ARMの最新アーキテクチャ「ARMv8-M」が目指す「セキュアMCU」とは：ARMv8-Mアーキテクチャ解説（1/3 ページ）

ARMの最新のMCU向けアーキテクチャ「ARMv8-M」は、同社が提唱する「セキュアMCU」に向けたものとなっている。本稿では、このセキュアMCUの定義と、その実装について解説する。

[大原雄介，MONOist]

　ARMは、2015年11月に米国カリフォルニア州サンタクララで開催された「ARM TechCon 2015」において、「Secure MCU（以下、セキュアMCU）」のアーキテクチャである「ARMv8-M」を発表。そして2016年10月の「ARM TechCon 2016」では、このARMv8-Mを実装したプロセッサコア「Cortex-M23」と「Cortex-M33」（以下、Cortex-M23/33）を発表した。

　ただ「そもそもセキュアMCUって何？」という疑問を抱かれる人も多いと思う。そこでちょっと原点に帰って、セキュアMCUというものの定義と、その実装をご紹介したいと思う。

図1　一般的なMCUの構成（クリックで拡大）

　図1は、一般的（？）なMCU（Micro Controller Unit、マイコン）の構成である。「MCUにキャッシュが入るのか？」と突っ込まれる方も居られようが、フラッシュメモリ（Flash Memory）の速度との兼ね合いになるため、一般論として動作周波数100MHz以上で駆動されるMCUの中にはキャッシュを搭載するものがちらちらと出始める。まぁこのあたりは速度との兼ね合いと考えて欲しい。あるいは、ここには入れてないが、スクラッチパッド（ScratchPad）あるいはTCM（Tightly Coupled Memory）といった、高速にアクセス可能なSRAM領域が別に搭載される場合もあるが、扱いとしてはSRAMと同じなので割愛する。

　で、8ビットの低速なMCUだとインターコネクト（Interconnect）が1つだったりするが、ある程度高速なMCUだとプロセッサパイプライン（Processor Pipeline）とメモリ周りをつなぐ高速なインターコネクトと、周辺回路をつなぐ低速なインターコネクトが分離され、そこにさまざまな通信モジュールを含む周辺回路が接続される。また一部の周辺回路で高速にデータ転送を行うため、DMAC（DMA Controller）が用意される。

　こうした全体の回路のメモリマップは、MPU（Memory Protection Unit）で管理される形だ。またこれとは別に、デバッグを行うためにJTAGインタフェースが搭載され、ICE（In-circuit Emulator）などを接続して、CPUの動作状況やメモリの内容、インターコネクトの状態などにアクセスできるようになっている。

　さて、この図1のMCUだが、どんな脆弱性があるのか。それをまとめたのが図2である。ありがちな話では、こっそりとトロイの木馬的なプログラムを動かすことで、プログラムやデータを改ざんしたり、あるいはデータを盗んでどこかに送り出したりといったことが可能になる。そのためにはトロイの木馬をまず仕込む必要があるわけだが、これも山ほど手法はあり、プログラムを格納するフラッシュメモリそのものの改ざんとか、データを格納するSRAMの動的な改ざんなどが主なところだ。

図2　一般的な構成のMCUに存在する脆弱性の数々（クリックで拡大）

　SRAMの改ざんに関してはスタックアンダーフロー（Stack underflow）とかスタックオーバーフロー（Stack overflow）を発生させることで、SRAM中に送り込んだデータをコードとして実行させるが一般的だ。中にはキャッシュ（Cache）を改ざんして、不正コードを実行させるなんて例もある。

　スタックアンダーフロー／オーバーフローそのものを発生させる主要因は、もともとのプログラムの不備であることが多い。副次的な要因としては、周辺回路からDMAC経由でメモリを改ざんする（この際に周辺回路の不具合を突くことが多い）手法があり、ついでにMPUの保護エリアも改ざんするといった念の入った手段が利用される。

　別の方法としては、JTAGポートからICEなどを使って侵入、という方法も環境によってはかなり有効である。また昨今はMCUが外部と通信を行うのは一般的であるが、この通信の傍受、改ざんも当然可能である。要するに、既存のMCUはある意味脆弱性の塊といって良い。