STM32L5的系统新架构

中联恒升线路板 · 发表于 2021-4-6 10:38:53

安全特性

STM32L5是一颗主打低功耗和安全应用的MCU，它的安全特性，从各个方面都比以往的STM32系列有了进一步提高。
- 它支持安全启动，这是信任链的可靠锚点：bootlock可以保证启动的唯一入口，HDP可以将用户闪存的一部分隐藏起来，通常是复位后运行的安全启动代码，使得其对后面的用户应用程序不可见。
- 为了支持CM33内核里的trustzone安全扩展，L5上的外设模块、存储模块都做了升级来配合trustzone机制
- 为了实现对软件和数据的保护，L5新增了配合trustzone的安全调试功能，可以限制用户仅能调试非安全世界代码，而无法调试安全世界的代码。另外，L5还有一个OTFDEC模块，可以对存储在芯片外Ocot-SPI flash上的密文数据或者密文代码，on the fly地解密执行和解密读取，从而解放了片上闪存空间对用户代码的限制，同时还能保证用户代码的机密性。
- 对密码学操作的硬件加速，L5继WB系列后，也新增了PKA模块，对公钥加解密操作的硬件支持
- 在防纂改检测方面，L5在以往历代STM32上，首度把静态保护升级到动态保护，符合更高要求的安全应用需求。
- STM32L5还是首个全部产品线都支持SFI的STM32系列，天生就是为安全应用而打造。基于L5的TZ硬件基础，ARM的TFM已经得到L5的支持，并经过了PSA level2认证。

可以看到，对TrustZone的支持，只是L5安全特性的一部分。本期内容我们先把片上系统如何配合trustzone讲清楚，后面还会围绕着L5的其他安全特性，全部一一展开讨论。

安全属性配置

当CPU的取指或者数据访问，经过SAU和IDAU审查，以及MPU的审查通过后，携带着HNONSEC信号来到AHB总线上，这个transaction的属性可能是安全的，或者是非安全的。右图中，蓝色的部分是AHB矩阵，是AHB 5总线矩阵，是可以传递transaction的安全属性信号的。那么作为总线连接的另外一端，AHB从设备是如何识别和应答transaction的安全属性呢？

STM32L5上的外设有两种，一种是TZ aware外设。表格里列出了STM32L5上所有的TZ aware外设。顾名思义，这些外设本身，是认识trustzone信号的。用户可以配置这些模块自己的寄存器，来让它知道自己哪些部门是可以被非安全状态的CPU访问，哪些是只能被安全状态的CPU访问。

另外一种外设，本身的寄存器没有和TZ，security相关的寄存器可以设置，它们全靠自己的话，是完全不知道啥安全访问，非安全访问的，但是在它们的前面，首先面对AHB5总线传来的带安全属性的transaction的，有一个叫做PPC的硬件，全名Peripheral protection controller，它是属于TZSC模块的一部分。TZSC，全称trust zone security controller。是STM2L5为了配合CM33内核的TZ安全扩展，新加的一个帮助片上众多非TZ aware的外设，识别secure访问和非secure访问的硬件模块。

如果拿右边的芯片“系统架构” 简图和以前的STM32比较，会发现，除了最上面的flash memory，从SRAM1开始，到AHB1、AHB2外设、到外部存储区，它们和AHB5总线矩阵的AHB slave端口，不是直接连接。原因很简单，就是刚才说的，这些外设不能识别 HNONSEC信号，因此前面有一个额外的东西，参考手册上叫它‘’secure gate‘’，来做识别，阻拦或者放行寻址到后面SRAM1、SRAM2、AHB上外设的transaction。而最上面的Flash，为什么可以直接连到AHB slave端口呢？因为左边的表格告诉我们，flash memory是TZ aware的外设呀。

右边的芯片“系统架构” 简图和以前的STM32比较，还有一个地方不同：左上角，内核出来两条bus：C-bus和S-bus，都是可以取指取数据；仅仅是target的目标区域不同。
C就是target到code region的，S是target到除了code的其它region的。
ST在芯片实现时，在C-bus上接了一个Icache，再分出来了Fast-bus和Slow-bus，接到AHB总线矩阵上。扩展了target的区域，不仅是Code region，而是所有内部、外部存储区都可以访问。

 

GTZC，global trustzone controller，全局TZ控制器。它是STM32L5把内核TZ安全概念扩展到整个片上系统的关键，我们一定要弄清楚它的工作原理。我觉得看图说话比较好，框图里能包含很多信息，我截了参考手册里GTZC这个外设章节里的系统框图来说明它的结构和功能。

从图中可以看到，GTZC有三个子模块组成。第一个MPCBB，我用绿色标注。MPC就是memory protection unit的简称。BB是block base的。因此MPCBB保护的对象，是我们STM32L5片上系统里的internal SRAM区域。为什么是BBx，因为我们有SRAM1和SRAM2，因此有两组寄存器来控制。SRMA上的安全区域，以256字节为单位来划分block。

再来看第二个子模块，TZSC，我用紫红色标注。TZSC出去的有4条线，一条深绿色的，三条紫红色的。我们先来看深绿色线条的走向，它连到了MPCWMx，又见到了熟悉的MPC字样，知道它也是保护的存储区域，是外部存储区，即FSMC和Octo-SPI所连的外部flash区域。但是这里是WM结尾，不是BB结尾。WM是watermark的意思，这是一种粗粒度的设置。不能像BB那样，每个block单独设置安全还是不安全。WM只能在原本安全的底色上，划出两道线，来指定非安全区域的范围。

TZSC出去的其他几条紫红色线条，分别连到了AHB/APB bridge、AHB master和AHB slave，去控制直接连接在AHB总线上的主设备、从设备；以及间接连接在AHB总线上的APB从设备。

因此一眼可以看出，TZSC这个子模块，从secure gate这个功能角度，控制的设备最多。各种外设，以及外部存储器。

紫色的TZIC，是第三个子模块，全称是TZ illegal access concentrator。它监控并搜集所有系统上安全角度的非法访问，以触发GTZC这条用户中断。

这张图从另外一个角度展示了GTZC的三个子模块及其对应的功能。同时也能体现STM32L5里TZ aware的IP的位置。
TZ Aware的外设，【】比如flash memory， GPIO ， RTC，它们无需GTZC站在前面，帮它们审查过来的transaction的安全属性，但是对它们的安全方面非法操作，也会产生IA事件，即illegal access event。
非TZ aware，又可以被配置成secure的外设，即这里被TZSC子模块里的PPC保护的Securable IP，【】比如UART
flash已经是TZ aware的外设了，剩下的存储器件，还有internal Flash，【】受MPCBB模块保护，提供精细粒度的Block base方式配置。片外flash则是受MPCWM保护，提供粗粒度的WM方式配置。

我们后两节课，讲解具体实例demo和hands-on环节的时候，会用到UART、SRAM、Flash、GPIO。因此，接下来，我们对这四个外设的TZ相关安全特性，做一个简要介绍。

片上Flash memory是TZ aware的外设，因此它有相关的寄存器来配置自己的访问安全属性。除此之外，它甚至还有选项字节的配置，可以使得预定义的安全属性在上电即生效。Flash通过选项字节，提供water mark方式的配置，可以标出哪一段区域是安全的。还可以同时标出哪一段区域是用户程序不可见的隐藏区域。对于一个virgin的STM32L5芯片，使能了TZ安全扩展后，SECWM这个选项字节的默认状态是全片都是安全的，如图所示。

用户配置SECWM，指定出安全和不安全的区域，以及HDP用户不可见区。这个配置apply到系统后，下次上电就生效。上电后，用户还可以通过寄存器SECBB来以page为粒度，精细地对安全区域和非安全区域再做调整，如图所示。然后按照两种设置叠加，取安全等级高的原则，最后得到用户flash的安全配置，如最右边的图示。

Flash的各个page被最终配置好安全属性后，在安全扇区的操作，和非安全扇区的操作，就依据两套不同的控制寄存器和状态位来完成了。非安全区域上的flash操作，产生的中断连到Flash这条NVIC线上；安全区域上的flash操作，对应中断连到Flash_S这条NVIC中断线上。

这就是一个典型的TZ aware IP，无需GTZC的帮助，自己可以配置自己哪些部分是安全transaction可以访问，哪些部分只能非安全transaction访问。 

SRAM自己没有配置自己哪些部分是安全区域，哪些部分是非安全区域的能力，因此它需要GTZC的帮助。具体依赖的就是GTZC中刚才介绍的第一个子模块，MPCBB。从左边这个“STM32L5系统架构简图”可以看到，MPCBB是站在SRAM和AHB总线矩阵之间的那个“门卫”。

片上flash，一直是按照flash page组织的，L5上是2K一个page，或者4K一个page，取决于当前flash是双bank还是单bank模式。

SRAM现在为了设置安全部分区域，也特意逻辑上划分出256字节为单位的一个个block。通过MPCBB寄存器组，可以对这些SRAM上的block做独立的安全属性配置。

寄存器复位值，每个位域都是1，表示对应的block是安全的。

SRAM就是一个典型的securable的外设，通过GTZC的MPCBB子模块来配置其区域的安全性。

另外应该可以提到的应该是SRAM的访问控制属性，S的区域可以被什么样的transaction访问，NS的区域可以被什么样的transaction访问，以及可以通过寄存器设置允许S transaction访问NS的SRAM区域

GPIO和Flash memory一样，是TZ aware的外设，因此它自己有寄存器来配置自己的TZ安全性。

复位后，所有GPIO的引脚都是安全的，可通过寄存器SECCFGR（secure configure register）对每个引脚的安全性单独配置。

当这些引脚不是单纯地做GPIO使用，而是通过Alternate Function多路选择器和某个外设复用时，GPIO引脚的安全性要和这个外设的安全性匹配。

比如，GPIO引脚PG.7和PG.8，担任UART模块的收、发功能时，PG.7、PG.8的安全性要和UART配置的一样，否则不能正常工作。

同样的，如果这些引脚和模拟外设，类似ADC、比较器模块相连，双方的安全配置也要保持一致。
所有GPIO引脚，复位后默认都是安全的；而所有除了GPIO的外设模块，复位后默认都是不安全的，如果我们忘了去做对应配置，基本上用到外部I/O引脚的外设模块都不会正常工作。这点请大家尤其注意一下。

GPIO和flash memory一样，有自己的寄存器来配置自己模块里哪些是安全的哪些是不安全的，因此也是属于TZ aware IP

UART和SRAM一样，不是TZ aware的IP，需要通过GTZC这个大管家帮自己设置TZ安全属性。而和SRAM不同之处在于，第一，SRAM是通过GTZC的第一个子模块MPCBB来配置的，UART是通过GTZC的第二个子模块TZSC来配置的；第二，SRAM内部可以有些区域是安全的，有些区域是非安全的，所谓“BB”, block based，而UART要么all in，要么all out，它的安全属性是贯穿在整个UART模块上，不会是某些部分，比如发送逻辑安全的，接收逻辑处于非安全配置中。通过GTZC_TZSC_SecureConfigureRegister也可以看出来，每个uart，都是整体配置成安全或者非安全。

上一期，我们了解了从内核视角看出去的4G地址空间的安全性。这一期，地址空间上实现的具体物理设备的安全性配置情况我们也看到了。
现在，小结一下，系统复位后，各自的安全配置情况：
- 复位后，内核从SAU、IDAU看出来的视角，整个4G空间地址都是安全的；因此内核本身也处于安全状态。
- 内核之外呢，片上flash，选项字节初始设置，全部flash扇区都是安全的，即使flash的block base配置寄存器复位状态把所有flash空间配置成非安全，二者综合作用下，flash全部空间也是安全的。如果用户修改了选项字节配置，之后的每次系统复位后的状态，还是取决于选项字节的配置。
- 片上SRAM，由于都是受寄存器控制，复位状态，全部SRAM都是安全的。
- 片外存储区，即FSMC和Octo-SPI连接的外部flash，寄存器复位状态下，这些存储区也都是安全的。
- GPIO，全部引脚是安全的；
- 其他外设，无论是TZ aware的外设，还是Securable的外设，都是非安全的。
- 中断方面，所有的中断，都是target到安全状态，即发生对应中断时，硬件都是去VTOR_S这个向量表的对应entry取中断响应函数的执行地址。

资源访问规则
从CPU看出来的S/NS属性有了，实际的物理模块单元的S/NS属性也有了，现在来看整个链路上的访问规则。

CPU对片上资源，无论是memory还是外设的访问，需要通过两级检查：分别是从内核看出去的视角，是否允许发出这样的访问；再是具体资源自身的安全配置，是否可以接受这样的访问。

第一级检查，发生在内核内部，由SAU、IDAU从安全/非安全的角度去检查，此次访问是否允许放行。然后在安全MPU或者非安全MPU那里检查，此次访问是否符合目标地址所在区域的访问权限，更多是从可执行否，是否要求CPU的特权级别这些方面去考量。

第二级检查，发生在被寻址的具体物理模块上，可以是flash控制器，它和其他TZ aware的外设一样，知道自身的安全性；也可以是非TZ aware的外设，它们在GTZC的帮助下，判断此次address到自己的访问是否合法。

接下来，我们用三张图解来更加形象地阐明以上描述的访问规则。为了集中体现TrustZone相关的访问规则，后面的图里，暂时隐掉MPU的检查。

 

首先来看CPU的取指行为。标题上是“存储区上的”取指，好像有点多余，指令当然是放在存储区里。这是为了和下一页的“存储区上的”取数据相对应。

第一级检查，由SAU/IDAU执行：对于取指令的访问，SAU/IDAU都会放行，放行的transaction的安全属性，仅取决于目标指令地址所在的区域，从SAU/IDAU看来的安全性。

第二级检查，发生在STM32L5的片上flash，片上SRAM，片外flash上。如果目标地址实际的安全性，和transaction携带的安全属性匹配，取指访问可以进行下去，memory返回对应的值；如果不匹配，取指指令什么都读不到，执行不成功。

CPU对存储区上的数据访问，和取指有点不一样。在第一级检查的时候，就有被block的可能：当CPU当前处于非安全状态，要企图访问安全世界的数据，注意是“数据”，不是“指令”，该访问企图，SAU/IDAU不会放行。另外，从图示里的第一级检查来看，即使CPU当前处于安全状态，如果它企图访问的数据在非安全世界，SAU/IDAU会放行此次访问transaction，但是会标识上非安全transaction的属性。只有CPU本身就处于安全状态，要访问的数据也是处于SAU/IDAU看来的安全世界，出去的transaction才是安全的。CPU本身处于非安全状态，要访问的数据也在非安全世界，顺其自然地，出去的transaction就是非安全的。

经过了第一级检查并放行的transaction来到STM32L5的片上存储区，物理存储设备是否接受过来的访问transaction呢？只有存储区自身的安全属性和过来的transaction的安全属性一致，访问才能成功。但是在SRAM上有一个例外， MPCBB寄存器中的位域SRWILADIS置位时，允许破个例，即安全的读写transaction，可以访问SRAM的非安全区域。

CPU对外设的访问，也是属于数据读、写访问，因此在第一级检查时，和第二张图示一样，存在着transaction被block的可能。

不同的是，在第二级检查时，无论是由TZ aware的外设自己来检查，还是非TZ aware的外设通过GTZC模块来帮助检查，规则稍微和STM32L5的存储区检查不一样。只要transaction是安全的，它寻址的外设无论是处于安全还是非安全模式，都可以被访问。如果transaction是非安全的，那么还是只有非安全的外设才能响应此次访问。

本期小结