Modern Embedded Recipes · 147/152

Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot

2026년 4월 21일 · Hawk · 8분 읽기

recipes security tfm trustzone psa cortex-m33 mcuboot

#한 줄 요약

“TF-M은 Cortex-M33+ 보드의 표준 secure firmware입니다.” PSA Certified 인증이 2024 EU CRA·UK PSTI에 사실상 강제되면서 IoT MCU project의 default가 됐습니다. Crypto·storage·attestation을 secure side에 두고 RTOS·앱은 non-secure side에서 돌립니다.

#어떤 상황에서 쓰나

IoT sensor, smart lock, gateway, wearable, BLE node, industrial controller처럼 공격면이 있는 connected MCU device 모두가 대상입니다. 2024년 이후 다음 규제가 본격화되면서 PSA Certified가 거의 의무가 됐습니다.

1
EU Cyber Resilience Act (CRA) 2024 발효, 2027 본격 시행
2
UK PSTI Act 2024 발효
3
US Cyber Trust Mark 2024-25 점진 적용

요구사항은 secure boot, encrypted storage, device attestation, secure update입니다. TF-M이 이 모두를 reference로 제공하기 때문에 vendor SDK(STM32Cube·nRF Connect·NXP MCUXpresso)가 모두 TF-M을 끼워 줍니다.

#핵심 개념

Cortex-M33/M55/M85는 TrustZone-M이라는 hardware mechanism으로 Secure와 Non-Secure 두 world를 가집니다.

World	구성	하는 일
Secure Processing Environment (SPE)	TF-M core + secure partitions (Crypto, Internal Trusted Storage, Protected Storage, Attestation)	Boot ROM에서 가장 먼저 부팅해 메모리와 peripheral 일부를 secure로 표시합니다
Non-Secure Processing Environment (NSPE)	RTOS (FreeRTOS, Zephyr, mbedOS) + application	PSA API client로 SPE의 서비스를 호출합니다

Memory와 peripheral은 SAU/IDAU + MPC/PPC로 region별 secure 여부를 표시합니다. NSPE가 secure 영역에 접근하면 MemManageFault가 발생합니다.

SPE↔NSPE 호출은 NSC veneer라는 special function을 거칩니다.

1
Non-secure 코드
2
  ↓ BL nsc_function
3
NSC veneer (secure side, NSCallable 영역)
4
  ↓ SG (secure gateway) instruction → world switch
5
SPE service
6
  ↑ BXNS lr → world switch back
7
Non-secure 복귀

SG instruction이 유일한 entry point입니다. NSPE는 NSC veneer 외에는 secure 영역에 진입할 수 없습니다.

PSA(Platform Security Architecture)는 ARM이 정의한 vendor-agnostic security API입니다.

API	기능
PSA Crypto	AES, ECDSA, RSA, key management
PSA Storage	ITS (key·credential), PS (encrypted at rest)
PSA Attestation	device identity + measurement token
PSA Firmware Update	over-the-air 표준

같은 코드가 STM32·nRF·NXP·Renesas 어디서나 돌도록 설계되어 있습니다.

#코드 / 실제 사용 예

#TF-M build

1
git clone https://github.com/TrustedFirmware-M/trusted-firmware-m
2
cd trusted-firmware-m
3

4
mkdir build && cd build
5
cmake .. \
6
    -DTFM_PLATFORM=stm/nucleo_l552ze_q \
7
    -DTFM_PROFILE=profile_medium \
8
    -DTEST_NS=ON
9
cmake --build . -- install

산출물은 세 binary입니다.

Binary	역할
`bl2.bin`	MCUboot 2nd-stage bootloader
`tfm_s.bin`	Secure firmware
`tfm_ns.bin`	Non-Secure (사용자 앱 자리)

ROM bootloader → BL2 → tfm_s → tfm_ns 순으로 chain이 구성됩니다.

#PSA Crypto — key 생성·sign

1
#include "psa/crypto.h"
2

3
psa_crypto_init();
4

5
/* Persistent ECDSA key */
6
psa_key_attributes_t attr = PSA_KEY_ATTRIBUTES_INIT;
7
psa_set_key_type(&attr, PSA_KEY_TYPE_ECC_KEY_PAIR(PSA_ECC_FAMILY_SECP_R1));
8
psa_set_key_bits(&attr, 256);
9
psa_set_key_usage_flags(&attr, PSA_KEY_USAGE_SIGN_MESSAGE);
10
psa_set_key_algorithm(&attr, PSA_ALG_ECDSA(PSA_ALG_SHA_256));
11
psa_set_key_lifetime(&attr, PSA_KEY_LIFETIME_PERSISTENT);
12
psa_set_key_id(&attr, 0x1001);
13

14
psa_key_id_t key_id;
15
psa_generate_key(&attr, &key_id);
16

17
/* Sign */
18
uint8_t sig[64];
19
size_t  sig_len;
20
psa_sign_message(key_id, PSA_ALG_ECDSA(PSA_ALG_SHA_256),
21
                  msg, msg_len, sig, sizeof(sig), &sig_len);

Private key는 NSPE에 export되지 않습니다. key_id만 capability로 받아 sign/encrypt 위임만 가능합니다. NSPE가 침투당해도 key 자체는 보호됩니다.

#PSA Internal Trusted Storage

1
#include "psa/internal_trusted_storage.h"
2

3
/* Write — 한 번만 */
4
uint8_t device_secret[32] = { /* derived from HUK */ };
5
psa_its_set(0x100, sizeof(device_secret), device_secret,
6
             PSA_STORAGE_FLAG_NONE);
7

8
/* Read */
9
uint8_t buf[32];
10
size_t  out_len;
11
psa_its_get(0x100, 0, sizeof(buf), buf, &out_len);

ITS는 secure side flash region에 저장되어 NSPE가 read할 수 없습니다. Replay-protected하게 monotonic counter를 같이 보관해 rollback도 막습니다.

#Protected Storage (encrypted at rest)

1
#include "psa/protected_storage.h"
2

3
psa_ps_set(0x200, sizeof(secret), secret, PSA_STORAGE_FLAG_NONE);
4
psa_ps_get(0x200, 0, sizeof(buf), buf, &out_len);

PS는 external flash까지 안전하게 encrypted로 저장합니다. Wire-level dump를 떠도 key 없이는 읽을 수 없습니다.

#Initial Attestation

1
#include "psa/initial_attestation.h"
2

3
uint8_t challenge[32];   /* from server */
4
get_random(challenge, sizeof(challenge));
5

6
uint8_t token[1024];
7
size_t  token_len;
8
psa_initial_attest_get_token(
9
    challenge, sizeof(challenge),
10
    token, sizeof(token), &token_len);
11

12
/* Send token to verifier */

Token에는 device identity, firmware hash, lifecycle state, nonce(challenge)가 들어가고 device key로 sign됩니다. Cloud server는 signature와 firmware hash를 verify해 zero-trust 정책을 적용합니다.

#NSPE에서 SPE service 호출

1
#include "psa/client.h"
2

3
#define MY_SERVICE_SID 0x00000200
4

5
psa_handle_t h = psa_connect(MY_SERVICE_SID, 1);
6

7
psa_invec  in[1]  = { { in_buf,  in_len  } };
8
psa_outvec out[1] = { { out_buf, out_size } };
9

10
psa_status_t s = psa_call(h, PSA_IPC_CALL, in, 1, out, 1);
11

12
psa_close(h);

NSPE는 psa_connect/psa_call/psa_close만 알면 됩니다. 어떤 vendor SoC라도 같은 API입니다.

#Custom secure partition

1
{
2
  "name": "TFM_SP_MY_SERVICE",
3
  "type": "PSA-ROT",
4
  "priority": "NORMAL",
5
  "entry_point": "tfm_my_service_init",
6
  "stack_size": "0x0800",
7
  "services": [{
8
    "name": "TFM_MY_SERVICE",
9
    "sid": "0x00000200",
10
    "signal": "MY_SIGNAL",
11
    "non_secure_clients": true,
12
    "version": 1
13
  }]
14
}

1
psa_status_t tfm_my_service_init(void) {
2
    psa_signal_t signals;
3
    while (1) {
4
        signals = psa_wait(PSA_WAIT_ANY, PSA_BLOCK);
5
        if (signals & MY_SIGNAL) {
6
            psa_msg_t msg;
7
            psa_get(MY_SIGNAL, &msg);
8
            /* msg.in_size / msg.out_size */
9
            handle_request(&msg);
10
            psa_reply(msg.handle, PSA_SUCCESS);
11
        }
12
    }
13
}

PSA IPC는 message-passing 모델입니다. Async event-driven으로 동작합니다.

#MCUboot — secure boot + A/B

1
Flash layout:
2
  0x0800_0000  BL2 (MCUboot)
3
  0x0801_0000  Slot 0 (primary)    — tfm_s + tfm_ns + manifest
4
  0x0808_0000  Slot 1 (secondary)  — staging
5
  0x080F_0000  Scratch

1
# Sign image
2
imgtool sign \
3
    --key root-ec-p256.pem \
4
    --header-size 0x400 \
5
    --slot-size 0x70000 \
6
    --version 1.2.3 \
7
    --align 8 \
8
    tfm_s_ns_signed.bin

Boot 시 BL2가 manifest signature와 anti-rollback counter를 verify합니다. Pass하면 image로 jump, fail하면 secondary로 fallback하거나 halt합니다.

#SAU 설정

1
void sau_setup(void) {
2
    /* Region 0: non-secure flash */
3
    SAU->RNR  = 0;
4
    SAU->RBAR = (NS_FLASH_START)        & SAU_RBAR_BADDR_Msk;
5
    SAU->RLAR = (NS_FLASH_END   - 1)    | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;
6

7
    /* Region 1: NSC veneer */
8
    SAU->RNR  = 1;
9
    SAU->RBAR = (NSC_START)             & SAU_RBAR_BADDR_Msk;
10
    SAU->RLAR = (NSC_END   - 1)         | SAU_RLAR_ENABLE_Msk
11
                                          | SAU_RLAR_NSC_Msk;
12

13
    /* Region 2: non-secure SRAM */
14
    SAU->RNR  = 2;
15
    SAU->RBAR = (NS_SRAM_START)         & SAU_RBAR_BADDR_Msk;
16
    SAU->RLAR = (NS_SRAM_END   - 1)     | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;
17

18
    SAU->CTRL = SAU_CTRL_ENABLE_Msk;
19
}

Boot 초기에 SAU + MPC(memory protection controller)를 설정한 뒤 NSPE로 진입합니다. 한 region이 잘못 설정되면 NSPE 진입 즉시 fault가 납니다.

#측정 / 성능 비교

Cortex-M33 @ 80 MHz, TF-M profile_medium, software crypto 기준입니다.

연산	지연
AES-128 GCM encrypt 1 KB	5 ms (200 KB/s)
SHA-256 1 KB	2 ms
ECDSA P-256 sign	50 ms
ECDSA P-256 verify	100 ms
RSA-2048 sign	500 ms
Initial attestation token	100 ms
PSA service call overhead	~50 µs (NSC + IPC)

Hardware crypto accelerator(STM32U5 PKA, nRF5340 CryptoCell)가 있으면 ECDSA가 5~10 ms로 줄어 10배 빨라집니다. Production은 hardware crypto가 거의 필수입니다.

PSA Certified Level별 비교입니다.

Level	조건	기간
Level 1	self-assessment, basic security	2주
Level 2	lab test, side-channel 기본 검증	8주
Level 3	DPA·glitching 등 advanced attack	3개월
Level 4	Common Criteria EAL4+, 금융·정부	6개월+

EU CRA·UK PSTI는 Level 1 minimum을 사실상 요구합니다. Critical infrastructure는 Level 2+로 올라갑니다.

#자주 보는 함정

NSPE에서 secure address access

1
*(uint32_t*)0x0C000000 = 0xDEADBEEF;   /* secure flash address */
2
/* HardFault: SecureFault on NSPE access */

NSPE는 NSC veneer로만 secure에 진입할 수 있습니다.

Veneer annotation 누락

1
/* secure side */
2
int my_func(int x) { ... }
3
/* compiler가 NSC entry로 wrap하지 않음 */

__attribute__((cmse_nonsecure_entry)) 또는 vendor macro로 NSC entry를 명시합니다.

Heap을 cross-world에서

1
/* secure malloc → non-secure free → corruption */

Heap은 secure·non-secure 각자 별도로 둡니다.

Key를 export해 NSPE에 들고 옴

1
psa_export_key(key_id, plain, sizeof(plain), &plain_len);
2
/* NSPE가 plain key를 보유 → 침투 시 노출 */

Sign/encrypt는 capability(key_id)만 위임하고 raw key는 SPE 안에 둡니다.

Anti-rollback counter 무시

1
imgtool sign --version 1.0.0 ...   /* 이전 version과 동일 */

새 firmware는 anti-rollback counter를 증가시켜야 downgrade attack을 막을 수 있습니다.

MPC·PPC 설정 누락

1
/* SAU만 설정, MPC 미설정 */
2
/* peripheral이 여전히 secure로 lock → NSPE에서 사용 불가 */

SAU(CPU view) + MPC(memory controller view) + PPC(peripheral)를 모두 설정해야 region이 올바르게 동작합니다.

#정리

TF-M은 Cortex-M33+ TrustZone-M 위 표준 secure firmware입니다.
SPE/NSPE 분리, NSC veneer로 cross-world call, PSA API로 vendor 독립을 보장합니다.
PSA Crypto·ITS·PS·Attestation이 네 가지 핵심 service입니다.
MCUboot이 2nd-stage bootloader로 secure boot·anti-rollback·A/B update를 담당합니다.
2024 EU CRA·UK PSTI·US Cyber Trust Mark가 PSA Certified를 사실상 강제합니다.
STM32L5/U5·nRF5340·NXP LPC55가 TF-M reference platform입니다.
Software crypto는 ECDSA 50 ms, hardware crypto가 있으면 5~10 ms로 줄어듭니다.
Key는 NSPE에 export하지 않고 key_id capability만 위임하는 패턴을 지킵니다.

다음 편은 Matter·Thread IoT 표준입니다.

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#한 줄 요약

#어떤 상황에서 쓰나

#핵심 개념

#코드 / 실제 사용 예

#TF-M build

#PSA Crypto — key 생성·sign

#PSA Internal Trusted Storage

#Protected Storage (encrypted at rest)

#Initial Attestation

#NSPE에서 SPE service 호출

#Custom secure partition

#MCUboot — secure boot + A/B

#SAU 설정

#측정 / 성능 비교

#자주 보는 함정

#정리

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