關(guān)于risc-v啟動部分思考

1.本文說明

1.1 risc-v的誕生的時代背景

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.risc-v 的芯片boot過程

2.1 risc-v的啟動模式

2.2 risc-v的啟動順序

3.什么是SBI？

4.什么是opensbi

5.openSBI call接口的實現(xiàn)

6.總結(jié)

1.本文說明

risc-v的架構(gòu)有著非常鮮明的特點，如果看過arm，aarch64，mips等架構(gòu)的一些架構(gòu)手冊的基礎(chǔ)知識，再看risc-v的芯片的架構(gòu)設(shè)計，就會覺得非常有意思，可以找到一些影子，但是又比這些架構(gòu)設(shè)計簡潔的多。當(dāng)我看完aarch64的芯片手冊，再看risc-v的boot時，設(shè)計思想竟然可以做一些對比，同樣去看risc-v和mips的寄存器，也可看到高度的一致性。

對于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)計元素?？傮w說來，risc-v的架構(gòu)設(shè)計集合了各種架構(gòu)的設(shè)計的優(yōu)點。我突然覺得這種堆疊即模塊的設(shè)計思想，在當(dāng)前iot物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的如火如荼的時代又要被賦予最新的使命了。我十分看好risc-v的設(shè)計思想，也期待著與軟件界的Linux一樣，發(fā)展的繁榮昌盛。

1.1 risc-v的誕生的時代背景

risc-v至誕生之日起，就賦予了良好的設(shè)計模式，吸收了大量的arm、x86、以及mips中良好的設(shè)計基因，將過時指令設(shè)計的與架構(gòu)設(shè)計中的坑都避免了。這幾十年的芯片的發(fā)展過程中，不少的芯片架構(gòu)都曾因為設(shè)計問題消失在歷史長河中，有著曾經(jīng)一度輝煌的sparc，還有當(dāng)時被十分看好的mips。如今市場上最熱門的就屬x86和arm了，一個主打移動市場，一個主打pc市場，兩個在芯片架構(gòu)的市場上發(fā)展的如火如荼。

然而，兩個巨頭都牢牢的把控著核心技術(shù)的門檻，用arm必須去買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源的人看不下去了。那么設(shè)計芯片的指令集很難么？設(shè)計芯片的指令并非難事，這要很多人使用才行，因為芯片上需要搭載操作系統(tǒng)，需要去運行各種各樣的軟件，比如瀏覽器、數(shù)據(jù)庫、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)各國最強的研發(fā)實力才能發(fā)展完善的。而risc-v就有這個魔力，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)由于時間累計的問題，都積累了大量的指令集，x86當(dāng)時誕生時不過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，使得寫底層軟件的人苦不堪言。喬布斯有句名言：至繁歸于至簡。歷史遺留的問題既然不能克服和解決，那就干脆抽取精華，設(shè)計出一個優(yōu)秀的架構(gòu)出來，于是risc-v在這種時代背景下開始了其新的使命。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

新事物的崛起，必會引來眾多人的圍觀，技術(shù)的風(fēng)所到之處，均是機會的影子。

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過程

2.1 risc-v的啟動模式

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

M-mode(Machine Mode)

S-mode(Supervisor Mode)

U-mode(User Mode)

對于arm64來說，系統(tǒng)上電后啟動會處于EL3 secure world ，所以對于arm64來說，一般都會使用ARM Trusted firmware (TF-A) 在normal world EL2 與 secure EL3 進行切換。

而對于risc-v來說，系統(tǒng)上電啟動后會在M-Mode，而risc-v目前是沒有Hypervisor這一層的概念的，所以目前采用的是opensbi。

2.2 risc-v的啟動順序

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

MSEL(Mode Select)：啟動模式，一般為選擇撥碼開關(guān)等方式進行選擇。

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

FSBL(First Stage Boot Loader ）：啟動PLLs和初始化DDR內(nèi)存。

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

下面詳細(xì)分析一下FU540的啟動流程。

復(fù)位向量表

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

程序會根據(jù)MSEL選擇，選擇如下的跳轉(zhuǎn)地址：

Zeroth Stage Boot Loader (ZSBL)

零級引導(dǎo)程序加載會從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，至于從哪個介質(zhì)查找FSBI，可以看到如下的選項：

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。

切換頻率到1GHz。

配置ddr pll，外設(shè)時鐘和控制器等等。

拷貝設(shè)備樹和SBI固件到DDR中。

跳轉(zhuǎn)到0x80000000開始執(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)提供管理器二進制接口（SBI）以及模擬所需的任何RISC-V不是由芯片本身實現(xiàn)的指令。該接口可以為Linux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SupervisorExecution Environment (SEE) 接口。

一般來說，操作系統(tǒng)都不會直接管理硬件資源，會通過SBI去調(diào)用到M-mode。

4.什么是opensbi

簡單的說，opensbi就是一個開源的RISC-V虛擬化二進制接口的通用的規(guī)范。

使用的是BSD-2的開源協(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。

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

比如蘋果公司定義了個人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，再回頭看啟動流程，與aarch64之間進行一個對比：

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

對于riscv，上圖是一個標(biāo)準(zhǔn)的加載啟動流程，其中Opensbi提供了M模式的運行時庫。

5.openSBI call接口的實現(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或者中斷的分發(fā)等等。調(diào)用方式可以通過ecall來實現(xiàn)。類似于syscall的實現(xiàn)規(guī)則。當(dāng)前階段實現(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的啟動規(guī)范可以按照opensbi的接口實現(xiàn)來自行定義，芯片廠家也可以通過適配opensbi的接口來實現(xiàn)平臺通用化的移植，這樣將會大大簡化上層設(shè)計的復(fù)雜度。同時規(guī)范化的啟動流程對于使用者來說更加的友好。相信在這種規(guī)范化的模式下，riscv的設(shè)計將會越來越完善。

責(zé)任編輯：xj

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