NVIDIA芯片內(nèi)部啟動(dòng)流程分析

NVIDIA Jetson 作為開發(fā)者套件是最簡單的入門方法之一，可以將高性能 Arm 內(nèi)核與NVIDIA 自己的高級 GPU 引擎結(jié)合在一起，使其功能強(qiáng)大且易于使用。在這篇文章中，我們將從 Jetson Nano 入手詳細(xì)分析英偉達(dá)系列芯片的啟動(dòng)過程，通過對比分析 Jeston 和 Drive 驅(qū)動(dòng)的區(qū)別，總結(jié)英偉達(dá)系列芯片的整體啟動(dòng)過程原理。

NVIDIA芯片內(nèi)部啟動(dòng)流程分析

1、加載硬件驅(qū)動(dòng)

首先，芯片啟動(dòng)是需要驅(qū)動(dòng)底層硬件驅(qū)動(dòng)模塊，通常行業(yè)內(nèi)稱之為BootLoader引導(dǎo)啟動(dòng)方式。該引導(dǎo)流程是引導(dǎo)加載程序執(zhí)行，從而初始化 SoC 和并未后續(xù)加載芯片級上操作系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

Bootloader 期間需要執(zhí)行的主要操作包含如下：

初始化存儲(chǔ)設(shè)備、內(nèi)存控制器 (MC)、外部內(nèi)存控制器 (EMC) 和 CPU

設(shè)置安全參數(shù)

加載和驗(yàn)證固件組件

維護(hù)信任鏈

為各種固件組件創(chuàng)建內(nèi)存分配

刷寫存儲(chǔ)設(shè)備

引導(dǎo)至操作系統(tǒng)

2、加載軟件模塊

整個(gè)芯片應(yīng)用軟件及操作系統(tǒng)等軟件包的啟動(dòng)包含三大部分：引導(dǎo)和電源管理處理器BPMP、平臺(tái)安全控制器PSC、中央處理單元CPU。對于整個(gè)軟件啟動(dòng)而言，實(shí)際應(yīng)該是兩段式啟動(dòng)加載。類似TI系列的SPL加載方式一樣。英偉達(dá)系列芯片首先需要進(jìn)行底層微啟動(dòng)模塊MB1的驅(qū)動(dòng)加載，完成如下一些工作：

平臺(tái)配置，包括 pinmux、GPIO、焊盤電壓、SCR 和防火墻；

根據(jù) Memory BCT 初始化 SDRAM；

加載固件，包括初始化 CPU 復(fù)合體 (CCplex) 的組件；

對 PMIC 進(jìn)行編程以啟用 VDD_CPU 軌；

創(chuàng)建內(nèi)存分割；

下圖顯示了引導(dǎo)軟件中的控制流程。

首先，通過業(yè)務(wù)流程管理平臺(tái) BPMP 輸入給服務(wù)端相應(yīng)的業(yè)務(wù)流。業(yè)務(wù)流程管理平臺(tái)涉 及如下的資源分散流程。包括通過硬件連接方式初始化啟動(dòng)媒體，并從中加載微驅(qū)動(dòng)器Microboot1（MB1）。

1）BPMP（引導(dǎo)和電源管理處理器）

驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器BootROM (BR) 硬連線到 SoC，它在 BPMP 離開重置狀態(tài)時(shí)開始執(zhí)行初始化啟動(dòng)媒體,并從存儲(chǔ)中加載啟動(dòng)配置表 BR(BCT)、信息安全的平臺(tái)控制器驅(qū)動(dòng)PSC(BL1)、微啟動(dòng)模塊Microboot1 (MB1) 和 模塊配置表MB1(BCT)，然后停止。

BootROM 引導(dǎo)配置表 (BR-BCT) 的最多四個(gè)副本可以存儲(chǔ)在引導(dǎo)介質(zhì)的開頭。BR-BCT的每個(gè)副本都在“設(shè)備擦除扇區(qū)大小”邊界上對齊，如有必要，副本之間留有空白空間。BR-BCT 包含 BootROM 用于硬件初始化的配置參數(shù)以及有關(guān)引導(dǎo)加載程序（MB1、MB1-BCT 和 PSC-BL）的信息，包括：尺寸、入口點(diǎn)、加載地址、散列。BootROM 使用此信息來驗(yàn)證和加載 Bootloader 和 MB1-BCT 的組件。

接通電源后，BPMP 會(huì)喚醒并執(zhí)行存儲(chǔ)在板載 iROM (BootROM) 中的初始引導(dǎo)代碼。在安全環(huán)境中，此時(shí)的主要目的是驗(yàn)證和初始化所有低級系統(tǒng)功能。這些是基本時(shí)鐘、內(nèi)部電 源軌和啟動(dòng)媒體（SD、SPI 等）之類的東西，然后解析啟動(dòng)配置表 (BCT) 以尋找有效的啟動(dòng)配置。

2）平臺(tái)安全控制器 (Platform security controller，PSC)

前序文章中提到信息安全子系統(tǒng)包括平臺(tái)安全控制器（PSC）以及信息安全引擎（SE）。其中，PSC-ROM 通過硬連線到 NVIDIA Orin 芯片中。將來自保險(xiǎn)絲的 OEM 密鑰和來自 RTL 的 NVIDIA 密鑰安全地加載到安全引擎中。

安全控制器需要驗(yàn)證和解密引導(dǎo) ROM 加載的二進(jìn)制文件。ROM 是 SoC 中的硬件組件，一旦處理器被重置，它就會(huì)開始運(yùn)行。前文提到PSC-ROM 擁有 NVIDIA 和 OEM 身份驗(yàn)證和解密所需的所有密鑰。它為 BootROM 提供鑒權(quán)和解密服務(wù)，并能很好的管控和引導(dǎo)BPMP（即 MB1）和 PSC（即 PSC-BL1）進(jìn)行下一階段的服務(wù)。

相應(yīng)的安全啟動(dòng)引導(dǎo)流程順序如下：

注意：根據(jù) BOOT_SECURITY_INFO 保險(xiǎn)絲設(shè)置，可選擇對 MB1-BCT 進(jìn)行解密。

引導(dǎo) ROM 和 PSC-ROM 使用名為 BR_BCT 的引導(dǎo)配置表，其中包含以下信息：

MB1、PSC-BL1、MB1-BCT的BCH存儲(chǔ)位置引導(dǎo)鏈參數(shù) PSC-ROM 使用的調(diào)試標(biāo)志。MB1_BCT 通常不能由客戶進(jìn)行配置，驗(yàn)證 BCH/BCT 中與計(jì)算值匹配的 SHA-512 散列。使用 BCH/BCT 中的公鑰驗(yàn)證公共簽名，并根據(jù)其在保險(xiǎn)絲中的摘要進(jìn)行驗(yàn)證。BCH 包含 SHA-512，然后由 PSC-ROM 進(jìn)行再次驗(yàn)證。

BootROM執(zhí)行完畢后，PSC-ROM/PSC-BL1釋放BPMP R5上的reset，啟動(dòng)Microboot1（MB1），啟動(dòng)流程如下：

MB1 擴(kuò)展 BootROM 以提供與 PSC-BL1 相同的安全級別。在 MB1 序列期間，將執(zhí)行以下任務(wù)：

設(shè)置時(shí)鐘和安全設(shè)置

從 MB1_BCT 初始化平臺(tái)配置設(shè)置

根據(jù)MB1引導(dǎo)配置表、MB1_BCT、MEM_BCT初始化SDRAM。

初始化 CCPLEX，包括 MCE FW

加載/驗(yàn)證 NVDEC、BPMP-FW、PSC-FW 和 TSEC 固件

加載 SC7 固件并準(zhǔn)備 SC7 上下文

加載/驗(yàn)證

3）CPU Microboot1（MB1）

該模塊運(yùn)行在 BPMP 之上，是BootROM在 AOTZRAM 中加載的第一個(gè)引導(dǎo)軟件組件。它初始化 SoC 的某些部分，并執(zhí)行安全配置。MB1 由 NVIDIA 擁有的密鑰簽名和加密。

下圖顯示了它的控制流程。

安全啟動(dòng)過程需要找到有效的 BCT，它將加載 TegraBoot 二進(jìn)制文件并傳輸?shù)皆诜前踩h(huán)境中運(yùn)行的二進(jìn)制文件中。TegraBoot 有不同的二進(jìn)制文件，一種用于冷啟動(dòng)路徑，一種用于熱啟動(dòng)。

重置或開機(jī)被定義為“冷”啟動(dòng)，“熱”啟動(dòng)是從掛起狀態(tài)恢復(fù)。熱啟動(dòng)將執(zhí)行一組不同的配置。一個(gè)單獨(dú)的“恢復(fù)”模式二進(jìn)制文件用于通過 USB 處理與閃存/升級路徑的通信。它的使用取決于開機(jī)時(shí)的 GPIO 引腳狀態(tài)和連接的有效外部 USB 主機(jī)。如果未找到有效的 BCT， 它也會(huì)進(jìn)入此狀態(tài)（例如，首次從生產(chǎn)中啟動(dòng)） 。在正常的“冷”引導(dǎo)流程中，TegraBoot 將加載 CCPLEX 相關(guān)引導(dǎo)加載程序、EL3 監(jiān)控程序包（Arm Trusted Firmware，ATF）、掛起模式支持固件和更全面的引導(dǎo)加載程序，稱為 CBoot。

注意：所有時(shí)間戳都與開機(jī)有關(guān)，輸出來自BPMP，直到它停止。系統(tǒng)設(shè)備樹二進(jìn)制文件也被加載，內(nèi)核和引導(dǎo)加載程序允許有不同的版本，但實(shí)際上在大多數(shù)情況下它們往往是相同的副本。

CCPLEX 的主要 EL2 引導(dǎo)加載程序是 CBoot，該二進(jìn)制文件被加載到主系統(tǒng)內(nèi)存中并設(shè) 置為下一個(gè)可執(zhí)行文件。當(dāng)主 CCPLEX 啟動(dòng)時(shí)，它將執(zhí)行轉(zhuǎn)移到之前加載的 CBoot 二進(jìn)制 文件。

SC7 掛起模式固件與運(yùn)行時(shí) BPMP 固件一起加載，這是該處理器執(zhí)行的非引導(dǎo)加載程序 相關(guān)代碼。加載 EL3 監(jiān)視器/ATF 包并檢查其完整性。為下一階段的啟動(dòng)加載了所有內(nèi)容，主 CCPLEX 被釋放并且 BPMP 自行停止。將在稍后的過程中重新啟動(dòng)，之前加載的 BPMP-FW 將充當(dāng)主要 CCPLEX 訪問電源管理和低級系統(tǒng)控制功能的通信路徑（通過共享內(nèi)存郵箱和 PSCI）。

TZ（Trusted Zone），ATF（ARM Trusted Firmware） ；是 ARM 在 Arm V8 引入的安全解決方案，為安全提供了整體解決方案。包括啟動(dòng)和運(yùn)行過程中的特權(quán)級劃分，對Trust Zone（TZ）的優(yōu)化，補(bǔ)充了啟動(dòng)過程信任鏈的傳導(dǎo)，細(xì)化了運(yùn)行過程的特權(quán)級區(qū)間。

基于NVIDIA芯片的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)電源設(shè)計(jì)及啟動(dòng)流程

這里以單 Orin系列 實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)方案來說明如何針對性的進(jìn)行域控層級的啟動(dòng)時(shí)序與電源管理 BPMP 。

英偉達(dá)系列芯片的啟動(dòng)過程包含：冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)、深睡眠（SC7）、電源管理。其中電源管理包含底層時(shí)鐘管理（存儲(chǔ)控制器頻率交換機(jī)）、Orin芯片系列電源狀態(tài)管理，進(jìn)程、電壓和溫度傳感器管理。整個(gè)驅(qū)動(dòng)與電源管理包含一個(gè) ARM Cortex-R5 處理器，該處理器有雙精度浮點(diǎn)單元（FPU）。雙精度 FPU 的這種特性包含了板上 Cortex-R5（比如 AON 和 RCE）簇的所有特性。內(nèi)置的兩個(gè)緊耦合的存儲(chǔ)單元：ATCM 和 BTCM，可以分別存儲(chǔ)片上驅(qū)動(dòng) ROM 和一個(gè)128KB 的 RAM（用于執(zhí)行延遲關(guān)鍵代碼）。驅(qū)動(dòng)與電源管理的另一些特性是還有矢量中斷控制器、計(jì)時(shí)器、直接內(nèi)存訪問（DMA）、NIC、地址映射邏輯、Debug 調(diào)試等，這樣可以確保對驅(qū)動(dòng)和電源管理的完整支持。

1、Orin PMIC

Orin-x系列芯片電源包含一個(gè)電源序列 VRS-10，高電流電壓矯正器（HCVR）VRS-11，VRS-12 電壓監(jiān)視器和電流電壓矯正器（LCVR），VRS-10 提供了基于多電壓矯正器的事件測序輸出， 這樣就可以存儲(chǔ)到六個(gè) OTP 序列用于上下電，SC7 的進(jìn)入/退出。由于 Orin-n 不再需要 DLA 和 PVA，因此 VDD_CV 軌也就不再需要。此外，在 VDD_GPU 的電源軌也僅僅是單相的。

2、MCU PMIC

安全的 MCU 可用于功能安全，其中包含監(jiān)控和控制 Orin 芯片的電源軌進(jìn)入。MCU 的 GPIO 引腳可以用于使能電源序列，同時(shí)科被當(dāng)做一個(gè)電源信號的回讀信號。一般考慮到系統(tǒng)需求，Orin 芯片的進(jìn)入設(shè)計(jì)可以運(yùn)行在不同的電源狀態(tài)下，不同的進(jìn)入狀態(tài)是由不同的進(jìn)入條件來觸發(fā)的。

MCU 的 PMIC 管理模塊（TLF35584）可以提供 MCU 對應(yīng)的電量，并且喚醒可用的 CAN 鏈路。SPI總線則可用于在 MCU PMIC 和 MCU 之間進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的喚醒、休眠、看門狗心跳的模式設(shè)置。

3、電源樹設(shè)置

在 Orin Entry 設(shè)計(jì)后，即可通過 KL30 接入電源，MCU 可以控制 Orin 的電源。Orin Entry 設(shè)計(jì)也可以支持“深度睡眠”（由 SC7 進(jìn)行電源狀態(tài)管理，后面會(huì)做詳細(xì)說明）。整個(gè)域控的喚醒要么由 CAN，要么由專門的連接器輸入喚醒。

如下圖表示了 Orin Entry 設(shè)計(jì)的電源樹圖。

為了詳細(xì)的說明 Orin 電源子系統(tǒng)的電源樹結(jié)構(gòu)，這里可以將電源樹結(jié)構(gòu)區(qū)分為三大部分：蓄電池接入端 KL30、降壓器、穩(wěn)壓器（TLF35584 或 LM5176）。

TLF35584 QVVS2 是一款多輸出系統(tǒng)電源，適用于安全相關(guān)應(yīng)用，通過高效靈活的前置/后置穩(wěn)壓器，在寬輸入電壓范圍內(nèi)提供 3.3V-μC、收發(fā)器和傳感器。它具備寬開關(guān)頻率范圍允許在效率和小型濾波器組件的使用方面進(jìn)行優(yōu)化。專用參考穩(wěn)壓器獨(dú)立于 μC 負(fù)載階躍為 ADC 供電，并充當(dāng) 2 個(gè)獨(dú)立傳感器電源的跟蹤源。靈活的狀態(tài)機(jī)、包括定時(shí)器在內(nèi)的喚醒概念以及備用穩(wěn)壓器有利于在整個(gè)電源樹設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理。

本電源樹設(shè)計(jì)模塊配置為在 6V-36V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并提供具有高達(dá) 12A 負(fù) 載電流的 12V 穩(wěn)壓輸出。因此，可以通過 LM5176 供給 MCU 和 Can 收發(fā)器作為電壓輸入。通過使用穩(wěn)壓器 LM5176 可調(diào)節(jié)電流限制、使能、頻率同步、電源正常、預(yù)偏置啟動(dòng)、同步 整流、UVLO 可調(diào)整。同時(shí)，LM5176 的寬輸入電壓降壓-升壓控制器可以輸出靈活的高功率降壓-升壓設(shè)計(jì)。通過高效同步 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器（如 TPS62065-Q1）可以提供固定的 5V 和 3.3V 輸出給到 MCU、攝像頭單元、超聲波接口、冷卻系統(tǒng)、芯片內(nèi)部的工作電壓 VDD。且MCU 的最高輸出電流可以達(dá)到2A。

此外，通過使用 LM5143 降壓器，其中的高密度評估模塊(EVM)可以實(shí)現(xiàn)高性能、雙通道、汽車同步 DC/DC 降壓控制器的性能。它可在 3.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，這樣整個(gè)有 Orin 配置的域控電源閉環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源及子系統(tǒng)電源電壓的輸出了。這部分輸出可以完全供給給域控內(nèi)部的以太網(wǎng)交換機(jī)、加解串器、SOC、Can PHY 以及接入電路電壓的控制。

4、電路保護(hù)

如上圖所示的反向電池保護(hù)模塊可以用于保護(hù)可能流入設(shè)備的負(fù)向電壓，這些設(shè)備都是 連接到電池輸入端的。通常，反向電壓保護(hù)是由二極管保護(hù)起來的。電源電壓監(jiān)控有三個(gè) VRS-12設(shè)備，每個(gè)設(shè)備有6個(gè)監(jiān)控輸入，監(jiān)控 Orin Soc 電源軌。

總結(jié)

本文從英偉達(dá)系列芯片本身啟動(dòng)時(shí)序以及利用該芯片構(gòu)建的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)外設(shè)電源管理及啟動(dòng)模式進(jìn)行分析，幫助讀者了解整個(gè)芯片的啟動(dòng)原理及如何設(shè)計(jì)外圍最小化系統(tǒng)架構(gòu)。后續(xù)文章中將更加詳細(xì)的就外圍設(shè)計(jì)電路的啟動(dòng)路徑及電源管理時(shí)序等進(jìn)行詳述。

審核編輯：劉清