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A TrustZone-assisted secure silicon on a co-design framework
Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e ComputadoresEmbedded systems were for a long time, single-purpose and closed systems, characterized
by hardware resource constraints and real-time requirements. Nowadays, their functionality is
ever-growing, coupled with an increasing complexity and heterogeneity. Embedded applications
increasingly demand employment of general-purpose operating systems (GPOSs) to handle operator
interfaces and general-purpose computing tasks, while simultaneously ensuring the strict
timing requirements. Virtualization, which enables multiple operating systems (OSs) to run on
top of the same hardware platform, is gaining momentum in the embedded systems arena,
driven by the growing interest in consolidating and isolating multiple and heterogeneous environments.
The penalties incurred by classic virtualization approaches is pushing research towards
hardware-assisted solutions. Among the existing commercial off-the-shelf (COTS) technologies for
virtualization, ARM TrustZone technology is gaining momentum due to the supremacy and lower
cost of TrustZone-enabled processors.
Programmable system-on-chips (SoCs) are becoming leading players in the embedded systems
space, because the combination of a plethora of hard resources with programmable logic
enables the efficient implementation of systems that perfectly fit the heterogeneous nature of
embedded applications. Moreover, novel disruptive approaches make use of field-programmable
gate array (FPGA) technology to enhance virtualization mechanisms.
This master’s thesis proposes a hardware-software co-design framework for easing the economy
of addressing the new generation of embedded systems requirements. ARM TrustZone is
exploited to implement the root-of-trust of a virtualization-based architecture that allows the execution
of a GPOS side-by-side with a real-time OS (RTOS). RTOS services were offloaded to hardware,
so that it could present simultaneous improvements on performance and determinism. Instead
of focusing in a concrete application, the goal is to provide a complete framework, specifically tailored
for Zynq-base devices, that developers can use to accelerate a bunch of distinct applications
across different embedded industries.Os sistemas embebidos foram, durante muitos anos, sistemas com um simples e único
propósito, caracterizados por recursos de hardware limitados e com cariz de tempo real. Hoje
em dia, o número de funcionalidades começa a escalar, assim como o grau de complexidade
e heterogeneidade. As aplicações embebidas exigem cada vez mais o uso de sistemas operativos
(OSs) de uso geral (GPOS) para lidar com interfaces gráficas e tarefas de computação de
propósito geral. Porém, os seus requisitos primordiais de tempo real mantém-se. A virtualização
permite que vários sistemas operativos sejam executados na mesma plataforma de hardware.
Impulsionada pelo crescente interesse em consolidar e isolar ambientes múltiplos e heterogéneos,
a virtualização tem ganho uma crescente relevância no domínio dos sistemas embebidos.
As adversidades que advém das abordagens de virtualização clássicas estão a direcionar estudos
no âmbito de soluções assistidas por hardware. Entre as tecnologias comerciais existentes, a
tecnologia ARM TrustZone está a ganhar muita relevância devido à supremacia e ao menor custo
dos processadores que suportam esta tecnologia.
Plataformas hibridas, que combinam processadores com lógica programável, estão em crescente
penetração no domínio dos sistemas embebidos pois, disponibilizam um enorme conjunto
de recursos que se adequam perfeitamente à natureza heterogénea dos sistemas atuais. Além
disso, existem soluções recentes que fazem uso da tecnologia de FPGA para melhorar os mecanismos
de virtualização.
Esta dissertação propõe uma framework baseada em hardware-software de modo a cumprir
os requisitos da nova geração de sistemas embebidos. A tecnologia TrustZone é explorada para
implementar uma arquitetura que permite a execução de um GPOS lado-a-lado com um sistemas
operativo de tempo real (RTOS). Os serviços disponibilizados pelo RTOS são migrados
para hardware, para melhorar o desempenho e determinismo do OS. Em vez de focar numa
aplicação concreta, o objetivo é fornecer uma framework especificamente adaptada para dispositivos
baseados em System-on-chips Zynq, de forma a que developers possam usar para acelerar
um vasto número de aplicações distintas em diferentes setores