ARM系列之ARM Trustzone 技术浅析（二）——— ARMv7-A Processor modes & registers 的安全扩展

ARM系列之ARM Trustzone 技术浅析（二）

• Processor modes
• Registers

ARM 引入 Trustzone 技术，最重要的改动就是 CPU 架构的调整。ARM trustzone security whitepaper 中对 Processor 的介绍是基于 ARMv7。为了支持 Trustzone，CPU 架构的调整包括了很多部分，翻开 Cortex-A7 Technical Reference Manual 关于 Security Extensions 的介绍零散分布在各个章节。我觉得比较重要的有：Processor modes & registers；Exception & Interrupt handling；MMU；Cache。本文介绍 Processor modes & registers 相关的 security extensions。

Processor modes

ARMv6 之前的 Processor 有 6 种 privilege mode：FIQ，IRQ，Supervisor（SVC），Abort（ABT），Undefined（UND），System（SYS），以及一种 non-privilege mode：User（USR）。引入 Trustzone 之后，CPU core 被虚拟出 secure state 和 non-secure state，那么很自然就需要一个能够切换两种 state 的开关，由此在 7 种 CPU mode 之外，新增了 monitor（MON）mode，如下图所示：
也就是说 secure world 和 normal world 的切换需要CPU 先进入 monitor mode。与 userspace 通过 svc 指令可以从 USR mode 切换到 SVC mode 类似，ARM 也提供了一条可以进入 monitor mode 的软中断指令： smc。需要说明的是 monitor mode 也是一种 secure state，下图是通过 monitor mode 切换 secure 和 normal world 的示意图：

以 userspace application 进程需要访问某安全资源举例，简要说明一下切换流程：

1. App 通过 syscall svc 指令进入Kernel space OS（SVC mode）；
2. Kernel space OS 通过 smc 指令进入 monitor mode；
3. 运行在 Monitor mode 的代码首先保存 Non-secure 状态下的 CPU contexts，如 lr，sp，spsr
   等等，然后将 CPU NS bit 置为 0，表示进入 secure state，通过 rfe 指令（return from
   exception）进入 secure OS；
4. secure OS 叫起 secure application 处理完相应的安全资源访问请求之后，发送 smc 指令，再次回到 monitor mode;
5. 运行在 Monitor mode 的代码同样首先保存 secure 状态下的 CPU contexts，如 lr，sp，spsr
   等等，然后将 CPU NS bit 置为 1，表示进入 non-secure state，然后恢复 Non-secure state下的
   CPU contexts，通过 rfe 指令（reture from exception）重新回到 non-secure OS；

tips：由于 monitor mode 也是一种 secure state，所以 monitor mode 部分的代码一般会跟 secure OS 和 App 的 binary 打包在一起，很少会有独立的 binary。

除了 smc 指令触发的software exception 会进入 monitor mode，也可以配置某些硬件中断触发进入 monitor mode，如 FIQ，IRQ，external data abort，external prefetch abort。都可以通过配置 system register 来决定哪些 hardware exception 可以触发 cpu 陷入 monitor mode。这部分会留在 exception handling 和 GIC 的章节介绍，接下来先介绍一下 security extension 相关的寄存器。

Registers

首先介绍一下 banked registers 的概念。我们最熟悉的 32位 CPU 寄存器就是通用寄存器 R0 - R15。其中 R13 - R15 有特殊含义，分别表示 sp，lr 和 pc。在不同的 CPU mode 下，sp，lr 的值是不同的，在切换 cpu mode 前后必须保存和恢复 sp 和 lr 的信息，才能保证代码的正常运行，所有这些名字相同但根据cpu mode 不同值不同的寄存器就是 banked register，也可以理解为常说的 cpu contexts。常用的 banked registers 如下：
HYP mode 是 ARM 为虚拟化扩展引入的 Hypervisor mode，与 Trustzone 无关，不再细说。

另外还有一类寄存器为 CP15 协处理器，主要用于系统配置，例如配置异常向量表，开关MMU 等等，一般 OS 初始化的代码都会首先配置这些寄存器。CP15 寄存器的读写有特定指令，在 32位 OS 中一般使用 mrc 指令读，mcr指令写，根据读写不同的寄存器有规定读写语句格式如下：

MRC p15, Op1, Rt, CRn, CRm, Op2 ; //read a CP15 register into an ARM register
MCR p15, Op1, Rt, CRn, CRm, Op2 ; //write a CP15 register from an ARM register

下面简单介绍一下与 security extension 相关两个重要的寄存器：

以上寄存器只能在 secure state 下才能修改。

tips： SCR 的 ns bit 虽然 secure OS 也能修改，但一般只会在 CPU 处于 monitor mode 才会修改。这是因为一旦 ns bit 置为 1，系统就会立马切换到 non-secure，此时 pipeline 中缓存的 secure state 下运行的指令，以及 data register 中保存的 secure data 会变成 non-secure 可见，会影响安全性。所以硬件虽然支持 secure OS 修改 ns bit，但软件上通常并不会在 secure OS 中直接操作 ns bit！