begriffs open source - cmsis/blob - CMSIS/DoxyGen/Core/src/UsingTrustZone.txt

   1 /**
   2 \page using_TrustZone_pg  Using TrustZone for ARMv8-M
   3
   4
   5 \details
   6 The optional ARMv8-M security extension is similar to ARM TrustZone technology used in Cortex-A processors, but is
   7 optimized for ultra-low power embedded applications. TrustZone for ARMv8-M enables of multiple software security
   8 domains that restrict access to secure memory and I/O only for trusted software.
   9
  10 TrustZone for ARMv8-M:
  11   - preserves low interrupt latencies for both Secure and Non-secure domains.
  12   - does not impose code overhead, cycle overhead or the complexity of a virtualization based solution.
  13   - introduces the Secure Gateway (SG) processor instruction for calls to the secure domain.
  14
  15 \b Notations
  16
  17 This manual uses the following notations to identify functions and hardware resources that are related to TrustZone for ARMv8-M:
  18
  19  - prefix \b TZ or \b __TZ indicates a function that is available only in ARMv8-M TrustZone enabled devices.
  20  - postfix \b _NS indicates a hardware resource that belongs to the Non-secure state.
  21  - postfix \b _S indicates a hardware resource that belongs to the Secure state.
  22
  23
  24 \section useCase_TrustZone Simplified Use Case with TrustZone
  25
  26 An ARMv8-M TrustZone enabled device has restricted access for data, code, and I/O access to trusted
  27 software that runs in the Secure state. Typical applications are secure IoT nodes, firmware IP protection,
  28 or multi-party embedded software deployments.
  29
  30 The figure <b>Simplified Use Case</b> shows and embedded application that is split into a <b>User Project</b>
  31 (executed in Non-secure state) and a <b>Firmware Project</b> (executed in Secure state).
  32
  33  - <b>System Start:</b> after power on or reset, an ARMv8-M system starts code execution in the <b>Secure state</b>. The access rights for the <b>Non-secure state</b> is configured.
  34
  35  - <b>User Application:</b> control can be transferred to <b>Non-secure state</b> to execute user code. This code can only call functions in the <b>secure state</b> that are marked for execution with the <b>SG</b> (secure gate) instruction and memory attributes. Any attempt to access memory or peripherals that are assigned to the <b>Secure state</b> triggers a security exception.
  36
  37  - <b>Firmware callbacks:</b> code running in the <b>Secure state</b> can execute code in the <b>Non-secure state</b> using call-back function pointers. For example, a communication stack (protected firmware) could use an I/O driver that is configured in user space.
  38
  39 \anchor SimpleUseCase
  40 \image html "SimpleUseCase.png" "Simplified Use Case"
  41
  42 Program execution in the <b>Secure state</b> is further protected by TrustZone hardware from software failures.
  43 For example, an ARMv8-M system may implement two independent SYSTICK timers which allows to stop code execution
  44 in <b>Non-secure state</b> in case of timing violations. Also function pointer callbacks from <b>Secure state</b>
  45 to <b>Non-secure state</b> protected by a special CPU instruction and the address bit 0 which prevents anciently
  46 executing code in <b>Non-secure state</b>.
  47
  48 \subsection Example_TrustZone Program Examples
  49
  50 This CMSIS software pack contains the following program examples that show the usage of TrustZone for ARMv8-M on Cortex-M33 devices:
  51
  52 Example                                     | Description
  53 :-------------------------------------------|:----------------
  54 TrustZone for ARMv8-M No RTOS               | bare-metal secure/non-secure programming without RTOS (shows the Simplified Use Case).
  55 TrustZone for ARMv8-M RTOS                  | secure/non-secure RTOS example with thread context management
  56 TrustZone for ARMv8-M RTOS Security Tests   | secure/non-secure RTOS example with security test cases and system recovery
  57
  58 Other sample application that reflects this <a href="#SimpleUseCase"><b>Simplified Use Case</b></a> is the <b>ARMv8MBL Secure/Non-Secure example</b> that is available in
  59 the Software Pack <b>Keil - ARM V2M-MPS2 Board Support PACK for Cortex-M System Design Kit Devices</b>
  60 (Keil:V2M-MPS2_CMx_BSP.1.2.0.pack or higher).
  61
  62 \section Model_TrustZone Programmers Model with TrustZone
  63
  64 The figure <a href="#MemoryMap_S"><b>Secure Memory Map</b></a> shows the memory view for the <b>Secure state</b>.  In the Secure state all
  65 memory and peripherals can be accessed. The <b>System Control and Debug</b> area provides access to secure peripherals
  66 and non-secure peripherals that are mirrored at a memory alias.
  67
  68 The secure peripherals are only accessible during program execution in <b>Secure state</b>. The Secure Attribute Unit (SAU)
  69 configures the non-secure memory, peripheral, and interrupt access. Also available are a secure MPU (memory protection
  70 unit), secure SCB (system control block), and secure SysTick timer.
  71
  72 The system supports two separate interrupt vector tables for secure and non-secure code execution.
  73 This interrupt assignment is controlled during <b>Secure state</b> code execution via the NVIC
  74 (nested vector interrupt controller).
  75
  76 \anchor MemoryMap_S
  77 \image html "MemoryMap_S.png" "Secure Memory Map"
  78
  79 The figure <a href="#MemoryMap_NS"><b>Non-Secure Memory Map</b></a> shows the memory view for the Non-secure state. This memory view is identical
  80 to the traditional Cortex-M memory map. Access to any secure memory or peripheral space triggers the secure exception
  81 that executes a handler in <b>Secure state</b>.
  82
  83 The \ref partition_h_pg defines the initial setup of the <a href="#MemoryMap_NS"><b>Non-Secure Memory Map</b></a> during system start in the Secure state
  84 (refer to functions \ref SystemInit and \ref TZ_SAU_Setup).
  85
  86 <!-- <img id="MemoryMap_NS" src="MemoryMap_NS.png"><CENTER><b>Non-Secure Memory Map</b></CENTER> -->
  87
  88 \anchor MemoryMap_NS
  89 \image html "MemoryMap_NS.png" "Non-Secure Memory Map"
  90
  91 The figure <b>Registers</b> shows the register view of the ARMv8-M system with TrustZone. As the general purpose registers
  92 are can be accessed from any state (secure or non-secure), function calls between the states use these registers for parameter
  93 and return values.
  94
  95 The register R13 is the stack pointer alias, and the actual stack pointer (PSP_NS, MSP_NS, PSP_S, MSP_S)
  96 accessed depends on state (Secure or Non-secure) and mode (handler=exception/interrupt execution or
  97 thread=normal code execution).
  98
  99 In ARMv8-M Mainline, each stack pointer has a limit register (PSPLIM_NS, MSPLIM_NS, PSPLIM_S, MSPLIM_S)
 100 that traps stack overflows with the \b UsageFault exception (register UFSR bit STKOF=1).
 101
 102 An ARMv8-M system with TrustZone has an independent \b CONTROL register for each state (Secure or Non-secure).
 103 The interrupt/exception control registers (PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI) are banked between the states (Secure or Non-secure),
 104 however the interrupt priority for the Non-Secure state can be lowered (SCB_AIRCR register bit PRIS) so that
 105 secure interrupts have always higher priority.
 106
 107 The core registers of the current state (Secure or Non-secure) are accessed using the standard \ref Core_Register_gr
 108 functions. In Secure state all non-secure registers are accessible using the \ref coreregister_trustzone_functions
 109 related to TrustZone for ARMv8-M.
 110
 111 \image html "Registers.png" "Registers"
 112
 113 \section CMSIS_Files_TrustZone CMSIS Files for TrustZone
 114
 115 The CMSIS-Core files are extended by the \ref partition_h_pg which defines the initial system configuration and
 116 during \ref SystemInit in Secure state.
 117
 118 \image html "CMSIS_TZ_files.png" "CMSIS with extensions for TrustZone"
 119
 120 \note
 121 Refer to \ref using_pg for a general description of the CMSIS-Core (Cortex-M) files.
 122
 123
 124 \subsection RTOS_TrustZone RTOS Thread Context Management
 125
 126 To provide a consistent RTOS thread context management for ARMv8-M TrustZone across the various real-time operating systems (RTOS), the CMSIS-Core (Cortex-M) includes header file <b>TZ_context.h</b> with API definitions.
 127 An <i>non-secure application</i> which uses an RTOS and calls <i>secure</i> library modules requires the management of the <i>secure</i> stack space.   Since <i>secure state</i> registers cannot be accessed
 128 by the RTOS that runs in <i>non-secure state</i> secure functions implement the thread context switch.
 129
 130 As the <i>non-secure state</i> and <i>secure state</i> parts of an application are separated, the API for managing the <i>secure</i> stack space should be standardized. Otherwise the <i>secure</i> library modules
 131 would force the <i>non-secure state</i> application to use a matching RTOS implementation.
 132
 133 \image html "TZ_context.png" "RTOS Thread Context Management for ARMv8-M TrustZone"
 134
 135 To allocate the context memory for threads, an RTOS kernel that runs in <i>non-secure state</i> calls the interface functions defined by the header file <b>TZ_context.h</b>. The <b>TZ_context</b> functions itself are
 136 part of the <i>secure state</i> application. An minimum implementation is provided as part of RTOS2 and should handle the secure stack for the thread execution. However it is also possible to implement the context memory
 137 management system with additional features such as access control to <i>secure state</i> memory regions using an MPU.
 138
 139 The API functions of <b>TZ_context</b> are described in the chapter <a href="Modules.html">\b Reference </a> under \ref trustzone_functions - \ref context_trustzone_functions.
 140
 141 Refer to \ref Example_TrustZone for RTOS examples that provide a template implementation for <b>TZ_context.c</b>.
 142
 143
 144 */