树莓派4B安装并使用TPM模块

2023-10-31 01:59
文章标签 模块 安装 使用 树莓 4b tpm

本文主要是介绍树莓派4B安装并使用TPM模块，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

 设备准备

  • 树莓派4B
  • Ubuntu18.04.6虚拟机
  • SD卡（已安装树莓派系统）
  • 读卡器
  • TPM模块（本文以国民技术Z32H30TC模块为例）

说明：本文以树莓派4B为例。如果树莓派型号不同还需要参考文末的参考链接。结合本文内容，相信你一定能弄明白。

安装依赖项

第一行安装一些后续程序所需要的包；第二行安装32位内核的交叉编译工具。

为什么需要交叉编译工具呢？这是由于我们使用的Ubuntu是基于Linux的64位系统，但是我们想要编译的树莓派系统内核是32位的ARM架构程序。因此需要借助交叉编译工具进行编译。

注意：没有依赖项和交叉编译工具后面的步骤无法顺利进行，请确保所有依赖项和交叉编译工具均已安装。此外，交叉编译工具仅用于交叉编译arm32位程序，如果想编译64位内核请参考文末的链接。

sudo apt install git bc bison flex libssl-dev make libc6-dev libncurses5-dev
sudo apt install crossbuild-essential-armhf

下载内核源码

--depth=1保证只下载最新版本的树莓派内核源代码。如果没有该参数则会下载所有的分支。如果不是想进行开发，建议使用git下载时都加上--depth参数。

如果想下载特定版本的树莓派内核，请打开GitHub - raspberrypi/linux: Kernel source tree for Raspberry Pi-provided kernel builds. Issues unrelated to the linux kernel should be posted on the community forum at https://forums.raspberrypi.com/在branch中寻找合适的版本并使用git下载到本地。

经测试，树莓派4B不能使用高于5.15.y版本的内核，因此需要使用下面的命令下载5.15版本的内核。(测试了6.1.y版本不行，5.18.y版本不行，5.15y版本可以)

git clone -b rpi-5.15.y --single-branch --depth=1 https://github.com/raspberrypi/linux
下载不同版本的树莓派系统内核
图1 下载不同版本的树莓派内核

预配置

进入刚刚下载树莓派源代码目录，设置环境变量KERNEL，并使用make指定bcm2711_defconfig配置模板生成arm架构32位的配置文件。

  • ARCH=arm代表架构位arm32位架构；
  • CROSS_CPMPILE指定交叉编译工具为linux平台交叉编译arm32位工具；
  • 最后指定初始配置文件的模板为bcm2711_defconfig。

注意：树莓派版本不同，这里设置的环境变量KERNEL不同，所使用的配置模板也不同。其他型号的具体参数设置请参考文末链接。

cd linux
KERNEL=kernel7l
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2711_defconfig

配置内核

由于树莓派5.15y版本默认将TPM2.0 SPI作为模块编译，因此不再需要配置内核。如果想自定义内核或者使用的内核版本太低没有开启TPM2.0 SPI选项，则需要手动开启。这里主要讲一下怎么手动开启TPM2.0。

首先使用make工具打开linux内核配置菜单。64位内核在这与此命令不同，请结合本文内容并参考文末链接：

ARCH和CROSS_COMPILE参数与预配置中的参数和意思相同，不再赘述。最后的menuconfig命令指示打开linux配置菜单。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

到menuconfig菜单选中Device Drivers----Character devices---<M>TPM Hardware support
选中TPM Interface Specification 1.3 Interface / TPM 2.0 FIFO Interface - (SPI)模块，按下 m 键将其前面变为[M]。返回并保存内核配置文件。如果不会内核配置操作，下方为内核配置的教程。如果可以成功开启请跳转至下一步。

内核配置相关操作（选看）

在配置菜单中，使用方向键移动光标；使用 y 键选择功能，可以将该功能编译进内核，此时功能前面变为[*]；使用m键选中功能，可以将该功能作为模块编译，此时功能前面变为[M]；使用 n 键可以取消选中，此时功能前面变为[ ]。

图2 内核配置菜单

在配置内核时，有时想将功能编译进内核，但是会如下图提示：

图3 将功能编译进内核却报错

这是因为这个功能还依赖于其他功能。而其他功能是被作为模块编译的。因此要想将该功能编译进内核，就也得把它依赖的功能编译进内核。所以，我们回到功能页面，按下 h 键就可以看到它依赖的都是哪些功能了。

图4 查看所依赖的功能

我们只需寻找到这些功能，并把它也配置为编译进内核就好了。怎么寻找呢？我们可以按下 / 键调出搜索菜单，然后输入功能的名字就可以查找到这个模块啦。找到模块位置后，将其状态设置为 [*] 就可以啦。此时再回到原来的功能，就可以成功将其编译进内核了。

图5 查找功能位置

最后不断按ESC返回上级菜单，提示选择YES保存即可。

准备设备树文件

设备树源码由厂家提供，请向厂家索要对应模块在树莓派上的tpm设备树源码。特别的，英飞凌的slb9670模块不需要准备设备树文件。因为该模块的设备树文件已经集成到树莓派系统4.15.0-1036.38以上的内核中：Bug #1822036 “Add devicetree overlay to support the SLB9670 TPM ...” : Bugs : linux-raspi2 package : Ubuntu

此处以国民技术的Z32H30TC模块为例，其设备树源码如下：

/** Device Tree overlay for the Nationz TPM 2.0(Nationz Z32H330TC) for the RPI**//dts-v1/;
/plugin/;/ {compatible = "brcm,bcm2835", "brcm,bcm2708", "brcm,bcm2709";fragment@0 {target = <&spi0>;__overlay__ {status = "okay";};};fragment@1 {target = <&spidev0>;__overlay__ {status = "disabled";};};fragment@2 {target = <&spi0>;__overlay__ {/* needed to avoid dtc warning */#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;z32h330tc: z32h330tc@0{compatible = "tcg,tpm_tis-spi";reg = <0>;	/* CE0 */#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;spi-max-frequency = <49800000>;status = "okay";};};};
};

 复制该设备树源码，执行以下代码：

cd arch/arm/boot/dts/overlays/
nano nations-tpm-z32h330tc.dts

粘贴设备树源码。按Ctrc+X退出编辑模式。然后依据提示按Y保存缓冲区的数据。最后按Enter写入文件。

此处的文件名可以推荐依据tpm厂家和tpm的具体型号不同进行自定义。但一定要记住该文件名。

最后，使用下面命令返回下载的内核的主文件夹。

cd -

交叉编译

内核配置完成后，我们就要进行交叉编译，将源代码编译为可执行程序。请不要直接执行下面的代码，先根据自己的情况更改dtbo文件名和-j参数。64位内核在这与此命令不同。请结合本文内容并参考文末链接：

  • ARCH、CROSS_COMPILE参数不再赘述。
  • zImage：生成的 Linux 内核镜像的文件名；
  • modules：生成内核模块；
  • dtbs：生成设备树二进制文件（Device Tree Binary）。设备树是一种描述硬件设备信息的数据结构，用于在 Linux 内核中动态配置硬件。生成的设备树二进制文件将包含硬件设备的描述信息
  • overlays/nations-tpm-z32h330tc.dtbo：前面的overlays/不用管，请将后面的文件名更改为上一步中设备树源码的文件名。
  • ；-j24 多线程编译。其后的数字取决于电脑的CPU线程数量，一般为CPU线程数量*1.5。请自行修改为适合自己电脑的参数。
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage modules dtbs overlays/nations-tpm-z32h330tc.dtbo -j24

注意：如果编译失败，请自行查找错误。网络上一般都有线程的解决方法。唯一要注意的是，报错信息并不总是在make结尾，中间也可能出现报错。因此在编译失败后请使用第三方工具查找make输出所有结果中含有error的内容。建议将Make输出信息输出到文件，便于查找错误信息。

内核安装

将预安装有系统的SD卡插入读卡器，连接到Ubuntu虚拟机。执行下面的命令查看SD卡的分区情况。

sudo lsblk
图6 查看分区

其中，boot分区，即小一点的分区，文件系统格式一般为fat32；rootfs分区，即大一点的分区，文件系统格式一般为ex4。这里要将分区号与文件系统格式对应。在本文中，sdb1对应fat32文件系统；sdb2对应ex4文件系统。

此时，我们应该还在下载的树莓派内核源代码的目录，即在名为linux的目录下。如果不在，请切换到刚刚下载的树莓派内核源代码目录。

然后，创建文件夹，将不同的文件系统挂载到对饮的目录下。这里sdb1对应fat32文件系统；sdb2对应ex4文件系统。如果你的电脑上不是，请自行调整顺序，保证文件系统挂载到和其相同的目录下。

sudo mkdir mnt
sudo mkdir mnt/fat32
sudo mkdir mnt/ext4
sudo mount /dev/sdb1 mnt/fat32
sudo mount /dev/sdb2 mnt/ext4

接下来，执行下面的命令，安装内核及模块。64位内核在这与此命令不同，请结合本文内容并参考文末链接。

sudo env PATH=$PATH make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=mnt/ext4 modules_install

然后，备份原内核、复制新内核及设备树信息。64位内核在这与此命令不同，请结合本文内容并参考文末链接。

sudo cp mnt/fat32/$KERNEL.img mnt/fat32/$KERNEL-backup.img
sudo cp arch/arm/boot/zImage mnt/fat32/$KERNEL.img
sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb mnt/fat32/
sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* mnt/fat32/overlays/
sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README mnt/fat32/overlays/

 然后，使用nano编辑器打开树莓派配置文件。

nano mnt/fat32/config.txt

在文件末尾添加以下代码： 

dtparam=spi=on
dtoverlay=nations-tpm-z32h330tc

首先我们启用spi接口，然后设备树文件使用nations-tpm-z32h330tc。这里dtoverlay后的文件名应当与之前的.dtbo文件的文件名保持一致。

编辑完成后，按Ctrc+X退出编辑模式。然后依据提示按Y保存缓冲区的数据。最后按Enter写入文件。

最后，执行以下命令取消挂载并弹出SD卡，然后将SD卡重新插入树莓派。

sudo umount mnt/fat32
sudo umount mnt/ext4

配置树莓派

连接tpm模块

在配置前，请将tpm模块正确连接到树莓派4B上。不同模块的接口不同，因此连接方式也不同。请询问厂家如何将模块安装到树莓派4B上。国民技术的Z32H30TC模块安装方式如下图所示：

图7 国民技术Z32H30TC模块在树莓派4B上的安装方式

查询内核版本

正确连接到树莓派后，我们首先使用以下命令查询内核版本。

uname -a

如果显示的内核版本和我们之前下载的内核版本一样，证明内核更换成功，可以继续操作。如果内核版本仍是更换前的版本，请重新下载并配置内核。 

如果内核更换成功且设备树文件配置正确。此时使用命令查看连接的设备。该命令的执行结果应该不为空。如果为空，则证明tpm模块未正确连接到树莓派，请自行查找问题并重新配置。

ls /dev | grep tpm

安装tpm2-tools工具

tpm2-tools是tpm2-tss的实现，可以通过它对tpm模块进行操作。

sudo apt-get update
sudo apt-get install tpm2-tools

测试tpm模块

以下实例代码使用tpm2-tools工具进行简单的加密解密和哈希测试tpm模块：

# 查询TPM的版本和状态
sudo tpm2_getcap properties-fixed# 创建一个主密钥（SRK）
sudo tpm2_createprimary -C o -c primary.ctx# 创建一个子密钥（EK）
sudo tpm2_create -C primary.ctx -u key.pub -r key.priv# 加载子密钥到TPM中，并获取一个句柄
sudo tpm2_load -C primary.ctx -u key.pub -r key.priv -c key.ctx# 对数据进行加密
sudo echo "Hello TPM" > plain.txt
sudo tpm2_rsaencrypt -c key.ctx -o cipher.txt plain.txt# 对数据进行解密
sudo tpm2_encryptdecrypt -c key.ctx -d -o decrypt.txt cipher.txt# 对数据进行哈希运算
sudo tpm2_hash -C n -g sha256 -o hash.bin plain.txt
图8 加解密功能和哈希功能测试结果

参考链接

配置树莓派参考链接：

​​​​Raspberry Pi Documentation - The Linux kernel --- Raspberry Pi 文档 - Linux 内核

主要参考Building the Kernel Locally、Cross-Compiling the Kernel、Configuring the Kernel三大部分。

进一步学习TPM可以参考以下链接：

tpm2-tools官方文档

TPM2.0原理讲解

这篇关于树莓派4B安装并使用TPM模块的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/312049。

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