Cortex-M33とCortex-M0+/M4の差分

STマイクロエレクトロニクスが、STM32マイコン体験実習（セキュリティ編①～⑤）という動画でCortex-M33 TrustZone解説とSTM32L5（Cortex-M33/110MHz、Flash/256/512KB、RAM/256KB）のセキュリティ実習を行っています。

このセキュリティ編①：31min17secから、IoT MCU向けセキュリティ強化Cortex-M33コアのARM TrustZoneマイコンと、通常Cortex-M0+/M4コアマイコンとの差分を抽出しました。TrustZoneマイコン基礎知識の習得が目的です。

セキュリティ編動画①～⑤概要

①P3（動画①、スライドP3を示します）に、動画①～⑤の概要が示されています。動画①でCortex-M33コアの解説、②でSTM32L5開発環境の準備、後半③～⑤でSTM32L5評価ボード：NUCLEO-L552ZE-Q（¥2,303 Mouser）を使ったセキュリティ演習という構成です。

本稿は、動画①から、ARM TrustZone Cortex-M33コアと通常Cortex-M0+/M4コアとの差分を一覧表にしました。

※ARM公式差分情報を知りたい方は、①P48の参考文献が参考になります。

Cortex-M33とCortex-M0+/M4の差分

オンデマンド動画ですので、好きな個所で止める、再生読度を変えるなどが可能です。動画①は、筆者が経験したTrustZone解説の中で最も分かり易い動画です。

特にP36/P37/P39は、4段階に増えたステート処理内容が具体的に判りTrustZoneマイコン特徴理解に役立ちます。
また、P19は、様々なセキュリティレベルと対応STM32MCUのセキュリティ機能差が一目で判る重要な資料です。

頁	要旨（ARM TrustZone Cortex-M33と通常Cortex-M0+/M4差分）
7	ソフトウェア攻撃防御策がTrustZone。物理攻撃対策はセキュアマイコン（≠汎用MCU）が有効。
12	Secure呼出し＝予め決めた手順で内蔵周辺回路（I2C/SPI/RAMなど）へアクセスする技術 Security Isolation＝Secure呼出しを使い通常アクセスと隔離・分離する技術 ARM TrustZone＝Security Isolationを対象MCUで柔軟に構成する技術
16	タンパ＝物理攻撃を検出→検出後バックアップレジスタやSRAM自動消去 JTAGピン無効化→設定後はGPIOなどで運用 WRP（WRite Protection）：数KB単位設定可能 RDP（ReaD Protection）：JTAG読出し禁止→読出検出でプログラム実行停止→PORで解除 Secure Memory＝起動時のみ読出し可能な領域
17	MPU（Memory Protection Unit）：最大16個メモリ領域の読書き、命令実行許可/禁止設定
18	セキュリティは単独では効果が薄く、複数重ね攻撃への敷居を上げ強化（暗号鍵保存例掲載）
19	STM32マイコン内蔵セキュリティ機能差一覧。TrustZone対応はSTM32L5のみ（2020/12時点） STM32G0/G4(Cortex-M0+/M4)でもSRAM RDP機能などあり
22	TrustZoneは、アドレス空間とバス通信の両方をハードウェア監視しアクセス制御
23	アドレス空間監視＝コア内蔵SAU IDAU、バス通信監視＝TZ(TrustZone) ControllerとAHBバス
24	STM32L5は、内部FlashアクセスにST独自Flashレジスタとオプションバイトで保護
26	TrustZone-aware周辺回路＝DMA1&2/GPIO…などAHB接続回路は個別セキュリティ設定要 上記以外がSecurable周辺回路＝UART/SPI…などでAHB/APBブリッジがアクセス監視
29	従来MCUベアメタル開発は、mainループも割込みハンドラも常に特権モード動作の1段階
30	従来MCUのRTOS開発は、割込みハンドラ/RTOSが特権モード、ユーザタスクは非特権の2段階
32	Secureステート追加TrustZoneは、4段階化→各層の処理配置がTrustZoneソフト設計第一歩
35	Secureソフトと従来ソフトのプロジェクト差一覧 （セキュリティ関連設定はSecureソフトのみ可能でmain関数はあるがmainループなしなど）
36	TrustZoneマイコンベアメタル開発の4段階ステート処理配置例（TrustZoneソフト設計例1）
37	TrustZoneマイコンRTOS開発の4段階ステート処理配置例（TrustZoneソフト設計例2）
38	TrustZoneソフト開発時、Secureソフトと通常ソフトの2プロジェクト作成必要
39	TrustZoneソフトの基本実行フロー（Secureソフトから通常ソフトへの処理内容一覧）
40 41 42	Secureステートと通常ステートのアドレス空間の見え方差まとめ
44	動画①全体まとめ
45	STM32L5開発時のキーポイント一覧（全18項目）
46	STM32L5開発時のキーポイント演習項目一覧（18項目中9項目を動画③～⑤で演習）
48	おすすめARMv8-M（Cortex-M33コア）TrustZone参考文献一覧

TrustZoneマイコン開発は工数2倍、スキルも必要

動画①は、他ベンダのARM Cortex-M33 TrustZoneマイコン開発でも基礎知識が得られます（※P24のST独自Flashレジスタとオプションバイト保護は除く）。IoT MCU向けセキュリティ強化Cortex-M33コアで導入されたTrustZoneを活用するには、①の理解は最低限必要です。

従来Cortex-M0+/M4に比べ、Cortex-M33シングルコア開発でもSecureと通常（Normal）ソフトウェアの2プロジェクト必要、メモリ空間と周辺回路のセキュリティ設定必要（メモリ分割損も生じると予想）、JTAGピン無効化など、従来のアプリケーション開発とそのデバッグに加え、ソフトウェア攻撃対策TrustZone導入による工数やその動作確認/解除などの手間が余分に必要になります。

このTrustZone導入オーバーヘッドは、少なくないです（セキュリティ編②～⑤でオーバーヘッド工数が判ります。補足章に動画②～⑤リンク添付）。Cortex-M33コア最高速度が110MHzと他コア比高速で、Flash/RAMも大容量なのは、このオーバーヘッドのハードウェア対策だと思います。

TrustZoneマイコンのソフトウェア開発工数は、同じアプリケーションの通常マイコン開発の2倍程度は必要になると思います。また、TrustZone起因のトラブルに対する分析スキルも必須です。

ソフトウェア攻撃に対する防御壁の高さは、言い換えると、ソフトウェア開発のし難さと等価です。セキュリティレベルが上がるにつれ、開発コストも上がります。

全てのIoT MCUがTrustZone対応MCUである必要は無いと思います。コスト重視の場合は、従来Cortex-M0+/M4コアでセキュリティ強化対応（例えば、関連投稿：STM32G0/G4のRoot of Trust(1)～(3)など）でも使える可能性があります（関連投稿：IoT MCUコア次世代像のIoT MCUコアの3層構造最下層のFront End IoT MCUに相当）。

セキュリティは、強固な方が良いのは当然ですが、それ相応の追加コストも生じます。セキュリティ対コストの観点からIoT MCUの選択が必要となるでしょう。

＊　＊　＊

セキュリティ対策は、いわば自動車保険のようなものです。保険代金の負担は、開発者かエンドユーザか、エンドユーザがTrustZone導入オーバーヘッドを理解することは難しいと思いますので悩ましい問題です😅。

Cortex-M33 TrustZoneマイコンは、ソフトウェア開発者が記述した処理を攻撃とマイコンが誤認識（正常認識）した場合は、無視、あるいは最悪、マイコンを使用不能にします。見つけにくい無視された処理が、開発者起因か、あるいはTrustZone起因かを分析できるスキル、これが、通常マイコン開発との最大の差分です。

STM32マイコン体験実習は、TrustZone起因スキルを習得できるよく考えられた教材です。

補足

STM32マイコン体験実習（セキュリティ編②）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編③）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編④）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編⑤）

関連投稿：STM HTML版マンスリー・アップデートの見かた4章の全体像リンク集なども役立ちます。

Cortex-M33コア以外でTrustZone技術を用いたマイコンは、Cortex-M35P、Cortex-M23があります。