ARM ATF入门-安全固件软件介绍和代码运行

    大家都知道硬件之上是软件，本公众号主要介绍“OS与AUTOSAR”，那么除了这两种类型的软件，是否还有别的软件？本文以ARM SOC硬件为例，“打破砂锅，问到底”，来看看还有哪些软件我们没接触到，在OS之下和SOC硬件之上的，各种卖给我们底层软件的厂商（一般都是SOC芯片原厂）所掩盖的核心技术，另外结合开源代码进行理解。

1. 1.  OS之下，SOC硬件之上有什么软件？

2.  

    我们在定位OS的问题的时候突然一个SMC指令之后的代码找不到了，代码不在OS里面也不在u-boot里面，到底在哪里，之后的运行又是什么，带着这个问题，我们“打破砂锅问到底”，看看到底怎么回事。    

    在之前的文章AUTOSAR入门-汽车电子构架演进(四) 未来已来，有一个NXP的汽车软件方案图，可以同时支持AP和BP，很经典，我们回顾下：

    可以看到标识的是Firmware（固件），我们首先会想到这就像电脑里面的BIOS，焊在电脑主板上的一个存储芯片，开机启动的时候，CPU寻址就会去执行里面的代码。那么这个东西的确是个软件啊，有软件就有代码，有代码就有开源的，来一起盘它。

    NXP的图，以功能为核心是给客户看的，掩盖了其使用ARM技术的细节，也就是软件实现的细节，并不能直接反映ARM软件的框架。然后重新起个高大上的模块名字，好忽悠啊，我们直接来看ARM的特权级（重要：本文以下都是针对Arm A核）：

    这个图了解ARM的都太熟悉了，EL（exception level）就是异常等级，为什么会有异常等级，那就是特权（privilege），不同的软件有不同的特权，EL0的特权最小，只能运行App，EL3的特权是最大的，也就是说对所有硬件的访问权限也是最大的。

    ARMv8分为SecureWorld和Non-Secure World（NormalWorld），四种异常级别从高到低分别为EL3，EL2，EL1，EL0。

1. EL0：非安全态的Apps，安全态的Trusted Apps，EL0是无特权模式，所有APP应用都在EL0。

2. EL1：非安全态的Normal world OS，安全态的Trusted OS ，EL1是一个特权模式，能够执行一些特权指令，用于运行各类操作系统（例如Linux、FreeRTOS、TEE等）。

3. EL2：Hypervisor虚拟层

4. EL3：Secure Monitor，Arm trusted firmware安全固件，EL3具有最高管理权限，是一个微型的runtime系统，为OS提供服务，负责安全监测和Secure World和Normal World之间的切换。

    关于ARM体系结构的基础知识可以自己找资料看看。OS下面的软件有Hypervisor和Securemonitor。Hypervisor是虚拟机，后续有机会了介绍下，本文聚焦到Secure monitor。

Secure monitor到底是什么，如下图中红框中：

    其中有U-Boot大家都比较熟悉，是一个bootloader， bootloader程序会先初始化 DDR等外设，然后将 Linux内核从 flash(NAND NOR FLASH SD MMC等 )拷贝到 DDR中，最后启动 Linux内核。后续有文章再详细介绍。

    这里我们看BL1、BL2、BL31、BL32、BL33是什么东西，下面介绍下ATF的概念：

ATF：Arm TrustedFirmware（ARM安全固件），运行在EL3异常级别，ATF为Armv7-A 和 Armv8-A提供了一些安全可信固件。具体包括上面说的：ATF= BL1、BL2、BL31、BL32、BL33，其中BL33有就是U-Boot。都运行在EL3模式。具体为：

BL1：也叫bootrom，rom的意思就是只读的，具有最高的执行权限EL3，在 CPU 出厂时就被写死了。为什么要写死，这里有一个安全驱动概念（Secure Boot）。CPU上电启动的时候，加载镜像的顺序为BL1 -》 BL2 -》 BL31 -》 BL32 -》BL33（uboot）-》OS（Linux），但是如果其中的一个镜像被换掉了怎么办？这里不是说网络攻击换掉，就是物理上拿到威廉希尔官方网站 板，然后把存储SD卡拔掉换了自己的OS，那不是想干啥就干啥，完全控制了硬件设备，俗称“越狱”。答案就是没一个镜像进行签名校验。

    例如BL33加载OS，需要OS镜像算出hash利用私钥加密，然后BL31在加载OS的时候会读取这个加密的Hash，利用自己的公钥解密，解密后的hash是对的就进行加载。那么这么一级一级按照加密向前传递，那第一个根BL1如果可以在SD卡上伪造，那校验就没用了。所以BL1需要只读，并且作为只读硬件直接搞进到CPU里面，你从板子上也拆不下来，更替换不了。因为要写死到CPU内部，所以独立出来了，也是其由来的原因。

BL2：BL2在flash中的一段可信安全启动代码，主要完成一些平台相关的初始化，比如对ddr的初始化等。因为BL31和BL32是一个runtime，也就是上电后一直运行的程序，那么需要加载到内存里面，需要先初始化内存ddr，BL2就干这个事情的。所谓的Loder。

BL31：作为EL3最后的安全堡垒，它不像BL1和BL2是一次性运行的。如它的runtime名字暗示的那样，它通过SMC指令为Non-Secure OS持续提供设计安全的服务，在Secure World和Non-Secure World之间进行切换。是对硬件最基础的抽象，对OS提供服务。例如一个EL3级别的特权指令，比如关机、休眠等OS是无权处理的，就会交给BL31来继续操作硬件处理。

BL32：是所谓的secure os，运行在Secure mode。在ARM平台下是ARM 家的 Trusted Execution Environment（TEE）实现。OP-TEE 是基于ARMTrustZone硬件架构所实现的软件Secure OS。

    一般在BL32会运行OPTee OS + 安全app，它是一个可信安全的OS运行在EL1并在EL0启动可信任APP（如指纹信息，移动支付的密码等），并在Trust OS运行完成后通过SMC指令返回BL31，BL31切换到Non-Seucre World继续执行BL33。关于OPTEE和Secure mode及TurstZone的机制，有机会再写一个文章介绍。

BL33：这里就是Normal Wrold了，运行的都是非安全固件，也就是我们常见的UEFI firmware或者u-boot，也可能是直接启动Linux kernel。

    启动BL1，BL2，BL31，BL32则是一个完整的ATF信任链建立流程（ARM Trusted Firmware），像常见的PSCI（Power State Coordination Interface）功能则是在ATF的BL31上实现。对基本概念有认识了后，你就知道OS之下还有的这些软件通常称为ATF，其启动流程如下：

详细为：

2. ATF代码下载编译运行

2.1 ATF代码下载编译

ATF代码下载：

git clone https://github.com/ARM-software/arm-trusted-firmware.git

ATF代码编译：

make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- PLAT=qemu DEBUG=1 all

编译完成后在arm-trusted-firmware/build/qemu/debug目录下生成bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin。

ATF的BL33使用的u-boot，代码下载：

git clone https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git

编译：

cd u-boot
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make qemu_arm64_defconfig
make -j8

编译完成后在当前目录下生成u-boot.bin。

2.2 qemu运行ATF

首先需要qemu，执行

qemu-system-aarch64 –version

看下系统是否安装过，如果没安装过，需要安装：

git clone https://git.qemu.org/git/qemu.git
cd qemu
./configure --target-list=aarch64-softmmu --prefix=
make -j8
sudo make install

有了qemu，然后新建一个run目录，把各个镜像软连接进来：

mkdir run
cd run
ln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl1.bin bl1.bin
ln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl2.bin bl2.bin
ln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl31.bin bl31.bin
ln -s ~/arm/u-boot/u-boot.bin bl33.bin

在run目录执行命令：

qemu-system-aarch64 -nographic -machine virt,secure=on 
-cpu cortex-a53 
-smp 2 -m 2048 
-d guest_errors,unimp 
-bios ./bl1.bin 
-semihosting-config enable=on,target=native

可以看到u-boot已经启动了，我们输入u-boot支持的version命令会有输出。

    这里主要分析ATF，qemu只加载了ATF包括u-boot。如果想一块加载Linux可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/521196386