什么是多核SoC？基于ARM的多核SoC的啟動方法介紹

介紹 ：

引導(dǎo)過程是任何 SoC 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(shí)鐘控制器或安全處理模塊和其他主/從）根據(jù) SoC 架構(gòu)和客戶應(yīng)用進(jìn)行初始化。在多核 SoC 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。

引導(dǎo)過程從上電復(fù)位 (POR)開始，硬件復(fù)位邏輯強(qiáng)制 ARM 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(xiàng)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(gè)處理器，每個(gè)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(gè)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(shí)，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。ARM 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 ARM 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(jì)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(yàn)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?yàn)槟J(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(shí)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(shí)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(jì)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(dú)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。

CORE1-0X3E800000-0X3E80FFFF
CORE2-0X3E810000-0X3E81FFFF
CORE3- …..

什么是引導(dǎo)加載程序：

根據(jù) SoC 架構(gòu)和實(shí)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(gè)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(shí)執(zhí)行。

Bootrom的職責(zé)：

執(zhí)行必要的初始化，包括對 PLL、時(shí)鐘、堆棧、中斷設(shè)置、看門狗定時(shí)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(xiàng)由保險(xiǎn)絲/帶針設(shè)置。

ROM 的特點(diǎn)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(jì)中是否有啟動時(shí)存在多少個(gè)核心的信息？哪個(gè)核心是初級核心？

如果所有內(nèi)核同時(shí)退出復(fù)位狀態(tài)，它們通常都從同一個(gè)復(fù)位向量開始執(zhí)行。然后引導(dǎo)代碼讀取集群 ID 以確定哪個(gè)核心是主要核心。主要核心執(zhí)行初始化，然后向次要核心發(fā)出一切準(zhǔn)備就緒的信號。另一種方法是在主核進(jìn)行初始化時(shí)將輔助核保持在復(fù)位狀態(tài)。該方法需要硬件支持來協(xié)調(diào)復(fù)位。CP15: MPIDR Multiprocessor Affinity Register 提供了多核系統(tǒng)中的識別機(jī)制。

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(gè)系統(tǒng)都使用該堆棧。當(dāng)支持多核系統(tǒng)時(shí)，一種方法可能是讓每個(gè)內(nèi)核重復(fù)臨時(shí)和系統(tǒng)堆棧操作。然而，更好的方法是將一個(gè)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(gè)帶有未初始化內(nèi)存的處理器：

在復(fù)位時(shí)，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(diǎn)，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(gè)內(nèi)核在同一復(fù)位向量共享同一引導(dǎo) ROM：

多個(gè)核心在地址 0x0 處共享相同的引導(dǎo) ROM 并不常見，因?yàn)檫@意味著多個(gè)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(gè)內(nèi)核都有單獨(dú)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(jì)行業(yè)正朝著集成多個(gè)內(nèi)核的單芯片中越來越復(fù)雜的設(shè)計(jì)邁進(jìn)。多核啟動順序有助于理解，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(xiàng)（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。

審核編輯：劉清