芯来科技的RISC-V TEE实践：开放架构下的嵌入式安全创新

时间：2025-07-18 14:00:48

关键字：芯来科技 RISC-V TEE 安全隔离

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]ARM的TrustZone和x86的SGX等技术已在TEE实现中占据主导，但均存在局限。ARM TrustZone依赖专有硬件扩展，增加了设计复杂性和成本，且灵活性有限；x86 SGX则因指令集封闭和高功耗，难以适应资源受限的嵌入式场景。相比之下，RISC-V作为开源指令集架构，凭借其模块化设计和高可定制性，为TEE提供了更灵活、低成本的实现路径，支持多样化的安全需求。

随着物联网和嵌入式设备的普及，数据泄露、恶意软件和未经授权访问等安全威胁日益严峻，嵌入式系统对安全隔离的需求愈发迫切。可信执行环境（TEE）应运而生，通过硬件和软件协同设计，为敏感数据和关键操作提供隔离的执行环境。ARM的TrustZone和x86的SGX等技术已在TEE实现中占据主导，但均存在局限。ARM TrustZone依赖专有硬件扩展，增加了设计复杂性和成本，且灵活性有限；x86 SGX则因指令集封闭和高功耗，难以适应资源受限的嵌入式场景。相比之下，RISC-V作为开源指令集架构，凭借其模块化设计和高可定制性，为TEE提供了更灵活、低成本的实现路径，支持多样化的安全需求。

在第五届RISC-V中国峰会嵌入式系统分论坛上，芯来科技高级软件工程师桂兵发表了题为“Nuclei TEE：RISC-V安全系统实践”的演讲，详细介绍了芯来科技在RISC-V架构上实现可信执行环境（TEE）的最新进展。

TEE（可信执行环境）最早由2006年的开放移动终端平台（OMTP）提出，是一种支持安全与非安全环境并存的双系统安全解决方案。2010年，GlobalPlatform（GP）进一步制定了TEE规范标准。TEE架构支持多种处理器架构，包括ARM的TrustZone以及RISC-V的物理内存保护（PMP）、WorldGuard和输入输出PMP（IOPMP）等机制。这些技术通过硬件隔离确保敏感操作与非敏感操作的安全分离，是现代嵌入式系统安全设计的核心。

为便于理解，桂兵简要对比了ARM的TrustZone架构。在ARM A系列处理器中，TrustZone通过增加专用的安全模式以及安全相关的硬件扩展（如TrustZone地址空间控制器TZASC、保护控制器TZPC和通用中断控制器GIC）实现安全隔离。而ARM M系列则通过地址空间划分区分安全与非安全区域，依赖SG（安全网关）、BXNS（跳转到非安全）和BLXNS（带链接跳转到非安全）三条指令实现安全函数调用。非安全代码需通过特定的非安全可调用（NSC）区域执行SG指令，才能访问安全函数，确保安全域与非安全域的受控交互。

芯来科技根据其产品线的特点，针对AP级和MCU级处理器开发了差异化的TEE解决方案。对于AP级处理器，芯来采用机器模式（M）、管理模式（S）和用户模式（U），结合PMP和增强型中断控制器，构建了基于开源OP-TEE框架的安全架构。桂兵提到，去年公司曾展示过一个服务流程，验证了该架构的实际应用。内存隔离通过PMP实现，例如将M模式分配到PMP0区域以运行安全代码。此外，芯来在硬件层面通过总线、缓存和转换旁路缓冲区（TLB）实现了进一步的隔离，确保安全与非安全环境的物理分离。

在AP级方案的中断处理机制中，芯来设计了以S模式为主的处理流程，M模式仅作为中转，负责转发非关键中断。为防止篡改，公司对平台级中断控制器（PLIC）进行了优化，确保M模式启用中断后，S模式无法修改相关配置。在安全世界运行时，非安全中断被暂时搁置，以避免干扰；而非安全世界运行时，安全中断仍可被响应。这种动态中断管理机制在保障安全的同时，兼顾了系统效率。

对于MCU级处理器，芯来基于ARM的开源Trusted Firmware-M（TF-M）框架开发了TEE解决方案，适合资源受限的设备。该方案将安全执行环境（SPE）置于M模式，非安全执行环境（NSPE）则运行于S和U模式，通过PMP实现硬件级隔离。然而，桂兵指出，目前的实现仅限于SPE与NSPE之间的隔离，SPE内部的进一步隔离尚待开发。在中断响应方面，芯来通过配置机器定时器（mtimer）区分安全与非安全中断，严重中断可直接路由至M模式处理，次要中断则交由S模式响应。函数调用采用类似ARM的跳板机制，在M模式维护一个函数ID列表，验证NSPE的调用请求，非法调用将触发错误，确保系统安全性。

在比较AP级与MCU级方案时，桂兵强调了两者的核心差异。在AP级方案中，S模式支持安全与非安全状态，适用于复杂应用场景；而在MCU级方案中，S模式全部为非安全状态，简化了资源受限设备的设计。此外，MCU方案采用的增强型核心本地中断控制器（ECLIC）支持中断嵌套，而AP方案使用的PLIC天然不支持嵌套。芯来的测试流程首先验证M模式运行情况，随后测试NSPE对SPE服务的调用，确保整个TEE系统的完整性。