ARM SCP入門-簡介和代碼下載編譯

? ?在現(xiàn)代SoC芯片中CPU只能說是皇帝，掌握資源命脈的還得是太上皇?SCP?。

講SoC前我們先看下傳統(tǒng)的PC構(gòu)架，當(dāng)你去買電腦的時(shí)候，首先決定價(jià)位的就是?CPU?，然后就是顯卡、聲卡、無線網(wǎng)卡等各種配件，最后電腦攢出來了，一個(gè)機(jī)箱個(gè)頭不小啊，耗電也是響當(dāng)當(dāng)?shù)摹＜依锊咫娺€可以用，但是對(duì)于手機(jī)、汽車等移動(dòng)設(shè)備來說，電池供電再這么搞是不行了，系統(tǒng)對(duì)省電、體積、功能有更高的要求，需要越來越多的模塊，解決方案就是?SoC?。

隨著芯片的集成化程度提升，很多模塊都做到芯片的內(nèi)部，比如isp、dsp、gpu，這樣做成?片上系統(tǒng)?（Systemon Chip，簡稱?SoC?），好處是整個(gè)系統(tǒng)功能更內(nèi)聚，板級(jí)面積會(huì)減少，但是芯片的體積卻越來越大。大的芯片面積造成芯片成本和功耗增加，但是整體功耗相對(duì)減小，隨著芯片制造工藝的提高，可以提高能耗比和降低成本。

SoC誕生后，一個(gè)問題愈發(fā)的嚴(yán)重，就像“?一個(gè)和尚挑水吃，兩個(gè)和尚抬水吃，三個(gè)和尚沒水吃?”，模塊多了就會(huì)有資源的爭奪。CPU上的OS軟件之前一直是皇帝般的存在，硬件之上都自己掌控，現(xiàn)在不同了，出現(xiàn)了藩王，像GPU各種人工智能專屬的NPU，地平線自己還命名了一個(gè)BPU，總之各種PU一堆，CPU還是皇帝，但是其他PU擁有自己獨(dú)立的硬件和OS就像藩王，有點(diǎn)不受控啊。爭奪最厲害的就是電源，這可是大奶媽，然后就是存儲(chǔ)、時(shí)鐘、傳感器等。這時(shí)候CPU皇帝很頭大了，需要搬出來太上皇了，就是我們本篇介紹的?SCP?（system control?processor）。那么CPU可以代理太上皇嗎，答案是不能，有的情況下比如休眠關(guān)機(jī)，CPU都得關(guān)了但是還有的NPU還在運(yùn)行，CPU還沒那個(gè)資格統(tǒng)領(lǐng)全局。上面圖里面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)小說的名字，看來作者知道太上皇才是權(quán)利巔峰，從而意淫奪舍，奪舍在計(jì)算機(jī)里面算是黑客入侵控制了，但是SoC里面這個(gè)太上皇可不好奪舍，是極度安全的幕后人物，擁有自己的全套基礎(chǔ)設(shè)施，而又讓你甚至感覺不到他的存在。但是當(dāng)你一直沿著軟件OS-》ATF往下分析發(fā)現(xiàn)還有這個(gè)幕后黑手SCP。

1. ARM PCSA規(guī)范

上圖所示是一個(gè)典型的SoC，里面除了CPU還有各種其他處理器。之前介紹的ARM ATF入門-安全固件軟件介紹和代碼運(yùn)行中的固件都是在CPU上運(yùn)行的，也就是ARM的A核，這里說的SCP是在M核上運(yùn)行的。

俗話說“?君權(quán)神授?”，這個(gè)SCP肯定得是造物主ARM提出來的了。 隨著SoC的復(fù)雜性增加，為了更好的功耗管理，需要從系統(tǒng)中其他的控制器和應(yīng)用處理器中抽象出來各種電源或其他系統(tǒng)管理任務(wù)，進(jìn)行集中管理，利用一個(gè)獨(dú)立的控制器核心實(shí)現(xiàn)。因此ARM提出了功耗控制系統(tǒng)架構(gòu)（power control system architecture，簡稱?PCSA?），用來規(guī)范芯片功耗控制的邏輯實(shí)現(xiàn)。

為什么SoC需要集中功耗控制？

首先SoC的復(fù)雜性，現(xiàn)代SOC集成了大量的硬件模塊，在電源管理方面，這些模塊間需要進(jìn)行集成和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)難度大；

其次功耗管理的復(fù)雜性，涉及時(shí)鐘、電源域、傳感器、事件等方面。

PCSA描述了一種使用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施組件、低功耗接口和相關(guān)方法進(jìn)行功率控制集成的方法。PCSA基于ARM的組件實(shí)現(xiàn)，規(guī)范包括：

電壓、電源和時(shí)鐘的劃分；

電源的狀態(tài)和模式；

ARM電源控制框架和集成規(guī)范；

ARM特定組件的電源和時(shí)鐘集成；

帶有低功耗Q-channel和P-channel接口的IP。

2. SCP簡介

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PCSA 定義了**系統(tǒng)控制處理器** (SCP) 的概念，一般是一個(gè)硬件模塊，例如cortex-M4微處理器再加上一些外圍邏輯電路做成的功耗控制單元。SCP用于從應(yīng)用程序處理器中抽象出電源和系統(tǒng)管理任務(wù)，配合操作系統(tǒng)的功耗管理軟件或驅(qū)動(dòng)，來完成頂層的功耗控制。上面這個(gè)圖中間是 **SCP** ，AP只是其中的一個(gè) **Agent** ，還有其他的Agent，真正控制硬件的還是SCP，這就很安全。SCP相關(guān)的軟件交互定義如下：

AP軟件是SCP服務(wù)的請(qǐng)求者。

系統(tǒng)中的其他Agent也可以請(qǐng)求SCP的服務(wù)。代理例如一個(gè)modem子系統(tǒng)，或者其他的硬件模塊。

SCP基于處理器，有自己的?固件?，控制自己的一組?硬件資源?，例如本地私有內(nèi)存、計(jì)時(shí)器、中斷控制以及系統(tǒng)配置、控制和狀態(tài)的寄存器。

最底層是SCP控制的?硬件資源?，例如時(shí)鐘源、電源域門控、電壓電壓和傳感器等

SCP提供的服務(wù)：

系統(tǒng)初始化：SCP負(fù)責(zé)通電復(fù)位系統(tǒng)初始化任務(wù)，從主系統(tǒng)和AP核心電源域的通電順序到AP啟動(dòng)。

OSPM定向操作：SCP在OSPM指導(dǎo)下執(zhí)行電壓供應(yīng)變化、電源控制操作和時(shí)鐘源管理。這些服務(wù)也可以被其他請(qǐng)求的Agent使用。

對(duì)系統(tǒng)事件的響應(yīng)：

計(jì)時(shí)器事件：SCP有本地計(jì)時(shí)器資源，可用于觸發(fā)系統(tǒng)喚醒和任何周期性動(dòng)作，如監(jiān)控。

喚醒事件：響應(yīng)喚醒請(qǐng)求，包括由路由到斷電核心的中斷引起的GIC喚醒請(qǐng)求，以及來自其他代理的系統(tǒng)訪問請(qǐng)求。

調(diào)試訪問電源控制：響應(yīng)來自調(diào)試訪問端口的請(qǐng)求和相關(guān)控件的請(qǐng)求，包括調(diào)試基礎(chǔ)設(shè)施的電源管理。

看門狗事件和系統(tǒng)恢復(fù)操作：在本地看門狗超時(shí)時(shí)，SCP可以執(zhí)行一個(gè)重置和重新初始化序列。

系統(tǒng)感知功能：

SCP可以協(xié)調(diào)來自O(shè)SPM和其他代理對(duì)共享資源的請(qǐng)求。例如，它可以控制到主存的路徑，或進(jìn)入SoC睡眠模式和退出，而不需要AP核心活動(dòng)。

SCP可負(fù)責(zé)監(jiān)測傳感器和測量功能。監(jiān)控任務(wù)可能包括過程和溫度傳感器的數(shù)據(jù)收集和相關(guān)的操作，如操作點(diǎn)優(yōu)化和報(bào)警條件。

SCP在操作點(diǎn)選擇中的作用可以擴(kuò)展到必要時(shí)覆蓋OSPM方向，以確保系統(tǒng)的電氣和熱保護(hù)。

SCP在安全方面的優(yōu)勢：

由于其是一個(gè)獨(dú)立的硬件模塊和固件，其內(nèi)部資源例如內(nèi)存、外設(shè)不能夠被外界控制，另外其還能控制外界的一些公共資源，SCP具有較高的權(quán)限。配合安全引導(dǎo)過程，SCP可以成為一個(gè)可信軟件模塊。

SCP固件為其他MCP的固件實(shí)現(xiàn)提供了參考：

SOC中除了SCP處理器外，還有一些其他的可管理性控制處理器 (MCP)，其他MCP的實(shí)現(xiàn)固件框架跟SCP類似，目的是為需要可管理性的片上系統(tǒng) (SoC) 提供管理入口點(diǎn)。

3. 電源管理軟件協(xié)議棧

用戶層：

首先用戶發(fā)起的一些操作，通過用戶空間的各service處理，會(huì)經(jīng)過內(nèi)核提供的sysfs，操作cpu hotplug、devicepm、EAS、IPA等。

內(nèi)核層：

在linux內(nèi)核中，EAS（energy aware scheduling）通過感知到當(dāng)前的負(fù)載及相應(yīng)的功耗，經(jīng)過cpuidle、cpu dvfs及調(diào)度選擇idle等級(jí)、cpu頻率及大核或者小核上運(yùn)行。IPA（intrlligent powerallocation）經(jīng)過與EAS的交互，做熱相關(guān)的管理。

ATF層：

Linux kernel中發(fā)起的操作，會(huì)經(jīng)過電源狀態(tài)協(xié)調(diào)接口（Power State Coordination Interface，簡稱PSCI），由操作系統(tǒng)無關(guān)的framework（ARM Trusted Firmware，簡稱ATF）做相關(guān)的處理后，通過系統(tǒng)控制與管理接口（System Control and Management Interface，簡稱SCMI），向系統(tǒng)控制處理器（system control processor，簡稱SCP）發(fā)起低功耗操作。

SCP層：

SCP最終會(huì)控制芯片上的sensor、clock、powerdomain、及板級(jí)的pmic做低功耗相關(guān)的處理。

總結(jié)：?用戶進(jìn)程 --sysfs--> 內(nèi)核（EAS、IPA）--PSCI--> ATF --SCMI-->SCP --LPI--> 功耗輸出器件

4. 電壓域和電源域劃分

為了更好地對(duì)電進(jìn)行控制，ARM劃分了兩個(gè)電相關(guān)的概念：?電源域?（power domain）和?電壓域?（voltage domain）。

電壓域指使用同一個(gè)電壓源的模塊合集，如果幾個(gè)模塊使用相同的電壓源，就認(rèn)為這幾個(gè)模塊屬于同一個(gè)電壓域。電源域指的是在同一個(gè)電壓域內(nèi)，共享相同電源開關(guān)邏輯的模塊合集。即在同一個(gè)電源域的模塊被相同的電源開關(guān)邏輯控制，同時(shí)上、下電。一個(gè)電壓域內(nèi)的模塊，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，拆分到不同電源域。因此，電壓域?qū)?yīng)的是功能是dvfs，而電源域的概念對(duì)應(yīng)的是power gating。

如上圖，不同顏色表示不同的電壓域，VBIG是大核處理器的電源供電，VLITTLE是小核處理器的電源供電，VGPU是圖形處理器的電源供電，VSYS是系統(tǒng)電源。虛線框包圍的模塊表示可以做電源開關(guān)處理，比如處理器核。實(shí)線框包圍的模塊表示不能做電源開關(guān)，比如SCP。

5. SCP代碼下載編譯和功能介紹

官方開源代碼路徑：https://github.com/ARM-software/SCP-firmware，代碼下載：

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git?clone https://github.com/ARM-software/SCP-firmware.git
git submodule update --init

?

????ARM的PCSA規(guī)范（電源控制系統(tǒng)框架）定義了SCP（系統(tǒng)控制處理器）相關(guān)內(nèi)容，SCP固件為系統(tǒng)控制提供了一個(gè)軟件參考實(shí)現(xiàn)，一個(gè)典型就是SCP源碼中有一個(gè)optee實(shí)現(xiàn)（product/optee-stm32mp1/fw/Firmware.cmake）。

SCP固件實(shí)現(xiàn)的功能可以分為兩大類：system和runtime

實(shí)時(shí)功能（runtime services）：

Power domain ? ? management（電源域管理）

System power ? ? management（系統(tǒng)電源管理），涉及開關(guān)機(jī)

Performance ? ? domain management (Dynamic voltage and frequency scaling)，性能管理，這個(gè)主要就是ddr的調(diào)頻了（調(diào)頻對(duì)應(yīng)電壓）。

Clock ? ? management（時(shí)鐘管理），Linux中也有，這里只提供重要的時(shí)鐘管理

Sensor ? ? management（傳感器管理）

Reset domain ? ? management（域重置管理）

Voltage ? ? domain management（電壓域管理）

系統(tǒng)相關(guān)功能（system services）：

系統(tǒng)初始化，啟用應(yīng)用核心引導(dǎo)

系統(tǒng)控制和管理接口(SCMI，平臺(tái)端)

支持GNU Arm嵌入式和Arm Compiler 6工具鏈

支持具有多個(gè)控制處理器的平臺(tái)

? 我們以juno開發(fā)板為例，介紹下編譯，執(zhí)行如下全編譯命令：

?

make -f Makefile.cmake PRODUCT=juno MODE=debug

?

我們編譯了三個(gè)鏡像：

juno-bl1.bin: SCP ROM 固件映像 - 處理 RAM 固件到專用 SRAM 的傳輸并跳轉(zhuǎn)到它

juno-bl1-bypass.bin: 正常情況下scp_bl1（SCP ROM固件）需要對(duì)scp_bl2（SCP RAM固件）進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)行安全鏈?zhǔn)郊虞d。此bin文件把bl1中對(duì)bl2固件的校驗(yàn)去掉了，方便調(diào)試驗(yàn)證的時(shí)候使用。

juno-bl2.bin: SCP RAM 固件映像 - 管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)服務(wù)

要使用 TF-A 在 Juno 上啟動(dòng) SCP 固件，您至少需要三個(gè)額外的映像：

bl1: BL1 - 存儲(chǔ)在系統(tǒng) ROM 中的第一階段引導(dǎo)加載程序

bl2: BL2 - 加載的第二階段bootloader bl1，負(fù)責(zé)交給scp_bl2SCP

fip: FIP - 包含bl2和的固件映像包scp_bl2 疑問：這里為什么有juno-bl1和juno-bl2，跟ATF里面的BL2又有什么關(guān)系？--將在下面SCP boot章節(jié)解釋。

6. SCP?boot流程分析

固件romfw和ramfw介紹：

對(duì)于一個(gè)product的scp firmware分為兩部分：romfw（scp_bl1）和ramfw（scp_bl2）。

上電時(shí)：在開機(jī)上電時(shí)首先運(yùn)行scp_bl1，然后啟動(dòng)SOC其他核心例如AP（AP啟動(dòng)后會(huì)運(yùn)行BL1），等待AP發(fā)送指令，從系統(tǒng)ram把ramfw加載到SCP內(nèi)部ram，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。scp_bl1用于加載和執(zhí)行scp_bl2。

運(yùn)行時(shí)：scp_bl2為scp主要runtime應(yīng)用代碼，提供scp各種服務(wù)，例如scmi。

復(fù)位時(shí)：當(dāng)硬件發(fā)生復(fù)位時(shí)，SCP上復(fù)位運(yùn)行scp_bl1，時(shí)間上和ATF的AP_BL1 and AP_BL2同時(shí)運(yùn)行。

juno固件相關(guān)目錄如下：

~/arm/SCP-firmware/product/juno$ ls
includemodule  product.mk  scp_ramfw scp_romfw  scp_romfw_bypass  scp_ut src

?

SCP_BL1 boot 流程：

系統(tǒng)啟動(dòng)，首先運(yùn)行scp_romfw firmware代碼。執(zhí)行scp應(yīng)用初始化流程的初始流程fwk_arch_init（），按照Firmware.cmake中定義的module順序進(jìn)行初始化，中斷初始化，module啟動(dòng)，這些完成后會(huì)循環(huán)調(diào)用處理運(yùn)行時(shí)event消息。

ATF中BL2加載SCP_BL2：

TF(Trusted Firmware)是ARM在Armv8引入的安全解決方案，為安全提供了整體解決方案。它包括啟動(dòng)和運(yùn)行過程中的特權(quán)級(jí)劃分。ATF BL2的主要職責(zé)就是將后續(xù)固件如u-boot。kernel，SCP或者其他異構(gòu)核的固件，加載到ram中。SCP firmware的加載及boot 由arm Arm Trusted Firmware-A (TF-A)來完成。

SCP用于電源，時(shí)鐘，復(fù)位和系統(tǒng)控制。BL2將可選的SCP_BL2鏡像從平臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備加載到特定的安全內(nèi)存區(qū)域。SCP_BL2的后續(xù)處理是特定于具體平臺(tái)的，需要自行實(shí)現(xiàn)。例如，Arm Juno ：

BL2先把SCP_BL2加載到trust sram，

再使用Boot ? ? Over MHU (BOM) 協(xié)議，把SCP_BL2加載到 SCP的內(nèi)部RAM之后，

SCP運(yùn)行SCP_BL2，

SCP給AP發(fā)出signals，通知BL2繼續(xù)執(zhí)行。

ATF中，BL2的編譯選項(xiàng)在如下位置定義plat/arm/board/juno/platform.mk中的BL2_SOURCES，morello ATF plat/arm/board/morello/platform.mk中未定義BL2_SOURCES，不包含BL2.是否包含BL2相關(guān)通用代碼及配置由CSS_LOAD_SCP_IMAGES決定

scp romfw 跳轉(zhuǎn)執(zhí)行ramfw：

在juno中，ATF的BL2中通過SDS(Shared-Data-Structure,在Juno平臺(tái)中替代之前Boot-Over_MHU (BOM)協(xié)議)和SCP的romfw通信(mod_bootloader調(diào)用sds API)，發(fā)送ramfw到安全內(nèi)存，然后再由romfw從安全內(nèi)存加載到其他位置并執(zhí)行。

備注：SCP_BL2的運(yùn)行跟SCP_BL1一樣，兩者都是使用SCP的框架代碼，屬于兩個(gè)系統(tǒng)。執(zhí)行scp應(yīng)用初始化流程的初始流程fwk_arch_init（），按照Firmware.cmake中定義的module順序進(jìn)行初始化，中斷初始化，module啟動(dòng)，這些完成后會(huì)循環(huán)調(diào)用處理運(yùn)行時(shí)event消息。

? 后記：

????本篇對(duì)SCP進(jìn)行了介紹，下次文章介紹下SCP的代碼分析，作為一個(gè)M核運(yùn)行的系統(tǒng)代碼，其代碼框架還是有很多通用性和優(yōu)點(diǎn)，號(hào)稱OPTEE固件可以直接在其框架下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，對(duì)電源管理和SoC有興趣的朋友可以關(guān)注。

　　審核編輯：湯梓紅