Seminar OpenTitan – Firmwareentwicklung und Device Software

Die Sicherheitsfunktionen von OpenTitan werden erst durch das kontrollierte Zusammenspiel von Hardware und Firmware vollständig nutzbar. Das Seminar strukturiert die Device-Software vom unveränderlichen ROM über ROM_EXT und Owner-Stufen bis zu Diagnose-, Test- und Hostwerkzeugen.

Alle Arbeitsschritte werden entlang eines reproduzierbaren Entwicklungsablaufs behandelt: Zielkonfiguration auswählen, Hardwarezugriffe kapseln, Zustände prüfen, Fehler sicher behandeln, Firmware bauen, auf einer Zielplattform ausführen und die Ergebnisse nachvollziehbar dokumentieren.

Inhaltsübersicht

• Seminarziel
• Zielgruppe
• Voraussetzungen
• Lernziele
• Seminarinhalte
  • Firmwarearchitektur und Vertrauensstufen
  • Repositorystruktur und Zielkonfiguration
  • Hardwarezugriff mit DIFs und Laufzeitdiensten
  • Manifeste, Messwerte und sichere Übergaben
  • On-Device-Testframework und Diagnose
  • Hostkommunikation und Werkzeuge
  • Secure-Coding- und Freigabeprozess
• Praxisübungen

Seminarziel

Firmware für OpenTitan soll strukturiert entwickelt, sicher an Hardware-IP angebunden, mit den vorgesehenen Build- und Testmechanismen geprüft und in eine belastbare Boot- und Freigabekette eingeordnet werden können.

Zielgruppe

Embedded-Entwickler, Firmware Engineers, Security Engineers, technische Integratoren, Testentwickler und Verantwortliche für sichere Boot- und Updatekomponenten.

Voraussetzungen

Sichere C-Grundkenntnisse, Erfahrung mit eingebetteten Systemen und grundlegendes Verständnis von Speicherabbild, Interrupts, Registern und sicheren Bootketten. Linux- und Git-Grundkenntnisse werden vorausgesetzt.

Lernziele

• Firmwarestufen und ihre jeweiligen Vertrauensgrenzen unterscheiden
• Hardware-IP über Device Interface Functions kontrolliert ansprechen
• Manifeste, Messwerte, Versionsregeln und Fehlerpfade in die Firmwarearchitektur integrieren
• On-Device-Tests mit dem vorgesehenen Testframework strukturieren
• Build-, Flash-, Ausführungs- und Diagnoseabläufe reproduzierbar dokumentieren

Seminarinhalte

Schritt 1: Firmwarearchitektur und Vertrauensstufen

1. ROM, ROM_EXT, Owner-Bootstufe und Laufzeitfirmware nach Veränderbarkeit und Verantwortung ordnen
2. Übergaben zwischen den Stufen mit Eingaben, geprüften Eigenschaften und Fehlerreaktionen beschreiben
3. Creator- und Owner-Anteile in der Softwarestruktur kennzeichnen
4. Angriffsflächen durch externe Eingaben, Debugpfade und gemeinsam genutzte Speicher erfassen

Schritt 2: Repositorystruktur und Zielkonfiguration

1. Device-Libraries, Bootkomponenten, Tests und Hostwerkzeuge im Repository auffinden
2. Top-Level-, Plattform- und Chipkonfiguration für den vorgesehenen Build auswählen
3. Compiler-, Linker- und Bazel-Ziele den erzeugten Artefakten zuordnen
4. Buildparameter und Abhängigkeiten in einer wiederholbaren Arbeitsumgebung festhalten

Schritt 3: Hardwarezugriff mit DIFs und Laufzeitdiensten

1. Registerzugriffe über Device Interface Functions statt unkontrollierter Direktzugriffe strukturieren
2. Initialisierung, Konfiguration, Statusabfrage und Fehlerbehandlung eines IP-Blocks trennen
3. Interrupt- und Alertpfade in den Firmwareablauf integrieren
4. Timeouts, Polling, asynchrone Ereignisse und sichere Rückgabewerte einheitlich behandeln

Schritt 4: Manifeste, Messwerte und sichere Übergaben

1. Manifestfelder für Codebereich, Signatur, Version und Einstiegspunkt einordnen
2. Prüfreihenfolge für Grenzen, Integrität, Authentizität und Rollbackschutz definieren
3. Messwerte und Bindungsdaten an nachfolgende Firmwarestufen übergeben
4. Fehlerfälle so gestalten, dass kein unsicherer Teilzustand fortgesetzt wird

Schritt 5: On-Device-Testframework und Diagnose

1. Testprogramme mit Initialisierung, Testkörper und eindeutigem Ergebnisstatus aufbauen
2. UART-, Log- und Testprotokolle für automatisierte Auswertung strukturieren
3. Hardwareabhängige Tests für Simulation, FPGA und Silizium parametrisieren
4. Fehler durch Assertions, Statusregister, Dumps und reproduzierbare Testdaten eingrenzen

Schritt 6: Hostkommunikation und Werkzeuge

1. Transport, Zielgerät und Kommunikationskanal für Hostwerkzeuge konfigurieren
2. Firmware laden, starten und Statusinformationen auslesen
3. Kommandos und strukturierte Daten zwischen Host und Device robust austauschen
4. Berechtigungen, Geheimnisse und Protokolldaten im Laborbetrieb begrenzen

Schritt 7: Secure-Coding- und Freigabeprozess

1. Eingaben, Längen, Zustände und Rückgabewerte defensiv prüfen
2. Geheime Werte, temporäre Puffer und Fehlertexte nach Schutzbedarf behandeln
3. Codeanalyse, Tests und Reviewkriterien in eine Freigabekette einordnen
4. Artefakte, Konfiguration, Teststand und bekannte Einschränkungen versioniert dokumentieren

Praxisübungen

1. Ein kleines Device-Programm bauen, ausführen und anhand definierter Statusausgaben verifizieren
2. Einen Hardware-IP-Block über seine DIF initialisieren, konfigurieren und mit Fehlerfällen testen
3. Ein vereinfachtes Firmwaremanifest prüfen und sichere Abbruchbedingungen formulieren
4. Einen automatisierbaren On-Device-Test mit Hostauswertung erstellen
5. Eine Firmwareänderung mit Buildprotokoll, Testergebnissen und Freigabekriterien dokumentieren