Modern Embedded Recipes · 21/152

ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC

2026년 4월 11일 · Hawk · 4분 읽기

recipes arm trustzone

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#한 줄 요약

“TrustZone-M은 하나의 코어에 두 개의 세계를 만듭니다.” Secure에 두면 NS 세계가 절대 접근할 수 없고, NS 코드가 죽어도 Secure는 살아 있습니다.

#어떤 상황에서 쓰나

펌웨어 무결성 검증과 secure boot
키 저장과 암호 연산 격리
보안 인증 칩(예: 결제, 의료) 설계
IoT 디바이스의 보안 요구 대응

#핵심 개념

#1) Secure / Non-Secure world

TrustZone-M은 같은 CPU에서 두 모드로 동작합니다.

1
   Secure world (S)              Non-Secure world (NS)
2
   ─────────────                 ─────────────
3
   secure boot code              application
4
   crypto keys                   user task
5
   secure storage                일반 IRQ
6
   PUF / unique ID

각 world는 별도의 stack, MPU region, vector table, system register를 갖습니다(banked register).

#2) Memory 분류 — Secure / NS / NSC

주소 영역별 보안 속성.

속성	의미
S (Secure)	NS에서 접근 불가
NS (Non-Secure)	누구나 접근 가능
NSC (Non-Secure Callable)	NS가 S 함수를 호출할 수 있는 gateway 영역

NSC 영역은 S 코드인데 NS에서 진입을 허용합니다. SG(Secure Gateway) 명령으로 진입합니다.

#3) SAU / IDAU — 누가 어디를 정하나

IDAU (Implementation Defined Attribution Unit) — chip vendor가 고정 영역을 정합니다 (예: STM32L5).
SAU (Security Attribution Unit) — 소프트웨어가 runtime에 영역을 설정합니다.

두 결과의 logical AND 또는 OR로 최종 보안 속성이 결정됩니다.

1
// SAU region 0: 0x10000000~0x1003FFFF를 NS로
2
SAU->RNR = 0;
3
SAU->RBAR = 0x10000000;
4
SAU->RLAR = 0x1003FFE0 | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;
5

6
SAU->CTRL = SAU_CTRL_ENABLE_Msk;

#4) Secure Gateway — NSC

NS 코드가 S 함수를 호출하려면 NSC 영역에 있는 SG 명령을 거쳐야 합니다.

1
// S 영역의 함수
2
__attribute__((cmse_nonsecure_entry))
3
int secure_compute(int x) {
4
    return x * 2 + secret_key;
5
}

cmse_nonsecure_entry로 attribute를 단 함수는 NSC 영역에 컴파일되고, 진입부에 SG 명령이 들어갑니다. NS 코드는 일반 함수 호출처럼 부르고, CPU가 자동으로 S로 전환합니다.

#5) Banked register와 IRQ

S와 NS는 별도의 SP, control register, MPU 설정을 가집니다.

1
Banked: MSP_S, MSP_NS, PSP_S, PSP_NS, CONTROL_S, CONTROL_NS, ...
2
Shared: 일반 R0~R12, PC

IRQ는 NVIC에서 S 또는 NS로 라우팅 됩니다. AIRCR.PRIS bit으로 S IRQ가 NS보다 절반 priority space만 차지하도록 분리할 수 있습니다.

#코드 / 실제 사용 예

STM32L5에서 secure boot 단순 예시입니다.

1
// S 영역의 boot code
2
void secure_boot(void) {
3
    // 1. 펌웨어 hash 검증
4
    if (!verify_firmware()) {
5
        flash_erase();
6
        reset();
7
    }
8

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    // 2. SAU/IDAU 설정 — NS 영역 정의
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    setup_sau();
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    // 3. NS 영역의 reset handler 호출
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    typedef void (*ns_func_t)(void) __attribute__((cmse_nonsecure_call));
14
    ns_func_t ns_reset = (ns_func_t)(0x08040000 + 4);
15
    ns_reset();
16

17
    // 여기로 돌아오지 않음
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}

NS에서 S 함수 호출:

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// NS 측 헤더 — S에서 export된 함수 선언
2
extern int secure_compute(int x);
3

4
void ns_main(void) {
5
    int result = secure_compute(10);    // SG로 자동 진입
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    printf("got %d\n", result);
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}

빌드:

1
# S 빌드
2
arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m33 -mcmse \
3
    -DCORE_CM33 secure.c -o secure.elf
4

5
# NS 빌드 — S의 export library 링크
6
arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m33 \
7
    nonsecure.c secure_lib.o -o nonsecure.elf

#측정 / 비교

동작	Cortex-M33 cycle
NS → S 진입 (SG)	4 ~ 5 cycle
S → NS 리턴 (BXNS)	4 cycle
Banked register 접근	1 cycle (각 world에서)
Cross-world IRQ entry	~12 ~ 15 cycle

Region 수	단위
SAU region	8
MPU_S region	8 ~ 16
MPU_NS region	8 ~ 16

#자주 보는 함정

⚠️ NS에서 S 영역 직접 접근

NS code가 S 영역의 주소를 read/write하면 BusFault. 일부러 시도하면 빠른 secure violation 감지.

⚠️ SAU region overlap

SAU와 IDAU 영역이 겹치면 우선순위 규칙이 chip마다 다릅니다. 데이터시트 확인 후 비-overlap으로 설계.

⚠️ NSC 영역에 SG 없는 함수 두기

cmse_nonsecure_entry 없이 함수를 NSC 영역에 두면 NS 진입 시 SG 명령이 없어 fault. 컴파일 옵션 -mcmse 필수.

⚠️ NS 코드가 S secret를 stack에 누적

S 함수 진입 시 S stack을 쓰지만, 호출 인자는 register로 들어옵니다. callee가 결과를 반환할 때 register clean을 안 하면 NS가 S 내부 값을 볼 수 있습니다. cmse_nonsecure_entry가 자동으로 clean 해 줍니다.