NXP iMX8QM 通過 SCFW 隔離 AP_M4 核資源

By Toradex 胡珊逢

簡介

Apalis iMX8QM 使用了 NXP 的 iMX8 Quad Max 處理器。該 CPU 提供 A72 和 A53 Application Processor 和 M4 MCU。文章將介紹如何在硬件層面上隔離 AP 和 MCU 的資源，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

System Controller Unit (SCU)System Controller Unit 是 iMX8 Quad Max 處理器上的一個專用 M4 核，連接 PMIC 和控制處理器上的子系統(tǒng)，為處理器的硬件功能提供抽象接口，供子系統(tǒng)使用。其主要管理以下功能和資源：

系統(tǒng)初始化與啟動系統(tǒng)控制器通信電源管理資源管理引腳配置定時器中斷處理

默認情況下，AP 核和 M4 核均能夠使用 Apalis iMX8QM 的所有資源，包括 DDR RAM。SCU 可以通過分區(qū) partition 的方式，將 AP 和 M4 之間，以及兩個 M4 核之間所使用的資源從硬件上隔離開。一個分區(qū)中除了處理器核心外，還可以有外設(shè)、引腳 Pads 和內(nèi)存區(qū)域。處理器核只能訪問位于同一個分區(qū)內(nèi)的資源。如果嘗試訪問其他分區(qū)的資源，則會返回總線錯誤。

當 AP 核和 M4 核在同一個分區(qū)時，AP 上的 Linux 雖然可以通過 reserved memory 方式不去使用相關(guān) RAM 區(qū)域，但是直接物理地址訪問的方式仍起作用。這對于 M4 端也是如此。使用 SCU 的分區(qū)，可以從底層規(guī)避該問題。除此之外，AP 和 M4 使用獨立 Power Domain，在隔離分區(qū)情況下，對于 M4 的實時關(guān)鍵任務(wù)和 AP 上基于富操作系統(tǒng) Linux 的應(yīng)用獨立運行提供可能。

在剛啟動時，系統(tǒng)會劃分三個分區(qū)。

SCU：包含所有運行 SCFW 固件所需的 Pads、外設(shè)和內(nèi)存區(qū)域SECO：Security Controller 運行所需的相關(guān)資源Boot：系統(tǒng)剩余的所有資源如 Pads、外設(shè)和內(nèi)存區(qū)域都將會劃分到該分區(qū)

當系統(tǒng)繼續(xù)啟動時，如果不做進一步的分區(qū)，默認情況下 AP 和 M4 核都將運行在 Boot 分區(qū)中，它們之間只能通過軟件的方式隔離各自的資源。為了實現(xiàn) AP 和 M4 之間的硬件隔離，可以采用下面分區(qū)。

AP0：擁有運行 U-boot，Linux 的分區(qū)MCU0 和 MCU1：兩個 Cortex-M4 核各自運行的分區(qū)Shared：共享資源的分區(qū)，例如將一段用于 rpmsg 通信的 RAM 區(qū)域劃分到其中，AP 和 M4 就能夠相互發(fā)送消息

分區(qū)的創(chuàng)建和資源劃分在 SCU 的固件 SCFW 中調(diào)整。

SCU 固件 SCFW

SCFW 的下載和編譯方法參考Build Custom i.MX 8/8X System Controller Firmware (SCFW)。接下來將針對上面使用 AP0、MCU0、MCU1 和 Shared 分區(qū)案例進行說明。按照上面方法下載的 SCFW 源碼中，mx8qm_apalis/board.c 已經(jīng)包含上面分區(qū)的實現(xiàn)代碼，所以無需額外的修改。在組裝 Boot Container 時傳入特定的 Flags 值可以啟用。

在 platform/board/mx8qm_apalis/board.c 中配置分區(qū)和資源。宏定義 PARTITION_NAME 命令系統(tǒng)啟動時的設(shè)置三個分區(qū)名字。

  PARTITION_NAME(SC_PT, "SCU");
  PARTITION_NAME(SECO_PT, "SECO");
  PARTITION_NAME(pt_boot, "BOOT");

檢測標志位判斷是否需要創(chuàng)建 AP0、MCU0、MCU1 和 Shared 分區(qū)。

  if (alt_config != SC_FALSE)
  {

在需要進行分區(qū)時，PARTITION_NAME 設(shè)置相應(yīng)分區(qū)的名稱。

  PARTITION_NAME(pt_boot, "AP0");
  ...
  PARTITION_NAME(pt_m4_0, "MCU0");
  ...
  PARTITION_NAME(pt_m4_1, "MCU1");
  ...
  PARTITION_NAME(pt, "Shared");

這里以 MCU0 分區(qū)為例，rsrc_list中包含了劃分到 MCU0 分區(qū)的資源，如 M4 中斷、Message Unit、定時器等。

  static const sc_rsrc_t rsrc_list[7U] =
  {
      SC_R_SYSTEM,
      SC_R_IRQSTR_M4_0,
      SC_R_MU_5B,
      SC_R_MU_7A,
      SC_R_MU_8B,
      SC_R_GPT_4,
      SC_R_SECO_MU_4
  };

pad_list 中包含 MCU0 分區(qū)所使用的引腳范圍。

  static const sc_pad_t pad_list[2U] =
  {
      RM_RANGE(SC_P_M40_I2C0_SCL, SC_P_M40_GPIO0_01)
  };

結(jié)合 sc_fw_api_qm_b0.pdf 文檔，index 7~10 的引腳都將在劃分到 MCU0 分區(qū)。

sc_rm_mem_list_t 配置了包括 RAM 在內(nèi)的可使用存儲空間。

  static const sc_rm_mem_list_t mem_list[2U] =
  {
      {0x088000000ULL, 0x0887FFFFFULL},
      {0x008081000ULL, 0x008180FFFULL}
  };

rm_partition_create 使用上面配置的所有資源創(chuàng)建 MCU0 分區(qū)。

  BRD_ERR(rm_partition_create(pt_boot, &pt_m4_0, SC_FALSE,
      SC_TRUE, SC_FALSE, SC_TRUE, SC_FALSE, SC_R_M4_0_PID0,
      rsrc_list, ARRAY_SIZE(rsrc_list),
      pad_list, ARRAY_SIZE(pad_list),
      mem_list, ARRAY_SIZE(mem_list)));

組裝 Boot Container

NXP i.MX 8QuadMax 處理器使用前面提到的 SCU 來啟動系統(tǒng)。啟動時除了加載 SCFW，它還可以加載 ATF 和 U-Boot，以及直接加載 M4 核的固件。Boot Container 組裝方法參考 Specifics: Build U-Boot for NXP i.MX 8/8X-based SoMs。默認情況下，如網(wǎng)頁描述，使用下面命令組裝 Boot Container。該方法生成的 flash.bin 文件中并不包含 M4 核的固件，并且 AP 和 M4 在同一個分區(qū)。M4 的固件在 U-Boot 啟動時，使用 bootaux 命令從 eMMC 上加載后運行。

make SOC=iMX8QM flash_b0

為了使用上面 SCFW 中劃分的分區(qū)，使用下面命令組裝 Boot Container。

make SOC=iMX8QM flash_regression_linux_m4

編譯目標來自 imx-mkimage/iMX8QM/soc.mak 中的定義。flash_regression_linux_m4: $(MKIMG) $(AHAB_IMG) \
scfw_tcm.bin u-boot-atf.bin m4_image.bin m4_1_image.bin \
  ./$(MKIMG) -soc QM -rev B0 -append $(AHAB_IMG) \
  -c -flags 0x00200000 -scfw scfw_tcm.bin \
  -ap u-boot-atf.bin a53 0x80000000 \
  -p3 -m4 m4_image.bin 0 0x34FE0000 \
  -p4 -m4 m4_1_image.bin 1 0x38FE0000 \
  -out flash.bin

-flags 0x00200000向 SCFW 的 board.c 傳遞，SCU 在啟動時將會創(chuàng)建 AP0、MCU0、MCU1 和 Shared 的分區(qū)。

  if (alt_config != SC_FALSE)
  {

sc_fw_port.pdf 中說明了 Bit 21 SCFW_SC_BD_FLAGS_ALT_CONFIG 為更改 SCFW 配置的位，對應(yīng) 0x00200000。

上面命令中 m4_image.bin 和 m4_1_image.bin 為兩個 M4 各自的固件，從各自的 TCML 運行。因此，在執(zhí)行上面命令前，需要把兩個 M4 的固件復制到 imx-mkimage/iMX8QM 目錄下。

如下修改 U-boot 源碼中 U-boot/cmd/booti.c，重新編譯后將 u-boot.bin 復制到 imx-mkimage/iMX8QM 目錄下。

  if (dest < gd->ram_base || dest > gd->ram_top) {
      puts("kernel_comp_addr_r is outside of DRAM range!\n");
      //return -EINVAL;
  }

Linux device tree 更新

接下來的演示中，我們在 M4 上使用 multicore_examples/rpmsg_lite_pingpong_rtos 作為演示，在 AP 上的 Linux 系統(tǒng)中也需要開啟 rpmsg 節(jié)點并加載驅(qū)動。針對 Apalis iMX8 BSP 7 的 imx8qm-apalis-v1.1-ixora-v1.2.dtb 需要打該補丁。

更新 Boot Container 文件

上面命令執(zhí)行成功后生成的 flash.bin，需要更新到 Apalis iMX8 模塊上的 eMMC 上。對于使用 Toradex Easy Installer 進行批量燒寫或者重裝系統(tǒng)，可以將 flash.bin 重名為 imx-boot，替換原來的燒錄文件中 imx-boot。在開發(fā)期間，使用 U-Boot 直接更新 flash.bin 會更加方便，免于重裝整個系統(tǒng)鏡像。

將 flash.bin 復制到的一臺 TFTP 服務(wù)器的下載目錄中。然后在 U-Boot 中配置 Apalis iMX8 和 TFTP 服務(wù)器 IP 地址。

Apalis iMX8 # setenv ipaddr 192.168.3.181
Apalis iMX8 # setenv serverip 192.168.3.196
Apalis iMX8 # saveenv

使用 tftpboot 和 mmc 命令將 flash.bin 下載并寫入到 eMMC 上。mmc write $loadaddr 0 0x973中最后的數(shù)值是寫入的 block 數(shù)量。tftpboot 在下載時會顯示文件大小，例如這里為 1238016 字節(jié)。需要寫入的 block = (1238016+511)/512，計算結(jié)果向上取整，并轉(zhuǎn)為十六進制數(shù)值。

Apalis iMX8 # tftpboot $loadaddr flash.bin
Using ethernet@5b040000 device
TFTP from server 192.168.3.196; our IP address is 192.168.3.181
Filename 'flash.bin'.
Load address: 0x95400000
Loading: ##################################################  1.2 MiB
3.4 MiB/s
done
Bytes transferred = 1238016 (12e400 hex)

Apalis iMX8 # mmc dev 0 1
Apalis iMX8 # mmc write $loadaddr 0 0x973

測試
在 U-Boot 中配置啟動時加載的 device tree 文件。
Apalis iMX8 # setenv fdtfile imx8qm-apalis-v1.1-ixora-v1.2.dtb
Apalis iMX8 # saveenv
Apalis iMX8 # reset
啟動后可以在 Linux 和兩個 M4 的調(diào)試串口上看到啟動內(nèi)容。
Linux 中進入 kernel modules 驅(qū)動目錄 kernel/drivers/rpmsg，加載 imx_rpmsg_pingpong.ko。兩個 M4 上的固件在發(fā)現(xiàn) rpmsg 通道后，自動向 Linux 發(fā)送消息。# insmod imx_rpmsg_pingpong.ko
...
[   67.386427] get 91 (src: 0x1f)
[   67.389556] get 101 (src: 0x1e)
[   67.392707] imx_rpmsg_pingpong virtio1.rpmsg-openamp-demo-channel.-1.30: 
goodbye!
[   67.401771] get 93 (src: 0x1f)
[   67.406364] get 95 (src: 0x1f)
[   67.410982] get 97 (src: 0x1f)
[   67.415594] get 99 (src: 0x1f)
[   67.420212] get 101 (src: 0x1f)
[   67.423388] imx_rpmsg_pingpong virtio3.rpmsg-openamp-demo-channel-1.-1.31: 
goodbye!

總結(jié)

文章介紹了如何使用 SCU 劃分不同的分區(qū)，將 AP 和 M4 之間做硬件隔離，并使用 SCFW 直接加載 M4 的固件，不僅提高系統(tǒng)可靠性，也將 M4 運行提前到 U-Boot 之前，加快啟動速度。更多關(guān)于 SCU 的高級高級功能，可以參考 SCFW 的說明文檔。