ARMv7 SMC OPTEE 切换中的SCR寄存器的NS，FIQ，EA bit状态

在 OP-TEE 适配 ARMv7 的 SMC 代码中，当处理来自 Non-Secure World（非安全世界） 的请求时，进入 smc_from_nsec 时需要将 SCR（Secure Configuration Register） 的 NS（bit 0） 和 FIQ（bit 2） 位设置为 0，这是为了确保以下关键安全性和稳定性需求：

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1. 确保处理器处于 Secure 状态

• NS 位（bit 0）：
  • NS = 1：处理器处于 Non-Secure 状态。
  • NS = 0：处理器处于 Secure 状态。
  • 目的：
    在处理 SMC 请求时，必须确保处理器处于 Secure 状态，以防止非安全代码访问安全资源或破坏安全上下文。
    • 为什么设置 NS=0：
      当 Non-Secure 代码调用 SMC 指令时，处理器会切换到 Monitor 模式（由 SCR 控制）。ATF（ARM Trusted Firmware）在处理完上下文切换后，会调用 OP-TEE 的 smc_from_nsec。此时，若不将 NS 位设置为 0，处理器可能仍处于 Non-Secure 状态，导致安全逻辑失效（如 TA 无法正确运行）。

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2. 禁用 FIQ 中断进入 Monitor 模式

• FIQ 位（bit 2）：
  • FIQ = 1：FIQ 异常触发时，处理器进入 Monitor 模式（而非 FIQ 模式）。
  • FIQ = 0：FIQ 异常触发时，处理器进入 FIQ 模式（Non-Secure 状态）。
  • 目的：
    在处理 SMC 请求时，需 暂时屏蔽 FIQ 中断进入 Monitor 模式，以避免中断处理与当前的安全操作冲突。
    • 为什么设置 FIQ=0：
      如果 FIQ 位保持为 1，当 Secure 世界处理 SMC 请求时，若发生 FIQ 中断，处理器会再次进入 Monitor 模式，导致复杂的上下文切换和潜在的竞态条件。通过设置 FIQ=0，FIQ 中断会直接进入 FIQ 模式（Non-Secure 状态），从而避免干扰 Secure 世界的执行流程。

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3. 遵循 ARM 架构的安全协议

• ARM TrustZone 要求：
  在进入 Secure 状态处理 SMC 请求时，必须确保以下配置：

  1. NS=0：明确标识当前处于 Secure 状态。
  2. FIQ=0：禁用 FIQ 中断进入 Monitor 模式。
  3. EA=1（bit 3）：启用外部中止（External Abort）进入 Monitor 模式（通常保留为 1）。

  示例配置：

  SCR &= ~(1 << 0);  // NS=0 (Secure 状态)
  SCR &= ~(1 << 2);  // FIQ=0 (FIQ 中断进入 FIQ 模式)
  

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4. 防止中断嵌套和上下文切换的开销

• 上下文切换的代价：
  • 若 FIQ 位未设置为 0，Secure 世界处理 SMC 请求时可能发生 FIQ 中断，触发 Monitor 模式切换。
  • 后果：
    • 增加上下文保存/恢复的开销。
    • 可能导致中断嵌套（Nested Interrupts），破坏 SMC 请求的原子性。
  • 解决方案：
    通过设置 FIQ=0，确保 FIQ 中断不会中断 Secure 世界的执行流程，从而避免嵌套和性能损耗。

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5. 实际代码中的体现

在 OP-TEE 的 smc_from_nsec 中，SCR 的修改通常通过汇编指令实现。例如：

// 保存当前 SCR 值
mrc p15, 0, r0, c1, c1, 0  // 读取 SCR 到 r0

// 设置 NS=0, FIQ=0
bic r0, r0, #1 << 0        // 清除 NS 位
bic r0, r0, #1 << 2        // 清除 FIQ 位

// 写回修改后的 SCR
mcr p15, 0, r0, c1, c1, 0  // 将 SCR 写回

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6. 总结

寄存器位	设置值	目的
NS (bit 0)	0	确保处理器处于 Secure 状态，防止非安全代码干扰安全逻辑。
FIQ (bit 2)	0	禁用 FIQ 中断进入 Monitor 模式，避免上下文切换和中断嵌套，提高稳定性。

5. 总结

通过将 SCR 寄存器中的 FIQ 位设置为 0，可以确保在 Secure World 处理 SMC 请求期间，任何触发的 FIQ 中断都不会导致处理器切换到 Monitor 模式。这样做的好处包括减少不必要的上下文切换、保持执行流程的原子性以及简化中断处理逻辑，从而提高系统的稳定性和性能。

1. SCR 寄存器简介

• SCR（Secure Configuration Register）：这是一个关键寄存器，用于控制从 Non-Secure 状态到 Secure 状态的转换规则。
• 重要位说明：
  • NS（bit 0）：决定处理器是否处于 Non-Secure 状态。0 表示 Secure 状态，1 表示 Non-Secure 状态。
  • FIQ（bit 2）：控制 FIQ（Fast Interrupt Request）中断的行为。如果设置为 1，则 FIQ 中断将导致进入 Monitor 模式；若设置为 0，则 FIQ 中断会在当前的安全状态下处理。

2. 设置 FIQ=0 的作用

(1) 当 FIQ = 1

• 行为：
  如果 SCR 寄存器中的 FIQ 位被设置为 1，那么任何触发的 FIQ 中断都会使处理器跳转到 Monitor 模式（即 Secure Monitor）。这是因为 Monitor 模式是 ARM TrustZone 架构中用于在 Secure 和 Non-Secure 状态之间切换的特权模式。
• 影响：
  • 上下文切换开销：每次 FIQ 中断发生时，处理器都需要保存当前状态并切换到 Secure Monitor，这增加了额外的上下文切换开销。
  • 潜在的竞争条件：频繁的上下文切换可能导致竞争条件，尤其是在处理敏感的 Secure 代码时，如 Trusted Applications (TAs)。

(2) 当 FIQ = 0

• 行为：
  如果将 SCR 寄存器中的 FIQ 位设置为 0，那么任何触发的 FIQ 中断将在当前的安全状态下处理。也就是说，在 Secure 状态下发生的 FIQ 中断会直接进入 FIQ 模式，而不是 Monitor 模式。
• 好处：
  • 减少上下文切换：通过避免不必要的 Monitor 模式切换，减少了上下文保存和恢复的开销，提高了性能。
  • 保持执行流程的原子性：确保在 Secure 状态下的操作不会被中断干扰，这对于需要高安全性的操作（如加密、认证等）非常重要。
  • 避免中断嵌套：防止由于 FIQ 中断导致的复杂中断嵌套问题，简化了中断处理逻辑。

3. 实际场景中的应用

假设我们正在处理一个来自 Normal World 的 SMC 请求，该请求需要由 OP-TEE 在 Secure World 中执行某些操作。在这个过程中：

• 初始状态：处理器可能在处理 Normal World 的任务。
• SMC 请求触发：Normal World 发出 SMC 请求，处理器切换到 Secure World。
• 进入 smc_from_nsec：在此函数中，我们需要确保所有配置都符合 Secure World 的要求。因此，我们将 SCR 寄存器中的 FIQ 位设置为 0，以保证任何后续的 FIQ 中断不会导致不必要的 Monitor 模式切换。
• 执行 Secure 操作：在 Secure World 中执行必要的操作（如调用 Trusted Application），不受 Non-Secure 中断的影响。
• 返回 Normal World：完成 Secure 操作后，恢复先前的上下文，并返回到 Normal World 继续执行。

4. 示例代码

以下是一个简化的汇编代码片段，展示了如何在 smc_from_nsec 函数中修改 SCR 寄存器：

// 读取当前 SCR 值
mrc p15, 0, r0, c1, c1, 0

// 清除 FIQ 位（设置 FIQ=0）
bic r0, r0, #(1 << 2)

// 写回修改后的 SCR
mcr p15, 0, r0, c1, c1, 0

这段代码首先读取当前的 SCR 值，然后通过 bic 指令清除 FIQ 位（即将其设置为 0），最后将修改后的值写回到 SCR 寄存器。

在 ARM 架构中，特别是涉及到 TrustZone 安全扩展时，SCR（Secure Configuration Register） 寄存器用于配置安全状态和中断处理行为。其中，EA（External Abort）位（bit 3） 的设置对于确保系统的安全性与稳定性至关重要。以下是关于为什么通常会将 EA 位设置为 1（即启用外部中止进入 Monitor 模式）的详细解释：

1. SCR 寄存器中的 EA 位

• 位置：位于 SCR 寄存器的第 3 位。
• 作用：
  • 当 EA 位设置为 1 时，任何外部中止（如访问未映射内存或执行数据中止）都会导致处理器进入 Monitor 模式。
  • 如果 EA 位设置为 0，则外部中止将在当前的安全状态下处理。

2. 外部中止（External Abort）简介

• 定义：外部中止指的是由于外部设备或内存系统的问题导致的异常情况，例如尝试访问一个不存在或不可访问的地址。
• 影响：
  • 可能破坏当前正在执行的任务，无论是 Secure World 还是 Non-Secure World。
  • 需要特别注意的是，当外部中止发生在 Secure World 中时，它可能泄露安全信息或导致安全漏洞。

3. 设置 EA=1 的原因

(1) 确保安全性的完整性和隔离性

• 防止安全信息泄露：如果外部中止发生在 Secure World 而不进入 Monitor 模式，则可能导致异常处理程序在 Secure World 内运行。这增加了安全信息被泄露的风险，因为异常处理代码可能没有充分考虑安全性。
• 保持隔离性：通过使外部中止强制进入 Monitor 模式，可以确保所有外部中止都由安全监控代码处理，从而维持了 Secure World 和 Non-Secure World 之间的严格隔离。

(2) 统一的异常处理策略

• 简化异常处理逻辑：通过统一将外部中止导向 Monitor 模式，可以使异常处理更加一致和简单。Monitor 模式可以提供一种机制来决定如何处理这些异常，包括是否将其转发到相应的世界（Secure 或 Non-Secure），或者采取其他适当的措施。
• 灵活性增强：Monitor 模式可以根据具体情况灵活地响应外部中止。例如，它可以检查异常的原因，并根据需要决定是终止当前操作、修复问题还是报告错误。

(3) 提高系统的健壮性

• 避免潜在的系统崩溃：如果没有适当的处理，外部中止可能会导致系统不稳定或崩溃。通过让 Monitor 模式处理这些异常，可以增加额外的一层保护，确保即使发生外部中止，系统也能以受控的方式响应。
• 支持错误恢复机制：Monitor 模式可以实现更复杂的错误恢复机制，比如重启受影响的部分而不影响整个系统的运行。

4. 示例场景

假设有一个嵌入式系统使用 OP-TEE 实现安全功能，该系统同时运行着 Normal World 和 Secure World 应用。如果 Normal World 中的应用程序尝试访问无效的内存地址，触发了一个外部中止：

• EA=1（默认设置）：此外部中止会导致处理器切换到 Monitor 模式，在这里可以评估异常的性质并决定如何处理。例如，可以选择忽略该异常（如果是预期的行为），或将控制权转移回 Non-Secure World 让其处理异常，或者采取其他适当的行动。

• EA=0：在这种情况下，外部中止会在 Non-Secure World 中直接处理。虽然这可能适用于某些特定的情况，但它也可能带来安全隐患，尤其是当异常处理程序不够健壮时。

5. 示例代码

以下是一个简化的汇编代码片段，展示了如何在初始化或进入 Secure World 时配置 SCR 寄存器，包括设置 EA 位：

// 读取当前 SCR 值
mrc p15, 0, r0, c1, c1, 0

// 设置 EA=1 (启用外部中止进入 Monitor 模式)
orr r0, r0, #(1 << 3)

// 写回修改后的 SCR
mcr p15, 0, r0, c1, c1, 0

这段代码首先读取当前的 SCR 值，然后通过 orr 指令设置 EA 位（即将其设置为 1），最后将修改后的值写回到 SCR 寄存器。

6. 总结

将 SCR 寄存器中的 EA 位设置为 1 是为了确保所有外部中止都能进入 Monitor 模式，这有助于维护系统的安全性、简化异常处理逻辑以及提高整体的健壮性。通过这种方式，ARM TrustZone 架构能够更好地管理跨 Secure 和 Non-Secure Worlds 的异常处理流程，确保在遇到外部中止等异常情况时，系统仍能稳定且安全地运行。