12.3 安全内存区域划分

12.3.1 安全内存的基本概念

在ARM TrustZone架构中，安全内存区域（Secure Memory Regions）是指仅能被安全世界（Secure World）访问的物理内存范围。TF-A通过以下机制实现安全内存隔离：

• 硬件级隔离：利用TrustZone的TZASC（TrustZone Address Space Controller）或TZMA（TrustZone Memory Adapter）硬件模块
• 软件级保护：通过MMU配置和内存属性设置（NS位管理）
• 运行时检查：在异常级别切换时进行访问权限验证

典型的安全内存用途包括：

• 安全监控程序（BL31）的代码和数据
• 可信操作系统（BL32）的运行空间
• 安全服务的关键数据结构
• 硬件加密密钥存储区

12.3.2 TF-A内存布局设计

TF-A采用静态划分与动态分配相结合的内存管理策略：

/* 典型的内存布局示例（AArch64） */
+-------------------------+ EL3
| BL31 (Secure Monitor)   |
+-------------------------+
| BL32 (TEE OS)           |
+-------------------------+
| Secure Shared Memory    |
+-------------------------+ EL1/0
| Non-Secure World (BL33) |
+-------------------------+
| HW Reserved Areas       |
+-------------------------+

关键配置参数（通常在平台定义文件中指定）：

BL31_BASE    = 0x04000000
BL31_LIMIT   = 0x0403FFFF
BL32_BASE    = 0x04040000
BL32_LIMIT   = 0x0407FFFF
SHMEM_BASE   = 0x04080000
SHMEM_LIMIT  = 0x040FFFFF

12.3.3 安全内存配置方法

硬件寄存器配置

通过TZASC/TZMA控制器设置安全属性：

void configure_tzasc(void)
{// 设置region 0为安全区域mmio_write_32(TZASC_REGION_0_BASE, SECURE_REGION_BASE);mmio_write_32(TZASC_REGION_0_TOP, SECURE_REGION_END);mmio_write_32(TZASC_REGION_0_ATTR, TZASC_REGION_SECURE);
}

MMU页表配置

在TF-A的启动阶段设置内存属性：

void bl31_plat_arch_setup(void)
{mmap_add_region(BL31_BASE, BL31_BASE,BL31_LIMIT - BL31_BASE,MT_MEMORY | MT_RW | MT_SECURE);mmap_add_region(BL32_BASE, BL32_BASE,BL32_LIMIT - BL32_BASE,MT_MEMORY | MT_RW | MT_SECURE);
}

动态内存分配

使用TF-A提供的安全内存池：

void *secure_malloc(size_t size)
{return pool_alloc(&secure_pool, size);
}void secure_free(void *ptr)
{pool_free(&secure_pool, ptr);
}

12.3.4 安全与非安全世界共享内存

实现安全世界与非安全世界的通信需要特殊设计：

1. 静态共享内存区域：

/* 在设备树中定义共享内存节点 */
reserved-memory {#address-cells = <2>;#size-cells = <2>;ranges;shmem: secure-shmem@50000000 {compatible = "arm,secure-shmem";reg = <0x0 0x50000000 0x0 0x100000>;no-map;};
};

2. 动态缓冲区管理：

int register_shared_buffer(uintptr_t phys_addr, size_t size)
{return tsp_register_shared_memory(phys_addr, size);
}

3. 访问控制策略：

• 设置NS=0的安全属性但标记为"Secure Accessible"
• 配置适当的MPU/MMU权限（RO/RW）
• 实现边界检查机制

12.3.5 安全内存保护最佳实践

1. 深度防御策略：

   • 硬件防火墙配置
   • MMU二级保护
   • 运行时访问检查

2. 内存清零策略：

void secure_wipe(void *addr, size_t len)
{volatile uint8_t *p = (uint8_t *)addr;while (len--) {*p++ = 0;__asm__ volatile("dsb sy" ::: "memory");}
}

3. 内存完整性保护：

   • ECC内存保护
   • 内存加密引擎使用
   • 定期内存校验和检查

4. 调试安全：

   • 禁用安全内存的调试接口
   • 实现安全内存的篡改检测
   • 关键数据使用瞬态存储

12.3.6 平台特定实现案例

案例1：Cortex-A76平台配置

void plat_arm_security_setup(void)
{/* 配置TZPC */arm_configure_tzpc();/* 设置DDR安全区域 */tzc400_configure_region(0, 0x80000000, 0x10000000,TZC_REGION_S_RDWR, 0);/* 启用防火墙 */tzc400_set_action(TZC_ACTION_ERR);
}

案例2：动态测量扩展(DME)

void dme_measure_memory(uintptr_t base, size_t size)
{struct tpm_extend_cmd cmd = {.pcr_index = PCR_MEMORY,.digest = sha256_calculate(base, size)};tpm_extend(&cmd);
}

12.3.7 常见问题排查

1. 安全违规错误：

   • 现象：触发"Secure Fault"异常
   • 排查步骤：
     1. 检查TZASC/TZMA配置
     2. 验证MMU页表属性
     3. 检查NS位的运行时状态

2. 内存共享失败：

   • 确保共享区域已正确标记为"Secure Accessible"
   • 验证两个世界的物理地址映射一致
   • 检查防火墙规则是否过于严格

3. 性能问题：

   • 使用PMU计数器分析内存访问延迟
   • 检查TLB未命中率
   • 评估安全检查带来的开销

12.3.8 未来演进方向

1. ARMv9机密计算扩展：

   • Realm Management Extension (RME) 引入更多内存状态
   • Granule Protection Table (GPT) 实现更细粒度保护

2. 物理内存加密：

   • 使用ARM的PMSA（Physical Memory Encryption）
   • 集成HUK（Hardware Unique Key）加密方案

3. 动态安全内存：

   • 基于运行时策略的内存区域调整
   • 安全内存的热迁移支持