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          基于ARM的多核SoC的啟動方法

          作者: 時間:2023-05-08 來源:焉知新能源汽車 收藏

          引導(dǎo)過程是任何 在復(fù)位解除后進(jìn)行各種設(shè)備配置(調(diào)整位、設(shè)備安全設(shè)置、引導(dǎo)向量位置)和內(nèi)存初始化(如 FLASH/SRAM/GRAM)的過程。在引導(dǎo)過程中,各種模塊/外設(shè)(如時鐘控制器或安全處理模塊和其他主/從)根據(jù) 架構(gòu)和客戶應(yīng)用進(jìn)行初始化。在多核 中,首先主要核心(也稱為引導(dǎo)核心)在引導(dǎo)過程中啟動,然后輔助核心由軟件啟用。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/446289.htm

          引導(dǎo)過程從上電復(fù)位 (POR)開始,硬件復(fù)位邏輯強(qiáng)制 內(nèi)核(Cortex M 系列)從片上引導(dǎo) ROM 開始執(zhí)行。引導(dǎo) ROM 代碼使用給定的引導(dǎo)選擇選項以及各種 FUSE/straps 和 GPIO 設(shè)置的狀態(tài)來確定 SOC 的引導(dǎo)流程行為。

          什么是多核 SoC:

          多核 SoC 有多個處理器,每個處理器都有自己的特定應(yīng)用。

          在網(wǎng)絡(luò)/汽車應(yīng)用等復(fù)雜 SoC 中,大多數(shù)行業(yè) SoC 將主內(nèi)核(啟動內(nèi)核)、應(yīng)用程序/系統(tǒng)內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核集成在單個芯片上,以處理來自不同外設(shè)(主/從)的各種數(shù)據(jù)。主內(nèi)核是任何處理啟動和最大功能的 SoC 的核心,但對于大流量數(shù)據(jù)(以太網(wǎng)/TDM)和高頻(CSI-2,QSPI)應(yīng)用程序,我們需要有特定的應(yīng)用程序內(nèi)核,如 CORTEX-A 內(nèi)核來處理數(shù)據(jù).

          圖 1:多核 SoC 的架構(gòu)

          多核 SoC 的引導(dǎo)流程:

          當(dāng)設(shè)備獲得 POR 時,主內(nèi)核跳轉(zhuǎn)到復(fù)位向量位置。復(fù)位向量是映射到 ROM 起始地址(也稱為引導(dǎo) ROM)的位置,內(nèi)核將在 POR 后從此處開始執(zhí)行。 處理器(如 Cortex-M 系列)使用位于 0x00000000 的復(fù)位向量。該決定是通過配置輸入信號做出的,因此在不同的 SoC 之間可能會有所不同。

          一旦主核心(如 Coretx-M)脫離復(fù)位,它將從內(nèi)存地址位置 0x00000000 開始執(zhí)行。主內(nèi)核加載程序計數(shù)器并從地址 0xSP 開始執(zhí)行(主內(nèi)核堆棧指針,在 0xSP 位置的 ROM 內(nèi)部,它將加載堆棧指針),這指示內(nèi)核加載其重置處理程序(堆棧指針,向量表)和讀取處理器Start Address(PSA)獲取應(yīng)用程序引導(dǎo)地址并跳轉(zhuǎn)到該位置。

          在PSA中,hex 文件或映像由引導(dǎo)加載程序加載。該地址可以是 SRAM/GRAM 或 FLASH。

          CORE 將執(zhí)行來自 PSA 的 Image/.hex,它可能會按照引導(dǎo)加載程序的指示加載到 SRAM/GRAM 或 FLASH。

          將 Image/.hex 加載到內(nèi)存(FLASH/SRAM/GRAM)中是由引導(dǎo)加載程序完成的。該加載程序可以內(nèi)置在 BOOT ROM 中,也可以是外部加載程序。

          在 SoC 驗證中,hex 文件/圖像是由 .c 文件(模式)通過編譯器 -> 匯編程序 -> 鏈接器 ->.ELF->.HEX 生成的。

          圖 2:多核 SoC 中主核的啟動順序

          主內(nèi)核已經(jīng)啟動并準(zhǔn)備好移除其余部分以重置其他外設(shè)以及輔助內(nèi)核,因為默認(rèn)情況下輔助內(nèi)核被禁用,由軟件啟用。

          一旦軟件決定啟用輔助內(nèi)核,相應(yīng)的寄存器(取決于 SoC 架構(gòu),啟用輔助內(nèi)核和時鐘控制寄存器)需要使用主內(nèi)核進(jìn)行編程。一旦啟用輔助內(nèi)核,這將開始從復(fù)位中獲取數(shù)據(jù)向量位置(這與主核的復(fù)位向量位置不同,主核的復(fù)位向量位置是 0x00000000,而次級核的復(fù)位向量位置可以是 0x00000004)。

          實際上,輔助核心也從 0x00000000 啟動,并且通過使用虛擬化概念(從 0x00000000 到 0x00000004 的內(nèi)存映射)或總線探測概念,它必須將 0x00000000 地址映射到 0x00000004 并從該地址獲取第一條指令。

          現(xiàn)在輔助內(nèi)核加載程序計數(shù)器并從地址 0xSP(輔助內(nèi)核堆棧指針)開始執(zhí)行,它指示內(nèi)核加載其重置處理程序(堆棧指針、向量表)并讀取 PSA 以獲取應(yīng)用程序引導(dǎo)地址并跳轉(zhuǎn)到該位置。

          圖 3:多核 SoC 中輔助內(nèi)核的啟動順序

          圖 4:啟用多核

          初級核心和次級核心有單獨的 Image/.hex。Image/.hex 應(yīng)該為所有核心存儲不同的內(nèi)存位置(即 GRAM/SRAM/FLASH)。這表明 PSA 對于所有內(nèi)核都是不同的。此設(shè)置是 SoC 架構(gòu)的一部分,由所有內(nèi)核的鏈接器文件決定。例如,告訴 Image/.hex 文件地址和起始地址的鏈接器文件將是 PSA 。

          例如:根據(jù)鏈接器文件生成的圖像/十六進(jìn)制開始和結(jié)束地址。

          什么是引導(dǎo)加載程序:

          根據(jù) SoC 架構(gòu)和實現(xiàn),引導(dǎo)加載程序可以是引導(dǎo) ROM 的一部分或在引導(dǎo) ROM 之外。引導(dǎo)加載程序是根據(jù) Fuse/straps 配置將圖像/十六進(jìn)制加載到內(nèi)存中的程序。Boot loader 是一個程序,它具有所有外設(shè)和引導(dǎo)接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)加載程序是高度特定于內(nèi)核和電路板的。引導(dǎo)加載程序?qū)⒃?POR 到 SoC 時執(zhí)行。

          Bootrom的職責(zé):

          • 執(zhí)行必要的初始化,包括對 PLL、時鐘、堆棧、中斷設(shè)置、看門狗定時器等進(jìn)行編程。

          • 啟用不同的一級緩存。

          • 根據(jù) Fuses/Straps 引腳值配置 I/O 元件和引腳多路復(fù)用。

          • 將閃存控制器初始化為默認(rèn)設(shè)置。

          • 從閃存(NOR、NAND)、外部存儲器、SD/MMC、USB 或 UART 加載用戶代碼。引導(dǎo)順序和選項由保險絲/帶針設(shè)置。

          ROM 的特點包括:

          • 支持從各種啟動設(shè)備啟動

          • 串行下載器支持(USB、Flex CAN 和 UART 等)

          • 主引導(dǎo)數(shù)據(jù)(初始接口的配置數(shù)據(jù))

          • 從低功耗模式喚醒

          • 喚醒二級核心

          Boot ROM 可以支持以下引導(dǎo)設(shè)備:

          • 閃光

          • 標(biāo)清/多媒體卡

          • QuadSPI

          • 串行 ROM 設(shè)備(通過 I2C 和 SPI 接口)

          • PCI/USB/UART等

          重置向量表或重置處理程序:

          處理器復(fù)位后,它將在異常向量表中的復(fù)位向量位置(地址 0x00000000)開始執(zhí)行。

          重置處理程序代碼滿足以下目的。

          • 在多核架構(gòu)中,將所有次核置于睡眠/禁用狀態(tài)

          • 異常向量的初始化

          • 內(nèi)存/緩存/TLB 初始化

          • 堆棧和處理器模式寄存器初始化

          • 對 IO 設(shè)備執(zhí)行必要的初始化并啟用中斷

          ARM M 系列內(nèi)核的典型向量表:

          引導(dǎo)順序中的挑戰(zhàn)和問題:

          以下是與引導(dǎo)順序相關(guān)的主要挑戰(zhàn)和問題。

          1. 核心之間的同步:在 SoC 設(shè)計中是否有啟動時存在多少個核心的信息?哪個核心是初級核心?

          2. 堆棧設(shè)置問題:通常,在單核系統(tǒng)中,啟動堆棧被初始化以跳轉(zhuǎn)到BootROM。稍后,系統(tǒng)堆棧被初始化,整個系統(tǒng)都使用該堆棧。當(dāng)支持多核系統(tǒng)時,一種方法可能是讓每個內(nèi)核重復(fù)臨時和系統(tǒng)堆棧操作。然而,更好的方法是將一個主內(nèi)核設(shè)置為所有內(nèi)核的系統(tǒng)堆棧。這將減少輔助核心上的初始化代碼。

          3. 在地址零或復(fù)位向量處啟動一個帶有未初始化內(nèi)存的處理器:

          在復(fù)位時,處理器總是從地址為零的復(fù)位向量位置啟動。

          對于地址為零的未初始化內(nèi)存(例如,未編程的閃存或未初始化的 GRAM/SRAM),處理器將從地址 0x0 讀取虛假的初始主堆棧指針值,并從該地址讀取虛假的代碼入口點,可能包含非法指令集狀態(tài)位 [0] 中的說明符(ESPR.T 位)。

          處理器可能會立即鎖定,或者可能會執(zhí)行一些虛假的操作碼,但在后一種情況下,鎖定仍然是可能的結(jié)果。

          4. 多個內(nèi)核在同一復(fù)位向量共享同一引導(dǎo) ROM:

          多個核心在地址 0x0 處共享相同的引導(dǎo) ROM 并不常見,因為這意味著多個核心將使用相同的初始主堆棧指針 (MSP) 地址啟動,這將導(dǎo)致堆棧損壞(包括 NMI 或任何故障異常)。

          在 SoC 的啟動序列中處理挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略方法:

          為克服上述問題,必須相應(yīng)地更新多核 SoC 中所有內(nèi)核的鏈接器文件。每個內(nèi)核都有單獨的鏈接器。典型的鏈接器文件包含有關(guān) Image/hex 中地址的信息,即要生成的 Hex/image 文件的起始地址和范圍,還有堆棧相關(guān)信息。鏈接器文件設(shè)置取決于 SoC 架構(gòu)。

          ARM 鏈接器文件如下所示:

          必須控制初級核心和次級核心的初始化順序,以免堆棧損壞。因此,首先必須初始化主要核心(保持其他核心處于重置/暫停狀態(tài)),而不是其他核心。

          結(jié)論:

          VLSI 芯片設(shè)計行業(yè)正朝著集成多個內(nèi)核的單芯片中越來越復(fù)雜的設(shè)計邁進(jìn)。多核啟動順序有助于理解,SoC 的實際工作方式以及 POR 斷言后 SoC 喚醒的順序是什么。在此paper,我們已經(jīng)討論了基于ARM的SoC中的多核啟動順序以及相關(guān)描述

          引導(dǎo) ROM、引導(dǎo)加載程序、使用鏈接器文件生成圖像/十六進(jìn)制、引導(dǎo)選項(從 SPI/SDIO/PCI 等不同設(shè)備引導(dǎo))。還談到了從各種存儲器(SRAM/GRAM/FLASH)形成的多核引導(dǎo)。除此之外,還討論了在初始級別的多核引導(dǎo)期間面臨的挑戰(zhàn)和面臨的問題以及處理這些問題/挑戰(zhàn)的方法。



          關(guān)鍵詞: ARM SoC

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