ARM的安全启动—ATF TF-A以及它与UEFI的互动_atf runtime spmd ...

ARMv8 提供了两种安全状态：Secure 和 Non-secure，也就是安全和非安全，Non-secure 也就是正常天下（NormalWorld）。我们可以在 Non-secure 运行通用操作体系，好比 Linux，在 Secure 运行可信操作体系，好比OP-TEE，这两个操作体系可以同时运行，这个需要处理器支持 ARM 的 TrustZone 功能。在 Normal world 和 Secure world下，ARMv8 个 EL 等级对应的内容和在 ARMv8 的 AArch32 模式下，处理器模式如图所示：

在 AArch32 模式下，EL0~LE3 对应 ARMv7 的不同工作模式：

• EL0：对应 ARMv7 的 User 工作模式
  
• EL1：对应 ARMv7 的 SVC、ABT、IRQ、IRQ、UND 和 SYS 这 6 中工作模式
  
• EL2：对应 ARMv7 的 Hyp 工作模式
  
• EL3：对应 ARMv7 的 Mon 工作模式
  

可以看出，只有 EL3 是用于安全监督器的，以是 TF-A 重要工作在 EL3 下，在看 TF-A源码的时间会看到大量的“EL3”字样的文件或代码。
ATF带来最大的变革是信任链的建立（Trust Chain），整个启动过程包括从EL3到EL0的信任关系的买通，过程比较抽象。NXP的相干文档[2]比较充实和公开，它的源代码也是开源的[3]。我们联合它的文档和源代码来明白一下。
ATF启动流程

ARM开源了ATF的根本功能模块，大家可以在这里下载：

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

复制代码

里面已经包罗了不少平台，但这些平台的基础代码有些是缺失的，尤其是和芯片部分和与UEFI联动部分。这里我推荐它的一个分支：NXP的2160A芯片的实现。
ARM推出了System Ready筹划，结果相称不错，关于它我们今后再单独讲。2020年底，ARM在OSFC推出新的一批System Ready机型[4]，NXP 2160A名列其中：

泉源：参考资料4
ATF代码下载可以用：

1. git clone https://source.codeaurora.org/external/qoriq/qoriq-components/atf -b LX2160_UEFI_ACPI_EAR3

复制代码

UEFI代码下载可以用图片上的地址。我们可以把参考资料2和这些代码对照来看，加深明白。
支持ATF的ARM呆板，启动过程如下

泉源：参考资料2
注意蓝色箭头上的数字，它是启动顺序。一切起源于在EL3的BL1。
BL1：Trusted Boot ROM
启动最早的ROM，它可以类比Boot Guard的ACM，
老狼：什么是Boot Guard？电脑启动中的信任链条解析269 赞同 · 44 批评文章​编辑
不过它是在CPU的ROM里而不是和BIOS在一起，是一切的信任根。它的代码在这里：

代码很简单（略去不告急内容）：

1. func bl1_entrypoint
2.         ....
3.         bl        bl1_early_platform_setup
4.         bl        bl1_plat_arch_setup
5.         ....
6.         bl        bl1_main
7.         ....
8.         b        el3_exit
9. endfunc bl1_entrypoint

复制代码

bl1_main()开始就是c步伐了，那c运行依赖的堆和栈空间在那里呢？在CPU内部的SRAM里。SRAM一启动就已经可以访问了，bl1_plat_arch_setup（）简单地在其中划分出来一块作为Trusted SRAM给c步伐用，而不消像x86在cache里面扣一块出来，简单了许多。
BL1重要目的是建立Trusted SRAM、exception vector、初始化串口console等等。然后找到并验证BL2（验签CSF头），然后跳已往。
BL2：Trusted Boot Firmware
同样运行在EL3上的BL2和BL1一个明显的不同是它在Flash上，作为外置的一个Firmware，它的可信建立在BL1对它的验证上。它也有完整的源代码：

它也会初始化一些关键安全硬件和软件框架。更重要的是，也是我渴望大家下载NXP 2160A的分支的告急原因，BL2会初始化许多硬件，而这些硬件初始化在x86中是BIOS完成的（无论是在PEI中还是包在FSP/AGESA中），而在ARM的ATF体系中，许多种CPU是在BL2中完成的。2160A在Plat目录下提供了许多开源的硬件初始化代码，供ATF BL2框架代码调用。比较告急的是bl2_main()

1. void bl2_main(void)
2. {
3.         ...
4.         bl2_arch_setup();
5.         ...
6.         /* initialize boot source */
7.         bl2_plat_preload_setup();
8.         /* Load the subsequent bootloader images. */
9.         next_bl_ep_info = bl2_load_images();
10.         ...
11.         bl2_run_next_image(next_bl_ep_info);
12. }

复制代码

最告急的两步都在这个函数中完成：初始化硬件和找到BL31。
bl2_plat_preload_setup()中会初始化一堆硬件，包括读取RCW初始化Serdes等，对内存初始化感兴趣的人（好比我）也可以在里面找到初始化DDR4的代码：dram_init（），它在Plat\nxp\drivers\ddr\nxp-ddr下。比较遗憾的是DDR4 PHY的代码是个Binary，不含源码，这里对DDR4的初始化仅仅聚焦设置timing寄存器和功能寄存器，而没有内存的Training过程。
Anyway，x86带内初始化硬件的许多代码ARM ATF体系都包括在BL2中，而不在UEFI代码中，这是和x86 UEFI代码的一个明显区别。部分原因这些代码都要求是Secure的。更加糟糕的是，许多ARM平台，BL1和BL2，甚至后面的BL31都是以二进制的形式提供，让定制显得很困难。BL2能否提供足够的信息和定制化选择给固件厂商和提供足够信息给UEFI代码，考验BL2的详细设计实现。NXP在两个方面都做的不错，不光提供RCW等配置接口，还开源了大部分代码，十分方便。
BL2在初始化硬件后，开始寻找BL3的几个小兄弟：BL31，BL32和BL33。它先找到BL31，并验签它，末了转入BL31。
BL31：EL3 Runtime Firmware
BL31作为EL3末了的安全堡垒，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为Non-Secure连续提供设计安全的服务。关于SMC的调用calling convention我们今后再详细先容，这里只需要知道它的服务重要是通过BL32。它负责找到BL32，验签，并运行BL32。
BL32：OPTee OS + 安全app
BL32现实上是闻名的Open Portable Trusted Execution Enveiroment[5] OS，它是由Linaro创立的。它是个很大的话题，我们今后再细聊。如今仅需要知道OPTee OS运行在 S-EL1，而其上的安全APP运行在S-EL0。OPTee OS运行完毕后，返回EL3的BL31，BL31找到BL33，验签它并运行。
BL33： Non-Trusted Firmware
BL33现实上就是UEFI firmware或者uboot，也有实如今这里直接放上Linux Kernel。2160A的实现是UEFI和uboot都支持。我们仅仅来看UEFI的路径。
第一次看到UEFI居然是Non-Trusted，我是有点伤心的。UEFI运行在NS_EL2，步伐的入口点在ARM package

1. edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/AArch64/ModuleEntryPoint.S

复制代码

做了一些简单初始化，就跳到C语言的入口点CEntryPoint( )。其中ArmPlatformInitialize（）做了一些硬件初始化，调用了
edk2-platforms/Silicon/NXP/ 的代码。告急的是PrimaryMain（）。
PrimaryMain（）有两个实例，2160A NXP选择的是PrePI的版本（edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/MainUniCore.c），分析它跳过了SEC的部分，直接进入了PEI的后期阶段，在BL2已经干好了大部分硬件初始化的情况下，这个也是正常选择。PrePI的实例直接调用PrePiMain（）（仅保存告急部分）

1. VOID
2. PrePiMain (
3.   IN  UINTN                     UefiMemoryBase,
4.   IN  UINTN                     StacksBase,
5.   IN  UINT64                    StartTimeStamp
6.   )
7. {
8.   ....
9.   ArchInitialize ();
10.   SerialPortInitialize ();
11.   InitializeDebugAgent (DEBUG_AGENT_INIT_POSTMEM_SEC, NULL, NULL);
12.   // Initialize MMU and Memory HOBs (Resource Descriptor HOBs)
13.   Status = MemoryPeim (UefiMemoryBase, FixedPcdGet32 (PcdSystemMemoryUefiRegionSize));
14.   BuildCpuHob (ArmGetPhysicalAddressBits (), PcdGet8 (PcdPrePiCpuIoSize));
15.   BuildGuidDataHob (&gEfiFirmwarePerformanceGuid, &Performance, sizeof (Performance));
16.   SetBootMode (ArmPlatformGetBootMode ());
17.   // Initialize Platform HOBs (CpuHob and FvHob)
18.   Status = PlatformPeim ();
19.   ....
20.   Status = DecompressFirstFv ();
21.   Status = LoadDxeCoreFromFv (NULL, 0);
22. }

复制代码

从中我们可以看到，这里几乎就是UEFI PEI阶段DXEIPL的阶段了，后面就是直接DXE阶段。
好了，我们来梳理一下，ATF整个信任链条是徐徐建立的：

泉源：参考资料2
从作为信任根的BL1开始，一步一步验签CSF头中的签名，末了来到BL33，后面就是OS了。那BL33后面怎么就断了呢？实在后面的验签就是UEFI Secure Boot了
老狼：趣话安全启动：迷思与启示152 赞同 · 24 批评文章​编辑
结语

ATF的官网一张图包罗了更多的信息：

假如你仅仅对ATF的UEFI启动路径感兴趣，下面这张图可能更加简单明确：

NXP 2160A的开源和精良的文档，让我们可以在一个详细的平台上切片观察ATF的详细实现，发起大家仔细阅读参考资料2和下载代码来看看。
关于ATF启动这里先整个宏观的概念。
这个blog讲的很好，就不重复写了，自己写还写不到这么清晰，图页很美丽。
原文链接：https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/14175126.html
启动正文

下图划分成不同EL，分别形貌BL1、BL2、BL31、BL32、BL33启动流程，以及PSCI、SP处理流程。
1. 冷启动(Cold boot)流程及阶段划分

restart–冷启动
reset–热启动
ATF冷启动实现分为5个步骤：

• BL1 - AP Trusted ROM，一样平常为BootRom。
  
• BL2 - Trusted Boot Firmware，一样平常为Trusted Bootloader。
  
• BL31 - EL3 Runtime Firmware，一样平常为SML，管理SMC实行处理和中断，运行在secure monitor中。
  
• BL32 - Secure-EL1 Payload，一样平常为TEE OS Image。
  
• BL33 - Non-Trusted Firmware，一样平常为uboot、linux kernel。
  

ATF输出BL1、BL2、BL31，提供BL32和BL33接口。
（我想提供的接口就是BL32和BL33的镜像可以是指定的，atf实在是一个启动框架，这其中包罗的五个步骤，每个步骤你想要的内容，可以由厂商自己定义。）
启动流程如下：

1.1 BL1

BL1位于ROM中，在EL3下从reset vector处开始运行。（bootrom就是芯片上电运行的（chip-rom的作用就是跳转到bootrom））
BL1做的工作重要有：

• 决定启动路径：冷启动还是热启动。
  
• 架构初始化：异常向量、CPU复位处理函数配置、控制寄存器设置(SCRLR_EL3/SCR_EL3/CPTR_EL3/DAIF)
  
• 平台初始化：使能Trusted Watchdog、初始化控制台、配置硬件同等性互联、配置MMU、初始化相干存储设备。
  
• 固件更新处理
  
• BL2镜像加载和实行：
  
  
  
  • BL1输出“Booting Trusted Firmware"。
    
  • BL1加载BL2到SRAM；假如SRAM不够或者BL2镜像错误，输出“Failed to load BL2 firmware.”。
    
  • BL1切换到Secure EL1并将实行权交给BL2.
    
  
  

1.2 BL2

BL2位于SRAM中，运行在Secure EL1重要工作有：

• 架构初始化：EL1/EL0使能浮点单元和ASMID。
  
• 平台初始化：控制台初始化、相干存储设备初始化、MMU、相干设备安全配置、
  
• SCP_BL2：体系控制核镜像加载，单独核处理体系功耗、时钟、复位等控制。
  
• 加载BL31镜像：BL2将控制权交给BL1；BL1关闭MMU并关cache；BL1将控制权交给BL31。
  
• 加载BL32镜像：BL32运行在安全天下，BL2依赖BL31将控制权交给BL32。SPSR通过Secure-EL1 Payload Dispatcher进行初始化。
  
• 加载BL33镜像：BL2依赖BL31将控制权交给BL33。
  

1.3 BL31

BL31位于SRAM中，EL3模式。除了做架构初始化和平台初始化外，还做了如下工作：

• PSCI服务初始化，后续提供CPU功耗管理操作。
  
• BL32镜像运行初始化，处于Secure EL1模式。
  
• 初始化非安全EL2或EL1，跳转到BL33实行。
  
• 负责安全非安全天下切换。
  
• 进行安全服务哀求的分发。
  

这两幅图真的不错，棒。
小结

ATF将体系启动从最底层进行了完整的同一划分，将secure monitor的功能放到了bl31中进行，如许当体系完全启动之后，在CA或者TEE OS中触发了smc或者是其他的中断之后，起首是遍历注册到bl31中的对应的service来判定详细的handle，如许可以对体系所有的关键smc或者是中断操作做同一的管理和分配。
在上述启动过程中，每个Image跳转到写一个image的方式各不相同，下面将列出启动过程中每个image跳转到下一个image的过程：
1. bl1跳转到bl2实行

在bl1完成了bl2 image加载到RAM中的操作，中断向量表设定以及其他CPU相干设定之后，在bl1_main函数中解析出bl2 image的形貌信息，获取入口地址，并设定下一个阶段的cpu上下文，完成之后，调用el3_exit函数实现bl1到bl2的跳转操作，进入到bl2中实行.
2.bl2跳转到bl31实行

在bl2中将会加载bl31, bl32, bl33的image到对应权限的RAM中，并将该三个image的形貌信息构成一个链表保存起来，以备bl31启动bl32和bl33使用在AACH64中，bl31位于EL3 runtime software，运行时的重要功能是管理smc指令的处理和中断的主力，运行在secure monitor状态中
bl32一样平常为TEE OS image，本章节以OP-TEE为例进行分析
bl33为非安全image，比方uboot, linux kernel等，当前该部分为bootloader部分的image，再由bootloader来启动linux kernel.（以是不会这么久就是为了整个bootloader吧，应该是kernel吧）
从bl2跳转到bl31是通过带入bl31的entry point info调用smc指令触发在bl1中设定的smc异常来通过cpu将全向交给bl31并跳转到bl31中实行。（这个handle是再bl1配置的）
3.bl31跳转到bl32实行

在bl31中会执行runtime_service_inti操作，该函数会调用注册到EL3中所有service的init函数， 其中有一个service就是为TEE服务，该service的init函数会将TEE OS的初始化函数赋值给bl32_init变量，当所有的service实行完init后，在bl31中会调用bl32_init实行的函数来跳转到TEE OS的实行
4.bl31跳转到bl33实行

当TEE_OS image启动完成之后会触发一个ID为TEESMC_OPTEED_RETURN_ENTRY_DONE的smc调用来告知EL3 TEE OS image已经完成了初始化，然后将CPU的状态恢复到bl31_init的位置继承实行。
bl31通过遍历在bl2中记录的image链表来找到需要实行的bl33的image。然后通过获取到bl33 image的镜像信息，设定下一个阶段的CPU上下文，退出el3然后进入到bl33 image的实行
这一步对宏观的步骤有所认识，下一步对每个步骤的细节进行认识。

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