嵌入式系统启动流程

1、基础概念

1.1 bootrom

  BootROM 不是严格意义上“只能从 ROM 启动操作系统” 的意思，而是指芯片上电复位后，第一段固定的启动程序，通常固化在 ROM（只读存储器）或 mask ROM、OTP ROM，甚至是 eFuse 或者内嵌 Flash 中。

它的职责是：

• 初始化最基本的硬件环境（如时钟、SRAM、引脚模式）
• 决定启动介质（NAND、NOR、SPI Flash、SD 卡、USB、UART 等）
• 搬运/加载下一阶段的 bootloader 到片内 SRAM。

  换句话说，BootROM 是 SoC 厂商写死的第一阶段代码，它并不等于“操作系统”，而是负责把后续代码拉起来。

广义上，ROM 可以指的存储器：

• 真·只读存储器（mask ROM，无法更改）
• eFuse/OTP（一次性可编程）
• 内嵌 Flash（有些 MCU/SoC 用它代替 mask ROM）。

在有些资料中，厂商也会把 BootROM + NAND/NOR 的启动扇区统称为“ROM”，这是习惯性说法。

1.2 bootloader

  bootloader 本身就是一个广义的概念，它并不是指某一个特定的软件，而是指 “在操作系统启动之前运行的所有引导程序”。可以是单级的，也可以是多级分层的。

🔹多级引导的层次划分

不同的芯片/架构可能会分为多级：

• ROM Code / BootROM（第 0 级）
  • 固化在 SoC 内部，不可修改
  • 上电后 CPU 首先执行
  • 职责：最小化初始化、选择启动介质、加载第一级 bootloader 到 SRAM
• 一级 bootloader（Stage 1 Bootloader / SPL，通常很小）
  • 由开发者提供，存放在启动介质的最前面
  • 通常运行在片内 SRAM（容量有限，比如 S3C2440 只有 4KB）
  • 职责：初始化 DRAM、NAND 控制器，加载更大的二级 bootloader
• 二级 bootloader（Stage 2 Bootloader，例如 U-Boot）
  • 存放在 NAND/NOR/SD 等存储器中，由一级 bootloader 搬运到 DRAM 后运行
  • 功能完善：外设驱动、文件系统、网络下载、命令行、烧写功能、加载内核
• 三级引导（有些系统才有）
  • 比如 U-Boot 本身可以分 SPL（小的前置程序）+ main U-Boot
  • 或者在 PC 上的 BIOS/UEFI → boot sector → GRUB → OS

这里说的 “三级引导” 并不是一个固定的、标准的术语，而是想强调，在某些系统里，bootloader 可以再拆得更细，例如。严格来说，大家常用的叫法通常只有 BootROM → Stage 1 → Stage 2 → OS，但不同的社区/文档里命名方式会有点出入。

• 最终操作系统内核
  • bootloader 的最后一步就是把内核搬到内存合适位置，并跳转到入口点执行

2、以 S3C2440 为例

  S3C2440 的启动时读取的第一条指令是在内存 0x00 地址处（注意：对于S3C2440芯片设计为0x0，其他芯片不一定）。
上电后内存中没有数据，那么 0x00 地址处的指令如何放进去？

  我们首先要了解一个基础知识：NAND FLASH 不可以直接运行程序，而 NOR FLASH 却可以（片上执行）。

• NAND FLASH 管脚复用，数据总线和地址总线复用
• NAND FLASH 是顺序存取设备，不能够被随机访问
• 所以，NAND FLASH 本身是连接到了控制器上而不是系统总线上
• NOR FLASH 有地址总线和数据总线，可以直接连接到系统总线上、支持随机存取

2.1 NAND 启动

  板卡出厂的时候，厂家会在 NAND FLASH 中固化相关启动镜像。

  上电后，2440 硬件会自动从 Nand Flash 中读取 4K 到片内 RAM 上（SRAM），同时片内 RAM 上前 4K 被映射到[内存]的 0x0 地址处(映射的过程也是硬件的自动操作的过程）。CPU 从 0 地址上读取第一条指令（前4字节），执行…

• stage1：Reset 复位后，Nand Flash 控制器将 Nand 前 4K 代码复制到 SRAM 中运行（这部分代码可以理解为 SPL）
• stage2：这部分代码负责配置内存和 Flash，然后将 uboot 代码复制到内存（DDR）中，然后跳转到内存中运行（可以理解为 Uboot）
• stage3：最后 uboot 启动 Linux 内核(OS)，然后内核去挂载根文件系统，进入命令行启动应用程序（可以理解为 OS）

2.2 NOR 启动

  板卡出厂的时候，厂家会在 NOR FLASH 中固化相关启动镜像。

   如果配置为 NOR FLASH 启动，0x00000000 就是 NOR FLASH 实际的起始地址，NOR FLASH 中的程序就从这里开始运行，不涉及到数据拷贝和地址映射。

• stage1：Reset 复位后，程序直接从 NorFlash 开始运行，初始化内存，将 uboot 拷贝到内存中
• stage2：跳转到内存中运行，然后启动内核。

3、ARM 架构中的安全启动

推荐先阅读：
ARM 学习笔记（一）
ARM 学习笔记（二）

3.1 TrustZone

🔹TrustZone 的起源

• 时间背景：
  • 2003 年左右 ARM 推出 ARMv6K 架构时，已经有了最早的 TrustZone 技术雏形；
  • 真正普及是在 ARMv7-A（Cortex-A 系列）开始，尤其是智能手机爆发时期（2005–2010）。
• 动机：在此之前，嵌入式系统大多数是单一用途（比如机顶盒、打印机），不太需要复杂的安全隔离。但随着手机、平板 等 开放应用平台 出现，情况变了：
  • 手机要能安装第三方 APP；
  • 手机要处理安全敏感任务（SIM 卡、支付、DRM、VPN、企业安全）；
  • 同一台设备要承载 “可信代码” 和 “不可信代码”。

  这就迫使 ARM 提供一种硬件级别的隔离机制：让 CPU 在同一核心上也能划分出 安全世界 (Secure World) 和 普通世界 (Normal/Non-secure World)。

🔹为什么需要 TrustZone

• 软件隔离不够安全
  • 单纯靠 OS 内核做隔离（用户态 vs 内核态）不足以抵御恶意软件
  • Android/Linux 内核本身可能有漏洞，一旦被利用，安全功能就会被绕过。
• 可信执行环境 (TEE) 的需求
  • 电信运营商要保护 SIM 卡相关的密钥；
  • 内容提供商要保护 DRM；
  • 金融厂商要保护支付/加密逻辑；
  • 企业要保证设备管理和 VPN 通道可信。

👉 这些功能不能和普通 APP 跑在一起，需要有个小而可信的“安全小环境”

• 硬件生态统一
  • 如果让每家厂商自己搞一套安全处理器，碎片化会严重。
  • ARM 直接在 CPU 架构里内置一个“安全世界”支持，大家就能基于统一机制开发。

🔹 TrustZone 的设计核心

• 世界切换 (World switch)：
  • CPU 引入了 Secure/Non-secure 状态位 (NS bit)。
  • 指令 smc (Secure Monitor Call) 用来在两个世界之间切换。
• 硬件隔离：
  • 内存、外设都带有安全属性（比如 MMU + TrustZone Address Space Controller（TZASC））。
  • 普通世界不能直接访问安全世界的资源。
• 安全监控器 (Secure Monitor)：
  • 相当于世界切换时的“中介”，运行在最高特权级，保证切换过程不会被篡改。

3.2 Trusted Firmware（ATF）

  TF(Trusted Firmware)是 ARM 在 Armv8 引入的安全解决方案，为安全提供了整体解决方案。它包括启动和运行过程中的特权级划分，对 Armv7 中的 TrustZone（TZ）进行了提高，补充了启动过程信任链的传导，细化了运行过程的特权级区间。

  处理器的执行特权等级基于异常级别（EL）划分：

• EL0（应用层级）可分为安全（Secure）与非安全（No-Secure）状态
• EL1（操作系统层级）可分为安全（Secure）与非安全（No-Secure）状态
• EL2（虚拟机监控器层级）在Armv7-A至Armv8.3-A架构中仅支持非安全状态。从Armv8.4-A架构开始，EL2可支持安全与非安全状态
• EL3（安全监控器层级）仅存在于安全域——安全与非安全状态间的软件驱动转换仅能在此层级实现

  从高 EL 转低 EL 通过 ERET 指令，从低 EL 转高 EL 通过 exception，从而严格区分不同的特权级

ATF 相关源码可以学习：

https://github.com/ARM-software/arm-trusted-firmware

  关于 ATF 启动这里先整个宏观的概念。这个 blog 讲的很好，就不重复写了，自己写还写不到这么清晰，图页很漂亮。

  ARM Trusted Firmware分析——启动、PSCI、OP-TEE接口

  这里直接贴图：


这里就直接上总结，总结下我个人觉得比较重要的东西。

• BL1 通常是 bootrom，运行在 EL3，初始化相关硬件，加载 BL2
• BL2 通常运行在 SRAM 中，运行在 EL1，初始化相关硬件（DRAM）
• BL2 会搬运 BL31、BL32、BL33 到 DRAM 中
• BL1、BL2 都是一次性的，系统启动后，不再起作用。系统运行期间，一直起作用的是 BL31、BL32、BL33
• BL31 比较重要，运行在 EL3，它通过 smc 指令为 Non-Secure World 持续提供涉及安全的服务。提供 PSCI 电源管理功能（例如 CPU 的使能）、安全非安全世界切换（World Switch）等
• 上述顺序启动过程中，都会包含数字签名等验证流程，确保镜像的安全性