正点原子嵌入式linux驱动开发——TF-A初探

上一篇笔记中，正点原子的文档简单讲解了一下什么是TF-A，并且也学习了如何编译TF-A 。但是TF-A是如何运行的，它的一个运行流程并未涉及 。TF-A的详细运行过程是很复杂的，涉及到很多ARM处理器底层知识 ，所以这一篇笔记的内容就是讲解一下TF-A的整个框架以及运行的大致流程。

设备如何保证安全

设备的安全保护涉及到很多方面，这里的笔记主要就是讲解TF-A。TF-A主要保护的就是设备启动过程，通过各种鉴权，保证设备启动的过程中每个阶段的固件都是安全的。

对于传统的ARM处理 而言， Linux系统的启动流程就是：内部BootROM->Uboot->kernel->rootfs ，整个启动过程是一个链式结构 ，启动过程其实是没有安全校验的 (有些公司会自行定义一些校验方法)。加入TF-A固件以后， TF-A就可以对uboot、kernel进行校验，如果还要使用TEE OS(Trusted Execution Environment,TEE)，那么TF-A还要完成对TEE OS的校验。

之前的笔记已经有所涉及STM32MP1的安全启动 (Secure Boot，有些资料也叫做安全引导），安全启动目的是为了保证整个启动过程各个镜像的完整性 ，防止被不法分子破坏或替换掉。Linux启动是一个链式结构，因此安全启动的鉴权 (校验)过程也是链式结构 的。在系统启动的过程中，会先对下一个要加载运行的镜像进行鉴权，只有鉴权成功此镜像才能运行，并进入到下一阶段，同样要先对下一阶段的镜像进行鉴权，只要其中有一环鉴权失败，那么整个系统就会启动失败。（也就是说，鉴权成功了才会进入下一个鉴权，不然直接启动失败）。

STM32MP1使用ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature，椭圆曲线数字签名算法)验证算法来完成鉴权 ，ECDSA相比 RSA效果好，而且秘钥更小，STM32MP1使用256位的ECDSA秘钥。一共有两个算法用于计算 ECDSA：

• P-256 NIST
• Brainpool 256

可以在STM32MP1头部信息中定义使用哪个算法，STM32MP1整个加密过程比较复杂，正点原子的教程中不做讲解。STM32MP1启动的时候，内部Boot代码会对FSBL进行鉴权，然后FSBL会对后续的内容进行鉴权，这个FSBL就是TF-A。

TF-A概述

TF-A简介

TF-A是ARM可信任固件，是ARM官方提供的一个固件代码，它提供了统一的接口标准，方便不同的半导体厂商将自家的芯片添加到TF-A里面 。ST就是在TF-A官

方源码里面添加了STM32MP1系列芯片，之前已经有过笔记教程完成了针对正点原子的STM32MP157开发板完成TF-A的源码补丁，这个补丁文件就是STM32MP1芯片对应的源码补丁文件。

TF-A官网地址为：TF-A官网，此网站不仅仅提供了TF-A，还有针对Cortex-M单片机的TF-M，以及OP-TEE等安全相关软件库。关于TF-A的文档在开发板的资料盘里也是有的，就是Trusted Firmware-A(TF-A用户手册).pdf，如果我之后对这部分感兴趣就去看看，目前只是想学习linux驱动开发，这一部分不是重点。

TF-A一共分为5部分：bl1、bl2、bl2u、bl31、bl32和bl33，打开TF-A源码目录，可以看到这5部分，如下图所示：

但是在图中可以发现，我们并没有看到bl33这个文件夹，这是因为bl33是TF-A启动的其他镜像固件，比如uboot 。上图中bl1、bl2和bl31都属于TF-A固件 ，而bl32和bl33是TF-A要启动的其他第三方固件，比如TEE OS和uboot。

bl1、bl2、bl31、bl32和bl33是TF-A的不同启动阶段，TF-A的启动过程是链式的，不同的阶段完整的功能不同，bl1、bl2、bl31、bl32和bl33全名如下：

• bl1：Boot loader stage 1(BL1)；
• bl2：Boot loader stage 2(BL2)；
• bl31：Boot loader stage 3-1 (BL31)；
• bl32：Boot loader stage 3-2 (BL32)；
• bl33：Boot loader stage 3-3 (BL33)。

ARMv7和ARMv8权限等级

TF-A一开始是为ARMv8准备 的，ARMv8最突出的特点就是支持64位指令 ，但是为了兼容原来的ARMv7，ARMv8提供了两种指令集：AAarch64和AArch32 ，根据字面意思就是64位和32位，其中AArch32和ARMv7基本一样 (会多一些其他操作指令)。 STM32MP1内核为32位的 Cortex-A，所以对应TF-A中的 AArch32 。正是因为TF-A一开始是针对 ARMv8准备的，所以TF-A的资料比较难已学习，牵涉到很多底层知识，需要对ARM CPU有所了解。安全不能仅仅依靠软件来实现，也是需要硬件支持的，比如ARM处理器就有不同的运行等级，运行在低等级 (非安全模式)的应用就不能访问高等级 (安全模式)的资源，以此来保证敏感资源的安全性。

ARMv7-A工作模式

以前的ARMv7处理器有7种运行模型：User、FIQ、IRQ、Supervisor(SVC)、Abort、Undef和System。但新的ARMv7-A架构加入了TrustZone安全扩展，所以就新加了一种运行模式：Monitor，新的处理器架构还支持虚拟化扩展，因此又加入了另一个运行模式Hyp，所以Cortex-A7处理器有9种处理模式 ，如下图所示：

不同的处理器模式下，CPU对于硬件的访问权限不同，叫做Privilege Level(特权等级) ，一共有两个特权级别：Privilege(特权级)和non-privilege(非特权级) 。其中只有User模式处于non-privilege，也就是非特权级，剩下的8个模式都是privilege(特权级) 。系统启动以后应用软件都是运行在User模式 ，也就是非特权级，这个时候处理器对于敏感资源的访问是受限的，如果要访问这些敏感资源就需要切换到对应的工作模式下。

ARMv7-A对Privilege Level进行了命名：PL0和PL1，后来也出现了PL2，用于虚拟扩展 。ARMv7-A新增的Monitor模式就是针对安全扩展的，为了支持TEE而引入的。

ARMv8工作模式

ARMv8没有Privilege level的概念，取而代之的是**Exception level(异常级别)，简称为EL，用于描述特权级别，一共有4个级别：EL0、EL1、EL2和EL3，数字越大，级别越高，权限越大！**这四个EL级别对应的应用场合如下：

• EL0：一般的应用程序；
• EL1：操作系统，比如Linux；
• EL2：虚拟化 (Hypervisor)，虚拟机管理器；
• EL3：最底层的安全固件(安全监视器)，比如ARM Trusted Firmware(ARM安全固件， ATF也就是TF-A)。

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也就是正常世界(Normal World)。我们可以在Non-secure运行通用操作系统，比如Linux，在Secure运行可信操作系统，比如OP-TEE ，这两个操作系统可以同时运行，这个需要处理器支持 ARM的TrustZone功能 。在Normal world和Secure world下， ARMv8的4个EL等级对应的内容如下图所示：

在ARMv8的AArch32模式下，处理器模式如下图所示：

从上图可以看出，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、UND和SYS这 6种工作模式；
• 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是用于安全监视器 的，所以TF-A主要工作在EL3下，TF-A的源码就有大量的"EL3"字样的文件或代码。

TF-A不同启动阶段

TF-A分为不同的启动阶段，按照链式结构依次启动， ATF代码启动流程如下图所示：

从上图中可以看到，当芯片复位以后首先运行bl1代码 ，bl1一般是芯片内部的ROM代码，bl1主要工作就是将外置Flash中的bl2固件加载到指定的RAM中，然后跳转到bl2部分。

bl2为安全启动固件，bl2会将剩余的三个启动阶段bl31、bl32和bl33对应的镜像文件加载到指定的内存中 。比如bl32中的安全操作系统(OP-TEE)，bl31中的EL3 运行时固件(Runtime Firware)，bl33中的uboot。bl2将这些固件加载完成以后就会启动相应的固件，也就是进入到第三启动阶段。

TF-A 启动流程就是：bl1->bl2->(bl31/bl32/bl33) 。注意，bl31、bl32和bl33对应的镜像不需要全部都有，但是bl33一般是必须的，因为bl33一般是uboot。

bl1

bl1是TF-A的第一个启动阶段 ，芯片复位以后就会运行bl1镜像，TF-A 提供了bl1源码 。但是，实际上bl1 一般是半导体厂商自己编写的内部Boot ROM代码，并没有使用TF-A提供的bl1镜像，比如STM32MP1的内部ROM代码就是bl1。

一般bl1要做的就是初始化CPU ，如果芯片支持不同的启动设备，那么还需要初始化不同的启动设置 ，比如NAND、EMMC、SD、USB或串口 等。然后根据BOOT引脚的高低电平来判断当前所选择的启动设备，从对应的启动设备中加载bl2镜像，并放到对应的内存中，最后跳转到bl2镜像并运行。

bl2

bl2会进一步的初始化芯片，比如初始化DDR、MMU、串口等。bl2会将剩下三个阶段(bl31、bl32和bl33)对应的镜像加载到指定的内存中，最后根据实际情况来启动剩下三个阶段的镜像。

bl31

在AArch64中，bl31主要是EL3的Runtime固件。（只有AArch64涉及，AArch32没有）。

bl32

bl32一般为安全系统 (TEE OS)固件，比如OP-TEE 。 TF-A为AArch32提供了EL3的Runtime软件，这个Runtime软件就是bl32固件，sp_min就是这个Runtime软件。在TF-A的源码bl32文件夹下，就有一个"sp_min"的子文件夹，就是bl32的sp_min源码。

STM32MP1的bl32部分可以使用OP-TEE，也可以使用 sp_min，在正点原子的教程中，为了学习的简便，选择采用sp_min作为bl32镜像。

bl33

bl33就是Normal World下的镜像文件，比如uboot。

至此，对TF-A的基本启动流程有了一个大概的了解，我们知道了TF-A分为多个阶段，不同的阶段其工作内容不同 。但是，在实际的开发中并不一定 会用到TF-A中所有启动阶段。接下来我们就会以STM32MP1为例，看一下 ST是如何在自家的STM32MP1中使用TF-A的。

STM32MP1中的TF-A

STM32MP1 TF-A框架

STM32MP1支持TrustZone ，所以ST提供的软件包包含了安全固件。相比传统ARM处理器(如ARM9、ARM11等 )最常见的uboot和linux kernel，STM32MP1的软件包还另外提供了TF-A、OP-TEE等安全相关的关键软件 ，因此STM32MP1的整体软件框架必然和传统的ARM芯片不同，STM32MP1软件架构如下图所示：

上图中从左到右分为三部分：Cortex-A7 Secure、Cortex-A7 Non-Secure和Cortex-M4，Cortex-M4属于裸机开发部分，不是linux驱动部分，这个教程不涉及。所以就剩下了Cortex-A7 Secure、Cortex-A7 Non-Secure，也就是A7的安全和非安全两种情况。

在Cortex-A7 Secure下重点是TF-A和OP-TEE，TF-A是用于完成安全启动的， OP-TEE是TEE OS，如果使用OP-TEE的话它会和linux内核同时运行， OP-TEE负责可信应用，linux就是普通的应用程序。在Cortex-A7 Non-Secure下就是传统的ARM软件框架：uboot、linux kernel和根文件系统。

之前已经讲解过，TF-A分为了不同阶段：bl1、bl2、bl31、bl32和bl33，这个主要是面向AArch64的，对于 AArch32而言只有4个阶段：

• bl1：第1个阶段，一般为芯片内部ROM代码；
• bl2：第2个阶段，可信启动固件；
• bl32：EL3运行时(Runtime)软件；
• bl33：非安全固件，比如uboot。

其中 bl1、bl2和bl32都属于TF-A的一部分 (如果使用 TF-A提供的bl1的话)。

STM32MP1下的bl1

bl1部分是可选 的，在编译STM32MP1的TF-A的时候可以通过添加BL2_AT_EL3编译选项来移除bl1 ，默认情况下ST提供的TF-A源码是有添加BL2_AT_EL3编译选项的，在TF-A源码里面找到tf-a-stm32mp-2.2.r1/plat/st/stm32mp1/platform.mk，此文件定义了 STM32MP1这个平台的编译选项，有下图配置：

可以看出，platform.mk文件定了BL2_AT_EL3为1 ，因此在编译STM32MP1平台对应的TF-A的时候不会编译bl1部分，STM32MP1内部ROM代码完成了TF-A中的bl1部分的工作，主要就是将外部 Flash中的bl2代码加载到内部RAM中并运行。

STM32MP1下的bl2

bl2为可信启动固件，在STM32MP1中就是TF-A的bl2部分，bl2的主要功能就是加载下面几个阶段的固件到内存中，因此bl2需要初始化所要用到的外设。

首先是安全部分，STM32MP1的bl2部分会初始化的外设如下：

1. BOOT、安全和OTP控制器，也就是BSEC外设；
2. 扩展的TrustZone保护控制器，也就是ETZPC外设；
3. TrustZone针对DDR的地址空间保护控制器，也就是TZC外设。

由于bl2需要从外部Flash中加载下一阶段镜像，因此还需要初始化一些外部Flash，例如：

1. SD卡；
2. EMMC；
3. NAND；
4. NOR。

最后，STM32MP1的bl2还需要初始化一些其他外设：

1. DDR内存；
2. 时钟；
3. 串口，用于调试以及使用STM32CubeProgrammer时需要串口下载系统；
4. USB，用STM32CubeProgrammer通过USB烧写系统。

bl2还需要对镜像进行验证和鉴权，鉴权是通过调用内部 ROM代码的鉴权服务来完成。最后，bl2会加载bl32和bl33的固件到指定的内存区域，并跳转到bl32，bl32接着运行。

STM32MP1下的bl32

bl32提供运行时安全服务 ，在TF-A中默认使用sp_min。sp_min是一个最小的AArch32安全负载(Secure Payload)，整合了PSCI库以及AArch32的EL3运行时软件。sp_min可以替代可信系统(TEE OS)或者可信执行环境(TEE)，比如OP-TEE。当然了，STM32MP1同时支持sp_min以及OP-TEE，用户可以自行选择bl32使用哪个软件包。正点原子是选择用sp_min。

bl32充当安全监控(secure monitor)，因此它向非安全系统(non-secure os，比如 linux)提供了一些安全服务。非安全的应用软件可以通过安全监控调用(secure monitor calls)来使用这些安全服务，这些代码支持标准的服务调用，比如PSCI。

另外，bl32也支持ST32MP1所特有的一些安全服务，可以访问特有的安全外设，比如 RCC、PWR、RTC或BSEC。

STM32MP1下的bl33

bl33就是传统的 uboot，并不属于TF-A本身。

简单总结一下，默认情况下TF-A有bl1、bl2、bl31、bl32和bl33这几个启动阶段。如果bl32使用sp_min的话那么 bl1、bl2、bl31和bl32都属于TF-A 。但是对于STM23MP1而言，因为其使用的是AArch32，因此没有bl31部分。而bl1部分ST又没有用TF-A提供的，采用的是STM32MP1内部ROM代码，因此就只剩下了bl2和bl32。所以对于STM32MP1而言，TF-A就两个固件：bl2 和bl32(sp_min) ，TF-A 源码也采用了设备树(device tree)来设备信息，因此对于STM32MP1 而言TF-A 一共有三部分：设备树、bl2和bl32，这三部分在编译的时候会被合并成一个二进制文件。当然了，还要在最前面加上重要的头部信息，最终这4部分就组成了我们烧写到外部flash中的TF-A镜像，比如之前讲义中中烧写到EMMC 中的tf-a-stm32mp157datk-trusted.stm32，其文件结构如下图所示：

STM32MP1的TF-A启动流程如下图所示：

上图中TF-A 启动分了5步，这5步的含义如下：

1. 复位以后内部ROM加载TF-A整个镜像，然后运行bl2镜像；
2. bl2将bl32镜像加载到指定内存区域；
3. bl2将bl33镜像加载到指定内存区域；
4. bl2执行完毕以后就会跳转到bl32镜像；
5. bl32镜像执行完以后跳转到bl33镜像，也就是uboot。

最后，uboot引导非安全系统，也就是linux内核。

STM32MP1 TF-A镜像存储映射

上一小节讲了，最终烧写到STM32MP1里面的TF-A镜像有4部分，除去头部信息，还有设备树、bl2和bl32。这3部分虽然被打包在了一起，但是实际是三部分，比如bl2是一个镜像，bl32是另外一个镜像，其执行顺序都是不一样的！当加载到内存上以后这3部分的存储映射如下图所示：

上图中TF-A各部分存储映射不是固定的 ，编译TF-A的时候配置不同，其存储地址也不同，重点是存储映射形式。

TF-A的基础知识就讲解到这里，对TF-A有了初步的认识，了解了STM32MP1中的TF-A组织形式，方便我们后续学习。

总结

这一章节学习的就是TF-A源码的一些基本框架，熟悉了ARMv7和ARMv8的工作模式，我们的STM32MP157开发板是32位的，也就是工作在AArch32模式，TF-A主要工作在EL3级别下。

对于ST公司的这块STM32MP157开发板，TF-A主要就是bl2、bl32以及设备树（bl1已经被写在ROM代码中了来启动bl2镜像，bl33是uboot不属于TF-A）。

这一章后面还有一个TF-A的启动流程详解，但是文档中还没有更新，后续有更新了我会补充上来的。