RAM、ROM常用安全機(jī)制

存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠是MCU安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，但環(huán)境因素和存儲(chǔ)器本身的物理特性都可能造成存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)異常，本文將詳細(xì)介紹RAM&ROM常用安全機(jī)制。

存儲(chǔ)器（ROM，RAM）數(shù)據(jù)的安全可靠是MCU穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，在汽車功能安全設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器相關(guān)的安全機(jī)制也是系統(tǒng)基本保障的重點(diǎn)之一。通常，不同的汽車芯片都有自己的存儲(chǔ)器校驗(yàn)機(jī)制以及相應(yīng)的處理手段來(lái)保證功能的正常運(yùn)行。下面會(huì)對(duì)常見的處理機(jī)制進(jìn)行一些介紹。

RAM的校驗(yàn)糾錯(cuò)機(jī)制

RAM的校驗(yàn)機(jī)制相對(duì)ROM的校驗(yàn)機(jī)制較少，校驗(yàn)機(jī)制基本都屬于MCU本身的特性，通過(guò)內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是透明的。而一般用戶使用時(shí)也不會(huì)主動(dòng)的對(duì)RAM進(jìn)行校驗(yàn)。1. Parity BitParity Bit（奇偶校驗(yàn)位）是一種數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，常用與判斷數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過(guò)程中是否發(fā)生了比特位錯(cuò)誤。

圖1 奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ娇梢钥吹綀D1，帶有Parity Bit的內(nèi)存在每一個(gè)字節(jié)（B7~B0）外又額外增加了一個(gè)校驗(yàn)位（C）用于對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行校驗(yàn)。Parity Bit有著計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，只需要對(duì)前面字節(jié)的位進(jìn)行異或操作：

C = B7^ B6^ B5^ B4^ B3^ B2^ B1^ B0Parity Bit在ECC技術(shù)之前，是RAM中應(yīng)用最多的錯(cuò)誤檢查技術(shù)，當(dāng)然，現(xiàn)在只有在已經(jīng)很少有CPU用到，因?yàn)槊? Byte的數(shù)據(jù)都需要1 bit的校驗(yàn)位，對(duì)于MCU本就很緊張的RAM顯然不合適。另外Parity Bit只具備檢錯(cuò)能力，并不具備糾錯(cuò)能力。2. ECC通過(guò)上面對(duì)Parity Bit的分析可以知道，通過(guò)在原來(lái)的數(shù)據(jù)1 byte基礎(chǔ)上增加1 bit，可以用來(lái)檢查當(dāng)前1 byte數(shù)據(jù)的正確性。如果數(shù)據(jù)為256 byte就需要256 bit的校驗(yàn)位，而且出錯(cuò)的數(shù)據(jù)無(wú)法糾正。由于上述的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了一種新的存儲(chǔ)檢錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制 – ECC。

圖2 檢錯(cuò)能力對(duì)比ECC（Error-Correcting Code），可以譯為檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼。ECC的計(jì)算過(guò)程比Parity Bit的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜一點(diǎn)，這里不進(jìn)行過(guò)多描述。僅針對(duì)ECC的兩個(gè)主要特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明：① ECC有極強(qiáng)的檢錯(cuò)能力ECC的計(jì)算方式與Parity Bit不同，當(dāng)數(shù)據(jù)為1 Byte時(shí)，ECC需要5 bit校驗(yàn)位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，之后數(shù)據(jù)每增加1倍，相應(yīng)的只需要增加1 bit的ECC 校驗(yàn)位?？梢钥吹綀D2，ECC的檢錯(cuò)能力相比Parity Bit有極大的提升。② ECC具有糾錯(cuò)能力當(dāng)數(shù)據(jù)只有單bit 錯(cuò)誤時(shí)，ECC能夠?qū)﹀e(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)，但需要注意的是，當(dāng)數(shù)據(jù)中有超過(guò) 2 bit的錯(cuò)誤同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，ECC不一定能檢測(cè)出來(lái)，這一點(diǎn)Parity Bit也是一樣。

ROM的檢驗(yàn)糾錯(cuò)機(jī)制

與復(fù)雜的RAM空間相比，ROM空間的操作顯然簡(jiǎn)單的多，因此，對(duì)于ROM的校驗(yàn)使用者可以根據(jù)不同的需求，選擇不同的方式。

常用的有hash，CRC，對(duì)于大容量ROM，比如Nand Flash同樣也可以使用ECC的方式?；旧希恍枰獫M足ROM內(nèi)容和生成的校驗(yàn)碼存在相對(duì)唯一的映射關(guān)系即可。

但是用戶自己實(shí)現(xiàn)的ROM校驗(yàn)機(jī)制存在不少缺點(diǎn)：校驗(yàn)失敗沒(méi)有靈活的處理措施，對(duì)ROM的校驗(yàn)需要消耗額外MCU資源等。1. HSE隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，汽車智能化程度也在不斷加深，越來(lái)越多的汽車會(huì)通過(guò)OTA的方式實(shí)現(xiàn)客戶的個(gè)性化需求。但OTA在增加汽車升級(jí)和維護(hù)便利性的同時(shí)，也給數(shù)據(jù)的安全可靠性帶來(lái)了新的考驗(yàn)。顯然，應(yīng)用開發(fā)者自己實(shí)現(xiàn)的ROM校驗(yàn)并不足以滿足汽車應(yīng)用的安全需求，汽車應(yīng)用上，保證MCU程序的正確運(yùn)行顯然需要一套更靈活，更完善的校驗(yàn)機(jī)制，并且該校驗(yàn)機(jī)制不僅需要保證數(shù)據(jù)的可靠性，還要保證檢驗(yàn)機(jī)制本身的可靠性。下面會(huì)介紹NXP S32系列芯片是如何利用其HSE安全子系統(tǒng)來(lái)為ROM數(shù)據(jù)的可靠性提供支持，進(jìn)而保證汽車應(yīng)用的安全穩(wěn)定運(yùn)行的。

圖3 HSE框架HSE（Hardware Security Engine）全稱為硬件安全引擎，用于給對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性和保密性有嚴(yán)格要求的應(yīng)用提供相應(yīng)的安全服務(wù)。其有以下特點(diǎn)：

獨(dú)立的內(nèi)核，固件，存儲(chǔ)空間；

可以為加密算法提供安全硬件加速；

支持固件升級(jí)。

可以看到圖3中，HSE模塊最基礎(chǔ)也最主要的部分是它的Crypto Engine（加密引擎），其可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)加解密/MAC生成校驗(yàn)/簽名驗(yàn)簽等功能。因?yàn)镠SE全面完善的算法和密鑰管理機(jī)制，可以利用HSE模塊可以對(duì)用戶設(shè)定的存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行校驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果執(zhí)行不同的操作，正是HSE安全可靠，設(shè)置靈活的特性，構(gòu)成了MCU安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)然HSE除了能夠?yàn)镸CU的OTA和安全啟動(dòng)功能提供可靠保證外，HSE通過(guò)硬件加速特性和完善的加解密算法庫(kù)還能夠?qū)?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行全面可靠的支持，可以實(shí)現(xiàn)TLS offload，IP offload，減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信時(shí)延。

結(jié)語(yǔ)

上面提到了一些存儲(chǔ)器常見的校驗(yàn)方式和NXP S32系列的HSE安全子系統(tǒng)，當(dāng)然無(wú)論通過(guò)哪種方式，為了實(shí)現(xiàn)OTA和越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能，通過(guò)MCU實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸都是現(xiàn)在的趨勢(shì)。