镜像bl33是uboot不属于TF-A。
这一章后面还有一个TF-A的启动流程详解但是文档中还没有更新后续有更新了我会补充上来的。
