3. TF-M架构概览

要理解 TF-M 的安全存储与密钥管理，必须先看清它所在的“地基”——TF-M 整体架构。TF-M（Trusted Firmware-M）是 Arm 为 Cortex-M 系列处理器提供的开源安全固件参考实现，它把一颗 MCU 划分为两个世界：安全处理环境（SPE，Secure Processing Environment）与非安全处理环境（NSPE，Non-secure Processing Environment）。安全存储服务正是 SPE 内部的一项核心安全服务，理解它在架构中的位置，才能理解密钥为什么“拿不出来”、数据为什么“改不了”。

一、整体架构：两层世界 + 一组安全服务

TF-M 的架构可以自上而下分为三层视角：应用层、服务层与硬件隔离层。NSPE 侧运行非安全应用与 RTOS，通过 PSA Client API 发起服务请求；SPE 侧运行 TF-M 内核（TF-M Core）、安全分区（Secure Partition）以及各类安全服务。两者之间不是直接函数调用，而是通过 PSA FF-M（Firmware Framework for M）定义的 IPC 或函数调用机制跨越安全边界。

SPE 内部由 TF-M Core 统一调度，它负责安全分区管理、IPC 消息路由、中断处理与资源隔离。安全服务以“安全分区”的形式存在，每个分区是一个独立的执行单元，拥有自己的栈、堆和权限。常见的安全服务分区包括：加密服务（Crypto）、内部可信存储（ITS，Internal Trusted Storage）、受保护存储（PS，Protected Storage）、认证服务（Attestation）、固件更新（FWU）等。安全存储服务（ITS/PS）就位于这一层，向上对 NSPE 暴露 PSA Storage API，向下依赖 Crypto 与硬件隔离机制。

二、SPE 与 NSPE 的划分原则

划分的核心依据是“信任级别”与“数据敏感度”。凡是涉及密钥、证书、身份凭证、安全启动状态、可信计数的代码与数据，都必须放在 SPE；凡是普通业务逻辑、网络协议栈、UI 渲染等，放在 NSPE。两者通过 PSA FF-M 定义的接口通信，NSPE 只能“请求服务”，不能直接访问 SPE 的内存或外设。

这种划分带来三个直接结果：第一，NSPE 被攻破时，攻击者仍无法直接读取 SPE 中的密钥；第二，SPE 的代码量被刻意控制得很小，便于形式化验证与安全审计；第三，所有跨边界调用都必须经过 TF-M Core 的检查，形成统一的“安全网关”。

三、隔离机制：TrustZone-M 与 MPU 的协同

在 Cortex-M23/M33/M55 等支持 TrustZone-M 的处理器上，隔离由硬件直接完成。SAU（Security Attribution Unit）与 IDAU（Implementation Defined Attribution Unit）共同定义每一段地址属于安全还是非安全。安全代码只能访问安全资源，非安全代码访问安全资源会触发 SecureFault。

在没有 TrustZone-M 的平台上，TF-M 退化为“仅 SPE”模式，依靠 MPU 在 SPE 内部划分分区边界。此时隔离强度下降，但服务接口与上层 API 保持一致，便于代码移植。无论哪种模式，安全存储服务都运行在受保护的分区内，其数据区对其他分区不可见。

四、安全存储服务在架构中的位置

安全存储服务由 ITS 与 PS 两个分区组成，位于 TF-M Core 之上、Crypto 分区之侧。ITS 面向小数据（通常 ≤ 4KB），适合存放密钥句柄、设备身份、可信计数；PS 面向大容量数据，适合存放加密后的配置文件、证书链、固件元数据。两者都通过 PSA Storage API 对 NSPE 暴露能力。

以一次密钥写入为例，调用链如下：

NSPE 应用
  └─ psa_its_set(uid, data, len, flags)
       └─ PSA Client API（跨安全边界）
            └─ TF-M Core IPC 路由
                 └─ ITS 分区
                      ├─ 调用 Crypto 分区派生/加密
                      └─ 写入安全 Flash（经硬件隔离保护）

可以看到，密钥明文只在 SPE 内部流转，NSPE 拿到的只是操作结果（成功/失败）或句柄。这正是安全存储服务在架构中的价值定位：它是 NSPE 与安全硬件之间唯一的、受控的数据通道。

五、常见误区与复盘

• 误区一：把 ITS 当普通文件系统。ITS 容量有限、写入有寿命约束，不适合高频大块写入，应优先用于密钥与元数据。
• 误区二：认为 NSPE 可以绕过 API 直接读 Flash。安全 Flash 区域由 SAU/MPU 保护，非安全访问会触发异常，无法绕过。
• 误区三：忽略分区权限配置。若分区清单（manifest）中权限过大，隔离形同虚设，必须遵循最小权限原则。
• 误区四：在 NSPE 缓存密钥明文。一旦 NSPE 被攻破，缓存即泄露，密钥应始终以句柄形式在 SPE 内使用。