域控軟件安全隔離關(guān)鍵技術(shù)剖析：MCU域 VS SOC域

安全隔離的需求

功能安全開(kāi)發(fā)中，軟件階段由軟件V模型左邊的軟件安全需求SSR開(kāi)始。SSR是從技術(shù)安全需求TSR中提取出軟件的功能安全需求，大多數情況下具有不同的ASIL等級。

圖1功能安全軟件開(kāi)發(fā)V模型

隨后，軟件安全需求會(huì )被分配到軟件架構中的軟件組件中。不同ASIL等級的軟件安全需求被分配到軟件組件過(guò)后，帶來(lái)了級聯(lián)失效的問(wèn)題。若放任不同ASIL等級軟件組件在一個(gè)系統中運行，可能會(huì )存在低ASIL等級軟件組件失效從而引發(fā)高ASIL等級軟件組件失效的風(fēng)險。

ISO26262對軟件組件之間的交互進(jìn)行了分析并提出了免于干擾（Freedom from Interference）的需求，安全隔離則旨在隔離軟件系統中安全相關(guān)與安全無(wú)關(guān)的軟件組件，以及不同ASIL等級的軟件組件。

軟件內存基礎

首先讓我們來(lái)了解內存的基本知識。RAM與ROM是ECU中常見(jiàn)的存儲器類(lèi)型，它們在數據存儲和訪(fǎng)問(wèn)方面扮演著(zhù)重要的角色。

RAM（Random Access Memory）是一種臨時(shí)存儲器，用于存儲計算機正在運行的程序和數據。它具有快速的讀寫(xiě)速度和隨機訪(fǎng)問(wèn)的特點(diǎn)。

ROM（Read-Only Memory）是一種只讀存儲器，用于存儲固定的程序指令和數據。ROM中的數據在計算機斷電時(shí)不會(huì )丟失，因此被稱(chēng)為非易失性存儲器。

然而在軟件視角中，軟件被編譯后會(huì )被分為不同的段進(jìn)行存放。具體分段方式可能根據架構有細微區別在，以Tc3xx系列芯片為例，包含以下幾段：

（1）已初始化的數據段

（2）未初始化的數據段

（3）只讀數據段

（4）代碼段

（5）task棧區

（6）啟動(dòng)棧區

（7）CSA區

這些段被編譯器分配到物理內存中，可能由不同的存儲器來(lái)存放。每當程序需要使用某處數據或者加載某處的指令時(shí)，會(huì )根據地址來(lái)取出所需的數據或是指令進(jìn)行運算，再將運算結果寫(xiě)入某處物理內存中。

在這個(gè)過(guò)程中，安全隔離的目標是阻止安全無(wú)關(guān)的軟件組件寫(xiě)入安全相關(guān)的軟件組件使用的內存區域；低ASIL等級的軟件組件寫(xiě)入高ASIL等級的軟件組件所使用的內存區域。

MCU上的安全隔離模塊

MCU上的安全隔離通常借助內存分區機制和內存保護單元MPU完成。經(jīng)典AUTOSAR架構中，允許對軟件進(jìn)行內存分區（Partition），借助內存映射（memory map）將軟件組件的代碼和數據劃分到指定的區域內。這種方式雖然能有效地將不同ASIL等級的變量和代碼分布到不同的地址范圍中，但無(wú)法杜絕指針越界、數組越界導致跨區域訪(fǎng)問(wèn)的風(fēng)險。

MPU（memory protection unit）內存保護單元是一種按內存區域提供保護和隔離的硬件原件，與內存分區配合使用可以阻止不同軟件分區的軟件組件之間相互訪(fǎng)問(wèn)，從而達到內存隔離的效果。

以Tc3xx系列芯片為例，MPU可以按照保護范圍分為兩種，一種為系統級的SMPU（System Memory Protection Unit），另一種為核心級的CMPU（Core Memory Protection Unit）。

· 系統級的SMPU

SMPU有時(shí)候也被稱(chēng)為Bus MPU，表示其工作在芯片總線(xiàn)上。其保護原理如圖2所示，總線(xiàn)上所有主機對于內存的訪(fǎng)問(wèn)都會(huì )經(jīng)過(guò)SMPU，當主機擁有所請求內存地址的對應訪(fǎng)問(wèn)權限（讀/寫(xiě)）時(shí)，才能允許訪(fǎng)問(wèn)。

Tc3xx中的Bus MPU可以維護8個(gè)地址保護區域（每個(gè)保護區域范圍由兩個(gè)寄存器控制），每個(gè)保護區域都記錄了64個(gè)總線(xiàn)主機的權限。當主機訪(fǎng)問(wèn)內存區域時(shí)，首先尋找對應的區域，再根據主機TAG ID檢查主機是否擁有對應的權限，檢查通過(guò)后才能進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，否則會(huì )觸發(fā)系統定義的故障。

SMPU通常用于多核系統和使用DMA設備的系統，其保護范圍有限，且不能覆蓋所有的內存區域。

圖2 SMPU保護原理

• · 核心級的CMPU

核心級的CMPU則是每個(gè)CPU核心獨有的，提供應用級別的隔離。經(jīng)典AUTOSAR中，軟件組件被組織成OSA（OS Application）。OSA內部存在共享資源，OSA之間則需要考慮內存隔離。

CMPU保護原理如圖3所示，CMPU隔離對象為CPU中運行的軟件。CMPU也會(huì )預先劃分保護區域，這通常也是內存分區的結果。對于這些內存區域，每一個(gè)在核心中運行的OSA可能都具有不同的權限。當上下文切換時(shí)，MPU的保護范圍也會(huì )動(dòng)態(tài)切換，以適配不同的OSA。

同CMPU一樣，只有擁有對應內存區域訪(fǎng)問(wèn)權限的OSA，才能成功完成訪(fǎng)問(wèn)，否則會(huì )觸發(fā)系統定義的故障。CMPU通常擁有更多的保護區域，且能覆蓋所有的內存空間。在這基礎上，CMPU還支持保護集的預設，使CPU進(jìn)行上下文切換時(shí)，更快地切換地址空間地MPU保護權限。一般來(lái)說(shuō)，CMPU的應用更為廣泛，在一些不那么復雜的系統中甚至只用CMPU就足以完成內存隔離的需求。

圖3 CMPU隔離原理

SOC上的安全隔離

相比MCU，SOC擁有更強大的性能，可以運行一些復雜操作系統（比如linux）。這種情況下，基于地址范圍進(jìn)行保護的MPU就顯得“力不從心”了。進(jìn)程是操作系統進(jìn)行資源分配的基本單位，一些應用程序可能由多個(gè)進(jìn)程組成，在某些場(chǎng)景中（比如座艙域）還需要虛擬機來(lái)運行不同的操作系統。

因此，我們把SOC上的內存隔離場(chǎng)景劃分為兩個(gè)層級：進(jìn)程級隔離、應用程序級隔離和操作系統級隔離。本文主要介紹進(jìn)程級隔離。

MMU（Memory Management Unit）是SOC中常見(jiàn)的硬件，用于提供進(jìn)程級別的內存分配和隔離。進(jìn)程在運行時(shí)，操作系統會(huì )使進(jìn)程認為自己獨占整個(gè)尋址空間（32位機器尋址空間為4GB），并使用連續的物理地址進(jìn)行操作。但實(shí)際上，這個(gè)內存空間要么尚未分配，要么部分存在于磁盤(pán)中。并且其使用的虛擬地址會(huì )由MMU進(jìn)行翻譯，對應到分散的物理地址中。

MMU的工作原理如圖4所示。內存空間被劃分為若干頁(yè)面（Page），每個(gè)頁(yè)面占用4KB內存。進(jìn)程使用的連續虛擬頁(yè)面被MMU翻譯到具體的分散的物理頁(yè)面中。

MMU最主要的功能其實(shí)是將虛擬頁(yè)翻譯到物理頁(yè)。那為什么MMU可以實(shí)現進(jìn)程級隔離呢？

因為MMU的翻譯是基于頁(yè)表進(jìn)行的，頁(yè)表記錄了進(jìn)程虛擬頁(yè)到物理頁(yè)的映射。操作系統為不同的進(jìn)程分配的不同的頁(yè)表起始地址，存儲在對應寄存器中。當MMU翻譯地址時(shí)，根據頁(yè)表起始地址加偏移量定位到具體的頁(yè)表項，進(jìn)而完成地址翻譯。不難看出，這種機制使得進(jìn)程擁有天然隔離的零散的地址空間

圖4 MMU工作原理

安全隔離小結

安全隔離的底層原理是避免軟件對內存的不合理訪(fǎng)問(wèn)，以滿(mǎn)足功能安全要求。硬件層面上，有MPU、MMU這樣的硬件進(jìn)行程序內存空間的保護和約束；軟件層面上，容器化技術(shù)和虛擬化技術(shù)也能幫助用戶(hù)制定更靈活的隔離策略。但并不是說(shuō)實(shí)現了這些安全隔離機制就等于完全滿(mǎn)足了安全隔離需求，還需要結合軟件和系統的正確設計來(lái)共同達成目標。

經(jīng)緯恒潤功能安全團隊成立于2008年，系國內較早從事功能安全技術(shù)研究的團隊。作為功能安全、預期功能安全國家標準委員會(huì )成員，經(jīng)緯恒潤的研發(fā)流程、生產(chǎn)流程已通過(guò)功能安全開(kāi)發(fā)過(guò)程認證，功能安全開(kāi)發(fā)過(guò)程達到ASIL-D，相關(guān)產(chǎn)品已成功服務(wù)于近百家國內外整車(chē)及零部件企業(yè)。

經(jīng)緯恒潤功能安全軟件團隊可提供功能安全軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)，包括功能安全軟件階段流程/產(chǎn)品咨詢(xún)、L2監控算法開(kāi)發(fā)集成和L3安全機制（安全通信、隔離、監控、執行和芯片AOU）的開(kāi)發(fā)集成，控制器覆蓋動(dòng)力域、底盤(pán)域、智駕域和車(chē)身域等。

未來(lái)，經(jīng)緯恒潤將緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢和市場(chǎng)需求，結合自身汽車(chē)電子產(chǎn)品研發(fā)和國內外咨詢(xún)實(shí)踐，一如既往地堅持自主創(chuàng )新道路，為智能汽車(chē)安全保駕護航。