關(guān)于risc-v啟動(dòng)部分思考

• 1.本文說(shuō)明

• 1.1 risc-v的誕生的時(shí)代背景

• 1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

• 2.risc-v 的芯片boot過(guò)程

• 2.1 risc-v的啟動(dòng)模式

• 2.2 risc-v的啟動(dòng)順序

• 3.什么是SBI？

• 4.什么是opensbi

• 5.openSBI call接口的實(shí)現(xiàn)

• 6.總結(jié)

1.本文說(shuō)明

risc-v的架構(gòu)有著非常鮮明的特點(diǎn)，如果看過(guò)arm，aarch64，mips等架構(gòu)的一些架構(gòu)手冊(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)，再看risc-v的芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)，就會(huì)覺(jué)得非常有意思，可以找到一些影子，但是又比這些架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的多。當(dāng)我看完aarch64的芯片手冊(cè)，再看risc-v的boot時(shí)，設(shè)計(jì)思想竟然可以做一些對(duì)比，同樣去看risc-v和mips的寄存器，也可看到高度的一致性。對(duì)于x86的架構(gòu)我未曾深入了解，但是在risc-v上應(yīng)該也可以找到一些設(shè)計(jì)元素?？傮w說(shuō)來(lái)，risc-v的架構(gòu)設(shè)計(jì)集合了各種架構(gòu)的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。我突然覺(jué)得這種堆疊即模塊的設(shè)計(jì)思想，在當(dāng)前iot物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的如火如荼的時(shí)代又要被賦予最新的使命了。我十分看好risc-v的設(shè)計(jì)思想，也期待著與軟件界的Linux一樣，發(fā)展的繁榮昌盛。

1.1 risc-v的誕生的時(shí)代背景

risc-v至誕生之日起，就賦予了良好的設(shè)計(jì)模式，吸收了大量的arm、x86、以及mips中良好的設(shè)計(jì)基因，將過(guò)時(shí)指令設(shè)計(jì)的與架構(gòu)設(shè)計(jì)中的坑都避免了。這幾十年的芯片的發(fā)展過(guò)程中，不少的芯片架構(gòu)都曾因?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題消失在歷史長(zhǎng)河中，有著曾經(jīng)一度輝煌的sparc，還有當(dāng)時(shí)被十分看好的mips。如今市場(chǎng)上最熱門(mén)的就屬x86和arm了，一個(gè)主打移動(dòng)市場(chǎng)，一個(gè)主打pc市場(chǎng)，兩個(gè)在芯片架構(gòu)的市場(chǎng)上發(fā)展的如火如荼。

然而，兩個(gè)巨頭都牢牢的把控著核心技術(shù)的門(mén)檻，用arm必須去買(mǎi)ip授權(quán)，以及x86的交叉授權(quán)模式等等。這些都讓很多崇尚開(kāi)源的人看不下去了。那么設(shè)計(jì)芯片的指令集很難么？設(shè)計(jì)芯片的指令并非難事，這要很多人使用才行，因?yàn)樾酒闲枰钶d操作系統(tǒng)，需要去運(yùn)行各種各樣的軟件，比如瀏覽器、數(shù)據(jù)庫(kù)、辦公系統(tǒng)、專業(yè)軟件等等。這些適配工作投入的精力和難度恐怕是需要集結(jié)各國(guó)最強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力才能發(fā)展完善的。而risc-v就有這個(gè)魔力，竟然可以一呼百應(yīng)，大概是大家受到arm與因特爾的壓迫已經(jīng)很久了，大家都想自己造芯片玩玩。

arm與x86架構(gòu)由于時(shí)間累計(jì)的問(wèn)題，都積累了大量的指令集，x86當(dāng)時(shí)誕生時(shí)不過(guò)80條指令，而今也有著上千條指令集了，各種復(fù)雜的指令集，多媒體指令集等等，使得寫(xiě)底層軟件的人苦不堪言。喬布斯有句名言：至繁歸于至簡(jiǎn)。歷史遺留的問(wèn)題既然不能克服和解決，那就干脆抽取精華，設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)秀的架構(gòu)出來(lái)，于是risc-v在這種時(shí)代背景下開(kāi)始了其新的使命。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

新事物的崛起，必會(huì)引來(lái)眾多人的圍觀，技術(shù)的風(fēng)所到之處，均是機(jī)會(huì)的影子。

而今risc-v已經(jīng)成為眾多大學(xué)生積極學(xué)習(xí)的課程，各大公司也已經(jīng)啟動(dòng)了預(yù)研和探索的腳步。

RISC-V雖仍是星星之火，卻已現(xiàn)出燎原之態(tài)。

2.risc-v 的芯片boot過(guò)程

2.1 risc-v的啟動(dòng)模式

在理解risc-v的boot流程之前，首先需要知道的是risc-v設(shè)計(jì)的三種模式：

• M-mode(Machine Mode)
• S-mode(Supervisor Mode)
• U-mode(User Mode)

對(duì)于arm64來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)上電后啟動(dòng)會(huì)處于EL3 secure world ，所以對(duì)于arm64來(lái)說(shuō)，一般都會(huì)使用ARM Trusted firmware (TF-A)  在normal world EL2 與 secure EL3  進(jìn)行切換。

而對(duì)于risc-v來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后會(huì)在M-Mode，而risc-v目前是沒(méi)有Hypervisor這一層的概念的，所以目前采用的是opensbi。

2.2 risc-v的啟動(dòng)順序

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的risc-v啟動(dòng)順序，可查看FU540的芯片手冊(cè)，其中有如下的順序描述：

MSEL(Mode Select)：?jiǎn)?dòng)模式，一般為選擇撥碼開(kāi)關(guān)等方式進(jìn)行選擇。

ZSBL (Zeroth Stage Boot Loader)：片上ROM程序。

FSBL(First Stage Boot Loader ）：?jiǎn)?dòng)PLLs和初始化DDR內(nèi)存。

BBL（Berkeley Boot Loader  ）：提供加載，并且管理著二進(jìn)制接口（SBI）。

下面詳細(xì)分析一下FU540的啟動(dòng)流程。

復(fù)位向量表

當(dāng)芯片上電后，當(dāng)芯片有33.3MHz外部晶振時(shí)鐘時(shí)，所有的核會(huì)跳轉(zhuǎn)到地址0x1004地址處去執(zhí)行程序。

程序會(huì)根據(jù)MSEL選擇，選擇如下的跳轉(zhuǎn)地址：

Zeroth Stage Boot Loader (ZSBL)

零級(jí)引導(dǎo)程序加載會(huì)從GUID分區(qū)中下載更加復(fù)雜的FSBI，一般都是QSPI的flash或者sd卡中下載FSBI，然后將該程序放到地址0x08000000處，至于從哪個(gè)介質(zhì)查找FSBI，可以看到如下的選項(xiàng)：

The First Stage Boot Loader (FSBL)

該執(zhí)行的地址位于L2 LIM，也就是地址0x08000000。該程序的目的是DDR初始化后，將系統(tǒng)在DDR中執(zhí)行起來(lái)。

• 切換頻率到1GHz。
• 配置ddr pll，外設(shè)時(shí)鐘和控制器等等。
• 拷貝設(shè)備樹(shù)和SBI固件到DDR中。
• 跳轉(zhuǎn)到0x80000000開(kāi)始執(zhí)行程序。

Berkeley Boot Loader (BBL)

Berkeley引導(dǎo)加載程序（BBL）從位于0x8000_0000的DDR執(zhí)行。它負(fù)責(zé)提供管理器二進(jìn)制接口（SBI）以及模擬所需的任何RISC-V不是由芯片本身實(shí)現(xiàn)的指令。該接口可以為L(zhǎng)inux等其他的os提供調(diào)用接口。

3.什么是SBI？

SBI的全稱是RISC-V Supervisor Binary Interface 。它提供了risc-v標(biāo)準(zhǔn)的S-mode OS與Supervisor Execution Environment (SEE)  接口。

一般來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)都不會(huì)直接管理硬件資源，會(huì)通過(guò)SBI去調(diào)用到M-mode。

4.什么是opensbi

簡(jiǎn)單的說(shuō)，opensbi就是一個(gè)開(kāi)源的RISC-V虛擬化二進(jìn)制接口的通用的規(guī)范。

使用的是BSD-2的開(kāi)源協(xié)議，也就是任何人都可以隨意修改和使用，也提供了通用的規(guī)范化的接口實(shí)現(xiàn)。

這里就需要理解一下為什么需要規(guī)范化了。

以往芯片廠家都會(huì)按照自己的啟動(dòng)規(guī)則定義一些啟動(dòng)的流程，比如有些需要SPL+UBOOT，有些可以是直接從SPI或SD卡中boot，這些啟動(dòng)的規(guī)則很多，每當(dāng)使用一款芯片，都需要去理解其啟動(dòng)的流程，十分的復(fù)雜。于是就出現(xiàn)了一些規(guī)則和定義。

比如蘋(píng)果公司定義了個(gè)人PC電腦的規(guī)則：

又比如Linux定義了設(shè)備規(guī)則等等：

而risc-v雖然目前芯片種類少，但是也需要制定一些啟動(dòng)規(guī)則，于是有了下面的規(guī)則：

當(dāng)有了opensbi后，再回頭看啟動(dòng)流程，與aarch64之間進(jìn)行一個(gè)對(duì)比：

aarch64借助atf框架，從EL3跳轉(zhuǎn)到EL1，并啟動(dòng)u-boot。

對(duì)于riscv，上圖是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加載啟動(dòng)流程，其中Opensbi提供了M模式的運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

5.openSBI call接口的實(shí)現(xiàn)

opensbi不僅僅具有加載和引導(dǎo)功能，也能夠供S-Mode的OS使用，比如提供串口控制臺(tái)或者中斷的分發(fā)等等。調(diào)用方式可以通過(guò)ecall來(lái)實(shí)現(xiàn)。類似于syscall的實(shí)現(xiàn)規(guī)則。當(dāng)前階段實(shí)現(xiàn)了下面的接口：

詳細(xì)可以看下面的官方文檔描述。

https://github.com/riscv/riscv-sbi-doc/blob/master/riscv-sbi.adoc

6.總結(jié)

riscv的啟動(dòng)規(guī)范可以按照opensbi的接口實(shí)現(xiàn)來(lái)自行定義，芯片廠家也可以通過(guò)適配opensbi的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)通用化的移植，這樣將會(huì)大大簡(jiǎn)化上層設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。同時(shí)規(guī)范化的啟動(dòng)流程對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)更加的友好。相信在這種規(guī)范化的模式下，riscv的設(shè)計(jì)將會(huì)越來(lái)越完善。