Arm Trusted Firmware-A 安全启动分析

安全启动
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ATF代码：https://github.com/ARM-software/arm-trusted-firmware

1. 调试环境搭建

动态调试能够更快速地分析代码的执行流程，本文编译qemu平台的ATF，搭建调试环境。

主机环境：Ubuntu22.04 AArch64

参考资料：https://blog.csdn.net/qq_16106195/article/details/126708271

1.1 qemu

qemu是固件的运行平台。建议源码编译安装，直接apt install qemu安装qemu版本比较低，后续会遇到问题。

参考：https://hlyani.github.io/notes/openstack/qemu_make.html

1.2 U-boot

启动过程中的bl33为u-boot，在编译时需要指定BL33为u-boot.bin。

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// 下载
git clone https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git

// 编译
cd u-boot
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- 
make qemu_arm64_defconfig
make -j16

编译完成之后在u-boot根目录下生成u-boot.bin镜像文件。

1.3 mbed TLS库

在安全启动过程中验证镜像需要使用mbedtls库。

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// 下载mbedtls
git clone https://github.com/Mbed-TLS/mbedtls.git
// 切换分支
cd mbedtls
git checkout mbedtls-3.4.0

**注意:**mbedtls在v3.6.0 v3.5.2 v3.5.1 v3.5.0 mbedtls-3.6.0 mbedtls-3.5.2 mbedtls-3.5.1 mbedtls-3.5.0版本中移除了hash_info模块，但是在新版本的atf代码中要求mbedtls版本为3.x，并且需要hash_info模块，建议使用mbedtls V3.4.0版本。

https://github.com/Mbed-TLS/mbedtls/issues/6993

https://github.com/Mbed-TLS/mbedtls/commit/13230a4ad3afd51bb935c23c908184f173c37c91

arm-trusted-firmware/drivers/auth/mbedtls/mbedtls_common.mk：

1.4 编译支持Trusted Board Boot的镜像

在ATF代码中默认不支持Trusted Board Boot功能，如果编译支持Trusted Board Boot的镜像，需要开启TRUSTED_BOARD_BOOT和GENERATE_COT编译选项。

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// 安装dtc依赖
sudo apt-get install device-tree-compiler 

// 下载ATF
git clone https://git.trustedfirmware.org/TF-A/trusted-firmware.git

// 编译ATF，指定BL33为u-boot.bin，开启TRUSTED_BOARD_BOOT和GENERATE_COT选项
export ARCH=arm64                                                           
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
MBEDTLS_DIR=../mbedtls \
make PLAT=qemu TRUSTED_BOARD_BOOT=1 GENERATE_COT=1 \
ARM_ROTPK_LOCATION=devel_rsa \
ROT_KEY=plat/arm/board/common/rotpk/arm_rotprivk_rsa.pem \
BL33=../u-boot/u-boot.bin all fip DEBUG=1 LOG_LEVEL=50

如果开启TRUSTED_BOARD_BOOT和GENERATE_COT编译选项，需要指定mbedtls库源码路径，因为镜像验证需要依赖mbedtls库。ARM_ROTPK_LOCATION选项指定使用位于plat/arm/board/common/rotpk/arm_rotpk_rsa_sha256.bin 中的默认哈希值；当GENERATE_COT = 1时使用ROT_KEY选项，用于指定包含PEM格式的ROT私钥的文件，并强制生成公钥哈希。

编译完成之后在arm-trusted-firmware/build/qemu/debug目录下生成bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin和fip.bin镜像：

image-20240509170607388

fip.bin和bl1.bin、bl2.bin以及bl31.bin的关系：

  1. BL1 (Boot Loader Stage 1): BL1 是第一阶段的引导加载程序，也称为 bootROM。bl1固化在 SoC 的 ROM 中，并且是处理器启动后运行的第一个代码。BL1 的主要职责包括初始化处理器核心、设置内存控制器以及加载 BL2；
  2. FIP (Firmware Image Package): FIP 是一个封装容器，里面包含多个固件组件，如 BL2、BL30（引导加载程序的可选部分，用于初始化 GPU），BL31，BL32（安全引导可选部分，如 OP-TEE 等）和 BL33。fip.bin 文件是以上文件的打包版本，包含的镜像在设备引导过程中会被顺序加载；
  3. 在启动时，ROM 代码（BL1）会先执行，然后加载 fip.bin 中的其他组件，从而完成整个系统的引导过程。

参考：

https://trustedfirmware-a.readthedocs.io/en/v2.4/design/trusted-board-boot-build.html

https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/14301334.html

https://www.cnblogs.com/jianhua1992/p/16852776.html

1.5 qemu通过ATF加载u-boot

首先需要准备u-boot.bin镜像，然后使用qemu运行bl1.bin镜像，并由bl1加载bl2镜像，bl2加载bl31镜像，最后通过层层加载，启动bl33固件，即u-boot.bin。

新建文件夹atf_load_u-boot，拷贝bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin到当前目录下，拷贝u-boot.bin到当前目录下并重命名为bl33.bin：

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mkdir atf_load_u-boot
cd atf_load_u-boot 
cp ../arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/*.bin ./ 
cp ../u-boot/u-boot.bin ./bl33.bin

启动镜像：

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qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native

直接使用上述命令启动镜像会出现如下报错：

需要在gdb调试环境下使用restore命令加载fip镜像到内存中，具体原因见《1.6 gdb调试目标镜像》。

1.6 gdb调试目标镜像

使用qemu通过FIP方式启动ATF：

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cd atf_load_u-boot 

qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native -s -S

-S：表示QEMU虚拟机会冻结CPU，直到远程的GDB输入相应控制命；
-s：表示在1234端口接受GDB的调试连接。

gdb附加调试并加载fip.bin镜像到内存：

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cd arm-trusted-firmware/build/qemu/debug/
// 启动gdb调试
gdb bl1/bl1.elf
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// 连接目标板
pwndbg> target remote localhost:1234
// 加载fip.bin到内存
pwndbg> restore fip.bin binary 0x00040000
// 继续运行
pwndbg> c
Continuing.
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sx1ang@sx1ang-vm > ~/WorkSpace/Soc/ATF/atf_load_u-boot > qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native -S -s
VERBOSE: Region: 0xe001000 - 0xe100000 has attributes 0xa
VERBOSE: Region: 0x0 - 0x6000 has attributes 0x2
VERBOSE: Region: 0x6000 - 0x9000 has attributes 0x42
mmap:
 VA:0x0  PA:0x0  size:0x6000  attr:0x2  granularity:0x40000000
 VA:0x6000  PA:0x6000  size:0x3000  attr:0x42  granularity:0x40000000
 VA:0x0  PA:0x0  size:0x4000000  attr:0x2  granularity:0x40000000
 VA:0x4000000  PA:0x4000000  size:0x4000000  attr:0x2  granularity:0x40000000
 VA:0x8000000  PA:0x8000000  size:0x1000000  attr:0x8  granularity:0x40000000
 VA:0x9000000  PA:0x9000000  size:0xc00000  attr:0x8  granularity:0x40000000
 VA:0xe000000  PA:0xe000000  size:0x1000  attr:0x8  granularity:0x40000000
 VA:0xe001000  PA:0xe001000  size:0xff000  attr:0xa  granularity:0x40000000

VERBOSE: Translation tables state:
···

注意：默认从memmap中以FIP方式加载镜像，如果memmap中没有镜像，就会打印Firmware Image Package header check failed. 即FIP校验头失败；这种情况下qemu会使用半主机的方式读取镜像Using Semi-hosting IO，直接半主机方式读取原始镜像到内存地址中（实际上是通过读文件的方式），即不会再校验FIP镜像的header。因此如果需要FIP方式加载镜像，需要提前将镜像加载到memmap中。在gdb调试环境中，可以使用gdb的restore命令将fip镜像加载到内存中。

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restore file binary start_addr end_addr

开始地址是在ATF qemu平台的代码中配置的：

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#define PLAT_QEMU_FIP_BASE		0x00040000
#define PLAT_QEMU_FIP_MAX_SIZE		0x00400000

restore将镜像加载到内存之后再启动：

gdb detach之后会得到u-boot的shell：

gdb调试页面：

参考：

https://blog.csdn.net/a565499699/article/details/79294261

https://blog.csdn.net/zhangye3017/article/details/80382496

https://www.cnblogs.com/gnivor/p/15153133.html

https://liupzmin.com/2021/07/20/theory/stack-insight-02/

https://nanxiao.me/linux-pstack/

安全启动流程分析

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