1. 初始化HSM模块并验证安全启动

任务说明

本案例面向集成硬件安全模块（HSM）的MCU平台，完成以下目标：初始化HSM外设、配置安全启动所需的密钥与固件校验策略、在启动流程中验证应用固件完整性，并在校验通过后跳转至应用代码执行。实现范围限定为：HSM驱动初始化、SHA-256摘要计算、基于预置密钥的固件签名验证，以及启动控制逻辑。

硬件连接与启动拓扑

代码实现

以下代码实现HSM初始化、固件哈希计算、签名验证与启动跳转的完整逻辑。代码基于C语言编写，适用于集成HSM核的MCU（如S32K3、RH850等），通过寄存器接口与HSM通信。


#include <stdint.h>
#include <string.h>

/* HSM寄存器映射（示例基地址） */
#define HSM_BASE_ADDR      0x40020000UL
#define HSM_CTRL_REG       (*(volatile uint32_t *)(HSM_BASE_ADDR + 0x00))
#define HSM_STATUS_REG     (*(volatile uint32_t *)(HSM_BASE_ADDR + 0x04))
#define HSM_DATA_IN_REG    (*(volatile uint32_t *)(HSM_BASE_ADDR + 0x08))
#define HSM_DATA_OUT_REG   (*(volatile uint32_t *)(HSM_BASE_ADDR + 0x0C))
#define HSM_CMD_REG        (*(volatile uint32_t *)(HSM_BASE_ADDR + 0x10))

/* HSM命令定义 */
#define HSM_CMD_INIT       0xA1
#define HSM_CMD_LOAD_KEY   0xA2
#define HSM_CMD_HASH       0xA3
#define HSM_CMD_VERIFY     0xA4

/* 状态定义 */
#define HSM_STATUS_IDLE    0x00
#define HSM_STATUS_DONE    0x01
#define HSM_STATUS_ERROR   0xFF

/* 应用固件地址与大小（链接脚本定义） */
#define APP_START_ADDR     0x00020000UL
#define APP_MAX_SIZE       0x00010000UL  /* 64KB */

/* 预置公钥（实际项目中由HSM烧录） */
static const uint8_t public_key[32] = {
    0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88,
    0x99, 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF, 0x00,
    0x10, 0x20, 0x30, 0x40, 0x50, 0x60, 0x70, 0x80,
    0x90, 0xA0, 0xB0, 0xC0, 0xD0, 0xE0, 0xF0, 0x01
};

/* 函数声明 */
static void hsm_wait_done(void);
static int hsm_init(void);
static int hsm_load_key(const uint8_t *key, uint32_t len);
static int hsm_compute_hash(uint32_t addr, uint32_t len, uint8_t *hash_out);
static int hsm_verify_signature(const uint8_t *hash, const uint8_t *sig);
static void jump_to_app(uint32_t app_addr);

/* 等待HSM操作完成 */
static void hsm_wait_done(void) {
    while ((HSM_STATUS_REG & 0xFF) != HSM_STATUS_DONE) {
        /* 等待硬件完成 */
    }
}

/* 初始化HSM模块 */
static int hsm_init(void) {
    HSM_CTRL_REG = 0x01;  /* 使能HSM */
    HSM_CMD_REG = HSM_CMD_INIT;
    hsm_wait_done();
    return (HSM_STATUS_REG == HSM_STATUS_DONE) ? 0 : -1;
}

/* 加载公钥到HSM */
static int hsm_load_key(const uint8_t *key, uint32_t len) {
    uint32_t i;
    if (len != 32) return -1;
    for (i = 0; i < len; i += 4) {
        uint32_t word = (uint32_t)key[i] |
                       ((uint32_t)key[i+1] << 8) |
                       ((uint32_t)key[i+2] << 16) |
                       ((uint32_t)key[i+3] << 24);
        HSM_DATA_IN_REG = word;
    }
    HSM_CMD_REG = HSM_CMD_LOAD_KEY;
    hsm_wait_done();
    return (HSM_STATUS_REG == HSM_STATUS_DONE) ? 0 : -1;
}

/* 计算固件哈希 */
static int hsm_compute_hash(uint32_t addr, uint32_t len, uint8_t *hash_out) {
    uint32_t i;
    /* 输入固件地址和长度 */
    HSM_DATA_IN_REG = addr;
    HSM_DATA_IN_REG = len;
    HSM_CMD_REG = HSM_CMD_HASH;
    hsm_wait_done();
    if (HSM_STATUS_REG != HSM_STATUS_DONE) return -1;
    /* 读取32字节哈希结果 */
    for (i = 0; i < 32; i += 4) {
        uint32_t word = HSM_DATA_OUT_REG;
        hash_out[i]   = (uint8_t)(word & 0xFF);
        hash_out[i+1] = (uint8_t)((word >> 8) & 0xFF);
        hash_out[i+2] = (uint8_t)((word >> 16) & 0xFF);
        hash_out[i+3] = (uint8_t)((word >> 24) & 0xFF);
    }
    return 0;
}

/* 验证固件签名 */
static int hsm_verify_signature(const uint8_t *hash, const uint8_t *sig) {
    uint32_t i;
    /* 输入哈希值 */
    for (i = 0; i < 32; i += 4) {
        uint32_t word = (uint32_t)hash[i] |
                       ((uint32_t)hash[i+1] << 8) |
                       ((uint32_t)hash[i+2] << 16) |
                       ((uint32_t)hash[i+3] << 24);
        HSM_DATA_IN_REG = word;
    }
    /* 输入签名（假设64字节ECDSA签名） */
    for (i = 0; i < 64; i += 4) {
        uint32_t word = (uint32_t)sig[i] |
                       ((uint32_t)sig[i+1] << 8) |
                       ((uint32_t)sig[i+2] << 16) |
                       ((uint32_t)sig[i+3] << 24);
        HSM_DATA_IN_REG = word;
    }
    HSM_CMD_REG = HSM_CMD_VERIFY;
    hsm_wait_done();
    return (HSM_STATUS_REG == HSM_STATUS_DONE) ? 0 : -1;
}

/* 跳转到应用代码 */
static void jump_to_app(uint32_t app_addr) {
    void (*app_entry)(void) = (void (*)(void))app_addr;
    /* 设置主栈指针（应用向量表首字） */
    __asm volatile ("LDR sp, [%0]" :: "r"(app_addr));
    /* 跳转到复位向量 */
    app_entry();
}

/* 安全启动主流程 */
int secure_boot_main(void) {
    uint8_t hash[32];
    /* 签名存储位置：固件头部偏移32字节处 */
    const uint8_t *signature = (const uint8_t *)(APP_START_ADDR + 32);

    /* 步骤1：初始化HSM */
    if (hsm_init() != 0) {
        return -1;
    }

    /* 步骤2：加载公钥 */
    if (hsm_load_key(public_key, sizeof(public_key)) != 0) {
        return -2;
    }

    /* 步骤3：计算应用固件哈希（跳过头部签名区） */
    if (hsm_compute_hash(APP_START_ADDR + 64, APP_MAX_SIZE - 64, hash) != 0) {
        return -3;
    }

    /* 步骤4：验证签名 */
    if (hsm_verify_signature(hash, signature) != 0) {
        /* 校验失败，停机 */
        while (1) {
            /* 可在此处点亮错误LED */
        }
    }

    /* 步骤5：校验通过，跳转应用 */
    jump_to_app(APP_START_ADDR + 4);
    return 0;  /* 不应到达此处 */
}

编译与链接配置

应用固件需在链接脚本中定义正确的内存布局：向量表位于APP_START_ADDR，签名数据存放于向量表之后偏移32字节处，实际代码从偏移64字节开始。HSM驱动依赖MCU的HSM硬件抽象层，需包含对应的寄存器定义头文件。

验证方法

功能验证：在集成开发环境中编译工程，通过调试器将程序烧录至MCU内部Flash。在secure_boot_main函数入口和跳转处设置断点，单步执行观察：

HSM初始化后HSM_STATUS_REG变为0x01（DONE状态）；
公钥加载完成后无错误返回；
哈希计算完成后hash数组包含32字节非零数据；
签名验证通过后程序跳转至应用入口地址。

判定标准：若篡改应用固件任意字节（如修改一个数据常量），重新烧录后程序应停留在签名验证失败的死循环中，不进入应用代码；恢复原始固件后启动流程恢复正常。通过以上行为对比，即可确认安全启动功能有效。

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