ARM处理器的secure 和 Non-secure模式切换方法：SMC指令和SCR.NS_arm smc指令

大部分Cortex-A系列处理器都支持两种安全状态（实现了TrustZone）：

• 安全状态，Secure state：在安全状态下，一个处理器单元（Processing Element）可以访问secure和non-secure下的物理地址空间，以及secure的bank 寄存器。
• 非安全状态，Non-secure：非安全状态也被称为Normal world，在这种状态下，PE只能访问Non-secure的物理地址空间，并且访问系统寄存器也是non-secure的访问。
  比如在Android 系统，一般跑在Normal world（non-secure）下，当时当支付时，或者运行DRM （数字版权管理，Digital Right Management，DRM）系统时，将会切到Secure状态下。我们需要对安全世界系统有更高程度的信任，并需要将它们分开，以保护诸如支付细节和密钥等信息，Secure和non-secure两种安全状态可以提供这种分离。下图时异常等级和Secure状态之间的组合：
  
  如果处理器实现了TrustZone，那么便可以通过 SCR_EL3的NS bit来选择 Secure 状态还是Non-Secure状态。EL3状态拥有最高特权的异常等级，并且EL3的的安全状态是固定的，当处于EL3时，它能访问所有的bank 寄存器。Armv8-A的 EL3 总是处于安全状态（Secure state)，在Armv9-A中，EL3是安全状态的一部分，除非实现了RME。如果实现了RME，则Root state是EL3与安全状态的其他部分的分离。
  无论何时，要从一种安全状态切换到另一种安全状态，都必须通过EL3。EL3上的软件负责管理对不同可用安全状态的访问，控制着EL2，EL1以及EL0的安全状态。
  以下图作为示例，假如当前处理器处于 EL1的Non-secure状态下，如果想进入EL1 Secure，该怎么做？总共分为三步：

1. 使用SMC指令，进入到EL3
2. 改变SCR_EL3.NS的值，将NS位写1
3. 然后从EL3返回（ERET）到EL1

下面笔者将详细介绍SMC指令以及SCR_EL3寄存器：

一，SMC 指令

SMC指令将会产生一个进入EL3的异常，而EL3绝对不会在Non-secure的状态下实现。所以自然而然地可以使系统进入Secure 模式。并且会无视 SCR_EL3.NS 位，即不管NS为多少，都可以进入Secure状态。我们可以使用如下方式快速更改处理器的安全状态：

SMC #0  ； set secure mode
SMC #1   ； set non-secure mode
1
2

具体实现：SMC #0或者#1 的实际作用是由自己的软件定义的，SMC #0的意思实际上是：执行SMC指令进入EL3，#0的意思是带了个0的参数，在笔者的SMC handler里，如果收到0参数我就去写SCR_EL3.NS为0，参数为1就去写SCR_EL3.NS为1。实际上要想实现Secure状态切换，只有写SCR_EL3.NS这一种方式.

二，SCR_EL3.NS

Non-secure 下，以及非EL3下访问不了SCR_EL3寄存器，所以只能在EL3的secure状态下将NS位写1，进入Non-secure状态。而不能在Non-secure状态下访问SCR，将NS位写0，进入Secure状态。

三，AArch64 下的SMC指令

SMC（Secure Monitor Call）指令

SMC指令将会产生一个进入EL3的异常，但是只可以在EL1以及其更高的异常等级时执行，当在EL0时执行SMC指令时，其行为是UNDEFINED。如果 HCR_EL2.TSC 和SCR_EL3.SMD都为0，在EL1以及其更高的异常等级时执行，将会产生一个Secure Monitor Call 异常，

1. EL0 Applications.
2. EL1 OS kernel and associated functions that are typically described as privileged.
3. EL2 Hypervisor.
4. EL3 Secure monitor
   

HCR_EL2.TSC ：Traps to EL2 of EL1 execution of SMC instructions

捕获SMC 指令，如果在当前的security state下，EL2被使能，可以将EL1执行的SMC 指令捕获至EL2。

• 如果在AArch 64下执行，这个捕获将会被记录在 EC value 0x17。
• 如果在AArch 32下执行，这个捕获将会被记录在 EC value 0x13。
  HCR_EL2.TSC = 0b0
  This control does not cause any instructions to be trapped.
  HCR_EL2.TSC = 0b1
  If EL3 is implemented, then any attempt to execute an SMC instruction at EL1 is trapped to EL2, when EL2 is enabled in the current Security state, regardless of the value of SCR_EL3.SMD.
  If EL3 is not implemented, FEAT_NV is implemented, and HCR_EL2.NV is 1, then any attempt to execute an SMC instruction at EL1 using AArch64 is trapped to EL2, when EL2 is enabled in the current Security state.
  If EL3 is not implemented, and either FEAT_NV is not implemented or HCR_EL2.NV is 0, then it is IMPLEMENTATION DEFINED whether:
  • Any attempt to execute an SMC instruction at EL1 is trapped to EL2, when EL2 is enabled in the current Security state.
  • Any attempt to execute an SMC instruction is UNDEFINED.
  In AArch32 state, the Armv8-A architecture permits, but does not require, this trap to apply to conditional SMC instructions that fail their condition code check, in the same way as with traps on other conditional instructions.

SCR_EL3.SMD ： Disabling EL3, EL2, and EL1 execution of SMC instructions

SCR_EL3寄存器的SMD位可以disable 在EL1以及更高的异常等级上SMC指令的执行， from both Security states and both Execution states, reported using an ESR_ELx.EC value of 0x00.

• SCR_EL3.SMD = 0b0：SMC instructions are enabled at EL3, EL2 and EL1.
• SCR_EL3.SMD = 0b1：SMC instructions are UNDEFINED.

四，AArch32 SMC 指令

AArch32 PE modes

AArch32的mode有：

• Monitor mode：总是在secure EL3上执行。
• Hyp mode： 总是在Non-secure EL2上执行。
• System, Supervisor, Abort, Undefined, IRQ, and FIQ modes， 这些模式执行的Exception level取决于当前的安全状态。
• User mode，总是在EL0上执行。
  在AArch64中不支持这些mode， Mode的概念只特定于AArch32，同时上述mode可以在指定的异常等级下执行，此时的异常等级必须支持AArch32状态。
  
  Monitor mode只会实现在Secure state下，并且仅当 EL3 使用 AArch32 时。
  Hyp mode只会实现在Non-secure状态下，并且仅当EL2使用AArch32时。
  System, FIQ, IRQ, Supervisor, Abort, and Undefined modes，由安全状态决定：
  In Secure state If either:
  • EL3 is using AArch32.
  • EL3 is using AArch64 and EL1 is using AArch32.
  In Non-secure state If EL1 is using AArch32：
  • User mode is implemented if EL0 is using AArch32
  
  

Monitor mode

AArch32的monitor mode是Secure的EL3 模式，这意味着它总是处于Secure state下，并且会无视 SCR_EL3.NS bit。 使用SMC指令可以进入Secure Monitor Call 异常，从而进入Monitor 模式，在Non-secure的EL1或者Secure EL3模式下，执行SMC指令将会产生Secure Monitor Call 异常。
当EL3使用AArch32时，在Monitor 模式下执行的软件：

• 可以访问Secure和Non-secure的寄存器。
• 异常处理结束后可以返回secure 或者Non-secure模式。
  这意味着，Monitor mode提供提供了在secure 或者Non-secure状态之间切换的唯一推荐方法。
  

AArch32 SCR Secure Configuration Register 寄存器

SCR 是一个32-bit 寄存器，访问SCR寄存器，需要满足两个条件：当前使用AArch32 状态，并且EL3被实现，该寄存器定义了当前安全状态的配置，特别是：

• 安全状态：secure和non-secure
• 当IRQ，FIQ或者External abort发生时，当前处理器会跳转到什么mode。
• 当SCR_EL3.NS=1，即non-secure模式下，是否能改变PSTATE.F or PSTATE.A状态位。
  

NS, bit [0]

Non-secure bit. 处理器必须处于Monitor mode下，可以决定当前的安全状态：

• 0b0 PE is in Secure state.
• 0b1 PE is in Non-secure state.