其实还是很不习惯将PC和ARM联系起来，当然主要是因为我刚刚接触嵌入式没有多久，更别说服务器、PC端了。
脑子里固化了的X86。
1、背景
ARM架构的CPU不断地在各个方向对x86体系发动一波又一波的攻击，甚至在传统x86的强势领域——服务器端，性能差距也在不断接近。作为行业风向标的云服务（CSP）厂商，它们的ARM服务器装机量持续攀升。如亚马逊自研的基于ARM Neoverse的Gravition2 CPU，在AWS EC2的装机量已经几乎和x86持平：
国际CSP全面拥抱ARM服务器的主要原因是技术和成本可控，而性能差距可以接受。出于同样的原因，国内以鲲鹏和飞腾为代表的ARM国产化势力也在持续发力，未来从技术上看希望很大（姑且不论生产卡脖子的问题）。在消费客户端，ARM的成熟度更高。
ARM如此被看好，百敖BIOS自然会全面支持。目前为止，我们在ARM端除了支持国内的鲲鹏和飞腾，也支持国外的NXP。在项目运行中，我发现ARM体系中一些基本概念普及度很低，如ATF/TF-A、Power State Coordination Interface (PSCI)、SMC、
Server_Base_Boot_Requirements（SBBR）、Server_Base_System_Architecture（SBSA）、Management Mode（MM）、OPTEE等；还有很多混淆，如ATF和TZ（TrustZone）。我计划写一些文字，分别介绍一下它们，尤其是和固件相关的技术。于此同时，我觉得学习最好能融会贯通，我们将会把这些ARM的概念和x86相应的技术进行对比，希望这样更能够强化大家的理解和记忆。今天就带来第一篇：ATF（ARM Trusted Firmware）。
2、ATF的由来
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。
TF实际有两种Profile，对ARM Profile A的CPU应用TF-A，对ARM Profile M的CPU应用TF-M。我们一般接触的都是TF-A，又因为这个概念是ARM提出的，有时候也缩写做ATF（ARM Trusted Firmware），所以本文对ATF和TF-A不再做特殊说明，ATF也是TF-A，对TF-M感兴趣的读者可以自行查询官网[1]。
有些同学混淆了ATF和TZ的区别。实际上，TZ更多的是和Intel的SGX概念对应，是在CPU和内存中区隔出两个空间：Secure空间和Non-Secure空间。
而ATF中有个Firmware概念，它实际上是Intel的Boot Guard、特权级和提高版的TZ的混合体。它在保有TZ的Secure空间和Non-Secure空间的同时，划分了EL0（Exception level 0）到EL3四个特权级：
其中EL0和EL1是ATF必须实现的，EL2和EL3是可选的。实际上，没有EL2和EL3，整个模型就基本退化成了ARMv7的TZ版本。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。其中EL0、EL1、EL2可以分成NS-ELx(None Secure ELx)和S-ELx（Secure ELx）两种，而EL3只有安全模式一种。
ATF带来最大的变化是信任链的建立（Trust Chain），整个启动过程包括从EL3到EL0的信任关系的打通，过程比较抽象。NXP的相关文档[2]比较充分和公开，它的源代码也是开源的[3]。我们结合它的文档和源代码来理解一下。
3、ATF启动流程
ARM开源了ATF的基本功能模块，大家可以在这里下载：
git clone https://github.com/ARM-software/arm-trusted-firmware.git
里面已经包含了不少平台，但这些平台的基础代码有些是缺失的，尤其是和芯片部分和与UEFI联动部分。这里我推荐它的一个分支：NXP的2160A芯片的实现。
ARM推出了System Ready计划，效果相当不错，关于它我们今后再单独讲。2020年底，ARM在OSFC推出新的一批System Ready机型[4]，NXP 2160A名列其中：
ATF代码下载可以用：
git clone https://source.codeaurora.org/external/qoriq/qoriq-components/atf -b LX2160_UEFI_ACPI_EAR3
UEFI代码下载可以用图片上的地址。我们可以把参考资料2和这些代码对照来看，加深理解。
支持ATF的ARM机器，启动过程如下：（之前PC专栏里我们一起学习过一篇blog）
注意蓝色箭头上的数字，它是启动顺序。一切起源于在EL3的BL1。
4、启动流程-结合文件
1、BL1：Trusted Boot ROM
启动最早的ROM，它可以类比Boot Guard的ACM，
什么是Boot Guard？电脑启动中的信任链条解析（下篇学一学）
不过它是在CPU的ROM里而不是和BIOS在一起，是一切的信任根。它的代码在这里：
代码很简单（略去不重要内容）：
func bl1_entrypoint .... blbl1_early_platform_setup blbl1_plat_arch_setup .... blbl1_main .... bel3_exit endfunc bl1_entrypoint
bl1_main()开始就是c程序了，那c运行依靠的堆和栈空间在哪里呢？在CPU内部的SRAM里。
SRAM一启动就已经可以访问了，bl1_plat_arch_setup（）简单地在其中划分出来一块作为Trusted SRAM给c程序用，而不用像x86在cache里面扣一块出来，简单了很多。
BL1主要目的是建立Trusted SRAM、exception vector、初始化串口console等等。然后找到并验证BL2（验签CSF头），然后跳过去。
2、BL2：Trusted Boot Firmware
同样运行在EL3上的BL2和BL1一个显著的不同是它在Flash上，作为外置的一个Firmware，它的可信建立在BL1对它的验证上。它也有完整的源代码：
它也会初始化一些关键安全硬件和软件框架。更主要的是，也是我希望大家下载NXP 2160A的分支的重要原因，BL2会初始化很多硬件，而这些硬件初始化在x86中是BIOS完成的（无论是在PEI中还是包在FSP/AGESA中），而在ARM的ATF体系中，很多种CPU是在BL2中完成的。
2160A在Plat目录下提供了很多开源的硬件初始化代码，供ATF BL2框架代码调用。比较重要的是bl2_main()
void bl2_main(void){ ... bl2_arch_setup(); ... /* initialize boot source */ bl2_plat_preload_setup(); /* Load the subsequent bootloader images. */ next_bl_ep_info = bl2_load_images(); ... bl2_run_next_image(next_bl_ep_info); }
最重要的两步都在这个函数中完成：初始化硬件和找到BL31。
bl2_plat_preload_setup()中会初始化一堆硬件，包括读取RCW初始化Serdes等，对内存初始化感兴趣的人（比如我）也可以在里面找到初始化DDR4的代码：dram_init（），它在Plat\nxp\drivers\ddr\nxp-ddr下。
比较遗憾的是DDR4 PHY的代码是个Binary，不含源码，这里对DDR4的初始化仅仅聚焦设置timing寄存器和功能寄存器，而没有内存的Training过程。
Anyway，x86带内初始化硬件的很多代码ARM ATF体系都包括在BL2中，而不在UEFI代码中，这是和x86 UEFI代码的一个显著区别。部分原因这些代码都要求是Secure的。
更加糟糕的是，很多ARM平台，BL1和BL2，甚至后面的BL31都是以二进制的形式提供，让定制显得很困难。BL2能否提供足够的信息和定制化选择给固件厂商和提供足够信息给UEFI代码，考验BL2的具体设计实现。
NXP在两个方面都做的不错，不但提供RCW等配置接口，还开源了大部分代码，十分方便。
BL2在初始化硬件后，开始寻找BL3的几个小兄弟：BL31，BL32和BL33。它先找到BL31，并验签它，最后转入BL31。
3、BL31：EL3 Runtime Firmware
BL31作为EL3最后的安全堡垒，它不像BL1和BL2是一次性运行的。如它的runtime名字暗示的那样，它通过SMC为Non-Secure持续提供设计安全的服务。
关于SMC的调用calling convention我们今后再详细介绍，这里只需要知道它的服务主要是通过BL32。它负责找到BL32，验签，并运行BL32。
4、BL32：OPTee OS + 安全app
BL32实际上是著名的Open Portable Trusted Execution Enveiroment[5] OS，它是由Linaro创立的。它是个很大的话题，我们今后再细聊。现在仅需要知道OPTee OS运行在 S-EL1，而其上的安全APP运行在S-EL0。OPTee OS运行完毕后，返回EL3的BL31，BL31找到BL33，验签它并运行。
5、BL33：Non-Trusted Firmware
BL33实际上就是UEFI firmware或者uboot，也有实现在这里直接放上Linux Kernel。2160A的实现是UEFI和uboot都支持。我们仅仅来看UEFI的路径。
第一次看到UEFI居然是Non-Trusted，我是有点伤心的。UEFI运行在NS_EL2，程序的入口点在ARM package
edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/AArch64/ModuleEntryPoint.S
做了一些简单初始化，就跳到C语言的入口点CEntryPoint( )。其中ArmPlatformInitialize（）做了一些硬件初始化，调用了
edk2-platforms/Silicon/NXP/
的代码。重要的是PrimaryMain（）。
PrimaryMain（）有两个实例，2160A NXP选择的是PrePI的版本（edk2/ArmPlatformPkg/PrePi/MainUniCore.c），说明它跳过了SEC的部分，直接进入了PEI的后期阶段，在BL2已经干好了大部分硬件初始化的情况下，这个也是正常选择。PrePI的实例直接调用PrePiMain（）（仅保留重要部分）
VOIDPrePiMain ( ){ .... ArchInitialize (); SerialPortInitialize (); InitializeDebugAgent (); Status = MemoryPeim (); BuildCpuHob (); BuildGuidDataHob (); SetBootMode (ArmPlatformGetBootMode ()); // Initialize Platform HOBs (CpuHob and FvHob) Status = PlatformPeim (); .... Status = DecompressFirstFv (); Status = LoadDxeCoreFromFv (NULL, 0); }
从中我们可以看到，这里几乎就是UEFI PEI阶段DXEIPL的阶段了，后面就是直接DXE阶段。
好了，我们来梳理一下，ATF整个信任链条是逐步建立的：
从作为信任根的BL1开始，一步一步验签CSF头中的签名，最后来到BL33，后面就是OS了。那BL33后面怎么就断了呢？其实后面的验签就是UEFI Secure Boot了：趣话安全启动：迷思与启示
5、结语
ATF的官网一张图包含了更多的信息：
如果你仅仅对ATF的UEFI启动路径感兴趣，下面这张图可能更加简单明了：
NXP 2160A的开源和良好的文档，让我们可以在一个具体的平台上切片观察ATF的具体实现，建议大家仔细阅读参考资料2和下载代码来看看。
6、参考文献
[1] TF官网: https://www.trustedfirmware.org/
[2] NXP SDK doc: https://www.nxp.com.cn/docs/en/user-guide/LSDKUG_Rev20.04_290520.pdf
[3] NXP TFA Src: https://source.codeaurora.org/external/qoriq/qoriq-components/atf
[4] OSFC ARM topic: https://cfp.osfc.io/media/osfc2020/submissions/KB3H9V/resources/ArmSystemReady_OSFC2020_9q9i7OA.pdf
[5] OPTee官网: https://www.op-tee.org/
7、啰嗦几句
其实如果之前搞过ARM 嵌入式的同学，应该感觉到这个路线是极其的相似的。其实相比于我们之前学的，就是是用了UEFI替代了Uboot，其他的相差也不是很大。归根结底，搞ARM的你都离不开ATF这一套流程，当然基于这个推荐的框架之下，你怎么去排兵布阵这五个阶段是你私有的事情了。最后感谢这么优秀的文章，一篇好的文章，不一定是都让你有所收获的，只要有一点你新学习到了，那就是有价值的。
