{"id":{"repo_id":"minho-thes","oai_identifier":"oai:repositorium.uminho.pt:1822/99049"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/minho-thes/oai:repositorium.uminho.pt:1822/99049","repository":{"repo_id":"minho-thes","name":"Universidade do Minho","base_url":"http://repositorium.sdum.uminho.pt/oai/request"},"display":{"title":"Handling mixed-criticality systems on low-end and low-power IoT devices","abstract":"O aumento de dispositivos no âmbito da Internet of Things (IoT), levou a um aumento significativo no uso de microcontroladores (MCUs). Os MCUs são usados em diversos sistemas, desde eletrónica de consumo até às nossas infraestruturas mais críticas. Apesar da sua utilização generalizada, os MCUs continuam a ser dispositivos com recursos limitados, de computação limitada e funcionalidades de hardware mínimas. À medida que enfrentam requisitos e desafios conflituantes, tais como ciber-ataques, mais desempenho e problemas de previsibilidade, os MCUs estão a passar por uma transformação tecnológica. Perante as crescentes preocupações de segurança, a Arm introduziu a tecnologia TrustZone nas suas arquiteturas Cortex-M (Armv8-M). Em processadores de alto desempenho, o TrustZone tem sido o principal impulsionador na implementação de Trusted Execution Environments (TEEs). Os TEEs providenciam arquiteturas seguras que protegem aplicações de segurança. No entanto, os TEEs assistidos pela Trust- Zone enfrentaram hoje inúmeras vulnerabilidades, que colocam em causa a sua segurança. Entretanto, para satisfazer as exigências de desempenho das aplicações de computação intensiva, os fabricantes de MCUs estão a adotar progressivamente arquiteturas multi-core que melhoram o desempenho e, ao mesmo tempo, respondem aos requisitos relacionados com peso, tamanho, e eficiência energética (SWaP-C). No entanto, os MCUs estão na base de vários sistemas de criticidade mista em que a previsibilidade é fundamental. Como tal, a mudança para multi-core introduz desafios devido à contenção sobre recursos partilhados que dificultam a previsibilidade destes sistemas. Nesta tese, abordamos três desafios no desenvolvimento de sistemas para MCUs: (i) explorar μ-TEEs para melhorar a sua segurança, (ii) ultrapassar as suas inerentes limitações, e (iii) mitigar a contenção em recursos partilhados de MCUs multi-core. Na primeira contribuição é analisado sistematicamente os μ-TEEs existentes, identificando-se problemas de segurança que guiaram o desenvolvimento do uTango. Na segunda contribuição, é apresentado o uTango, um μ-TEE inovador que expande o modelo de segurança do TrustZone para múltiplos ambientes isolados. Finalmente, na terceira contribuição, é introduzido o μTPArtc, um mecanismo para mitigar contenção e assegurar a previsibilidade de MCUs multi-core.","abstract_html":"O aumento de dispositivos no âmbito da Internet of Things (IoT), levou a um aumento significativo no uso de microcontroladores (MCUs). Os MCUs são usados em diversos sistemas, desde eletrónica de consumo até às nossas infraestruturas mais críticas. Apesar da sua utilização generalizada, os MCUs continuam a ser dispositivos com recursos limitados, de computação limitada e funcionalidades de hardware mínimas. À medida que enfrentam requisitos e desafios conflituantes, tais como ciber-ataques, mais desempenho e problemas de previsibilidade, os MCUs estão a passar por uma transformação tecnológica. Perante as crescentes preocupações de segurança, a Arm introduziu a tecnologia TrustZone nas suas arquiteturas Cortex-M (Armv8-M). Em processadores de alto desempenho, o TrustZone tem sido o principal impulsionador na implementação de Trusted Execution Environments (TEEs). Os TEEs providenciam arquiteturas seguras que protegem aplicações de segurança. No entanto, os TEEs assistidos pela Trust- Zone enfrentaram hoje inúmeras vulnerabilidades, que colocam em causa a sua segurança. Entretanto, para satisfazer as exigências de desempenho das aplicações de computação intensiva, os fabricantes de MCUs estão a adotar progressivamente arquiteturas multi-core que melhoram o desempenho e, ao mesmo tempo, respondem aos requisitos relacionados com peso, tamanho, e eficiência energética (SWaP-C). No entanto, os MCUs estão na base de vários sistemas de criticidade mista em que a previsibilidade é fundamental. Como tal, a mudança para multi-core introduz desafios devido à contenção sobre recursos partilhados que dificultam a previsibilidade destes sistemas. 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Entretanto, para satisfazer as exigências de desempenho das aplicações de computação intensiva, os fabricantes de MCUs estão a adotar progressivamente arquiteturas multi-core que melhoram o desempenho e, ao mesmo tempo, respondem aos requisitos relacionados com peso, tamanho, e eficiência energética (SWaP-C). No entanto, os MCUs estão na base de vários sistemas de criticidade mista em que a previsibilidade é fundamental. Como tal, a mudança para multi-core introduz desafios devido à contenção sobre recursos partilhados que dificultam a previsibilidade destes sistemas. Nesta tese, abordamos três desafios no desenvolvimento de sistemas para MCUs: (i) explorar μ-TEEs para melhorar a sua segurança, (ii) ultrapassar as suas inerentes limitações, e (iii) mitigar a contenção em recursos partilhados de MCUs multi-core. Na primeira contribuição é analisado sistematicamente os μ-TEEs existentes, identificando-se problemas de segurança que guiaram o desenvolvimento do uTango. Na segunda contribuição, é apresentado o uTango, um μ-TEE inovador que expande o modelo de segurança do TrustZone para múltiplos ambientes isolados. Finalmente, na terceira contribuição, é introduzido o μTPArtc, um mecanismo para mitigar contenção e assegurar a previsibilidade de MCUs multi-core.","The proliferation of Internet-connected devices within the Internet of Things (IoT) has significantly increased the deployment of low-end, low-power Microcontroller Units (MCUs). These systems are now the beating heart of a myriad of applications, from consumer electronics to critical infrastructures. Despite their widespread use, MCUs remain resource-constrained systems, particularly in computing power and hardware features. As they face conflicting requirements and challenges -— such as security threats, performance demands, and predictability issues -— modern MCUs are evolving to accommodate these increasingly complex and heterogeneous workloads. Facing the growing security concerns of the IoT, Arm, the leading designer of MCUs, has introduced TrustZone technology into its low-end Cortex-M architecture (Armv8-M). Over the last two decades, Trust- Zone has become the de facto technological enabler to implement Trusted Execution Environments (TEEs) in Application Processor Units (APUs). TEEs provide a secure architecture that protects security-critical applications. However, TrustZone-assisted TEEs have faced numerous security issues / problems over the years, challenging the assumption that these systems offer reliable security. Meanwhile, to meet the performance demands of computing-intensive applications, MCU vendors are progressively adopting multi-core architectures that improve performance while addressing Size, Weight, Power, and Cost (SWaP-C) concerns. Yet, MCUs are used in different Mixed-Criticality Systems (MCSs) where predictability is paramount. As such, the shift to multi-core introduces challenges due to contention over shared resources which hinder the predictability of these systems. This thesis addresses three pivotal challenges in MCU infrastructures: (i) exploring μ-TEEs to enhance MCU security, (ii) overcoming limitations of TrustZone-assisted μ-TEEs, and (iii) mitigating resource contention in multi-core MCUs. Our first contribution systematically analyzed existing μ-TEEs, identifying critical security issues that guided the development of uTango. In our second contribution, we presented uTango, a novel μ-TEE that expands TrustZone’s security model by supporting multiple isolated environments. Finally, our third contribution introduces μTPArtc, a progress-aware mechanism to mitigate contention and ensure timeliness in multi-core MCUs."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Handling mixed-criticality systems on low-end and low-power IoT devices"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor.advisor":["Pinto, Sandro"],"dc:creator":["Oliveira, Daniel José Cunha"],"dc:date.accessioned":["2026-01-12T15:30:07Z"],"dc:date.issued":["2025-11-17"],"dc:description.abstract":["O aumento de dispositivos no âmbito da Internet of Things (IoT), levou a um aumento significativo no uso de microcontroladores (MCUs). Os MCUs são usados em diversos sistemas, desde eletrónica de consumo até às nossas infraestruturas mais críticas. Apesar da sua utilização generalizada, os MCUs continuam a ser dispositivos com recursos limitados, de computação limitada e funcionalidades de hardware mínimas. 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No entanto, os MCUs estão na base de vários sistemas de criticidade mista em que a previsibilidade é fundamental. Como tal, a mudança para multi-core introduz desafios devido à contenção sobre recursos partilhados que dificultam a previsibilidade destes sistemas. Nesta tese, abordamos três desafios no desenvolvimento de sistemas para MCUs: (i) explorar μ-TEEs para melhorar a sua segurança, (ii) ultrapassar as suas inerentes limitações, e (iii) mitigar a contenção em recursos partilhados de MCUs multi-core. Na primeira contribuição é analisado sistematicamente os μ-TEEs existentes, identificando-se problemas de segurança que guiaram o desenvolvimento do uTango. Na segunda contribuição, é apresentado o uTango, um μ-TEE inovador que expande o modelo de segurança do TrustZone para múltiplos ambientes isolados. Finalmente, na terceira contribuição, é introduzido o μTPArtc, um mecanismo para mitigar contenção e assegurar a previsibilidade de MCUs multi-core.","The proliferation of Internet-connected devices within the Internet of Things (IoT) has significantly increased the deployment of low-end, low-power Microcontroller Units (MCUs). These systems are now the beating heart of a myriad of applications, from consumer electronics to critical infrastructures. Despite their widespread use, MCUs remain resource-constrained systems, particularly in computing power and hardware features. As they face conflicting requirements and challenges -— such as security threats, performance demands, and predictability issues -— modern MCUs are evolving to accommodate these increasingly complex and heterogeneous workloads. Facing the growing security concerns of the IoT, Arm, the leading designer of MCUs, has introduced TrustZone technology into its low-end Cortex-M architecture (Armv8-M). 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This thesis addresses three pivotal challenges in MCU infrastructures: (i) exploring μ-TEEs to enhance MCU security, (ii) overcoming limitations of TrustZone-assisted μ-TEEs, and (iii) mitigating resource contention in multi-core MCUs. Our first contribution systematically analyzed existing μ-TEEs, identifying critical security issues that guided the development of uTango. In our second contribution, we presented uTango, a novel μ-TEE that expands TrustZone’s security model by supporting multiple isolated environments. 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