無論是用作獨立處理元件還是與輔助處理器結(jié)合使用，SoC FPGA 都提高了嵌入式處理的安全性。雖然可以構(gòu)建具有執(zhí)行監(jiān)控和靜態(tài)密鑰存儲的專用安全設(shè)備的嵌入式處理器模塊，但在 SoC FPGA 中整合系統(tǒng)關(guān)鍵功能和安全特性可提供更高的安全性、靈活性和性能。

Linux 已成為嵌入式設(shè)計中裸機系統(tǒng)的日益流行的替代方案。隨著 32 位計算成為一種商品，并且像 Yocto 這樣的項目使得為嵌入式應(yīng)用程序創(chuàng)建、開發(fā)和維護基于 Linux 的系統(tǒng)變得更加容易，它的受歡迎程度可能會增長。Linux 使 OEM 變得更像初創(chuàng)公司，其敏捷的硬件開發(fā)團隊可以通過使用操作系統(tǒng)來抽象底層硬件細節(jié)來加快上市時間。盡管有好處，但如果沒有適當?shù)姆椒▉韱悠淝度胧教幚砥鳎琇inux 系統(tǒng)可能容易受到 rootkit 的攻擊。對于新興的物聯(lián)網(wǎng)而言，Rootkit 尤其成問題，它將產(chǎn)生數(shù)十億個新的、可能不安全的端點。

通常，rootkit 會嘗試訪問特權(quán) （root） 模式，同時躲避系統(tǒng)惡意軟件檢測工具。惡意軟件還可能通過修改系統(tǒng)的啟動過程來嘗試將自身安裝到持久狀態(tài)。如果成功，感染將是永久性的或通過電源循環(huán)持續(xù)存在。從那里，惡意軟件會做其作者想要做的任何事情，包括記錄擊鍵、形成僵尸網(wǎng)絡(luò)、收集個人信息和啟用未經(jīng)授權(quán)的服務(wù)。一旦系統(tǒng)被感染，可能需要重新安裝完整的操作系統(tǒng)。

問題從嵌入式處理器開始，通常如圖 1 所示啟動。上電時片上 ROM 將從外部非易失性存儲器中獲取啟動加載程序。引導(dǎo)加載程序是特定于應(yīng)用程序的，并在其啟動期間配置處理器以滿足指定的應(yīng)用程序要求。時鐘、緩存、內(nèi)存控制器和外圍設(shè)備都已配置。一旦處理器被初始化，應(yīng)用程序就會從外部非易失性存儲器中取出，有時會被解壓縮，然后復(fù)制到啟動應(yīng)用程序的快速外部易失性存儲器中。

圖 1：嵌入式啟動過程。

在引導(dǎo)過程中，惡意軟件有機會嘗試修改嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序。圖 2 顯示了嵌入式 Linux 系統(tǒng)的簡化典型框圖。UBOOT、Linux 內(nèi)核和應(yīng)用層都存儲在易于訪問的非易失性存儲器中。

圖 2：嵌入式 Linux 系統(tǒng)。

保護啟動過程的唯一方法是使用一個可以信任的實體來保護它，該實體始終以預(yù)期的方式運行。作為系統(tǒng)元素，此信任根支持系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)完整性和機密性的驗證，以及將信任擴展到內(nèi)部和外部實體。它是創(chuàng)建所有進一步安全層的基礎(chǔ)，并且它的密鑰必須保密并且它遵循的過程是不可變的。在嵌入式系統(tǒng)中，信任根與其他系統(tǒng)元素一起工作，以確保主處理器僅使用授權(quán)代碼安全啟動，從而將信任區(qū)域擴展到處理器及其應(yīng)用程序。使用加密技術(shù)，可信區(qū)域可以擴展到覆蓋手頭系統(tǒng)的所有關(guān)鍵元素，

雖然許多較新的處理器具有支持安全啟動的特殊功能，但處理器芯片中對安全啟動的內(nèi)在支持遠非普遍，并且通常需要多芯片解決方案。更好的解決方案是基于閃存的 FPGA，它提供了多芯片嵌入式系統(tǒng)中最好的信任根設(shè)備之一，顯著提高了主嵌入式處理器運行的任何代碼都是真實的保證水平。

基于閃存的解決方案本質(zhì)上更安全（一旦它們被編程，關(guān)鍵信息永遠不會離開芯片），今天基于閃存的 SoC FPGA 解決方案還提供了許多額外的高級安全功能，包括片上振蕩器、加密服務(wù)加速器、安全密鑰存儲、真正的隨機數(shù)生成器、安全嵌入式閃存 （eNVM） 中的片上啟動代碼存儲以及高速串行外圍接口 （SPI） 閃存仿真，以實現(xiàn)外部處理器的高速安全啟動。 與早期解決方案相比，這些設(shè)備還具有更強的設(shè)計安全性，并包括差分功率分析 （DPA） 抗篡改措施。再加上嵌入式 Linux CPU，它們可以有效地防止惡意軟件試圖修改嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序。

圖 3 提供了一個可用于安全啟動的基于閃存的 SoC 示例。Microsemi 的 SmartFusion2 SoC 中的 eNVM 用于存儲 UBOOT，其 FPGA 結(jié)構(gòu)可快速模擬 SPI 閃存。CPU 不知道這個 SoC 在它和 SPI 閃存之間。上電時，SoC 將 UBOOT 的 SPI 讀取請求從內(nèi)部 eNVM 定向到 CPU。然后 CPU 執(zhí)行正常的 UBOOT 引導(dǎo)過程，然后從外部 SPI 閃存中獲取應(yīng)用程序映像的其余部分，在后一階段，SoC 充當外部存儲器的管道，并將應(yīng)用程序映像傳遞給 CPU。SoC 及其內(nèi)部 eNVM 只能使用經(jīng)過驗證的加密比特流進行編程，該比特流只能由 SoC 的 FPGA 開發(fā)環(huán)境構(gòu)建。比特流文件格式是專有的，任何人都無法使用，并且由于 Cryptography Research Incorporated（現(xiàn)為 Rambus）許可的受專利保護的對策，可以抵抗 DPA 側(cè)信道攻擊。換句話說，惡意軟件嘗試寫入閃存的唯一方法是擁有一個專為 SoC 設(shè)計的比特流，具有適當?shù)募用芎陀脩舳x的密鑰。

圖 3： SmartFusion2 用于存儲 UBOOT。

為確保安全的多階段啟動，在交付和執(zhí)行之前驗證代碼至關(guān)重要。這確保不會發(fā)生可能破壞或損壞每個階段的引導(dǎo)的妥協(xié)，并且可以使用對稱或非對稱密鑰加密技術(shù)來完成。優(yōu)選地，對每個先前階段的持續(xù)反饋用于確認在引導(dǎo)加載期間沒有發(fā)生篡改。如果所有防篡改 （AT） 監(jiān)視器都確認環(huán)境安全，則每個階段都可以繼續(xù)執(zhí)行。

如果需要，今天的 SoC FPGA 還可以獨立提供運行時監(jiān)控和糾正措施或懲罰。為此，所有應(yīng)用程序代碼都將位于 SPI 閃存中，并且可以選擇加密。SoC 將對每個階段的代碼進行真實性檢查，解密代碼（如果需要），并在通過 MPU 到 FPGA SPI 接口請求時將其提供給主 MPU。為了增加安全性，引導(dǎo)加載程序代碼將存儲在 SoC FPGA 的 eNVM 中。

上電后，F(xiàn)PGA 將保持主 MPU 處于復(fù)位狀態(tài)，直到它完成自身的完整性自檢。準備就緒后，它將釋放復(fù)位。MPU 將被配置為從接口引導(dǎo)到 FPGA（例如，通過其 SPI 接口）。作為 SPI 從機的 FPGA 將在 MPU 完成復(fù)位時將請求的 Phase-0 引導(dǎo)代碼傳送到 MPU。假設(shè) MPU 本身不支持安全啟動，挑戰(zhàn)是將一些代碼加載到 MPU 中，并高度保證它沒有被篡改。

如果一切正常，引導(dǎo)過程將通過跳轉(zhuǎn)到 MPU SRAM 中現(xiàn)在受信任的代碼來繼續(xù)。這將包含啟動下一階段所需的代碼，并且可能包括現(xiàn)在受信任的 RSA 或 ECC 公鑰。一旦 MPU SRAM 中的代碼被信任，就可以采用額外的安全措施，例如使用公鑰方法建立共享密鑰，并使用該共享密鑰加密 FPGA 和 MPU 之間傳輸?shù)乃泻罄m(xù)引導(dǎo)代碼。此外，可以將系統(tǒng)的所有硬件組件以密碼方式綁定在一起，因此如果沒有原始系統(tǒng)的所有確切組件，任何一個都無法工作。

SoC 還可以提供對模塊環(huán)境條件的實時監(jiān)控，例如溫度、電壓、時鐘頻率和其他因素。FPGA 架構(gòu)可以安全地配置為為外部篡改傳感器和入侵檢測器提供 I/O。這些可以被 SoC 感知，以防止受到已知漏洞攻擊的漏洞，這些漏洞應(yīng)用異常條件來提取關(guān)鍵信息。通過適當?shù)脑O(shè)計可以實現(xiàn)更高的安全級別。

審核編輯：郭婷