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baron · 2023年02月07日 · 江苏

SOC的多核启动流程详解

image.png

思考:1、 SOC一上电,只有一个核启动,还是所有核都启动?2、如果SOC一上电,如果只有一个核启动,那么从核启动的时候,从核的入口是哪里?3、啥是cold boot?啥时warm boot? 在哪些场景下会使用warm boot? 4、啥是cold reset/warm reset/primary boot/senondary boot?
说明:1、本文以为armv8-aarch64、armv9为例、TF-A代码为例,不讨论其它硬件架构和固件软件中的设计。2、重点讲述cold reset/warm reset/primary boot/senondary boot之间的流程和概念。

1、基础概念

请先自行理解以下4个概念:

  • cold boot
  • warm boot
  • Primary boot
  • Secondary boot

另外还两种配置:

  • 你的reset地址是可编程的,则会配置 PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS=1,与之对立的则是你的reset地址是不可编程的。
  • 你在SOC启动的时候,首先只启动一个core,则会配置 COLD_BOOT_SINGLE_CPU=1,与之对立的则是你的SOC启动的时候,所有core都上电了。

2、启动流程

我们就假定 reset地址是可编程的、SOC启动的时候只启动一个core,来讲解我们的boot流程:

(1)、SOC一上电,SOC给ARM Core的signal configuration会改变RVBAREL3,这里一般就是就是bootrom的首地址。即CPU一上电,Primary core的PC指向的就是RVBAREL3的地址,机器就开始启动了。

(2)、当需要Secondary Core启动的时候,例如会走PSCI协议,【主核】进入ATF会将bl31warmentrypoint(或平台自定义的地址)写入到SOC寄存器,改变reset地址(改变RVBAREL3的值),然后此时SOC的PMIC给Secondary Core上电,此时Secondary Core也就发生了cold reset,PC从RVBAREL3(bl31warmentrypoint或平台自定义函数)处开始执行.

总结(针对本文示例情况:reset地址是可编程的、cold boot的时候只启动一个cpu):

  • 开机一上电只有Primary Core再跑,从RVBAR\_EL3处开始跑,属于cold boot
  • 从核启动时,会修改reset的值,影响到RVBAR\_EL3的值,然后给从核上电,此时属于Secondary boot,仍然是cold boot.
  • 一般会将bl31warmentrypoint设置为reset地址,即Secondary Core的启动地址;
  • 这个示例中没有用到warm boot

3、ATF(TF-A)代码的剖析

以BL1代码为例分析,该代码适配支持cold reset/warm reset/primary boot/senondary boot等诸多场景。
image.png

  • 如果reset是可编程的, PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS=1, 则 _warm_boot_mailbox=0,则下面这段代码不会被编译,无论cold boot还是warm boot都不会走 _warm_boot_mailbox
  • 如果reset是可编程的, PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS=0, 则 _warm_boot_mailbox=1,则下面这段代码会被编译,但cold boot走 do_cold_boot流程,warm boot需要走 br x0流程

.
if
 \_warm_boot_mailbox
        
/* -------------------------------------------------------------
         * This code will be executed for both warm and cold resets.
         * Now is the time to distinguish between the two.
         * Query the platform entrypoint address and if it is not zero
         * then it means it is a warm boot so jump to this address.
         * -------------------------------------------------------------
         */
        bl  plat_get_my_entrypoint
        cbz x0
,
 do_cold_boot
        br  x0
do_cold_boot
:
.
endif 
/* _warm_boot_mailbox */
  • 如果SOC启动的时候只启动一个core, COLD_BOOT_SINGLE_CPU=1, _secondary_cold_boot=0,则下面代码不被编译, 则无论主核还是从核都不需要走 _secondary_cold_boot流程
  • 如果SOC启动的时候启动多个core, COLD_BOOT_SINGLE_CPU=0, _secondary_cold_boot=1, 则下面代码会被编译,则主核走 do_primary_cold_boot流程, 从核需要走 plat_secondary_cold_boot_setup流程

.
if
 \_secondary_cold_boot
        
/* -------------------------------------------------------------
         * Check if this is a primary or secondary CPU cold boot.
         * The primary CPU will set up the platform while the
         * secondaries are placed in a platform-specific state until the
         * primary CPU performs the necessary actions to bring them out
         * of that state and allows entry into the OS.
         * -------------------------------------------------------------
         */
        bl  plat_is_my_cpu_primary
        cbnz    w0
,
 do_primary_cold_boot

        
/* This is a cold boot on a secondary CPU */
        bl  plat_secondary_cold_boot_setup
        
/* plat_secondary_cold_boot_setup() is not supposed to return */
        bl  el3_panic

    do_primary_cold_boot
:

根据以上的代码规则,这里也画了两张图:(1)、BL2 at EL3的场景image.png

(2)、BL2 at S-EL1的场景image.png

5、软件如何判断当前是cold reset/warm reset/primary boot/senondary boot

TF-A中定义了多核的启动框架,如上一节框图所示,在启动的过程中会进行一些判断,是cold reset还是warm reset,是primary boot还是secondary boot?那么代码中是怎么知道这些状态的呢?

5.1 cold reset和warm reset

这种判断方法由平台实现,其实就是读取mailbox的值。在第一个核cold boot时,会写mailbox内存(magic,entrypoint...) 在第二个核启动时、或第一个核再次启动时(有可能是resume唤醒时),会读取mailbox内存,如果读取到了符合期望的magic的值,则走warm流程,否则走cold流程。注意这里所说的warm流程,只是软件上的warm流程,并非说当前是warm reset。

5.2 primary boot和secondary boot

这种判断方法由平台实现,看似也很简单,一般而言就说读取mpidr寄存器进行判断。

(
trusted
-
firmware
-
a
/
plat
/
marvell
/
armada
/
a8k
/
common
/
aarch64
/
plat_helpers
.
S
)

func plat_is_my_cpu_primary
    mrs x0
,
 mpidr_el1
    and x0
,
 x0
,
 
#(MPIDR_CLUSTER_MASK | MPIDR_CPU_MASK)
    cmp x0
,
 
#MVEBU_PRIMARY_CPU
    cset    w0
,
 eq
    ret
endfunc plat_is_my_cpu_primary

6、mailbox的介绍

6.1 mailbox是什么

mailbox就说一块内存,所有的core都能访问这块内存。第一次启动时,core会填充mailbox,将其下次resume时的地址、secondary core的启动地址、warm reset的地址写入到mailbox内存中,这几个地址其实是一个地址。同时也会将这个地址写入到SOC PMIC寄存器中,影响到RVBAR\_EL3的值。

当SOC一上电所有core都启动的这种情况下,主核会继续跑,从核会在SOC一上电就进入wfi状态。当从核需要继续启动时,该core从BL1 BL2 BL31正常流程启动时,会在BL1、BL2 at EL3、BL31中,强制跳转到mailbox的地址,跳过主核已经初始化的部分;

当SOC一上电,只有一个core上电的情况下,主核继续跑,从核未上电。当从核需要启动时,相当于cold reset,从核会直接从RVBAR\_EL3处开始跑,也就是你设置的entrypoint。

6.2 mailbox的作用

mailbox中定义了entrypoint地址,当core从BL1 BL2 BL31正常流程启动时,会在BL1、BL2 at EL3、BL31中,强制跳转到mailbox的地址,以跳过已初始化的部分。image.png

6.3 mailbox的示例

其实就是定义了一块内存,主核第一次跑时,会填充该内存。主核第二次跑时或从和跑时,检测该内存已经填充过了,则走warm启动流程,即强制跳转到mailbox中的address地址。image.png

7、具体场景的总结

  • 串口中断中敲击reboot命令、或系统panic时导致的机器重启 :在一些的SOC厂商设计中,应该是code reboot。比如在Linux Kernel中敲击reboot,到底层还是写的一些寄存器控制pmic(或PMU),直接给cpu下电了。然后再上电,SOC还是会给Core发送signal configuration,此时RVBAR\_EL3又会变成ASIC设置的值.
  • Suspend和Resume :比如我在看ATF中的海思平台,在ATF的suspend函数,将bl31_warm_entrypoint地址写入到了SOC PMIC的一个寄存器中(上电时,该寄存器会影响的是RVBARADDR信号)。此时系统深睡的时候,应该是Linux Kernel调用到ATF,将bl31_warm_entrypoint地址写入到了pmu/pmic相关的寄存器中,在下一次reset时,会影响到signal configuration继而改变RVBAR_EL3的值。然后还会给各个模块下电(给哪些模块下电是SOC的设计和逻辑),最后再给ARM Core下电, 这就算是深睡了。Resume的时候,也是有一些SOC的硬件行为,然后再给Core上电,那给Core上电后,一上电执行的是哪里?PC还是指向RVBAR_EL3中的地址,当然这是我们suspend的时候更改过的,其实就是bl31_warm_entrypoint
  • RMR_EL3 :本文中都没有提到RMR_EL3。那么RMR_EL3是干啥的呢?这是ARM的一个feature,怎么用?是你自己的设计,随便你。你写RMR_EL3中的bit,就可以触发warm reset. 一般的kernel dump、或者一些工具,就可以主动触发RMREL3,然后去干一些活. 还有在csdn上看到一篇高通soc的启动流程的博客,他们正常的启动流程中,某一个镜像跳转到另外一个镜像时,竟然就是写了一些RMR_EL3,触发warm_reset,另外一个镜像的地址恰好就是warm reset的跳转地址。

image.png


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以易懂、渐进、有序的方式,深入探讨ARMv8/ARMv9架构的核心概念。我们将从基础知识开始,逐步深入,覆盖最新的架构,不再纠缠于过时技术。本系列内容包含但不限于ARM基础、SOC芯片基础、Trustzone、gic、异常和中断、AMBA、Cache、MMU等内容,并将持续更新。
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