启动流程

REVISION HISTORY

Revision No.
Description
 Date
1.0
  • Initial release
    		•  01/31/2024
    1.1
  • DualOs LH mode 流程变动
    		•  06/07/2024

    关键字说明

    CM4：芯片额外搭载ARM Cortex-M4低功耗内核

    VMM：virtual machine monitor,虚拟机监控器

    WFE：wait for event,等待外部事件

    cx：core x

    TTFF：time to first frame，第一帧出流的时间

    TTCL：time to console line，到 linux 命令行的时间

    1. 概述

    为了适应市场需求和满足广泛的应用新场景，sigmastar iford 系列芯片跟进前沿的硬件设计和软件技术，从芯片设计层面满足用户对安全性、实时性、低功耗、高性能的要求。

    • 该系列芯片搭载双核ARM Cortex-A32内核，支持Trustzone，以确保关键资源（内存、中断、IP等）得到保护，不受潜在的安全风险侵害。

    • 该系列芯片额外搭载ARM Cortex-M4低功耗内核，结合实际应用场景，由CM4处理和过滤事件，减少整机上电时长，满足需要省功耗、长续航的产品要求。

    • 软件设计上提供secure boot支持，能够在系统启动过程中验证和加载经过认证的软件，从而有效地防止篡改flash软件和抄袭flash软件。

    • 软件设计上引入VMM（virtual machine monitor）管理cpu和硬件资源，隐藏底层物理硬件，让多个操作系统（linux+freertos）可以透明地使用和共享硬件资源。

    • 支持Sensor earlyinit，设备上电后以最快的速度初始化sensor和采集图像，不需要等到操作系统启动完就能够快速录制图像，满足需要快速抓图的产品要求。

    Sigmastar提供的SDK开发包里包含多image defconfig，用户根据产品形态和方案需求选择一种合适的image配置即可。不同的image defconfig打包不同的功能镜像，对应的软件boot flow也不同，本文对常见的几种boot flow进行说明。

    本文档所介绍的启动流程场景默认开启security boot同时包括OP-TEE、PM_RTOS和earlyinit fw（如果支持）。若用户当前场景没有开启trustzone、cm4 、earlyinit、signature&verify image 可自行忽略对应图示，流程图和结构框图的正确性不受影响。

    如果需要了解nor/nand/emmc等存储分区的划分，以及nand启动过程跳bad block逻辑和跳备份分区逻辑。请参考文档《系统分区》。

    如果需要了解boot flow过程中xz和ssz解压原理和过程，请参考文档《XZDEC使用参考》。

    不同应用场景的image配置defconfig和编译命令，请参考文档《环境搭建》。

    本文档默认sigmastar对启动流程的内存划分合理且不冲突，不对boot flow过程加载地址和运行地址进行额外说明。

    2. image defconfig说明

    SDK的image defconfig位于project/configs/defconfigs/目录下，以ipc-rtos_iford.spinand.glibc-11.1.0-ramdisk.ssc029a.512.bga12_ddr4_hyp_ptree_defconfig为例：


    图解1 defconfig 字段含义说明

    defconfig字段 说明
    product(产品) ipc、ipc-rtos、usbcam
    boot medium(启动介质) nor、spinand、emmc
    rootfs type(根文件系统类型) ramfs、ramdisk、squashfs、ext4fs
  • ramfs:一般是pure linux启动
  • ramfs rootfs 一般为了快速启动使用
    		•
    DDR size(DDR 大小)
  • 512x512: 1G Byte
  • 256x256: 512M Byte
  • 128x128: 256M Byte
  • 512: 512M Byte
  • 256: 256M Byte
    		•
    package(芯片封装类型) bag12、bag11、qfn128、qfn256
    software feature(软件特征) hyp、optee、cm4_demo、ptree、str
  • hyp：带VMM启动，hypervisor层运行VMM。
  • optee：trustzone场景，secure world运行optee os
  • cm4_demo：启动过程reset CM4运行PM_RTOS
  • str： suspend to ddr，CPU掉电，仅保留DDR自刷新，系统当前状态保存在DDR中
  • ptree： rtos pipeline tree，rtos自动运行pipeline tree application
    		•

    3. 典型场景boot flow

    根据armv8架构定义，系统的执行状态分为两个世界：用于运行可信任软件的secure world和运行不可信软件的non-secure world。同时又将32位处理器模式分成三种特权等级，分别为：PL0,PL1,PL2。

    3.1. 场景一

    该场景是ipc/usbcam product的boot flow：non-secure world只运行linux一个os，NS.PL2(hypervisor层)不需要运行VMM。

    SMF(secure monitor firmware)：在系统启动流程中负责完成对CPU monitor mode的初始化设定以及GIC的初始化设定。SMF并没有独立的分区，而是内嵌在IPL binary image里。


    图解2 pure linux 启动流程

    3.2. 场景二

    该场景是ipc/usbcam product的boot flow且为了加快进入linux cmdline,rootfs类型为ramfs：non-secure world只运行linux一个os，NS.PL2(hypervisor层)不需要运行VMM，并且boot flow跳过uboot由IPL_CUST直接启动linux，减少上电后开进linux cmdline的时长。


    图解3 pure linux 快启启动流程

    3.3. 场景三

    该场景是ipc-rtos product的boot flow：non-secure world PL2(hypervisor层)运行VMM，主要掌管interrupt和CPU调度，同一个core上运行 rtos + linux双系统时，rtos优先调度，空闲CPU再让出给linux使用。双系统场景同时具有rtos的轻量、快启动和Linux系统的通用可扩展特性。

    Earlyinit fw的作用是：尽可能早的阶段设置sensor和VIF模块开始工作，boot flow过程中VIF output同步缓存sensor raw image data。直至non-secure world rtos启动后，rtos task创建video pipeline出视频流数据。VIF模块先将缓存的raw image传递给video pipeline，之后才是实时sensor采集raw image数据。


    图解4 dualos 启动流程

    IPL_CUST加载VMM并从IPL_CUST跳转执行VMM过程，会从ENV里取出bootargs_hyp作为cmdline_tag传递给VMM。bootargs_hyp = vmm_size=0x00200000 vmm_limit_size=0x20000000 vm0_en=1 vm1_en=1 vm0_online_map=0x02 vm1_online_map=0x0F vm0_master=1 vm1_master=0 vm0_entry=0x3E308000。各字段含义如下：

    • vm0_en=1：使能VM0，目前在VMM里写死VM0启动rtos。

    • vm1_en=1：使能VM1，目前在VMM里写死VM1启动linux。

    • vm0_online_map=0x02：指定vm0运行在core1

    • vm1_online_map=0x0F：指定vm1运行在core0~1

    • vm0_master=1：vm0主要跑在core1

    • vm1_master=0：vm1主要跑在core0

    • vm0_entry=0x3E308000: vmm的入口地址如果不由vmm image header指定，则会根据vm0_entry指定。

    VMM加载rtos并从VMM跳转执行rtos过程，会从ENV里取出bootargs_rtos作为cmdline_tag传递给rtos。bootargs_rtos = rtos_size=0x0100000 limit_dram_size=0x20000000 mma_base=0x28000000 mma_size=0x16300000 rtosrd_addr=0x3ED00000 rtosrd_size=0x120000 rtosts_addr=0x3EC00000 rtosts_size=0x800 rtos_master=1 loglevel=3。各字段含义如下：

    • rtos_size=0x0100000：指定rtos系统内存大小

    • limit_dram_size=0x40000000：指定rtos dram总大小配置

    • mma_base=0x28000000 mma_size=0x16300000：指定rtos使用的MMA起始地址和MMA大小

    • rtosrd_addr=0x3ED00000 rtosrd_size=0x120000 fs占用ddr的起始地址和大小

    • rtosts_addr=0x3EC00000 rtosts_size=0x800 存放rtos启动参数的struct tags占用ddr的起始地址和大小

    • loglevel=3：指定rtos os打印等级，打印等级取值范围[0,7],数值越大打印等级越高

    3.4. 场景四

    该场景是ipc-rtos product的boot flow，与场景三的差异在于，IPL根据GPIO状态发现电平为低即不运行earlyinit fw，并且IPL_CUST会去加载uboot image到ddr，最终跳转到uboot工作。由bootcmd的设置决定PL2要不要加载VMM，以及non-secure world加载哪些os。

    例如uboot先完成加载rtos & linux & vmm，由vmm根据bootargs_hyp启动dualos：setenv bootcmd 'loados nand by_header MISC by_header; loados nand by_header RTOS by_header;bootm start{loados_addr};bootm loados;bootm prep; loados nand by_header RAMDISK by_header; loados nand by_header KERNEL by_header;bootm start;bootm loados;bootm prep; mtdparts add nand0 0x20000@0X00260000 VMM; loados nand by_header VMM by_header;dcache off;bootm${loados_addr} bypass_vm_load;'


    图解5 ipc-rtos product 启动流程

    3.5. 场景五

    该场景是ipc-rtos product的boot flow（LH bootflow mode），与场景三(hyp bootflow mode)的差异在于：LH bootflow mode 没有vmm实现的hypervisor层，ns-world只能跑一个os，因此linux跑在ns-world PL1，rtos跑在s-world PL1，LH bootflow 没有optee。

    此外，因启动流程中 Sensor Earlyinit 阶段的不同，还会分叉出两种流程：

    流程1：

    该流程 Sensor Earlyinit 会在 IPL 阶段就开始 bringup，并且 RTOS 不需要访问 flash。Core0 在 IPL_CUST load 完 RTOS，会将存放配置文件的 MISC 分区（分区名为MISC_RTOS）直接 load 到 ddr 上面（该做法又被称为 RAMFS），然后 core1 负责启动 rtos，core0 马上去 load linux 和 rootfs。

    优点：可以让 TTFF/TTCL 速度做到极致

    缺点：IPL CUST 没有 OS 相关接口，EarlyInit 的开发以及维护难度较大


    图解6 LH mode 启动dualos流程

    流程2：

    该流程 Sensor Earlyinit 会在 RTOS 阶段进行 bringup，并且 RTOS 会对 flash 进行访问。Core0 在 IPL_CUST load 完 RTOS 之后，会将core1 唤醒去 boot rtos，然后马上进入 wfe 状态。Core1 在 Rtos 运行过程阶段，确定 flash 使用完毕之后，释放 flash 的使用权并唤醒 core0。此时，core0 会接着处理 load linux 跟 rootfs 的流程。

    优点：使用 RTOS 的接口进行开发以及维护，EarlyInit 的开发难度将大大降低

    缺点：TTFF 以及TTCL 速度稍慢


    图解7 LH mode 启动dualos流程

    注意：该流程对应的 IPL 带有配置 WAIT_RTOS_FLASH_ACCESS=y 以及 LOAD_RTOS_RAMFS=n，RTOS 也需要开启对应的 FLASH 配置以及CONFIG_RTOS_FLASH_ACCESS_DONE_WAKEUP 选项。