基于A(yíng)RM的多核SoC的啟動(dòng)方法

引導過(guò)程是任何 SoC 在復位解除后進(jìn)行各種設備配置（調整位、設備安全設置、引導向量位置）和內存初始化（如 FLASH/SRAM/GRAM）的過(guò)程。在引導過(guò)程中，各種模塊/外設（如時(shí)鐘控制器或安全處理模塊和其他主/從）根據 SoC 架構和客戶(hù)應用進(jìn)行初始化。在多核 SoC 中，首先主要核心（也稱(chēng)為引導核心）在引導過(guò)程中啟動(dòng)，然后輔助核心由軟件啟用。

引導過(guò)程從上電復位 (POR)開(kāi)始，硬件復位邏輯強制 ARM 內核（Cortex M 系列）從片上引導 ROM 開(kāi)始執行。引導 ROM 代碼使用給定的引導選擇選項以及各種 FUSE/straps 和 GPIO 設置的狀態(tài)來(lái)確定 SOC 的引導流程行為。

什么是多核 SoC：

多核 SoC 有多個(gè)處理器，每個(gè)處理器都有自己的特定應用。

在網(wǎng)絡(luò )/汽車(chē)應用等復雜 SoC 中，大多數行業(yè) SoC 將主內核（啟動(dòng)內核）、應用程序/系統內核、網(wǎng)絡(luò )內核集成在單個(gè)芯片上，以處理來(lái)自不同外設（主/從）的各種數據。主內核是任何處理啟動(dòng)和最大功能的 SoC 的核心，但對于大流量數據（以太網(wǎng)/TDM）和高頻（CSI-2，QSPI）應用程序，我們需要有特定的應用程序內核，如 CORTEX-A 內核來(lái)處理數據.

圖 1：多核 SoC 的架構

多核 SoC 的引導流程：

當設備獲得 POR 時(shí)，主內核跳轉到復位向量位置。復位向量是映射到 ROM 起始地址（也稱(chēng)為引導 ROM）的位置，內核將在 POR 后從此處開(kāi)始執行。ARM 處理器（如 Cortex-M 系列）使用位于 0x00000000 的復位向量。該決定是通過(guò)配置輸入信號做出的，因此在不同的 SoC 之間可能會(huì )有所不同。

一旦主核心（如 ARM Coretx-M）脫離復位，它將從內存地址位置 0x00000000 開(kāi)始執行。主內核加載程序計數器并從地址 0xSP 開(kāi)始執行（主內核堆棧指針，在 0xSP 位置的 ROM 內部，它將加載堆棧指針），這指示內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)獲取應用程序引導地址并跳轉到該位置。

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

CORE 將執行來(lái)自 PSA 的 Image/.hex，它可能會(huì )按照引導加載程序的指示加載到 SRAM/GRAM 或 FLASH。

將 Image/.hex 加載到內存（FLASH/SRAM/GRAM）中是由引導加載程序完成的。該加載程序可以?xún)戎迷?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(guò)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(dòng)順序

主內核已經(jīng)啟動(dòng)并準備好移除其余部分以重置其他外設以及輔助內核，因為默認情況下輔助內核被禁用，由軟件啟用。

一旦軟件決定啟用輔助內核，相應的寄存器（取決于 SoC 架構，啟用輔助內核和時(shí)鐘控制寄存器）需要使用主內核進(jìn)行編程。一旦啟用輔助內核，這將開(kāi)始從復位中獲取數據向量位置（這與主核的復位向量位置不同，主核的復位向量位置是 0x00000000，而次級核的復位向量位置可以是 0x00000004）。

實(shí)際上，輔助核心也從 0x00000000 啟動(dòng)，并且通過(guò)使用虛擬化概念（從 0x00000000 到 0x00000004 的內存映射）或總線(xiàn)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。

現在輔助內核加載程序計數器并從地址 0xSP（輔助內核堆棧指針）開(kāi)始執行，它指示內核加載其重置處理程序（堆棧指針、向量表）并讀取 PSA 以獲取應用程序引導地址并跳轉到該位置。

圖 3：多核 SoC 中輔助內核的啟動(dòng)順序

圖 4：?jiǎn)⒂枚嗪?/span>

初級核心和次級核心有單獨的 Image/.hex。Image/.hex 應該為所有核心存儲不同的內存位置（即 GRAM/SRAM/FLASH）。這表明 PSA 對于所有內核都是不同的。此設置是 SoC 架構的一部分，由所有內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：根據鏈接器文件生成的圖像/十六進(jìn)制開(kāi)始和結束地址。

什么是引導加載程序：

根據 SoC 架構和實(shí)現，引導加載程序可以是引導 ROM 的一部分或在引導 ROM 之外。引導加載程序是根據 Fuse/straps 配置將圖像/十六進(jìn)制加載到內存中的程序。Boot loader 是一個(gè)程序，它具有所有外設和引導接口的數據結構。引導加載程序是高度特定于內核和電路板的。引導加載程序將在 POR 到 SoC 時(shí)執行。

Bootrom的職責：

• 執行必要的初始化，包括對 PLL、時(shí)鐘、堆棧、中斷設置、看門(mén)狗定時(shí)器等進(jìn)行編程。

• 啟用不同的一級緩存。

• 根據 Fuses/Straps 引腳值配置 I/O 元件和引腳多路復用。

• 將閃存控制器初始化為默認設置。

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

ROM 的特點(diǎn)包括：

• 支持從各種啟動(dòng)設備啟動(dòng)

• 串行下載器支持（USB、Flex CAN 和 UART 等）

• 主引導數據（初始接口的配置數據）

• 從低功耗模式喚醒

• 喚醒二級核心

Boot ROM 可以支持以下引導設備：

• 閃光

• 標清/多媒體卡

• QuadSPI

• 串行 ROM 設備（通過(guò) I2C 和 SPI 接口）

• PCI/USB/UART等

重置向量表或重置處理程序：

處理器復位后，它將在異常向量表中的復位向量位置（地址 0x00000000）開(kāi)始執行。

重置處理程序代碼滿(mǎn)足以下目的。

• 在多核架構中，將所有次核置于睡眠/禁用狀態(tài)

• 異常向量的初始化

• 內存/緩存/TLB 初始化

• 堆棧和處理器模式寄存器初始化

• 對 IO 設備執行必要的初始化并啟用中斷

ARM M 系列內核的典型向量表：

引導順序中的挑戰和問(wèn)題：

以下是與引導順序相關(guān)的主要挑戰和問(wèn)題。

1. 核心之間的同步：在 SoC 設計中是否有啟動(dòng)時(shí)存在多少個(gè)核心的信息？哪個(gè)核心是初級核心？

2. 堆棧設置問(wèn)題：通常，在單核系統中，啟動(dòng)堆棧被初始化以跳轉到BootROM。稍后，系統堆棧被初始化，整個(gè)系統都使用該堆棧。當支持多核系統時(shí)，一種方法可能是讓每個(gè)內核重復臨時(shí)和系統堆棧操作。然而，更好的方法是將一個(gè)主內核設置為所有內核的系統堆棧。這將減少輔助核心上的初始化代碼。

3. 在地址零或復位向量處啟動(dòng)一個(gè)帶有未初始化內存的處理器：

在復位時(shí)，處理器總是從地址為零的復位向量位置啟動(dòng)。

對于地址為零的未初始化內存（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(diǎn)，可能包含非法指令集狀態(tài)位 [0] 中的說(shuō)明符（ESPR.T 位）。

處理器可能會(huì )立即鎖定，或者可能會(huì )執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果。

4. 多個(gè)內核在同一復位向量共享同一引導 ROM：

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

在 SoC 的啟動(dòng)序列中處理挑戰的戰略方法：

為克服上述問(wèn)題，必須相應地更新多核 SoC 中所有內核的鏈接器文件。每個(gè)內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。鏈接器文件設置取決于 SoC 架構。

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。

結論：

VLSI 芯片設計行業(yè)正朝著(zhù)集成多個(gè)內核的單芯片中越來(lái)越復雜的設計邁進(jìn)。多核啟動(dòng)順序有助于理解，SoC 的實(shí)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A(yíng)RM的SoC中的多核啟動(dòng)順序以及相關(guān)描述

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