ARM ATF入门-安全固件软件介绍和代码运行
大家都知道硬件之上是软件，本公众号主要介绍“os与autosar”，那么除了这两种类型的软件，是否还有别的软件？本文以arm soc硬件为例，“打破砂锅，问到底”，来看看还有哪些软件我们没接触到，在os之下和soc硬件之上的，各种卖给我们底层软件的厂商（一般都是soc芯片原厂）所掩盖的核心技术，另外结合开源代码进行理解。
1. os之下，soc硬件之上有什么软件？
我们在定位os的问题的时候突然一个smc指令之后的代码找不到了，代码不在os里面也不在u-boot里面，到底在哪里，之后的运行又是什么，带着这个问题，我们“打破砂锅问到底”，看看到底怎么回事。
在之前的文章autosar入门-汽车电子构架演进(四) 未来已来，有一个nxp的汽车软件方案图，可以同时支持ap和bp，很经典，我们回顾下：
可以看到标识的是firmware（固件），我们首先会想到这就像电脑里面的bios，焊在电脑主板上的一个存储芯片，开机启动的时候，cpu寻址就会去执行里面的代码。那么这个东西的确是个软件啊，有软件就有代码，有代码就有开源的，来一起盘它。
nxp的图，以功能为核心是给客户看的，掩盖了其使用arm技术的细节，也就是软件实现的细节，并不能直接反映arm软件的框架。然后重新起个高大上的模块名字，好忽悠啊，我们直接来看arm的特权级（重要：本文以下都是针对arm a核）：
这个图了解arm的都太熟悉了，el（exception level）就是异常等级，为什么会有异常等级，那就是特权（privilege），不同的软件有不同的特权，el0的特权最小，只能运行app，el3的特权是最大的，也就是说对所有硬件的访问权限也是最大的。
armv8分为secureworld和non-secure world（normalworld），四种异常级别从高到低分别为el3，el2，el1，el0。
el0：非安全态的apps，安全态的trusted apps，el0是无特权模式，所有app应用都在el0。
el1：非安全态的normal world os，安全态的trusted os ，el1是一个特权模式，能够执行一些特权指令，用于运行各类操作系统（例如linux、freertos、tee等）。
el2：hypervisor虚拟层
el3：secure monitor，arm trusted firmware安全固件，el3具有最高管理权限，是一个微型的runtime系统，为os提供服务，负责安全监测和secure world和normal world之间的切换。
关于arm体系结构的基础知识可以自己找资料看看。os下面的软件有hypervisor和securemonitor。hypervisor是虚拟机，后续有机会了介绍下，本文聚焦到secure monitor。
secure monitor到底是什么，如下图中红框中：
其中有u-boot大家都比较熟悉，是一个bootloader， bootloader程序会先初始化 ddr等外设，然后将 linux内核从 flash(nand nor flash sd mmc等 )拷贝到 ddr中，最后启动 linux内核。后续有文章再详细介绍。
这里我们看bl1、bl2、bl31、bl32、bl33是什么东西，下面介绍下atf的概念：
atf：arm trustedfirmware（arm安全固件），运行在el3异常级别，atf为armv7-a 和 armv8-a提供了一些安全可信固件。具体包括上面说的：atf= bl1、bl2、bl31、bl32、bl33，其中bl33有就是u-boot。都运行在el3模式。具体为：
bl1：也叫bootrom，rom的意思就是只读的，具有最高的执行权限el3，在 cpu 出厂时就被写死了。为什么要写死，这里有一个安全驱动概念（secure boot）。cpu上电启动的时候，加载镜像的顺序为bl1 -》 bl2 -》 bl31 -》 bl32 -》bl33（uboot）-》os（linux），但是如果其中的一个镜像被换掉了怎么办？这里不是说网络攻击换掉，就是物理上拿到电路板，然后把存储sd卡拔掉换了自己的os，那不是想干啥就干啥，完全控制了硬件设备，俗称“越狱”。答案就是没一个镜像进行签名校验。
例如bl33加载os，需要os镜像算出hash利用私钥加密，然后bl31在加载os的时候会读取这个加密的hash，利用自己的公钥解密，解密后的hash是对的就进行加载。那么这么一级一级按照加密向前传递，那第一个根bl1如果可以在sd卡上伪造，那校验就没用了。所以bl1需要只读，并且作为只读硬件直接搞进到cpu里面，你从板子上也拆不下来，更替换不了。因为要写死到cpu内部，所以独立出来了，也是其由来的原因。
bl2：bl2在flash中的一段可信安全启动代码，主要完成一些平台相关的初始化，比如对ddr的初始化等。因为bl31和bl32是一个runtime，也就是上电后一直运行的程序，那么需要加载到内存里面，需要先初始化内存ddr，bl2就干这个事情的。所谓的loder。
bl31：作为el3最后的安全堡垒，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指令为non-secure os持续提供设计安全的服务，在secure world和non-secure world之间进行切换。是对硬件最基础的抽象，对os提供服务。例如一个el3级别的特权指令，比如关机、休眠等os是无权处理的，就会交给bl31来继续操作硬件处理。
bl32：是所谓的secure os，运行在secure mode。在arm平台下是arm 家的 trusted execution environment（tee）实现。op-tee 是基于armtrustzone硬件架构所实现的软件secure os。
一般在bl32会运行optee os + 安全app，它是一个可信安全的os运行在el1并在el0启动可信任app（如指纹信息，移动支付的密码等），并在trust os运行完成后通过smc指令返回bl31，bl31切换到non-seucre world继续执行bl33。关于optee和secure mode及turstzone的机制，有机会再写一个文章介绍。
bl33：这里就是normal wrold了，运行的都是非安全固件，也就是我们常见的uefi firmware或者u-boot，也可能是直接启动linux kernel。
启动bl1，bl2，bl31，bl32则是一个完整的atf信任链建立流程（arm trusted firmware），像常见的psci（power state coordination interface）功能则是在atf的bl31上实现。对基本概念有认识了后，你就知道os之下还有的这些软件通常称为atf，其启动流程如下：
详细为：
2. atf代码下载编译运行
2.1 atf代码下载编译
atf代码下载：
git clone https://github.com/arm-software/arm-trusted-firmware.git atf代码编译： make cross_compile=aarch64-linux-gnu- plat=qemu debug=1 all
编译完成后在arm-trusted-firmware/build/qemu/debug目录下生成bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin。
atf的bl33使用的u-boot，代码下载：
git clone https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git 编译： cd u-bootexport arch=arm64export cross_compile=aarch64-linux-gnu-make qemu_arm64_defconfigmake -j8 编译完成后在当前目录下生成u-boot.bin。
2.2 qemu运行atf
首先需要qemu，执行
qemu-system-aarch64 –version 看下系统是否安装过，如果没安装过，需要安装：
git clone https://git.qemu.org/git/qemu.gitcd qemu./configure --target-list=aarch64-softmmu --prefix=make -j8sudo make install 有了qemu，然后新建一个run目录，把各个镜像软连接进来：
mkdir runcd runln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl1.bin bl1.binln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl2.bin bl2.binln -s ~/arm/arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/bl31.bin bl31.binln -s ~/arm/u-boot/u-boot.bin bl33.bin 在run目录执行命令：
qemu-system-aarch64 -nographic -machine virt,secure=on -cpu cortex-a53 -smp 2 -m 2048 -d guest_errors,unimp -bios ./bl1.bin -semihosting-config enable=on,target=native
可以看到u-boot已经启动了，我们输入u-boot支持的version命令会有输出。
这里主要分析atf，qemu只加载了atf包括u-boot。如果想一块加载linux可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/521196386
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我们在定位os的问题的时候突然一个smc指令之后的代码找不到了，代码不在os里面也不在u-boot里面，到底在哪里，之后的运行又是什么，带着这个问题，我们“打破砂锅问到底”，看看到底怎么回事。
在之前的文章autosar入门-汽车电子构架演进(四) 未来已来，有一个nxp的汽车软件方案图，可以同时支持ap和bp，很经典，我们回顾下：
可以看到标识的是firmware（固件），我们首先会想到这就像电脑里面的bios，焊在电脑主板上的一个存储芯片，开机启动的时候，cpu寻址就会去执行里面的代码。那么这个东西的确是个软件啊，有软件就有代码，有代码就有开源的，来一起盘它。
nxp的图，以功能为核心是给客户看的，掩盖了其使用arm技术的细节，也就是软件实现的细节，并不能直接反映arm软件的框架。然后重新起个高大上的模块名字，好忽悠啊，我们直接来看arm的特权级（重要：本文以下都是针对arm a核）：
这个图了解arm的都太熟悉了，el（exception level）就是异常等级，为什么会有异常等级，那就是特权（privilege），不同的软件有不同的特权，el0的特权最小，只能运行app，el3的特权是最大的，也就是说对所有硬件的访问权限也是最大的。
armv8分为secureworld和non-secure world（normalworld），四种异常级别从高到低分别为el3，el2，el1，el0。
el0：非安全态的apps，安全态的trusted apps，el0是无特权模式，所有app应用都在el0。
el1：非安全态的normal world os，安全态的trusted os ，el1是一个特权模式，能够执行一些特权指令，用于运行各类操作系统（例如linux、freertos、tee等）。
el2：hypervisor虚拟层
el3：secure monitor，arm trusted firmware安全固件，el3具有最高管理权限，是一个微型的runtime系统，为os提供服务，负责安全监测和secure world和normal world之间的切换。
关于arm体系结构的基础知识可以自己找资料看看。os下面的软件有hypervisor和securemonitor。hypervisor是虚拟机，后续有机会了介绍下，本文聚焦到secure monitor。
secure monitor到底是什么，如下图中红框中：
其中有u-boot大家都比较熟悉，是一个bootloader， bootloader程序会先初始化 ddr等外设，然后将 linux内核从 flash(nand nor flash sd mmc等 )拷贝到 ddr中，最后启动 linux内核。后续有文章再详细介绍。
这里我们看bl1、bl2、bl31、bl32、bl33是什么东西，下面介绍下atf的概念：
atf：arm trustedfirmware（arm安全固件），运行在el3异常级别，atf为armv7-a 和 armv8-a提供了一些安全可信固件。具体包括上面说的：atf= bl1、bl2、bl31、bl32、bl33，其中bl33有就是u-boot。都运行在el3模式。具体为：
bl1：也叫bootrom，rom的意思就是只读的，具有最高的执行权限el3，在 cpu 出厂时就被写死了。为什么要写死，这里有一个安全驱动概念（secure boot）。cpu上电启动的时候，加载镜像的顺序为bl1 -》 bl2 -》 bl31 -》 bl32 -》bl33（uboot）-》os（linux），但是如果其中的一个镜像被换掉了怎么办？这里不是说网络攻击换掉，就是物理上拿到电路板，然后把存储sd卡拔掉换了自己的os，那不是想干啥就干啥，完全控制了硬件设备，俗称“越狱”。答案就是没一个镜像进行签名校验。
例如bl33加载os，需要os镜像算出hash利用私钥加密，然后bl31在加载os的时候会读取这个加密的hash，利用自己的公钥解密，解密后的hash是对的就进行加载。那么这么一级一级按照加密向前传递，那第一个根bl1如果可以在sd卡上伪造，那校验就没用了。所以bl1需要只读，并且作为只读硬件直接搞进到cpu里面，你从板子上也拆不下来，更替换不了。因为要写死到cpu内部，所以独立出来了，也是其由来的原因。
bl2：bl2在flash中的一段可信安全启动代码，主要完成一些平台相关的初始化，比如对ddr的初始化等。因为bl31和bl32是一个runtime，也就是上电后一直运行的程序，那么需要加载到内存里面，需要先初始化内存ddr，bl2就干这个事情的。所谓的loder。
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编译完成后在arm-trusted-firmware/build/qemu/debug目录下生成bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin。
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这里主要分析atf，qemu只加载了atf包括u-boot。如果想一块加载linux可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/521196386
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