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1 Armv8-M セキュアマイコンプログラミングテクニック 技術チーム / 殿下 信二

2 このセッションの目的 Armv8-M セキュアマイコンの使い方の基礎を学ぶ Cortex-M マイコンと Armv8-M セキュアマイコンの違い 簡単です Armv8-M セキュアマイコンプログラミング

3 なぜセキュアマイコンが必要ですか? 製品が偽造 模造 過剰生産されるリスクの低減 IoT 製品のメリット ( コネクティビティ ) を最大限活用 攻撃を防御するためには プロセッサからソフトウェアにいたる システム全体の対策が必要

4 Armv8-M セキュアマイコンとは? Armv8-M マイコンは 2 種類に分類 Armv6-M アーキテクチャ Armv8-M ベースライン Cortex -M0 Cortex -M0+ Cortex -M23 TrustZone 技術を備えたシステム全体に渡るセキュリティ機能の提供 Armv7-M アーキテクチャ Cortex -M3 Cortex -M4 Armv8-M メインライン Cortex -M33 セキュアステートと非セキュアステートによる保護 セキュリティデバッグ機能提供

5 プロセッサモードの追加 Armv7-M(Cortex-M3/M4) マイコンは スレッドモード ( 非特権 ) とハンドラモード ( 特権 ) Armv8-M セキュアマイコンは 非セキュアステートとセキュアステートが追加 Armv7-M(Cortex-M3/M4) Armv8-Mセキュリティオプション (TrustZone) 搭載時セキュアステート非セキュアステート 例外割込み ハンドラモード特権 ハンドラモード特権 例外割込み ハンドラモード特権 リセット例外 スレッドモード特権 非特権状態 リセット例外 スレッドモード特権 非特権状態 スレッドモード特権 非特権状態

6 セキュアステートの移行 セキュアステートの移行は 関数呼び出し 非セキュアステートからセキュアステートへ遷移は NSC( 非セキュアコール可能 ) 領域の SG 命令 ( セキュアゲートウェイ命令 ) を必ず最初に実行することが条件 セキュアステート ハンドラモード特権 非セキュアステート ハンドラモード特権 NSC 領域 リセット例外 スレッドモード特権 非特権状態 スレッドモード特権 非特権状態 IAR Systems 6

7 汎用レジスタ構成の違い セキュアステートと非セキュアステートでレジスタがバンク化 レジスタ R0-R7 すべての命令がアクセス レジスタ R8-R12 一部 16 ビット命令がアクセスと 32 ビット命令がアクセス R13 はスタック ポインタ (SP) セキュアステートでバンク化 R14 はリンク レジスタ (LR) R15 はプログラム カウンタ (PC) R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R14(LR) R15(PC) PSR セキュアステート PSP_S MSP_S PSPLIM_S MSPLIM_S 非セキュアステート PSP_NS MSP_NS PSPLIM_NS MSPLIM_NS

8 システム制御空間 (SCS) システム制御レジスタは セキュアステート毎に設定 0xE002_F000 4Kbyte 0xE002_E000 非セキュリティステートシステム制御空間 (SCS) メモリ保護ユニット (MPU) システム制御ブロック (SCB) システムタイマ (SysTick) ネスト型割込みコントローラ (NVIC) 0xE000_F000 4Kbyte 0xE000_E000 セキュリティステートシステム制御空間 (SCS) セキュリティ属性ユニット (SAU) メモリ保護ユニット (MPU) システム制御ブロック (SCB) システムタイマ (SysTick) ネスト型割込みコントローラ (NVIC)

9 始まりは リセットから... でも 例外ベクタは セキュアステート毎に設定 例外番号セキュアステート非セキュアステート優先度セキュアステート 割込み #0 - N 割込み #0 N 設定可能 設定可能 15 SysTick SysTick 設定可能 バンク化 14 PendSV PendSV 設定可能 バンク化 12 デバッグモニタ デバッグモニタ 設定可能 設定可能 11 SVCall SVCall 設定可能 バンク化 7 セキュアフォールト - 設定可能 セキュアステート 6 用法フォールト 用法フォールト 設定可能 バンク化 5 バスフォールト バスフォールト 設定可能 設定可能 4 メモリ管理フォールト メモリ管理フォールト 設定可能 バンク化 3 - 非セキュアハードフォルト -1 非セキュアステート 3 セキュアハードフォルト - -3または-1 セキュアステート 2 NMI - -2 設定可能 1 リセット - -4 セキュアステート :Armv8-M メインライン (TrustZone 搭載時 )

10 セキュアステート毎のメモリアクセス セキュアステートは セキュアアドレス空間アクセス 非セキュアステートは 非セキュアアドレス空間アクセス NSC ( 非セキュアコール可能 ) 領域は SG ( セキュアゲートウェイ ) 命令を実行する場合に限り 非セキュアステートからの実行可能 ステート セキュアアドレス空間 NSC 領域 非セキュアアドレス空間 セキュアステート 非セキュアステート

11 セキュアステートの設定方法 セキュリティ属性ユニット (SAU) と実装定義属性ユニット (IDAU) で選択された 最も高いセキュア属性を使用 セキュリティ属性ユニット (SAU) アドレス アドレス 実装定義属性ユニット (IDAU) 比較器 セキュア属性

12 セキュリティを意識したソフトウェアで必要な事は? セキュアステートの処理は小さく 最低限! セキュアステート関数コールは 最低限! セキュアステート 高信頼性 RTOS など ( ハンドラモード : 特権 ) 高信頼性アプリケーション ( スレッドモード : 非特権 ) 非セキュアステート RTOS など ( ハンドラモード : 特権 ) アプリケーション ( スレッドモード : 非特権 )

13 統合開発環境 IAR Embedded Workbench for Arm で開発する場合は? セキュアステート毎にアプリケーションを作成 セキュアステートプロジェクト TrustZone インポートライブラリ 非セキュアステートプロジェクト TrustZone 設定 セキュア TrustZone 設定 非セキュア

14 非セキュアステートからセキュアステートの関数呼び出しは 非セキュアステートからセキュアステート関数の実行時 セキュアステート関数の配置情報が必要 セキュアステートプログラムをビルド時に TrustZone インポートライブラリが作成 非セキュアステートは TrustZone インポートライブラリで セキュアステート関数を利用 セキュアステートプロジェクト インポートライブラリの生成 TrustZone インポートライブラリ インポートライブラリのリンク 非セキュアステートプロジェクト

15 セキュリティステートの呼び出しは? 非セキュアステートからセキュアステートで実行は 関数に cmse_nonsecure_entry を設定 コンパイラが NSC ( 非セキュアコール可能 ) 領域に SG ( セキュアゲートウェイ ) 命令を最初に実行するコード生成 非セキュアステート func_a(); (BL func_a) NSC 領域 ( 非セキュアステートから呼び出すセキュア命令を配置します ) Call func_a() SG... BXNS lr Call セキュアステート セキュア関数

16 セキュリティを意識した起動シーケンス セキュアステートのリセット例外から実行開始 リセット例外 1 startup_saml11e16a_s.s Reset_Handler 3 セキュアライブラリと変数の初期化 4 2 セキュアステート startup_saml11e16a_s.c SystemInit() 5 startup_saml11e16a_ns.s Reset_Handler 7 非セキュアライブラリと変数の初期化 8 6 非セキュアステート startup_saml11e16a_ns.c SystemInit() main_s.c 5 main_ns.c NSC 領域

17 セキュアステートアプリケーション設定 アプリケーションプログラムのセキュア属性は オプション 設定で設定 一般オプション - ターゲット を選択 TrustZone(Z) の セキュア に設定

18 非セキュアステートアプリケーション設定 アプリケーションプログラムのセキュア属性は オプション 設定で設定 一般オプション - ターゲット を選択 TrustZone(Z) の 非セキュア に設定

19 非セキュアステートオブジェクト選択 デバッガ - イメージ を選択 追加イメージのダウンロード を有効にし 非セキュアステートのオブジェクトを選択

20 例外ベクタ選択 デバッガ - 追加オプション を選択 コマンドラインオプションの使用 (U) を有効にし コマンドラインオプション に --drv_vector_tabl e_base=0x を設定

21 デバッグの開始は セキュアステート セキュアステートからデバッグを開始

22 まとめ セキュリティ対策は 製品開発全体で考える事が必要で セキュアマイコンの導入はその中で必須の 1 ステップ セキュアステートと非セキュアステートを活用したプログラミングスキルが必要 今後の組込み開発には セキュリティの実装を行うことが必要不可欠

23 セキュアマイコンの開発を体験! 展示コーナでは 最新版 IAR Embedded Workbench for Arm(EWARM) と Microchip 社製 SAML11(Cortex-M23) プロセッサのデモを用意 最新の Armv8-M シリーズに対応 ST マイクロエレクトロニクス社製 STM32L5 シリーズ (Cortex-M33) NXP 社製 LPC5500/i.MX RT600 シリーズ (Cortex-M33) Nuvoton 社製 M2351(Cortex-M23)

24 IAR DevCon Tokyo #IARdevcon

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