嵌入式系统那些事-第一阶段引导启动_ultrascale启动流程

0 背景

        上一篇文章用一张图的方式综述了smp系统的端到端启动流程[1]，本文将详细介绍一下第一阶段的引导启动过程，这个阶段主要完成cpu，flash，ddr和外部管脚的初始化，为下一阶段的代码的执行环境做准备。通常情况下这部分是cpu内部实现的，通过汇编语言编写，不需要过多关注，但是有些需求，比如双区备份启动，就需要对该部分代码进行修改，因此有必要理一下这部分流程。本文先通过一张图的方式将关键流程节点进行了论述，然后通过举例xilinx芯片的引导过程加深对其的理解。

1 第一阶段引导启动

        在嵌入式系统的启动中第一个运行的函数并不是我们通常所理解的main函数，实际上在运行main函数之前已经完成了诸如cpu，flash等的初始化工作，并且为c代码提供了基础运行环境，这一部分工作就是我们所谓的第一阶段的引导启动。

        这一阶段涉及的硬件包括电源开关、cpu（核，寄存器，内部rom和内部ram）、外部的管脚、flash和ddr，系统对这些硬件由内而外，逐层初始化，核心流程是搬移代码然后执行。 编程语言涉及汇编语言和c语言，其中汇编语言主要实现cpu内部初始化过程，如向量表，中断等，代码初始是在cpu内部的rom中，被搬移到ram中执行，最后为c语言的执行做好准备。c语言部分的代码，通常是完成flash，ddr，外部管脚的初始化，代码初始是放到flash中，搬移到ddr中执行，直到引导完成交接给uboot，进行第二阶段的引导或者直接可以裸跑程序了。

         如上图所示是第一个引导阶段的执行流程，系统上电后，cpu的0核跑起来，首先会在ram中执行向量表相关的操作，向量表是arm体系结构的核心，系统reset后进来执行的第一个异常，包含着不同的用户模式和中断模式，后续笔者会重点解读一下arm处理器的工作模式。如果是核0，对处理器的寄存器进行初始化，恢复为0，如果是其他的核则进入wfi状态，等待后面0核将其唤醒。再往下就是初始化中断，flash，使cpu可以直接访问flash，从flash中加载后续的引导代码到ram中。再接下来就是对外围管脚进行初始化，即MIO部分，将管脚配置为SPI/UART/I2C/等协议，这些协议都跟时钟紧密关联，因此需要对系统使用的时钟进行初始化。最后就是对即将使用的ddr进行初始化，后续代码的执行都是在其中进行，uboot的代码会从flash中找到并加载到ddr的对应位置，然后就可以交接给uboot执行。

2 举例-xilinx第一阶段引导启动

        如下图所示是笔者基于xilinx芯片的zynq 7000和zynqmp ultrascale总结的第一阶段的关键启动流程。从图中可以看出这个阶段分为两个关键的阶段，一个是cpu初始化阶段，一个是fsbl阶段。

• cpu初始化阶段：图中0~3的部分，该部分代码运行在csu ram中，该ram属于cpu内部使用的ram，主要运行一些汇编代码，需要注意的是这部分代码一般是放置在bootrom中，用户是不可见的。图中包含4个关键节点，.org 0表示从0地址开始运行，在完成了初始化mmu，cache，寄存器后，就会调用b _boot跳转到_boot部分，初始化IRQ/FRQ/同步等中断，b _start是在具备了c代码的执行能力后跳转，最终通过 bl main进入到c代码的执行入口，在此处就是fsbl代码的main函数入口。
• fsbl阶段：该部分代码是运行在OCM(on-chip memory，片上内存)上的bootloader代码，图中标号4~9的部分就是完整的初始化流程，包括4个关键节点：

        1）对硬件进行初始化，使其可以访问flash，ddr，为后续从flash往ddr中搬移代码提供条件，同时也会外部管脚和总线进行了初始化，具备了一个系统运行的基本硬件驱动基础

        2）配置和检查boot.bin的头部，在后续搬移代码到ddr时，首先要保证boot.bin文件是合法有效和完整的，其次还需要知道boot.bin文件的flash偏移地址，内部包含哪些组件，这些组件的大小、偏移地址、是否加密等信息，这些信息都被打包在boot.bin的头中，因此需要对头部进行解析和检查，缓存上述的偏移地址。

        3）按照2）提供的偏移地址，依次将boot.bin中的各个组件加载到ddr中的对应区域，比如将uboot加载到ddr的任意位置；将逻辑的bit（pl bit）加载到ddr中专门为逻辑划分的内存区域，或者单独的ddr中；将pmu fw加载到cpu的pmu ram的位置。此处加载的目的位置也是可以实现规划好，比如为uboot专门划分固定的内存位置。

        4）上述的代码被成功加载后，就可以从当前fsbl阶段退出，交接给uboot或者裸机代码进行操作系统或者应用程序的运行了。

3 小结

        本文较为详细的总结了嵌入式系统启动的第一阶段的引导过程，并且以xilinx芯片的第一个阶段的启动流程为例进行了论述，希望读者也可以根据自己手边的项目去总结出这样一张图出来，对于后续无论是进行诸如双区备份开发，还是问题的定位都会有所帮助。

参考文献：

[1](8条消息) 嵌入式系统那些事-一张图秒懂系统启动流程_linus_ben的博客-CSDN博客