ATF(Arm Trusted Firmware)/TF-A Chapter 05 BL2_a53的atf是必须的么

写在最前

二级boot的实现方案有很多，比如bl2，u-boot、uboot-spl, uefi。

bl2的主要职责就是将后续固件如u-boot。kernel，SCP或者其他异构核的固件，加载到ram中。

对于一个ARMv8架构的Core，比如A35，A53，A7x来说，大部分SoC设计厂商会使用ARM推荐的启动方式：ARMv8 AARCH64，Single Core Boot。

这样，Cold boot是，EL3，ARMv8 Aarch64，加载bl2，可以选择的组合有：

• aarch32，EL1(PL0，non-secure)，这种方式跳转到BL31需要smc 返回到Boot ROM(BL1)
• aarch32，EL3(PL1，secure)， 这种方式跳转到BL32可以直接通过跳转指令进入BL32
• aarch64，EL1，这种方式跳转到BL31需要smc 返回到Boot ROM(BL1)
• aarch64，EL3，这种方式跳转到BL32可以直接通过跳转指令进入BL31

每种bl2启动方式都有自己的特点，我们在讲完整个启动阶段（即启动kernel为止的启动阶段）后在分析。

 

5.1. 正文开始

在前一阶段，主CPU核运行bl1代码。在Bl2上，同样只有主cpu核运行bl2代码（通过platform_is_primary_cpu()函数识别主cpu核）。Bl1将系统的控制权交给bl2（跳转到BL2_BASE）。Bl2调用plat_get_bl_image_load_info()从外部flash获取要加载的image list（通过plat_get_bl_image_load_info() ）。加载完成后跳转到下一个image运行（ plat_get_next_bl_params()）

BL2的运行分为两种情况，回忆在build BL1时，编译选项BL2_AT_EL3指出是否BL2也运行在EL3上，在EL1和EL3上的entrypoint初始化代码会有区别。我们分别分析这两种情况。默认BL2_AT_EL3=0

bl2运行在哪个异常等级（EL），和整个系统的启动流程，boot阶段的设计密不可分，bootrom的功能也会影响到能否支持BL2_AT_EL3。

在低等级的异常上，不具备访问高等级异常的权限，假如设计的armv8 ARCH64的启动流程是：

bootrom --->  bl2  ---> bl31 -->u-boot -->klernel  

如果bl2不运行在EL3,那么进入bl31执行的唯一方式是smc，启动到bl2阶段，只有bootrom(BL1)在el3上执行过，且el3的VBAR只在bootrom(BL1)，所以需要bootrom的smc handler支持execuate和auth。当然，这些ATF已经帮你做好了，加上自己的平台实现函数，编进去就可以。

如果固化的bootrom没有这个功能，就需要bl2在EL3上运行，以便启动bl31。

一般这种情况下，启动阶段对应的异常等级如下表

 

 

5.2. Build bl2

Make PLAT=fvp COLD_BOOT_SINGLE_CPU=1 SPD=tspd bl2 CROSS_COMPILE=<path-to-aarch64-gcc>/bin/aarch64-linux-gnu-
  
  
1

Bl2入口地址：bl2_entrypoint 分别在bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S和bl2/aarch64/bl2_el3_entrypoint.S）

Ld文件:bl2.ld.s和bl2_el3.ld.S

在编译bl2时，会在./build/<PLAT>/<DEBUG>bl2/目录下下生成最终的ld文件bl2*.ld。

 

5.3. BL2启动流程

5.3.1 arch初始化

对于AArch64：

1. BL2执行normal world和后续阶段所需的最小架构初始化。
2. 通过清零CPACR.FPEN位，使EL1和EL0可以访问SIMD寄存器。

5.3.2 platform初始化

对于ARM fvp，BL2 执行下列的初始化步骤:

1. 初始化console(PL101).（尽管在bl1时已经初始化过一次）
2. 初始化和配置储存设备驱动，用于加载后续的bl。
3. 使能MMU ，map the memory，访问权限. （尽管在bl1时已经初始化过一次）
4. 平台安全设置，相关组件（寄存器，外设，地址等）的访问控制
5. 为BL3阶段的image保留内存空间。
6. 为BL3阶段的image定义可用内存地址范围。
7. 如果BL1使用 TB_FW_CONFIG dynamic configuration file(保存在arg0) , 解析配置参数

5.3. image load

BL2通过查找image list的方式加载image，并且将这个list传递给下一个bl 镜像。（bl1也是这么做的）。

平台实现方法提供的可加载image list还可以包含动态配置文件。这个配置文件可以根据需要在bl2_plat_handle_post_image_load（）函数中进行解析。 通过更新此函数中的相应ep信息，可以将这些配置文件作为参数传递给下一个Boot Loader阶段。

5.3.4 SCP_BL2 (System Control Processor Firmware) image load

某些系统具有单独的系统控制处理器（SCP），用于电源，时钟，复位和系统控制。 BL2将可选的SCP_BL2镜像从平台存储设备加载到特定的安全内存区域。 SCP_BL2的后续处理是特定于具体平台的，需要自行实现。 例如，Arm Juno ，BL2先把SCP_BL2加载到trust sram，再使用Boot Over MHU (BOM) 协议，把SCP_BL2加载到 SCP的内部RAM之后，SCP运行SCP_BL2，并给AP发出signals，通知BL2继续执行。

5.3.5 Load EL3 software

BL2从平台存储设备加载EL3 runtime software 到trusted SRAM.如果内存空间不够或者镜像不存在去，则assert停止运行

5.3.6 AArch64 BL32 (Secure-EL1 Payload) image load

BL2将可选的BL32镜像从平台存储设备加载到特定于平台的安全存储区域。BL32镜像在安全世界中执行。BL2依靠BL31将控制权限传递给BL32（如果存在）。 因此，BL2也会使用BL32镜像的entrypoint。 用于进入BL32的Saved Processor Status Register（SPSR）的值不是由BL2确定的，它由BL31内的Secure-EL1 Payload Dispatcher(SPD)初始化，SPD负责管理与BL32的交互。此信息将传递给BL31。

5.3.7 BL33 (Non-trusted Firmware) image load

BL2将BL33镜像（e.g. UEFI or other test or boot software）从平台存储设备加载到由平台定义的非安全内存中。

一旦安全状态初始化完成，BL2依靠EL3 Runtime Software将控制权传递给BL33。 因此，BL2使用正常世界的镜像入口和保存程序状态寄存器（SPSR）填充平台指定的存储区域。entrypoint是BL33镜像的加载地址。 SPSR按照PSCI PDD中的规定确定（PSCI 5.13节）。 此信息将传递给EL3runtime software。

5.3.8 AArch64 BL31 (EL3 Runtime Software) execution

BL2执行继续如下：

1. BL2通过产生SMC异常将控制权传递回BL1，并给BL1提供BL31入口点。 SMC异常由BL1 阶段 install的 SMC exception handler来处理。
2. BL1关闭MMU并刷Cache。清SCTLR_EL3.M / I / C位，将D-cache刷新到point of coherency并使TLB无效。
3. BL1在EL3的指定入口地址将控制权传递给BL31。
   1.  Bl2 at EL3 说明

一些平台的BOOT ROM是non-TF-A的，并且下一阶段的boot直接运行在EL3上。这些bl2atEL1的平台上，TF-A BL1浪费了内存资源，因为这样做的唯一目的是确保在S-EL1上运行TF-A BL2。为了避免这种浪费，ARM提供一个特殊模式使BL2能够在EL3上执行，允许非TF-A Boot ROM加载并直接跳转到BL2。使用BL2_AT_EL3=1使能该模式。这种模式的主要区别是：

1. BL2将包含reset代码和mailbox机制，以区分cold boot和warm boot。BL2在EL3上运行，进行EL3所需的arch初始化（和在bl1 arch初始化部分工作重复）。
2. BL2不再接收来自BL1的meminfo信息。该信息可以通过Boot ROM传递，也可以在BL2镜像内部传递。
3. 由于BL2在EL3上执行，BL2直接跳转到下一个镜像，而不是调用RUN_IMAGE 的SMC调用。

我们假设平台支持3种不同类型的BootROM：

1. Boot ROM总是跳转到相同的复位地址上运行，这种情况下，对于cold boot和warm boot，我们需要保留BL2常驻部分的代码在内存中，这段内存不能被其他镜像回收。可以通过链接脚本(bl2_el3.ld.S)的symbols __TEXT_RESIDENT_START__ 和 __TEXT_RESIDENT_END__ 来配置这段内存(主要是bl2_el3_entrypoint.o和.text.asm.的代码。
2. 平台存在可识别BootROM跳转地址的机制。平台代码可以在cold boot时使用psci_warmboot_entrypoint对跳转地址进行编程。
3. 平台存在PROGRAMMABLE_RESET_ADDRESS功能对复位地址进行编程的机制。平台代码可以在cold boot期间使用psci_warmboot_entrypoint对复位地址进行编程，绕过Boot ROM进行warm boot。

在最后两种情况下，BL2的任何代码都不需要驻留在内存中。在前两种情况下，我们希望Boot ROM能够区分Cold boot和Warm boot，以避免在warm boot期间再次加载BL2。

FVP平台可以直接测试此功能，将镜像直接加载到内存中，并更改系统reset时候的跳转地址。例如：

-C cluster0.cpu0.RVBAR=0x4022000 –data cluster0.cpu0=bl2.bin@0x4022000
  
  
1

通过这种配置，FVP就像前面描述第一种情况，其中Boot ROM总是跳转到同一地址。 为简化起见，在这种情况下，BL32加载到DRAM中，以避免其他镜像回收BL2内存。

5.4 代码目录

 

bl2/aarch32和bl2/aarch64。

BL2 at EL1使用的链接脚本是bl2.ld.S

BL2 at EL3使用的链接脚本是bl2_el3.ld.S

5.5 Bl2 at EL1

5.5.1 bl2.ld.s

代码很简单：

 

15行，BL2_BASE，BL2_LIMIT都在arm-def.h中定义。注意，在BL1中使用了BL2_BASE，BL2_LIMIT，所以修改此值后，所有的bl 都需要重新编译。

22行，PAGE_SIZE在include/lib/xlat_tables/xlat_tables_defs.h中定义

入口地址：bl2_entrypoint

 

给.image_pasrser_lib_desc保留run-able地址

85行定位RW起始地址

Stack。

 BSS段

Xlat_table库代码。Bl1.ld.s也是如此

5.5.2 Bl2_entrypoint

EL1上的bl2相对简单,bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S：

首先保存bl1 用到的x0~x3寄存器，说明今后bl1还需要运行。

5.5.2.1 异常初始化

31行，设置S-EL1 vector base address ：early_exceptions。

在common/aarch64/early_exceptions.S中，定义各种异常的入口函数，调用平台实现函数plat_xxx处理异常：

early_exceptions不会处理任何异常，都会panic

清D-cache

bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 35~65行），使能SError异常；D-Cache，stack pointer and data access alignment checks；使bl2使用ram空间的d-cache无效。

inv_dcache_range 在\lib\aarch64\cache_helpers.S，line 12，bl1中介绍过，这里略

初始化BSS和COHERENT_MEM

bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 73~87行），初始化bss段和COHERENT_MEM（目前没用到）。

建立C stack

bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S,97行），跳转plat_set_my_stack执行：分配栈，当启用MMU时，其内存将标记为Normal-IS-WBWA。启用MMU后没有读取过时栈内存的风险，因为此时只有主CPU核正在运行。

Plat_set_my_stack,平台实现函数：porting guide对其描述如下：

设置当前栈指针，位于normal memory stack ，分配给当前CPU。对于bl只配分一个stack给主CPU（BL2只有主核在跑），使用UP版本代码（另一个版本是MP）栈大小由PLATFORM_STACK_SIZE指定。

PLATFORM_STACK_SIZE在plat/arm/board/fvp/include/platform_def.h中定义：

支持trust boot情况下，验签需要递归实现，所以栈大一点。分别是4K和1K

通用的实现（weak函数）plat/common/aarch64/platform_up_stack.S（UP） 和plat/common/aarch64/platform_mp_stack.S（MP）

我们看UP：

两个宏，第一个get_up_stack(include/commonaarch64/asm_macro.S，120行)：

第二个platform_normal_stacks：

Declare_stack 在(include/commonaarch64/asm_macro_common.S，92行)：

将栈放到.section tzfw_normal_stacks段（对应到bl2.ld.s ，99行）

针对Stack的安全措施

回到bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 104~106行）：

尽管默认STACK_PROTECTOR_ENABLED=0，但我们有必要分析如何保护stack的安全，有一部分攻击是通过 stack overflow的。关于stack protect，可以参考：wiki 和附录A

在\lib\stack_protector\aarch64\asm_stack_protector.S ：

先看porting guide：

使用ENABLE_STACK_PROTECTOR=1启用堆栈保护。此函数返回一个随机值，这种方法称为Random canaries。 由于可预测的值会削弱保护作用，因为攻击者可以在大多数时间轻松地将正确的值写入攻击的一部分。 因此，它应该返回一个真正的随机数。

注意：为使保护有效，需要将全局数据放在比堆栈基数低的地址。 如果不这样做，攻击者就会覆盖canary，作为stack buffer overflow攻击的一部分。

Fvp平台没有random number generator,使用cntpct^ 固定值充当随机数

具体攻击方法和原理见附录A

Bl2_early_platform_setup2

回到bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 108~117行）

在bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 108~117行21~25行，将x0~x3先保存在了20~23中，此时恢复出来

在porting guide中：

bl2_early_platform_setup2在plat/arm/board/fvp/fvp_bl2_setup.c16行（和bl1类似，arm_bl2_setp.c也存在一个默认的弱实现plat/arm/common/arm_bl2_setup.c）:

四个参数，只用前两个。回忆bl1中的Cold boot期间的动态配置，

Arg0用来保存tb_fw_config，arg1用来保存mem_layout

 bl2_early_platform_setup2首先调用arm_bl2_early_platform_setup(plat/arm/common/arm_bl2_setup.c,51行)：

对比bl1中的arm_bl1_eary_platform_setup,bl2不需要重新初始化WDOG。执行了在bl1中相同的console初始化arm_console_boot_init。bl2_tzram_layout是一个meminfo_t结构体

plat_arm_io_setup则是调用io_dev_xxx 初始化相关的io。这在bl1的bl1_main->bl1_platform_setup->arm_bl1_platform_setup调用的代码相同。只是在bl2中的plat_arm_io_setup执行位置比较靠前。

arm_bl2_set_tb_cfg_addr则是给void* 的tb_fw_cfg_dtb直接赋值：

fvp_config_setup（plat/arm/board/fvp/fvp_common.c,245行），初始化平台配置供将来使用。在bl1阶段，bl1_early_platform_setup也执行过同样的代码。

具体代码TBD。

再看看其他平台在bl2_early_platform_setup2做了什么：

\plat\hisilicon\poplar\bl2_plat_setup.c

初始化console和emmc，timer

\plat\marvell\common\bl2_plat_setup.c

bl2_plat_arch_setup

回到bl2_entrypoint函数（bl2/aarch64/bl2_entrypoint.S, 119行）：调用bl2_plat_arch_setup

在plat/arm/common/arm_bl2_setup.c，139行

在porting guide中：

写的很清楚，执行非常早期的平台特定架构的初始化。初始化mmu，映射BL2 RO。105行：

注意

他也是个weak函数，但fvp平台并没有实现平台代码。

再看看其他平台做了什么：

\plat\hisilicon\poplar\bl2_plat_setup.c：

\plat\marvell\common\bl2_plat_setup.c

\plat\marvell\common\bl2_plat_setup.c

都是以平台实现的特定方式初始化mmu。

 

bl2_plat_arch_setup，与bl1中的bl1_plat_setup类似。在bl1_entrypoint执行44行的bl1_plat_arch_setup（\plat\arm\common\arm_bl1_setup.c）调用arm_bl1_plat_arch_setup，同样配置bl1 ram的mmu。ARM在各BL阶段的初始化流程和代码调用基本一致。

 

那么，下面应该是执行bl2_main了。在此之前，bl2_plat_arch_setup的136行调用的arm_setup_romlib，后面章节会详细说明。

（To be continued）