使用外部閃存的安全嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本系列的第 1 部分中，我們介紹了連接的嵌入式系統(tǒng)中安全性的重要性以及強(qiáng)制使用外部 Flash 的 Flash 的解體。在本系列的第 2 部分中，我們介紹了下一代智能內(nèi)存安全閃存。在本系列的最后一部分中，我們將介紹與使用外部閃存的安全嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖 4 顯示了內(nèi)置于安全閃存中的智能如何能夠提供嵌入式系統(tǒng)所需的性能、可靠性、安全性和功能安全性。使用標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，包括四路串行外設(shè)接口 （QSPI） 和擴(kuò)展串行外設(shè)接口 （xSPI），智能安全閃存可以與主機(jī)一起工作，以達(dá)到要求苛刻的連接應(yīng)用所需的安全級(jí)別，同時(shí)保持與現(xiàn)有主機(jī)存儲(chǔ)器控制器的完全兼容性。

對(duì)于不能選擇故障的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序，安全閃存可以確保系統(tǒng)安全啟動(dòng)、記錄關(guān)鍵信息并為基本功能擴(kuò)展工作內(nèi)存。此類“故障安全”應(yīng)用的示例包括高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、便攜式醫(yī)療設(shè)備、工廠自動(dòng)化、國(guó)防級(jí)傳感器和高級(jí)無(wú)線通信系統(tǒng)。

故障安全的一個(gè)重要方面涉及對(duì)存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以防止其被更改或以其他方式受到損害。通過(guò)在嵌入式處理器旁邊集成加密引擎，可以以安全的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。鑒于內(nèi)存占用量通常使 CPU 和特定任務(wù)計(jì)算引擎所需的門(mén)數(shù)量相形見(jiàn)絀，加密和其他高級(jí)功能可以以相對(duì)較低的增量成本在智能安全閃存中實(shí)現(xiàn)。

安全閃存創(chuàng)建基于硬件的信任根，提供安全環(huán)境或與安全 MCU 提供的 TEE 集成。信任根的一個(gè)至關(guān)重要的作用是確保系統(tǒng)能夠正確啟動(dòng)，理想情況下基于可信計(jì)算組的設(shè)備標(biāo)識(shí)符組合引擎 （DICE） 標(biāo)準(zhǔn)。安全啟動(dòng)過(guò)程通過(guò)相互驗(yàn)證閃存和主機(jī) MCU 來(lái)提供端到端保護(hù)，以確保通過(guò)總線的所有事務(wù)的機(jī)密性。而且由于 Flash 很智能，因此經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的啟動(dòng)可以在某些應(yīng)用程序所需的 100 毫秒內(nèi)開(kāi)始。

將代碼安全更新到最新版本的能力對(duì)于安全啟動(dòng)過(guò)程同樣重要。這需要確保固件無(wú)線傳輸 （FOTA） 或其他形式的更新在沒(méi)有任何故意或意外篡改或損壞的情況下完成。如果通過(guò)版本證明或其他方式檢測(cè)到任何篡改，則可以使用回滾保護(hù)功能來(lái)恢復(fù)先前已知有效（盡管是向下修訂）的代碼版本。同樣的功能也可用于保護(hù)可能發(fā)生在不安全的制造設(shè)施或服務(wù)中心的任何設(shè)備配置。

除了保護(hù)存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)外，嵌入式智能還使安全閃存能夠處理其他任務(wù)。例如，對(duì) eXecute-In-Place （XIP） 功能的支持使安全閃存能夠作為可信環(huán)境直接執(zhí)行代碼，從而減輕主機(jī) MCU 的負(fù)擔(dān)。這還可以通過(guò)減少 MCU 所需的片上 RAM 數(shù)量來(lái)幫助降低成本和功耗。

由于需要滿足最苛刻的安全和功能安全要求，汽車和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)正在引領(lǐng)采用安全閃存。由于嵌入式系統(tǒng)中的潛在漏洞可能導(dǎo)致可遠(yuǎn)程利用的攻擊，從而威脅乘客或工人的安全，因此如果不確保強(qiáng)大的安全性，系統(tǒng)中的功能安全就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，安全關(guān)鍵應(yīng)用中的所有半導(dǎo)體組件（包括外部閃存設(shè)備）都必須符合高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)系統(tǒng)的 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)。

持續(xù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的健康狀況以及執(zhí)行遠(yuǎn)程診斷和預(yù)防性維護(hù)也很重要。閃存設(shè)備容易出現(xiàn)多種故障模式，包括由于電荷損失或宇宙輻射、延遲、斷電故障等導(dǎo)致的閃存單元故障，需要解決這些故障以確保在 20 年或更長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命內(nèi)具有高可靠性。

閃存的未來(lái)

智能安全閃存作為 eFlash 的替代品正在獲得認(rèn)可，隨著工藝尺寸縮小到 28nm 以下，eFlash 注定會(huì)變得稀缺或完全消失?？梢约?eFlash 但需要專用于 HSM 功能的額外非易失性存儲(chǔ)器的芯片組也將受益于安全閃存的出現(xiàn)。在這兩種設(shè)計(jì)中，安全閃存使代碼和數(shù)據(jù)能夠通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線以加密安全的方式在受保護(hù)區(qū)域和主機(jī) MCU 的 HSM 之間傳輸。

預(yù)計(jì)包含安全閃存的設(shè)計(jì)將變得更加普遍，甚至對(duì)于滿足不斷發(fā)展的安全要求至關(guān)重要。攻擊正變得越來(lái)越普遍和復(fù)雜。預(yù)計(jì)法規(guī)將變得更加嚴(yán)格，自主權(quán)的增加將進(jìn)一步提升安全和功能安全的重要性。為了滿足這些不斷變化的需求，同時(shí)最大限度地縮短新功能的上市時(shí)間，設(shè)計(jì)工程師將越來(lái)越依賴只有智能安全閃存才能提供的敏捷性。

審核編輯：郭婷