i.MX8MP QSPI 安全启动实操：基于 HABv4 与 CST 的信任链构建方案

NXP i.MX8MP 作为面向中高端嵌入式场景的 SoC，其 QSPI（FlexSPI NOR）安全启动基于 HABv4（High Assurance Boot v4）机制，通过数字签名验证确保只有授权镜像才能启动，防止固件篡改与非授权执行。该方案核心依赖 CST（Code Signing Tool）生成密钥与签名镜像，结合芯片 Fuse 烧录建立信任根，实现从 Boot ROM 到应用层的全链路安全验证。本文详解 i.MX8MP QSPI 安全启动的原理、镜像编译、签名流程与验证方法，适用于需要固件安全防护的嵌入式产品开发。

资料获取：在i.MX8MP上QSPI的安全启动

1. 核心原理与关键组件

1.1 安全启动核心逻辑

i.MX8MP 的安全启动通过 “信任链逐级验证” 实现，核心流程如下：

信任根建立：芯片出厂后，将 SRK（Super Root Key）哈希烧录至 Fuse，Boot ROM 仅信任该哈希对应的公钥证书；
镜像签名验证：启动镜像（SPL、U-Boot、ATF 等）经 CST 工具签名，包含 SRK 表、公钥证书与数字签名；
启动验证流程：
- 芯片复位后，Boot ROM 读取 QSPI Flash 中的镜像，提取 SRK 表哈希并与 Fuse 中的哈希比对；
- 比对通过后，用 SRK 公钥解密镜像签名，计算镜像哈希并与解密后的签名哈希比对；
- 所有验证步骤通过后，依次启动 SPL、ATF、U-Boot 等组件，任一环节失败则进入 SDP（Serial Download Protocol）模式。

1.2 关键组件解析

组件	作用	核心特性
HABv4	嵌入式在 Boot ROM 中的安全验证引擎	支持 RSA/SHA 加密算法，提供镜像签名验证 API
CST	签名工具（基于 OpenSSL）	生成 SRK 表、密钥对、数字签名，输出签名镜像
SRK	超级根密钥	4 个密钥组成 SRK 表，哈希烧录至 Fuse 作为信任根
CSF	命令序列文件	定义验证规则、SRK 配置、签名块位置
QSPI Flash	启动介质（FlexSPI NOR）	存储签名后的完整启动镜像，偏移 0x1000 开始

1.3 加密算法基础（RSA）

安全启动采用 RSA 非对称加密算法，核心流程：

生成密钥对：选取大质数 p、q，计算模 n=p*q，公钥 e（与 φ(n) 互质）、私钥 d（e 的模逆元）；
签名过程：对镜像计算 SHA-256 哈希，用私钥 d 加密哈希值，生成数字签名；
验证过程：用公钥 e 解密密文，得到哈希值，与镜像实际哈希比对，一致则验证通过。

2. 环境准备与工具清单

2.1 软硬件环境

硬件：i.MX8MP-EVK 开发板、QSPI Flash（32MB 及以上）、USB 调试线、JTAG 调试器（可选）；
软件：Ubuntu 20.04 主机、交叉编译工具链（aarch64-linux-gnu-）、NXP SDK 相关源码；
核心工具：
- imx-mkimage：镜像打包工具（生成 FIT 格式镜像）；
- uboot-imx：i.MX8MP 适配版 U-Boot 源码；
- imx-atf：ARM 可信固件（ATF，BL31 组件）；
- imx-optee-os：OPTEE OS（可选，用于安全执行环境）；
- CST 工具：NXP Code Signing Tool（版本 3.4.0 及以上）；
- uuu 工具：镜像烧录与 SDP 模式交互工具。

2.2 源码与工具下载链接

imx-mkimage：https://github.com/nxp-imx/imx-mkimage.git；
uboot-imx：https://github.com/nxp-imx/uboot-imx.git；
imx-atf：https://github.com/nxp-imx/imx-atf.git；
imx-optee-os：https://github.com/nxp-imx/imx-optee-os.git；
CST 工具：NXP 官网搜索 “IMX_CST_TOOL_NEW” 下载；
DDR 固件：https://www.nxp.com/lgfiles/NMG/MAD/YOCTO/firmware-imx-8.23.bin。

3. 分步实现流程

步骤 1：编译启动组件（U-Boot、ATF、OPTEE）

（1）编译使能 HAB 的 U-Boot

解压并进入 U-Boot 源码目录：
```
tar -xf uboot-imx.tar.gz
cd uboot-imx
```

启用 HAB 配置，编译 U-Boot：

# 加载默认配置
make imx8mp_evk_defconfig
# 启用HAB功能（或直接编辑.config文件添加CONFIG_IMX_HAB=y）
make menuconfig
# 编译
make -j$(nproc)

编译产物：生成u-boot.bin、spl/u-boot-spl.bin（第一阶段引导程序）。

（2）编译 ATF（BL31）

进入 ATF 源码目录，编译适配 i.MX8MP 的 BL31：

cd imx-atf
export LDFLAGS=
make PLAT=imx8mp SPD=opteed bl31 -j$(nproc)

编译产物：build/imx8mp/release/bl31.bin（ARM 可信固件）。

（3）编译 OPTEE OS（可选）

安装交叉编译工具链，编译 OPTEE：

sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu
cd imx-optee-os
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make PLATFORM=imx-mx8mpevk -j$(nproc)

编译产物：out/arm-plat-imx/core/tee-raw.bin（安全执行环境镜像）。

步骤 2：打包 FIT 格式启动镜像（imx-mkimage）

（1）准备依赖文件

进入 imx-mkimage 目录，创建 iMX8M 文件夹并复制组件：

cd imx-mkimage
mkdir -p iMX8M
# 复制U-Boot相关文件
cp ../uboot-imx/u-boot.bin iMX8M/
cp ../uboot-imx/spl/u-boot-spl.bin iMX8M/
cp ../uboot-imx/arch/arm/dts/imx8mp-evk.dtb iMX8M/
cp ../uboot-imx/tools/mkimage iMX8M/mkimage_uboot
# 复制ATF与OPTEE
cp ../imx-atf/build/imx8mp/release/bl31.bin iMX8M/
cp ../imx-optee-os/out/arm-plat-imx/core/tee-raw.bin iMX8M/tee.bin
# 复制DDR固件（从firmware-imx-8.23.bin解压）
cp ../firmware-imx-8.23/lpddr4_* iMX8M/

（2）生成 FIT 镜像（flash.bin）

执行打包命令，生成 QSPI 启动镜像：
```
make SOC=iMX8MP flash_evk_flexspi
```

关键输出：镜像偏移信息（需记录用于后续签名），示例：

Loader IMAGE: header_image_off=0x1000, csf_off=0x3b000
Second Loader IMAGE: sld_header_off=0x60000, sld_csf_off=0x61020
fit-fdt csf_off=0x63020

步骤 3：生成密钥与 CSF 配置文件（CST 工具）

（1）生成 PKI 密钥与 SRK 表

解压 CST 工具，进入 keys 目录生成密钥对：
```
cd cst-3.4.0/keys
./hab4_pki_tree.sh
```
按提示配置参数（密钥类型 RSA、长度 2048、有效期等），生成文件：
- SRK 表：SRK_1_2_3_4_table.bin；
- 公钥证书：CSF1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem、IMG1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem；
- 私钥文件：CSF1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_key.pem、IMG1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_key.pem。

（2）编写 CSF 配置文件

CSF 文件定义 HAB 验证规则，需针对 3 个镜像块分别编写（spl_csf.txt、fit_csf.txt、fit_fdt_csf.txt）：

1. spl_csf.txt（SPL 镜像签名配置）

[Header]
Version = 4.3
Certificate Format = X509
Hash Algorithm = sha256
Engine = CAAM
Engine Configuration = 0
Signature Format = CMS

[Install SRK]
File = "../crts/SRK_1_2_3_4_table.bin"
Source index = 0

[Install CSFK]
File = "../crts/CSF1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate CSF]

[Unlock]
Engine = CAAM
Features = MID

[Install Key]
Verification index = 0
Target index = 2
File = "../crts/IMG1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate Data]
Verification index = 2
Blocks = 0x91ffc0 0x1000 0x3a000 "flash.bin"

2. fit_csf.txt（FIT 镜像签名配置）

[Header]
Version = 4.3
Hash Algorithm = sha256
Engine = CAAM
Engine Configuration = 0
Certificate Format = X509
Signature Format = CMS

[Install SRK]
File = "../crts/SRK_1_2_3_4_table.bin"
Source index = 0

[Install CSFK]
File = "../crts/CSF1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate CSF]

[Install Key]
Verification index = 0
Target index = 2
File = "../crts/IMG1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate Data]
Verification index = 2
Blocks = 0x401fadc0 0x060000 0x01020 "flash.bin", 
         0x40200000 0x065000 0x1148b0 "flash.bin", 
         0x403148b0 0x1798b0 0x14910 "flash.bin", 
         0x970000 0x18e1c0 0xc150 "flash.bin", 
         0x56000000 0x19A310 0x91390 "flash.bin"

3. fit_fdt_csf.txt（FDT 镜像签名配置）

[Header]
Version = 4.3
Hash Algorithm = sha256
Engine = CAAM
Engine Configuration = 0
Certificate Format = X509
Signature Format = CMS

[Install SRK]
File = "../crts/SRK_1_2_3_4_table.bin"
Source index = 0

[Install CSFK]
File = "../crts/CSF1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate CSF]

[Install Key]
Verification index = 0
Target index = 2
File = "../crts/IMG1_1_sha256_2048_65537_v3_usr_crt.pem"

[Authenticate Data]
Verification index = 2
Blocks = 0x401fadc0 0x60000 0x3020 "flash.bin"

步骤 4：签名镜像（CST 工具）

执行 CST 命令生成签名块，并写入 flash.bin：

# 签名SPL镜像
cst-3.4.0/linux64/bin/cst -i spl_csf.txt -o csf_spl.bin
dd if=csf_spl.bin of=signed_flash.bin seek=$((0x3b000)) bs=1 conv=notrunc

# 签名FIT镜像
cst-3.4.0/linux64/bin/cst -i fit_csf.txt -o csf_fit.bin
dd if=csf_fit.bin of=signed_flash.bin seek=$((0x61020)) bs=1 conv=notrunc

# 签名FDT镜像
cst-3.4.0/linux64/bin/cst -i fit_fdt_csf.txt -o csf_fdt.bin
dd if=csf_fdt.bin of=signed_flash.bin seek=$((0x63020)) bs=1 conv=notrunc

产物：signed_flash.bin（完整签名后的 QSPI 启动镜像）。

步骤 5：烧录镜像与验证安全启动

（1）烧录签名镜像到 QSPI Flash

将开发板设置为 SDP 模式，连接 USB 线，用 uuu 工具烧录：
```
uuu.exe -b qspi signed_flash.bin
```
烧录完成后，切换开发板为 QSPI 启动模式。

（2）验证安全启动状态

上电启动开发板，通过串口进入 U-Boot 命令行；

执行hab_status命令验证：

u-boot=> hab_status
Secure boot disabled
HAB Configuration: 0xf0, HAB State: 0x66
No HAB Events Found!

关键判断：“No HAB Events Found!” 表示镜像签名验证通过；若有错误事件，需检查 CSF 配置或签名流程。

（3）烧录 Fuse 启用永久安全启动（可选）

若需启用永久安全启动（防止镜像篡改），烧录 SEC_CONFIG [1] Fuse：

u-boot=> fuse prog 1 3 0x20000000

注意：Fuse 烧录后不可恢复，烧录前需确保镜像验证无错误。

4. 关键避坑事项

密钥与 CSF 配置一致性：CSF 文件中的 SRK 表路径、密钥索引需与 CST 生成的 PKI 文件一致，否则验证失败；
镜像偏移准确性：签名时的seek偏移需严格匹配 imx-mkimage 输出的csf_off值，偏移错误会导致 HAB 无法找到签名块；
工具版本兼容性：CST 工具需使用 3.4.0 及以上版本，否则不支持 i.MX8MP 的 HABv4 特性；
交叉编译环境配置：确保 aarch64-linux-gnu - 工具链正确安装，且环境变量生效，避免编译产物格式错误；
Fuse 烧录谨慎操作：永久安全启动启用后，无法修改镜像，需在测试验证无误后再烧录 Fuse。

5. 常见问题排查

5.1 烧录后无法启动，进入 SDP 模式

排查方向：
1. 启动模式设置错误（未切换为 QSPI 启动）；
2. 镜像打包时 DDR 固件缺失或错误；
3. HAB 验证失败（CSF 配置错误或密钥不匹配）；
解决方法：重新确认启动模式，检查 DDR 固件是否正确复制，通过hab_status查看错误事件。

5.2 `hab_status`显示验证错误

排查方向：
1. 签名时使用的 SRK 表与 Fuse 中的哈希不一致；
2. CSF 文件中的Blocks参数（地址、长度）错误；
3. 镜像被篡改（签名后修改了 flash.bin）；
解决方法：重新生成 SRK 表并烧录 Fuse，核对 CSF 中的Blocks参数与 imx-mkimage 输出一致，确保签名后镜像未被修改。

5.3 CST 工具签名失败，提示 “证书格式错误”

排查方向：CSF 文件中Certificate Format配置错误，或证书文件路径错误；
解决方法：确保Certificate Format = X509，且File参数指向正确的.pem 证书文件。

i.MX8MP QSPI 安全启动的核心是 “信任链构建 + 数字签名验证”，通过 HABv4 引擎、CST 工具与 RSA 算法实现固件安全防护。关键步骤包括启动组件编译、FIT 镜像打包、PKI 密钥生成、CSF 配置与镜像签名，最终通过 QSPI 烧录与验证完成安全启动部署。

该方案适用于工业控制、车载电子、消费电子等对固件安全要求较高的场景，有效防止非授权镜像执行与固件篡改。开发过程中需重点关注配置一致性与偏移准确性，确保信任链各环节验证通过。