芯耀
202
STM32H7Sx 系列的 MCE（内存加密引擎）是专为外部存储安全设计的硬件加速模块，支持对 xSPI/FMC 连接的 Flash、PSRAM 等外部存储进行实时加解密，适配 “原地执行（XiP）”“加载后运行（Load&Run）” 等核心场景，可平衡安全等级与性能需求。本文基于 AN6088 应用笔记，拆解 MCE 的硬件实现、配置逻辑、使用场景与密钥管理，助力快速落地外部存储防护。
资料获取：如何在STM32 MCU上使用MCE进行加密/解密
1. MCE 核心概述
1.1 基本功能与价值
- 实时加解密：对外部存储的总线数据自动加密（写）/ 解密（读），无需 CPU 干预，不影响访问延迟；
- 区域隔离：每个 MCE 支持 4 个独立加密区域，最小粒度 4KB，可分别配置加密、特权、写保护属性；
- 安全防护：支持侧信道攻击（SCA）防护、防位翻转攻击，配合密钥隔离机制，保障外部存储数据机密性。
1.2 硬件实现与实例差异
STM32H7Sx 集成 3 个 MCE 实例，分别绑定不同外部存储接口，核心差异如下：
- MCE1：连接 xSPI1（NOR Flash/PSRAM），支持 AES-128（块模式 ECB / 流模式 CTR），支持普通 / 快速密钥派生；
- MCE2/3：MCE2 连 xSPI2，MCE3 连 FMC（SDRAM/FRAM），仅支持 Noekeon 块模式（~96 位安全等级），支持普通 / 快速密钥派生；
- 关键限制：xSPI 搭配 MCE 时需启用内存映射模式，写操作需通过 DMA 以 16 字节突发传输。
2. 核心配置：加密模式与密钥选择
2.1 加密模式选择（安全 vs 性能平衡）
MCE 的加密模式决定安全等级与访问延迟，需根据场景选型：
- 块模式（推荐优先）：
- 流模式（仅 MCE1 支持）：
- 适用场景：追求极致性能、无需部分更新（如只读代码）；
- 关键特性：AES-128 CTR 模式，无 SCA / 位翻转防护，需启用写保护避免重复加密；
- 延迟参考：11 周期（低延迟优势明显）。
2.2 密钥管理：同密钥 vs 不同密钥
外部存储加密支持两种密钥方案，各有优劣：
- 相同密钥（所有设备共用）：
- 优势：量产效率高（可批量预加密固件）、首次启动无延迟；
- 风险：密钥泄露则所有设备受影响，外部存储可跨设备复用；
- 适用场景：非核心代码 / 数据，对安全要求不高。
- 不同密钥（每设备唯一）：
- 优势：密钥基于 AHK（应用硬件密钥）生成，泄露仅影响单设备，外部存储不可跨设备复用；
- 实现：通过 RSSLib->DataProvisioning () API 生成，存储在 OBKeys（选项字节密钥），受 HDPL（硬件域隔离）保护；
- 适用场景：核心固件、敏感数据，需高安全等级。
3. 三大核心使用场景
3.1 原地执行（XiP）：直接从外部 Flash 运行
- 适用场景：代码体积大、无需复制到 RAM，追求存储效率；
- 保护逻辑：外部 Flash 的加密区域（如用户应用区、OEMuRoT 区）由 MCE 实时解密，CPU 无感知；
- 关键配置：
- 区域 2（用户应用区）：可选同密钥（预加密）或不同密钥（首次启动安装加密）；
- 区域 4（OEMuRoT 区）：强制用不同密钥，由 STiRoT（ST immutable 根信任）管理；
- 非加密区域（如下载区）：用传输密钥加密，无需 MCE 参与。
3.2 Load&Run（外部 RAM）：复制到外部 RAM 运行
- 适用场景：代码需高速运行，外部 RAM 容量大；
- 保护逻辑：MCE 加密外部 Flash 中的固件，复制到外部 RAM 时实时解密，同时支持外部 RAM 的动态加密（用 AHK 派生密钥）；
- 关键要求：外部 RAM 需用动态密钥（每次初始化生成），避免静态密钥风险。
3.3 Load&Run（内部 RAM）：复制到内部 RAM 运行
- 适用场景：代码体积小、追求最高运行速度，敏感代码隔离；
- 保护逻辑：MCE 仅加密外部 Flash，复制到内部 RAM 时解密，内部 RAM 无需额外加密；
- 资源限制：内部 RAM 最大 456KB（需预留～70KB 给 OEMuRoT 执行）。
4. 关键实施要点
4.1 密钥 provisioning 流程
- 生成：通过 RSSLib 的 DataProvisioning () API 生成 AHK（OBKey、MCE1、MCE2 密钥）；
- 隔离：密钥存储在对应 HDPL 域（STiRoT 用 HDPL1，OEMuRoT 用 HDPL2），高域密钥自动对低域隐藏；
- 擦除：触发 TAMP（防篡改）事件时，所有 MCE 密钥自动擦除。
4.2 调试与量产考量
- 调试：开发阶段用开发密钥配置 MCE；量产阶段（闭合状态）需通过调试认证（DA）打开 HDPL3 调试，不泄露高域密钥；
- 制造：可信环境可直接预加密固件；非可信环境需启用 SFI（安全固件安装），避免固件泄露。
4.3 避坑指南
- 禁止流模式部分更新：流模式下修改加密区域需全量重新加密，否则数据损坏；
- xSPI 配置约束：搭配 MCE 时必须启用内存映射模式，写操作强制 DMA 16 字节突发；
- 区域规划：提前划分加密 / 非加密区域，敏感数据优先用 MCE1 AES 块模式 + 不同密钥。
STM32H7Sx 的 MCE 通过硬件加速实现外部存储的实时安全防护，核心是 “模式选型适配场景 + 密钥隔离保障安全”：安全优先选 MCE1 AES 块模式 + 不同密钥，性能优先选 MCE1 流模式，XiP 场景直接用外部 Flash，高速场景选 Load&Run 到 RAM。配合 STiRoT/OEMuRoT 的根信任机制，可构建从启动到运行的全链路安全。
阅读全文
