📚 课程目录第3章硬件基础与系统架构

3. 硬件基础与系统架构

TrustZone 不是软件补丁，而是一组贯穿处理器核、总线、内存控制器与外设的硬件安全扩展。理解它的关键，是把“安全世界/非安全世界”看作由硬件强制隔离的两个执行域，而不是两个普通进程。Cortex-A 与 Cortex-M 对 TrustZone 的实现思路不同：A 系列以 Secure/Non-secure 双世界和 EL3 为基石，M 系列则以 TrustZone-M 的 Security Attribution Unit（SAU）与 Implementation Defined Attribution Unit（IDAU）为核心。工程上必须同时掌握这两条硬件路线，才能在跨域通信中正确划分内存、路由中断并配置外设安全属性。

一、Cortex-A 与 Cortex-M 的 TrustZone 硬件扩展差异

Cortex-A 的 TrustZone 通过 AXI 总线上的 NS 位（Non-secure bit）标记每一次事务，处理器内部维护 Secure 与 Non-secure 两套状态。异常级别 EL3 通常运行安全监控器（Secure Monitor），负责 SMC 指令触发的世界切换。Cortex-M 的 TrustZone-M 则把安全状态扩展到线程模式与处理模式，每个异常都可被静态配置为 Secure 或 Non-secure，并通过 SG 指令实现安全函数调用。两者最本质的区别是：A 系列依赖 MMU 与页表属性，M 系列依赖 SAU/IDAU 的区域基址与属性寄存器。

二、内存隔离：从地址属性到总线过滤

内存隔离是 TrustZone 的根基。Cortex-A 侧，每个页表项都带有 NS 位，MMU 在地址翻译时决定该访问属于哪个世界；同时 TZASC（TrustZone Address Space Controller）在内存控制器前对 DRAM 进行区域划分，防止非安全世界越权访问安全内存。Cortex-M 侧，SAU 定义最多 8 个区域，每个区域可配置为 Secure、Non-secure 或 Non-secure Callable（NSC）。NSC 区域是安全与非安全之间的唯一合法入口，非安全代码只能通过它跳转到安全函数。

关键规则：安全代码可以访问非安全内存，但非安全代码绝不能访问安全内存。NSC 区域必须按 32 字节对齐，且只允许放置 SG 指令入口，不能存放敏感数据。

实际配置中，常见做法是把安全固件、密钥、安全外设寄存器放在 Secure 区域，把普通应用、网络协议栈放在 Non-secure 区域，NSC 区域仅保留 veneer 跳转表。这样即使非安全侧被攻破，攻击者也无法直接读写安全资产。

三、中断路由：安全中断与非安全中断的分发

中断路由决定了异常发生时处理器进入哪个世界。Cortex-A 通过 GIC（Generic Interrupt Controller）的 Group 0/Group 1 区分安全与非安全中断，EL3 可配置中断的目标世界。Cortex-M 则通过 NVIC 的 ITNS 寄存器把每个外部中断静态分配给 Secure 或 Non-secure，同时安全中断向量表位于安全内存，非安全中断向量表位于非安全内存。

对比项	Cortex-A	Cortex-M
中断控制器	GIC，Group 0/1 分组	NVIC，ITNS 逐中断配置
安全中断入口	EL3 或 S-EL1 向量	安全向量表（Secure Vector Table）
非安全中断入口	EL1/EL2 向量	非安全向量表
路由控制	GICD_IGROUPR、GICD_CTLR	NVIC_ITNS、AIRCR.PRIS
典型用途	安全定时器、安全 DMA 中断	安全 GPIO、安全加密引擎中断

中断路由配置错误是跨域通信中最常见的故障源。例如，把安全外设中断错误地分配给非安全世界，会导致非安全侧直接处理安全事件，破坏隔离边界；反之，把非安全中断强制路由到安全侧，则会造成安全世界被高频打扰，影响实时性。

四、外设安全属性配置与实操要点

外设安全属性通常由 TZPC（TrustZone Protection Controller）或芯片级安全控制器决定。每个外设可被标记为 Secure 或 Non-secure，非安全访问安全外设会被总线拒绝并触发错误响应。配置流程一般包括：确定外设归属、设置安全属性寄存器、配置中断路由、验证访问权限。

/* Cortex-M SAU 配置示例：NSC 区域 + 安全外设区域 */
SAU->RNR = 0;                          /* 选择区域 0 */
SAU->RBAR = 0x1000FE00;                /* 基址，32 字节对齐 */
SAU->RLAR = 0x1000FE1F | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;
SAU->RNR = 1;                          /* 选择区域 1：安全外设 */
SAU->RBAR = 0x50000000;
SAU->RLAR = 0x50000FFF | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;
SAU->CTRL = SAU_CTRL_ENABLE_Msk;       /* 使能 SAU */
__DSB();
__ISB();

调试建议：配置完成后，用非安全代码尝试读取安全外设寄存器，应触发 SecureFault 或总线错误；若未触发，说明安全属性未生效，需检查 SAU/IDAU 优先级与总线过滤器配置。

五、常见误区与复盘

误区一：认为 TrustZone 只靠软件就能隔离。实际上，没有 TZASC、SAU、GIC 等硬件配合，软件隔离形同虚设。
误区二：把 NSC 区域当作普通安全内存使用。NSC 只应放置跳转入口，不能存放密钥或敏感数据。
误区三：忽略中断路由的静态属性。中断归属在启动后通常不可动态更改，必须在系统设计阶段确定。
误区四：外设安全属性配置后未做负向测试。必须验证非安全访问确实被拒绝，而不是仅验证安全访问成功。

复盘时建议绘制一张“安全属性地图”：横轴列出所有内存区域与外设，纵轴标注 Secure/Non-secure/NSC 属性、中断分组和访问权限。这张图能帮助团队在集成阶段快速发现属性冲突，避免跨域通信在后期出现难以定位的随机故障。