ARM64 的多核启动流程分析
工作中遇到的多核 ARM CPU 越来越多，总结分享一些多核启动的知识，希望能帮助更多小伙伴。
在 ARM64 架构下如果想要启动多核，有 spin-table 和 psci 两种方式，下面针对这两种启动流程进行分析。
代码版本
- boot-wrapper-aarch64 version : 28932c41e14d730b8b9a7310071384178611fb32
- linux v5.14
多核 CPU 的启动方式
嵌入式系统的启动的基本流程是先运行 bootloader ，然后由 bootloader 引导启动 kernel，这里无论启动的是 rt-thread 或者是 linux 原理都是一样的。
上电后所有的 CPU 都会从 bootrom 里面开始执行代码，为了防止并发造成的一些问题，需要将除了 primary cpu 以外的 cpu 拦截下来，这样才能保证启动的顺序是可控的。
spin-table 启动方法
在启动的过程中，bootloader 中有一道栅栏，它拦住了除了 cpu0 外的其他 cpu。cpu0 直接往下运行，进行设备初始化以及运行 Kernel。其他 cpu0 则在栅栏外进入睡眠状态。
cpu0 在初始化 smp 的时候，会在 cpu-release-addr 里面填入一个地址并唤醒其他 cpu。这时睡眠的 cpu 接受到信号，醒来的时候会先检查 cpu-release-addr 这个地址里面的数据是不是有效。如果该地址是有效的（非 0 ），意味着自己需要真正开始启动了，接下来他会跳转到。
下面我们看看 arm64 里面的实现，在 arch/arm64/boot/dts/xxx.dts 中有如下描述：
1cpu@0 {
2 device_type = "cpu";
3 compatible = "arm,armv8";
4 reg = <0x0 0x0="">;
5 enable-method = "spin-table"; /* 选择使用 spin-table 方式启动 */
6 cpu-release-addr = <0x0 0x8000fff8="">;
7};在 arch/arm64/kernel/smp_spin_table.c 中处理了向其他 cpu 发送信号的方法：
1、先是获取 release_addr 的虚拟地址
2、向该地址写入从 cpu 的入口地址
3、通过 sev() 指令唤醒其他 cpu
1static int smp_spin_table_cpu_prepare(unsigned int cpu)
2{
3 __le64 __iomem *release_addr;
4 phys_addr_t pa_holding_pen = __pa_symbol(function_nocfi(secondary_holding_pen));
5
6 if (!cpu_release_addr[cpu])
7 return -ENODEV;
8
9 /*
10 * The cpu-release-addr may or may not be inside the linear mapping.
11 * As ioremap_cache will either give us a new mapping or reuse the
12 * existing linear mapping, we can use it to cover both cases. In
13 * either case the memory will be MT_NORMAL.
14 */
15 release_addr = ioremap_cache(cpu_release_addr[cpu],
16 sizeof(*release_addr));
17 if (!release_addr)
18 return -ENOMEM;
19
20 /*
21 * We write the release address as LE regardless of the native
22 * endianness of the kernel. Therefore, any boot-loaders that
23 * read this address need to convert this address to the
24 * boot-loader's endianness before jumping. This is mandated by
25 * the boot protocol.
26 */
27 writeq_relaxed(pa_holding_pen, release_addr);
28 dcache_clean_inval_poc((__force unsigned long)release_addr,
29 (__force unsigned long)release_addr +
30 sizeof(*release_addr));
31
32 /*
33 * Send an event to wake up the secondary CPU.
34 */
35 sev();
36
37 iounmap(release_addr);
38
39 return 0;
40}Bootloader 部分以 boot-wrapper-aarch64 中的代码做示例，非主 CPU 会轮询检查 mbox（其地址等同cpu-release-addr）中的值，当其值为 0 的时候继续睡眠，否则就跳转到内核执行，代码如下所示：
1/**
2 * Wait for an address to appear in mbox, and jump to it.
3 *
4 * @mbox: location to watch
5 * @invalid: value of an invalid address, 0 or -1 depending on the boot method
6 * @is_entry: when true, pass boot parameters to the kernel, instead of 0
7 */
8void __noreturn spin(unsigned long *mbox, unsigned long invalid, int is_entry)
9{
10 unsigned long addr = invalid;
11
12 while (addr == invalid) {
13 wfe();
14 addr = *mbox;
15 }
16
17 if (is_entry)
18#ifdef KERNEL_32
19 jump_kernel(addr, 0, ~0, (unsigned long)&dtb, 0);
20#else
21 jump_kernel(addr, (unsigned long)&dtb, 0, 0, 0);
22#endif
23
24 jump_kernel(addr, 0, 0, 0, 0);
25
26 unreachable();
27}
28
29/**
30 * Primary CPU finishes platform initialisation and jumps to the kernel.
31 * Secondaries are parked, waiting for their mbox to contain a valid address.
32 *
33 * @cpu: logical CPU number
34 * @mbox: location to watch
35 * @invalid: value of an invalid address, 0 or -1 depending on the boot method
36 */
37void __noreturn first_spin(unsigned int cpu, unsigned long *mbox,
38 unsigned long invalid)
39{
40 if (cpu == 0) {
41 init_platform();
42
43 *mbox = (unsigned long)&entrypoint;
44 sevl();
45 spin(mbox, invalid, 1);
46 } else {
47 *mbox = invalid;
48 spin(mbox, invalid, 0);
49 }
50
51 unreachable();
52}PSCI 启动方法
另外一种 enable-method 就是 PSCI，依旧先从 kernel 开始分析。先看 arch/arm64/boot/dts/mediatek/mt8173.dtsi 文件，里面 cpu 节点选择了PSCI 的方法：
1cpu0: cpu@0 {
2 compatible = "arm,cortex-a53";
3 device_type = "cpu";
4 enable-method = "psci"; /* 启动方式选择 PSCI */
5 operating-points-v2 = <&cpu_opp_table>;
6 reg = <0x0>;
7 cpu-idle-states = <&CPU_SLEEP_0>;
8};并且有一个 PSCI 的节点：
1psci {
2 compatible = "arm,psci-1.0", "arm,psci-0.2", "arm,psci";
3 method = "smc";
4 cpu_suspend = <0x84000001>;
5 cpu_off = <0x84000002>;
6 cpu_on = <0x84000003>;
7};在 PSCI 中的节点详细说明请参考文档：kernel/Documentation/devicetree/bindings/arm/psci.txt。在此仅说一下 method 字段。该字段有两个可选值：smc 和 hvc。表示调用 PSCI 功能使用什么指令。smc、hvc、svc 这些指令都是由低运行级别向更高级别请求服务的指令。
和系统调用一样。调用了该指令，cpu 会进入异常切入更高的权限。异常处理程序根据下面传上来的参数决定给予什么服务，smc 陷入 EL3，hvc 陷入 EL2，svc 陷入EL1。在 ARMv8 里面，EL3 总是是 secure 状态，EL2 是虚拟机管态，EL1 是普通的系统态。
接下来可以看看 arch/arm64/kernel/psci.c 里面的代码，psci_ops.cpu_on 最终调用 smc call：
1static int cpu_psci_cpu_boot(unsigned int cpu)
2{
3 phys_addr_t pa_secondary_entry = __pa_symbol(function_nocfi(secondary_entry));
4 int err = psci_ops.cpu_on(cpu_logical_map(cpu), pa_secondary_entry);
5 if (err)
6 pr_err("failed to boot CPU%d (%d)\n", cpu, err);
7
8 return err;
9}
10
11static unsigned long __invoke_psci_fn_smc(unsigned long function_id,
12 unsigned long arg0, unsigned long arg1,
13 unsigned long arg2)
14{
15 struct arm_smccc_res res;
16
17 arm_smccc_smc(function_id, arg0, arg1, arg2, 0, 0, 0, 0, &res);
18 return res.a0;
19}Bootloader 以 boot-wrapper-aarch64 作分析，看 psci.c 里的 psci_call 实现函数，通过 fid 与 PSCI_CPU_OFF 和 PSCI_CPU_ON 相比，找出需要执行的动作：
1long psci_call(unsigned long fid, unsigned long arg1, unsigned long arg2)
2{
3 switch (fid) {
4 case PSCI_CPU_OFF:
5 return psci_cpu_off();
6
7 case PSCI_CPU_ON_64:
8 return psci_cpu_on(arg1, arg2);
9
10 default:
11 return PSCI_RET_NOT_SUPPORTED;
12 }
13}当然 boot-wrapper-aarch64 里也需要同样的定义：
1#define PSCI_CPU_OFF 0x84000002
2#define PSCI_CPU_ON_32 0x84000003
3#define PSCI_CPU_ON_64 0xc4000003boot-wrapper-aarch64 按照和 kernel 约定的好参数列表，为目标 cpu 设置好跳转地址，然后返回到 kernel 执行，下面给出关键代码说明：
1static int psci_cpu_on(unsigned long target_mpidr, unsigned long address)
2{
3 int ret;
4 unsigned int cpu = find_logical_id(target_mpidr);
5 unsigned int this_cpu = this_cpu_logical_id();
6
7 if (cpu == MPIDR_INVALID)
8 return PSCI_RET_INVALID_PARAMETERS;
9
10 bakery_lock(branch_table_lock, this_cpu);
11 ret = psci_store_address(cpu, address); /* 写入启动地址 */
12 bakery_unlock(branch_table_lock, this_cpu);
13
14 return ret;
15}总结
目前比较主流的多核启动方式是 PSCI，一般正式的产品都有 ATF，通过 PSCI 可以实现 CPU 的开启关闭以及挂起等操作。在实际的移植工作过程中，如果有带有 ATF 的 bootloader 那多核移植就相对容易很多，如果没有的话，也可以采用 spin_table 的方式来启动多核。
5T技术资源大放送！包括但不限于：C/C++，Arm, Linux，Android，人工智能，单片机，树莓派，等等。在上面的【人人都是极客】公众号内回复「peter」，即可免费获取！！
记得点击分享、赞和在看，给我充点儿电吧