ARM64 的多核启动流程分析 - 哈喽比特

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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      0xc4000003

boot-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。