一、 概述
NXP 推出的 S32K1xx 系列 MCU，针对汽车应用，提供了汽车功能安全中所需的安全相关功能，该芯片内置安全服务引擎（CSEc），集成了相关的加密解密算法、秘钥管理以及安全启动等功能，下面将重点介绍 S32K1xx 系列芯片的 CSEc 模块的相关特性以及安全启动功能。
二、 CSEc 安全模块
CSEc 模块集成在 S32K1xx 内部的 FTFC 控制器模块中，如下图所示，
图 2.1 集成 CSEc 的 FTFC 模块框图
CSEc 模块包括以下特性
- 满足 HIS-SHE 规范和 GM-SHE 安全规范的需求
- 更多安全秘钥的存储（3~17 个用户秘钥）
- AES-128 的加密和解密
- AES-128 CMAC（基于秘钥的消息认证码） 生成和校验
- ECB 模式加密和解密
- CBC 模式加密和解密
- 真/伪随机数生成
- Miyaguchi-Preneel 压缩功能
- 安全启动功能
2.1 CSEc 秘钥
加密和解密的过程中都需要用到秘钥，CSEc 提供了多种秘钥的管理，每种秘钥的 ID、内存类型、秘钥大小、秘钥属性等特性如下图所示：
图 2.2 各种秘钥的属性
- Secret_Key，该秘钥是在芯片制造过程中使用随机数生成，该秘钥的值无法公开，用于内部生成派生的秘钥（例如用来生成伪随机数）
- UID，芯片的唯一识别号，每个芯片都不一样，由厂商生产的时候写入
- MASTEER_ECU_KEY，用于将 CSEc 恢复到工厂模式的状态，或者修改其它的秘钥
- BOOT_MAC_KEY，用于安全启动时验证软件的真实性
- BOOT_MAC，用于存储安全启动过程中所需的 MAC 值
- KEY01~KEY17，这些秘钥存储在 EEERAM 里面，可配置秘钥的大小和数量，可配置成 3 ~ 17 个秘钥
- RAM_KEY，存放在易失存储器的秘钥，可用于任何操作
每个秘钥都有一个 KEY_ID 跟其绑定，用来区分每个秘钥，此外对于用户的秘钥 KEY01~KEY17 还有 KBS 来区分，KBS 表示秘钥的区块，KEY0~KEY10 的 KBS 为 0，即所在区块是 Bank0，KEY11~KEY17 的 KBS 为 1，即所在区块是 Bank-1，通过 KEY_ID 和 KBS 我们可以来区分不同的秘钥。
Key_Size 用来指示秘钥的大小，Key_Counter 则是用来指示秘钥更新的次数，每次更新秘钥该值会加一，该计数器的大小为 28 位的宽度。
另外，每个秘钥都有对应的属性，总共有六种属性，每种属性使用 1 Bit 来表示，包括：
- 写保护标志位（WRITE_PROT），该位置 1 则不允许秘钥被修改
- 启动保护标志位（BOOT_PROT），该位置 1 则表示当启动过程计算出的 MAC 值和 BOOT_MAC 的值不匹配时该秘钥不允许被使用
- 使用标志位（KEY_USAGE），该位决定秘钥的使用用途，该位置 1 则表示秘钥用于 CMAC 的生成和校验，否则用于加密
- 仅用于检验标志位（VERIFY_ONLY），该标准位用于满足 GM-SHE 规范的功能要求，该功能可以通过 PGMPART 命令来进行配置，决定是否使能该功能。该位置 1 时，表示秘钥只能用在 VERIFY_MAC 命令。
- 调试使用标志位（DEBUG_PROT），该位置 1 则表示在调试过程中不允许使用该秘钥
- 外卡保护标志位（WILDCARD），该位置 1 时表示当提供特定的外卡 ID 时秘钥不能被使用
2.2 CSEc PRAM 接口
CSEc PRAM 接口用来发布 CSEc 命令并传递相关数据用于安全操作，CSEc 的 PRAM 由 8 个 128 位的 Page 组成，可通过字节或字来进行访问，PRAM 接口如下图所示，
图 2.3 PRAM 接口
从上图可以看出 PRAM 接口总共有 8 个 Page，每个 Page 128 位。第一个 Page 包括了命令头（Page0 Word0）和控制信息的长度（Page0 Word 3），其它 Pages 用来放置一些 输入/输出 的数据。
当对命令头写入数据后，CSEc PRAM 接口将锁住，禁止其它的请求，并且开始执行 CSEc 命令，因此，命令头总是最后才进行写入的。关于命令头的功能说明如下图所示：
图 2.4 CSEc 命令头
Byte3为 Func ID，指定使用哪个命令，总共有 16 个命令，Byte2 为 Func format，指定数据传输的方式，通过复制或者通过指针进行访问。Byte1 为 CallSeq，当数据的长度大于 7 个 Page 时，可以用该字段来分段传输数据再执行命令。Byte 0 为 KEYID，指定具体的秘钥，Byte7 和 Byte6 用来标识错误。
三、 安全启动
了解完 CESc 的相关特性后，接下来来了解安全启动的功能，S32K 中的 CESc 中内置了安全启动的功能，其内部实现了一个状态机，允许用户鉴定启动代码是否合法，每次启动时会对指定区域的代码进行鉴定，利用该代码段生成 MAC 值和预先内置的值进行比对，比对通过则正常启动。
3.1 安全启动模式
S32K1xx 支持以下几种安全启动模式：
- 顺序启动模式
在该模式下，系统复位后，Flash 系统离开复位状态而内核保持在复位状态，CESc 模块会执行安全启动的流程对应用代码进行校验，如果校验通过，则相关的秘钥在允许被使用，否则，秘钥将不允许被使用。校验后将正常启动应用代码。
- 严格顺序启动模式
该模式跟顺序启动模式的区别在于固件的校验如果不通过，内核将一直保持在复位的状态。
- 并行启动模式
该模式下，系统复位后，Flash 系统和内核都离开复位状态并且开始执行应用代码，在执行代码的同时，CSEc 模块也会执行安全启动的流程，检验通过则秘钥允许被使用，否则秘钥不允许被使用。
3.2 安全启动流程
如下图所示为 S32K1xx 的安全启动流程，
图 3.1 S32K1xx 安全启动流程
启动流程由 CSEc 模块执行，大致有几个步骤：
- 执行安全启动的命令
- 判断 BOOT_MAC_KEY 和 BOOT_MAC 是否为空，否则停止安全启动
- 利用 BOOT_MAC_KEY 计算出 MAC，将 MAC 和 BOOT_MAC 的值进行比对，比对一致则安全启动成功
在使用安全启动之前我们需要往 CSEc 中写入 BOOT_MAC_KEY 和 BOOT_MAC，BOOT_MAC_KEY 是安全启动中用于生成 BOOT_MAC 的秘钥，CSEc 内部会根据我们预先设定的校验区块的大小以及 BOOT_MAC_KEY 生成一个 MAC，因此我们需要实现写入 BOOT_MAC_KEY，BOOT_MAC_KEY 的写入我们可以通过 CSEc 提供的命令进行写入。而 BOOT_MAC 的写入提供了两种方法：（1）手动写入 （2）自动写入
手动写入的流程为：
- 将需要设置保护的代码写入 Flash
- 写入 BOOT_MAC_KEY
- 设置安全启动模式以及要设置保护的代码的大小
- 计算 MAC 值，可以通过离线计算或者 CSEc 提供的 RAM_KEY 的特性进行计算
- 将计算的 MAC 值加载到存放 BOOT_MAC 的位置
- 复位设备，CSEc 确认之前存进来的 BOOT_MAC
自动写入的流程为：
- 将需要设置保护的代码写入 Flash
- 写入 BOOT_MAC_KEY
- 设置安全启动模式以及要设置保护的代码的大小
- 复位设备，CSEc 会计算出 BOOT_MAC 的值并存储到对应位置
- 再次复位设备，CSEc 确认之前计算出的 BOOT_MAC 的值
至此，关于 S32K1xx 安全启动的内容便介绍完了。
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