痞子衡嵌入式：系統時鐘配置不當會導致i.MXRT1xxx系列下OTFAD加密啟動失敗

痞子衡發表於2021-02-25
加密

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是系統時鐘配置不當會導致i.MXRT1xxx系列下OTFAD加密啟動失敗問題。

　　我們知道，i.MXRT1xxx家族早期型號（RT1050/RT0160/RT1020）的硬體解密外設名字叫BEE，這個外設主要是配合FlexSPI外設去實現外接序列NOR Flash線上解密XIP執行用的。而到了最近的i.MXRT1xxx新型號（RT1010/RT1170）上，BEE外設被替換成了OTFAD外設，功能不變，解密效率得到了很大提升，但客戶在使能OTFAD加密啟動時常常遇到App無法正常執行問題，這其實跟OTFAD自身的一個時鐘小限制有關（這個限制在BEE上不存在），今天痞子衡就來好好聊一聊OTFAD的這個小限制：

一、問題描述

　　我們以i.MXRT1010為例，從恩智浦官網下載一個SDK包（痞子衡下的是v2.9.1），隨便選擇其中一個例程，就以最簡單的 \SDK\boards\evkmimxrt1010\demo_apps\led_blinky 為例吧。編譯這個 led_blinky 工程（選擇 flexspi_nor_debug build，即XIP工程），得到可執行檔案（實際bin檔案大小為10KB左右），使用 NXP-MCUBootUtility 工具將可執行檔案(led_blinky.out)下載進MIMXRT1010-EVK開發板中（下載時啟動模式為2'b01，啟動時切換到2'b10），可以看到板載綠色LED小燈（D25）會閃，例程是可以正常工作的。

　　現在讓我們嘗試使能OTFAD加密，回到晶片下載模式依然藉助 NXP-MCUBootUtility 工具，將工具 Secure boot type 選項切換為 OTFAD Encrypted Image Boot，其他設定均預設（此時加密範圍是 0x60001000 - 0x60001fff，僅加密IVT等啟動頭，不含app），再次下載可執行檔案(led_blinky.out)，換到晶片啟動模式復位板子，例程依舊是正常工作的，看起來OTFAD加密啟動似乎沒有問題。

　　讓我們再進一步，將加密範圍設定為0x60002000 - 0x60004fff，這時加密區域覆蓋到了整個app，重新按上述流程操作一遍，發現例程沒能正常工作，這時候OTFAD加密啟動出了問題，難道app區域不能被加密？那OTFAD加密還有啥意義？

　　app區域當然可以被加密，跟著痞子衡再做一次實驗，在 led_blinky.c 檔案的 main() 函式中，我們將時鐘配置函式 BOARD_BootClockRUN() 直接註釋掉或者在連結檔案裡將其全部搞成 __ramfunc（即在晶片內部RAM裡執行這部分時鐘配置程式碼），這個例程僅是利用SysTick定時翻轉GPIO，因此時鐘配置程式碼去掉不影響正常執行，重新編譯工程再按上面流程操作一遍，這時候例程又能正常工作了，說明加密後的app是能被OTFAD正常解密執行的。

　　現在的問題變成了為何OTFAD加密啟動時，BOARD_BootClockRUN() 函式不能在Flash裡執行，這就是問題所在。

二、原因分析

　　關於上述問題的原因，痞子衡先直接給答案，這是OTFAD外設本身的時鐘小限制，當OTFAD被使能時，如果被加密的app程式碼是XIP執行，app裡做系統時鐘配置時要始終保證Core時鐘高於FlexSPI外設時鐘。如果Core時鐘低於FlexSPI時鐘，此時Core去訪問加密Flash區域，OTFAD無法正常解密，會導致指令錯亂，發生系統故障。

　　我們配合上面的i.MXRT1010系統時鐘樹來認真分析下OTFAD這個時鐘限制問題。晶片上電總是從BootROM執行，BootROM會先將Core配置到396MHz，將FlexSPI時鐘根據使用者放置在Flash偏移0x400處的FDCB裡的設定配到30MHz - 200MHz不等，再讀取Flash偏移0地址處OTFAD DEK KeyBlob資料使能OTFAD，然後讀取IVT等頭資訊去跳轉到App。很顯然只加密IVT部分根本不受OTFAD限制的影響，這部分解析是在BootROM裡完成的，BootROM裡時鐘配置符合OTFAD時鐘限制要求。

// BootROM裡對Core時鐘配置
CCM_ANALOG->PFD_528[PFD3_FRAC] = 24,   PLL2 PFD3輸出 (528MHz * 18) / 24 = 396MHz
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2,    時鐘來自PLL2 PFD3
CCM->CBCDR[PERIPH_CLK_SEL]     = 0，   核心時鐘來自CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]
CCM->CBCDR[AHB_PODF]           = 0，   核心時鐘不分頻

// BootROM裡對FlexSPI時鐘配置
CCM_ANALOG->PFD_480[PFD0_FRAC] = x,    PLL3 PFD0輸出 (480MHz * 18) / x
CCM->CSCMR1[FLEXSPI_CLK_SEL]   = 3,    時鐘來自PLL3 PFD0
CCM->CSCMR1[FLEXSPI_CLK_SRC]   = 0，   FlexSPI時鐘來自CCM->CSCMR1[FLEXSPI_CLK_SEL]
CCM->CSCMR1[FLEXSPI_PODF]      = y，   FlexSPI時鐘做(y+1)分頻

　　當BootROM跳轉到了App之後，我們再來看看App裡對時鐘是怎麼配置的，就是BOARD_BootClockRUN()函式，可以看到這個函式裡將核心頻率從BootROM設定的396MHz切換到外部OSC 24MHz。無論此時使用者FDCB裡對FlexSPI時鐘是多少配置，至少也會大於30MHz，那麼此時24MHz核心頻率一定會低於FlexSPI時脈頻率，只要此時只要發生核心對Flash加密區域的訪問（時鐘配置程式碼就在Flash裡執行），就觸發了OTFAD時鐘限制問題，App就會跑飛。

三、解決方案

　　知道了原因，解決方案就簡單了，在App時鐘配置裡，不要按照尋常套路去先將核心時鐘源切換到外部OSC再切到PLL，而是直接切到PLL上。比如i.MXRT1010內部有個PLL6（也叫Audio PLL），固定500MHz，正好是App要的最終核心頻率，我們在BOARD_BootClockRUN()裡將Audio(Enet) PLL初始化設定程式碼提到前面，刪掉原來的切換OSC設定程式碼即可。

void BOARD_BootClockRUN(void)
{
    // 此處略去...
    /* Set Oscillator ready counter value. */
    CCM->CCR = (CCM->CCR & (~CCM_CCR_OSCNT_MASK)) | CCM_CCR_OSCNT(127);
-    /* Setting PeriphClk2Mux and PeriphMux to provide stable clock before PLLs are initialed */
-    CLOCK_SetMux(kCLOCK_PeriphClk2Mux, 1); /* Set PERIPH_CLK2 MUX to OSC */
-    CLOCK_SetMux(kCLOCK_PeriphMux, 1);     /* Set PERIPH_CLK MUX to PERIPH_CLK2 */

    // 此處略去...
    /* Set IPG_PODF. */
    CLOCK_SetDiv(kCLOCK_IpgDiv, 3);
+     /* Init Enet PLL. */
+    CLOCK_InitEnetPll(&enetPllConfig_BOARD_BootClockRUN);
+    /* Set preperiph clock source. */
+    CLOCK_SetMux(kCLOCK_PrePeriphMux, 3);

    // 此處略去...
    /* Enable Audio PLL output. */
    CCM_ANALOG->PLL_AUDIO |= CCM_ANALOG_PLL_AUDIO_ENABLE_MASK;
-    /* Init Enet PLL. */
-    CLOCK_InitEnetPll(&enetPllConfig_BOARD_BootClockRUN);
-    /* Set preperiph clock source. */
-    CLOCK_SetMux(kCLOCK_PrePeriphMux, 3);

    // 此處略去...
    /* Set SystemCoreClock variable. */
    SystemCoreClock = BOARD_BOOTCLOCKRUN_CORE_CLOCK;
}

　　最近再提一下，這個OTFAD時鐘限制問題在i.MXRT1170上同樣存在，解決方案與上面類似，痞子衡就不再贅述了。

　　至此，系統時鐘配置不當會導致i.MXRT1xxx系列下OTFAD加密啟動失敗問題痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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