| Size | Name | Description | MACRO define |
| ---- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------- |
| 32 | USER\_{0:7} | 256 user defined eFUSEs:**Note:** In the **input.h**file (see text), write data in the XSK\_EFUSEPS\_USER{0:7}\_FUSES macro and execute the write by setting the XSK\_EFUSEPS\_USER{0:7}\_FUSE macro = True. | USER{0:7}\_FUSE |
| 1 | USER\_WRLK | 8 user-defined eFUSE locks.USER\_WRLK columns:0: Locks USER\_0,1: Locks USER\_1,...7: Locks USER\_7,**Note:** Each eFUSE permanently locks the entire corresponding user-defined USER\_{0:7} eFUSE row so it cannot be changed. | USER\_WRLK\_{0:7} |
| 1 | LBIST\_EN | Enables logic BIST to run during boot. | LBIST\_EN |
| 3 | LPD\_SC | Enables zeroization of registers in low power domain (LBD) during boot.**Note:** Any of the eFUSE programmed will perform zeroization. Xilinx recommends programming all of them. | LPD\_SC\_EN |
| 3 | FPD\_SC | Enables zeroization of registers in full power domain (FBD) during boot.**Note:** MGTs must be powered to perform zeroization of the FPD.**Note:** Any of the eFUSE programmed will perform zeroization. Xilinx recommends programming all of them. | FPD\_SC\_EN |
| 3 | PBR\_BOOT\_ERROR | When programmed, boot is halted on any PMU error. | PBR\_BOOT\_ERR |
| 32 | CHASH | PUF helper data（参考：2.2.1 PUF Helper Data） | N/A - handled by PUF registration software directly. |
| 24 | AUX | PUF helper data: ECC vector | N/A - handled by PUF registration software directly. |
| 1 | SYN\_INVLD | Invalidates PUF helper data stored in eFUSEs. | XSK\_PUF\_SYN\_INVALID |
| 1 | SYN\_LOCK | Locks PUF helper data from future programming. | XSK\_PUF\_SYN\_WRLK |
| 1 | REG\_DIS | Disables PUF registration. | XSK\_PUF\_REGISTER\_DISABLE |
| 1 | AES\_RD | Disables the AES key CRC integrity check for eFUSE key storage. | AES\_RD\_LOCK |
| 1 | AES\_WR | Locks AES key from future programming. | AES\_WR\_LOCK |
| 1 | ENC\_ONLY[^(1)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_29338_1_IMPORTANT)[^(2)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_36827_2_When_the_ENC) | When programmed, all partitions are required to be encrypted. Xilinx recommends using this only if security is required and the hardware root of trust (RSA\_EN) is not used. | ENC\_ONLY |
| 1 | BBRAM\_DIS | Disables the use of the AES key stored in BBRAM. | BBRAM\_DISABLE |
| 1 | ERR\_DIS | Prohibits error messages from being read via JTAG (ERROR\_STATUS register).**Note:** The error is still readable from inside the device. | ERR\_DISABLE |
| 1 | JTAG\_DIS[^(1)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_29338_1_IMPORTANT) | Disables JTAG. IDCODE and BYPASS are the only allowed commands. | JTAG\_DISABLE |
| 1 | DFT\_DIS[^(1)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_29338_1_IMPORTANT) | Disables design for test (DFT) boot mode. | DFT\_DISABLE |
| 3 | PROG\_GATE | When programmed, these fuses prohibit the PROG\_GATE feature from being engaged. If any of these are programmed, the PL is always reset when the PS is reset.**Note:** Only one eFUSE needs to be programed to prohibit the PROG\_GATE feature from being engaged. Xilinx recommends programming all three. | PROG\_GATE\_DISABLE |
| 1 | SEC\_LK | When programmed, the device does not enable BSCAN capability while in secure lockdown. | SECURE\_LOCK |
| 15 | RSA\_EN[^(1)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_29338_1_IMPORTANT)[^(2)^](https://docs.xilinx.com/r/dqE2tE0k~iMhpEDoQwXIKg/2Ubsx6RiXaJnAO2rAuCVYA?section=XREF_36827_2_When_the_ENC) | When any one of the eFUSEs is programmed, every boot must be authenticated using RSA. Xilinx recommends programming all 15 eFUSEs. | RSA\_ENABLE |
| 1 | PPK0\_WR | Primary public key write lock. When programmed, this prohibits future programming of PPK0. | PPK0\_WR\_LOCK |
| 2 | PPK0\_INVLD | When either of the eFUSEs are programmed, PPK0 is revocated. Xilinx recommends programming both eFUSEs when revocating PPK0. | PPK0\_INVLD |
| 1 | PPK1 WR | Primary public key write lock. When programmed this prohibits future programming of PPK1. | PPK1\_WR\_LOCK |
| 2 | PPK1\_INVLD | When either of the eFUSEs are programmed, PPK1 is revocated. Xilinx recommends programming both eFUSEs when revocating PPK1. | PPK1\_INVLD |
| 32 | SPK\_ID | Secondary public key ID.**Note:** Write the SPK ID bits into the XSK\_EFUSEPS\_SPK\_ID eFUSE array and set XSK\_EFUSEPS\_SPKID = True. | SPK\_ID |
| 256 | AES | User AES key**Note:** Write data in the XSK\_EFUSEPS\_AES\_KEY macro and execute the write by setting the XSK\_EFUSEPS\_WRITE\_AES\_KEYmacro = True. | AES\_KEY |
| 384 | PPK0 | User primary public key0 HASH**Note:** Write data in the XSK\_EFUSEPS\_PPK0\_HASH macro. To program 256 bits, use the LSBs and set XSK\_EFUSEPS\_PPK0\_IS\_SHA3 = False. To program 384 bits, set XSK\_EFUSEPS\_PPK0\_IS\_SHA3 = True. Execute the write by setting the XSK\_EFUSEPS\_WRITE\_PPK0\_HASH macro = True. | PPK0\_HASH |
| 384 | PPK1 | User primary public key1 HASH**Note:** Write data in the XSK\_EFUSEPS\_PPK1\_HASH macro. To program 256 bits, use the LSBs and set XSK\_EFUSEPS\_PPK1\_IS\_SHA3 = False. To program 384 bits, set XSK\_EFUSEPS\_PPK1\_IS\_SHA3 = True. Execute the write by setting the XSK\_EFUSEPS\_WRITE\_PPK1\_HASH macro = True. | PPK1\_HASH |
| N/A | PUF\_HD | Syndrome of PUF HD. These eFUSEs are programmed using Xilinx provided software, Xilskey | N/A - handled by PUF registration software directly. |
这个表，很关键，eFUSE会影响到ZYNQ处理器的工作状态、安全信息，配置错了之后，Xilinx已经声明不接受要求eFUSE复原的返厂件。在操作这些位的时候，尤其是Provisioning的时候，会影响其他非安全的测试。
> **IMPORTANT**: THESE INSTRUCTIONS MODIFY THE EFUSES ON THE ZCU102 DEVELOPMENT BOARD AND MAY LIMIT FUTURE USE OF THE DEVELOPMENT BOARD FOR NON-SECURE TESTING AND DEBUGGING!
### 2.2 PUF
#### 2.2.1 PUF Helper Data
PUF使用大约4Kb的辅助数据来帮助PUF在正确的寿命、规定的工作温度和电压范围内重新创建原始KEK值。辅助数据由Syndrome值、Aux值和Chash值组成（请参见表：PUF辅助数据）。助手数据可以存储在eFUSE或引导映像中。
| PUF Helper Data Field | Size (Bits) | Description |
| --------------------- | ----------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| Syndrome | 4060 | 鉴于环形振荡器在温度、电压和时间上的微小变化，这些比特有助于PUF恢复正确的PUF特征 |
| Aux | 24 | 这是一个汉明码，允许PUF对PUF签名执行某种程度的纠错。 |
| Chash | 32 | •如果CHASH未被编写，则只要使用（bh\_auth或rsa\_en），就可以使用boot-header black key。
•如果对CHASH进行了编写，则只要（使用bh\_auth或rsa\_en）且eFUSE的Syndrome数据未失效，就可以使用eFUSE的black key。
•如果对CHASH进行了编写，则只要使用（bh\_auth或rsa\_en）且efuse的Syndrome数据无效，就可以使用boot-header black key。
|
helper data 简单的说是帮助生成PUF key时候所需要的材料（Syndrome，Aux）。如图所示，生成PUF key及调用AES引擎的过程。PUF原数据复原的算法，可以参考：\[Helper Data Algorithms for PUF-Based Key Generation: Overview and Analysis]\() （有点专业和复杂。。） 特征值（Syndrome）和Aux（汉明距）是算法需要的输入。汉明距是实现比特纠错码的一种手段，可以参考，文献：\[ ]。
生成puf helper data的过程参考：
{% embed url="" %}
#### 2.2.2 PUF operations
只有CSU可以访问PUF，所以PUF的初始化包括黑密钥的产生，必然是在CSU阶段完成。PUF暴露出以下接口供CSU操作：
| Command | Description |
| --------------- | ------------------------------- |
| Registration | 产生一个新的KEK并且关联helper data |
| Re-registration | 产生一个新的KEK并且关联**新的**helper data |
| Reuse | 使用已经存在的KEK进行加解密，并且关联helper data |
当一个设备上电的时候，CSU bootROM会检测已经校验过的boot header，确认以下信息：
* 是否使用了PUF；
* 加密的密钥存储在哪里？（eFUSE 或者 boot image）
* helper data存储在哪里？（eFUSE 或者 boot image）
接着CSU初始化PUF，并且加载helper data，最后产生KEK，`这个过程叫做regeneration`。一旦KEK产生成功，CSU bootROM使用它来解密剩下boot image需要的key。
#### 2.2.3 PUF Control eFUSEs
eFUSE也给PUF留了一些功能接口：
| Command | Description |
| ------------ | ------------------------- |
| REG\_DIS | 屏蔽PUF的注册 |
| SYN\_INVALID | 使存在eFUSE上的helper data无效 |
| SYN\_LOCK | 屏蔽修改eFUSE上的helper data的功能 |
Xilinx也做了PUF的强度分析，包含加密，安全强度KEK，过温过压的测试的数据报告，需要联系FAE或者销3. Example售才可以拿到这个报告。
### 3.1 Provisioning
Provisioning是所有安全机制的基础。其目的是把根凭证写入eFUSE或者其他存储密钥的敏感介质。包含RSA的根密钥，也包含GCM的Key。
在ZYNQ中我们需要Provisioning的内容：
* PPK HASH （主引导Primary Public Key Hash）
* GCM-AES Key （用于image解密）
* PSK ID (写入key的id信息，作为PUF解密时候比对，参考'防重放攻击'一节)
在调试阶段为了不伤害eFUSE。对于PPK HASH，zynq提供了bh\_boot模式，即可以绕过eFUSE的PPK HASH检测，直接使用AC中的hash值。
同样，为了不伤害eFUSE。对于GCM-AES key，我们可以不使用eFUSE，而把Key烧录到BBRAM中。
**在调试阶段，推荐配置为**：
* **ppk hash**，对于验证，使用bh\_boot（不需要包含到Provisioning过程中）
* **gcm aes key**，对于验证，使用bbram （需要包含到Provisioning过程中）
* id
* **ID**，对于验证，在bootgen阶段选择`spk_id = 0`，不需要包含到Provisioning中。
**在产品阶段，必须配置为**： ppk hash 和 gcm aes key都需要在eFUSE中。
我们可以把完整的Provisioning过程总结为：
* 手动产生两对RSA密钥，产生gcm-aes-key；
* 使能PUF eFUSE的配置；
* 使用写入寄存器的方法写入eFUSE。
**可以通过JTAG烧录eFUSE（这种方法数据操作互动型，具备一定的危险性，eFUSE烧录不可撤销），因此建议使用配置寄存器的方法烧录eFUSE**。
#### 3.1.1 Gen Key
密钥生成主要是需要以下材料：
* AES Key Generation
* 输出nky文件（包含key和iv）
* RSA Asymmetric Key Generation
* 输出1：psk0.pem
* 输出2：ssk0.pem
* Generate SHA3 of Public RSA Asymmetric Key
* 输出是：sha3.txt
#### 3.1.2 PUF eFUSE config
PUF eFUSE的配置需要使用Vitis建立AP的工程，使用ZYNQ上面的AP来完成PUF的配置。非常重要的提示：**这一步会修改eFUSE上面的内容**！
需要配置的项目是：
* XSK\_PUF\_INFO\_ON\_UART
* XSK\_PUF\_PROGRAM\_EFUSE
* XSK\_PUF\_PROGRAM\_SECUREBITS
* XSK\_PUF\_SYN\_WRLK
* XSK\_PUF\_AES\_KEY
* XSK\_PUF\_IV
`XSK_PUF_AES_KEY`是用户指定的，而且这个`XSK_PUF_IV`和AES Key Generation中的IV不相关。这个IV是用于PUF KEK的red key加密。
#### 3.1.3 RSA eFUSE config
这一步是配置RSA相关的信息到eFUSE上面，非常重要的提示：**这一步会修改eFUSE上面的内容**！
* XSK\_EFUSEPS\_RSA\_ENABLE
* XSK\_EFUSEPS\_PPK0\_WR\_LOCK
* XSK\_EFUSEPS\_WRITE\_PPK0\_HASH
* XSK\_EFUSEPS\_PPK0\_HASH
#### 3.1.4 RSA Key Revocation Support
RSA密钥提供了撤销一个分区的**secondary**密钥（SPK）的能力，而无需撤销所有分区的密钥。这是通过使用新的BIF参数`spk_select`利用`USER_FUSE0`到`USER_FUSE7` 位域实现（如果这些位域没有用于表示其他信息，只用于表示密钥的id，最多可以撤销256个SPK，如图所示）。
下图表示ZYNQ使用SPK\_ID进行SPK revocation的过程。
以下是使用辅助密钥创建经过身份验证的映像的步骤：
* 使用bootgen生成RSA密钥对。
* 我们在步骤1中生成了一个辅助密钥（SSK）。如果需要更多的SSK，请重复步骤1以创建SSK密钥。
* 使用bootgen和下面的bif文件模板生成经过验证的引导映像。下面的模板假设bootloader和u-boot使用\[sskfile]标记提供的密钥进行了验证，并且该密钥根据eFUSE中存储的SPK\_ID进行了验证；PMU FW和ATF images使用sskfile提供的密钥进行验证，并根据存储在USER\_eFUSE中的SPK\_ID bitmap 验证该密钥。(确保在生成映像时使用命令行参数–efuseppkbits\命令bootgen生成PPK哈希。)
* 使能RSA认证通过设定 “RSA\_EN” 在eFUSE上. 参考 [Programming BBRAM and eFUSEs Application Note (XAPP1319)](https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp1319-zynq-usp-prog-nvm.pdf)
* 写入在第三步创建的PPK的SHA-3 hash 到eFUSE的PPK0 hash位域。
确保在生成image时使用命令行参数–efuseppkbits\命令bootgen生成PPK hash。
**模板示例**：\
image header和FSBL使用不同的SSK进行身份验证（分别为ssk1.pem和ssk2.pem），用以下bif文件：
```
the_ROM_image: {
[auth_params]ppk_select = 0
[pskfile]psk.pem
[sskfile]ssk1.pem
[bootloader, authentication = rsa, spk_select = spk-efuse, spk_id = x00000001, sskfile = ssk2.pem]zynqmp_fsbl.elf
[destination_cpu =a53-0, authentication = rsa, spk_select = user-efuse,spk_id = 0x1, sskfile = ssk3.pem]Application1.elf
[destination_cpu =a53-0, authentication = rsa, spk_select = spk-efuse, spk_id = 0x00000001, sskfile = ssk4.pem]Application2.elf
}
```
相同的SSK将作用于image header和FSBL（ssk2.pem）：
```
the_ROM_image: {
[auth_params]ppk_select = 0 [pskfile]psk.pem
[bootloader, authentication = rsa, spk_select = spk-efuse, spk_id = 0x00000001, sskfile = ssk2.pem]zynqmp_fsbl.elf
[destination_cpu =a53-0, authentication = rsa, spk_select = user-efuse, spk_id = 1, sskfile = ssk3.pem]Application1.elf
[destination_cpu =a53-0, authentication = rsa, spk_select = spk-efuse, spk_id = 0x00000001, sskfile = ssk4.pem]Application2.elf
}
```
注意：
* `spk_select = spk-efuse` 表示 指定的分区将会使用`spk_id`eFUSE位域。
* `spk_select = user-efuse` 指示 指定的分区将会使用user eFUSE位域，而CSU ROM总是使用`spk_id`eFUSE位域。
### 3.2 PUF Enc/Dec demo
完成上面PUF的注册，我们假定eFUSE和PUF的配置已经OK了，现在我们需要编写APU(Application Processor Unit)的固件（bare-mental程序），来使用PUF的加密和解密功能。
该固件是在xilinx的vitis ide上完成的，vitis已经集成了ZYNQ所用的bsp驱动包，并提供了相应的操作key、加密解密、访问寄存器、控制外设等接口。
打开vitis ide创建工程：
选择bsp包：
选择processor为APU (Application Processor Unit)：CortexA53\_0：
导入bare-mental的源码（下面就是源码核心）：
源码进行编译：
最后生成`BOOT.BIN`文件，将其复制到SD卡的boot分区。启动即可运行。
#### 3.2.1 加密
对于一个PUF加密过程的程序：
```c
void puf_encrypt(u8 *Iv, u8 *Dst, u8 *Src, u32 Size) {
XCsuDma_Config *Config;
XCsuDma_Configure ConfigurValues = {0};
/* Configure PUF configuration 0 and configure the shutter. */
XilSKey_WriteReg(XSK_ZYNQMP_CSU_BASEADDR, XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_CFG0,
XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_CFG0_DEFAULT);
XilSKey_WriteReg(XSK_ZYNQMP_CSU_BASEADDR, XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_SHUT,
XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_SHUT_DEFAULT);
// Spin up the PUF and connect the key to the AES engine
XilSKey_WriteReg(XSK_ZYNQMP_CSU_BASEADDR, XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_CMD,
XSK_ZYNQMP_PUF_REGENERATION);
/* Wait for the PUF regeneration to complete. */
usleep(PUF_REGEN_TIME_US);
/* Initialize & configure the DMA */
Config = XCsuDma_LookupConfig(XSK_CSUDMA_DEVICE_ID);
XCsuDma_CfgInitialize(&CsuDma, Config, Config->BaseAddress);
/* Initialize AES engine */
XSecure_AesInitialize(&AesInstance, &CsuDma, XSK_PUF_DEVICE_KEY, (u32 *) Iv, NULL);
/* Set the data endianess for IV */
XCsuDma_GetConfig(&CsuDma, XCSUDMA_SRC_CHANNEL,
&ConfigurValues);
ConfigurValues.EndianType = 1U;
XCsuDma_SetConfig(&CsuDma, XCSUDMA_SRC_CHANNEL,
&ConfigurValues);
/* Enable CSU DMA Dst channel for byte swapping.*/
XCsuDma_GetConfig(&CsuDma, XCSUDMA_DST_CHANNEL,
&ConfigurValues);
ConfigurValues.EndianType = 1U;
XCsuDma_SetConfig(&CsuDma, XCSUDMA_DST_CHANNEL,
&ConfigurValues);
/* Request to encrypt the AES key using PUF Key */
XSecure_AesEncryptData(&AesInstance, (u8 *) Dst, (u8 *) Src, Size);
/* Clear the PUF key. */
XilSKey_WriteReg(XSK_ZYNQMP_CSU_BASEADDR, XSK_ZYNQMP_CSU_PUF_CMD,
XSK_ZYNQMP_PUF_RESET);
}
```
#### 3.2.2 解密
## Ref
1. [External Secure Storage Using the PUF Application Note](https://docs.xilinx.com/r/en-US/xapp1333-external-storage-puf/External-Secure-Storage-Using-the-PUF-Application-Note)
2. [Programming BBRAM and eFUSEs Application Note (XAPP1319)](https://docs.xilinx.com/v/u/en-US/xapp1319-zynq-usp-prog-nvm)
3. [Zynq UltraScale+ Device Technical Reference Manual (UG1085) - Security](https://docs.xilinx.com/r/en-US/ug1085-zynq-ultrascale-trm/Introduction?tocId=A~Ce_pZ6I0b4P1VxSk8qcg)
4. [secure-boot-encrypted-data-storage](https://www.timesys.com/security/secure-boot-encrypted-data-storage/)
