ARM可信固件(TF-A)移植

简介

• 对于传统的 ARM 处理而言，Linux 系统的启动流程是：内部 BootROM -> uboot -> kernel -> rootfs, 整个启动过程是一个链式结构，启动过程其实是没有安全校验的，为了保证安全，ARM 推出了 Arm Trusted Firmware 的可信固件，简称 TF-A，它是一个开源的软件
• 加入 TF-A 固件以后，TF-A 就可以对 uboot、kernel 进行校验

源码下载

• 传统的 Linux 开发只涉及到 uboot 和 linux kernel 两个部分
  
• 现在多了个 TF-A，TF-A 会先初始化 DDR 等外设，然后再把 uboot 从 flash（NAND、NOR FLASH、SD、MMC 等）拷贝到 DDR 中
  
• 如果我们直接从 TF-A 官方获取 TF-A 源码的话，这样的开发难度太大，半导体厂商都会从 TF-A 官方网站下载 TF-A 源码，然后修改适配自己的芯片，我们在实际项目开发过程中一般会直接使用半导体厂商提供的 TF-A
  
• 由于我使用的开发板芯片是 ST 公司的 STM32MP157，于是从 ST 官方找到相关源码：https://my.st.com/content/my_st_com/en/products/embedded-software/mcu-mpu-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-mpu-openstlinux-distribution/stm32mp1dev.html
  
• ST 资料下载是需要登录账号的，如果没有账号，必须先注册一个
  
  
• 下载完成后，需要将其拷贝到 Ubuntu 环境下，解压缩

tar -xvf en.sources-stm32mp1-openstlinux-6.1-yocto-mickledore-mp1-v23.06.21.tar.gz

• 解压完成后，进入解压后的目录下，下面会有两个文件夹 “images” 和 “sources”，进入 sources/arm-ostl-linux-gnueabi 目录下，其内容如下所示

FIP_artifacts                               
linux-stm32mp-6.1.28-stm32mp-r1-r0     
tf-a-stm32mp-v2.8.6-stm32mp-r1-r0
gcnano-driver-stm32mp-6.4.13-stm32mp-r1-r0  
optee-os-stm32mp-3.19.0-stm32mp-r1-r0  
u-boot-stm32mp-v2022.10-stm32mp-r1-r0

TF-A 源码打补丁

• ST 公司为 STM32MP157 这款芯片适配的 TF-A 源码就在 “tf-a-stm32mp-v2.8.6-stm32mp-r1-r0” 目录下

• ST 也是从 TF-A 官方得到的源码，然后加入自己 STM32MP157 芯片，所以 ST 也需要对 TF-A 源码进行修改，修改的方式就是打补丁，补丁文件后缀为 .patch
• 先解压 TF-A 的源码压缩包

tar -vxf tf-a-stm32mp-v2.8.6-stm32mp-r1-r0.tar.xz

• 接下来就是给 TF-A 源码打补丁了，进入解压好的 TF-A 源码目录下

cd tf-a-stm32mp-v2.8.6-stm32mp-r1/

• 执行打补丁命令，其含义是把上一层目录下得所有 *.patch 后缀的文件都通过 patch 命令打补丁到当前（TF-A 源码）目录下

for p in `ls -1 ../*.patch`; do patch -p1 < $p; done

依赖工具安装

• 上面我们得到的 TF-A 源码是 ST 提供的，这个肯定是无法在我们的开发板上运行的，需要移植和修改
• 在正式的移植工作之前，我们可以先使用正点原子修改好的 TF-A 体验一下编译、烧录以及运行的整个过程
• 在编译 TF-A 之前，还有一些依赖工具需要安装
• 一个是 stm32wrapper4dbg 工具，下载地址：https://github.com/STMicroelectronics/stm32wrapper4dbg
• 可以直接 git 拉取代码，也可以下载 zip 压缩包，如果下载的是 zip 压缩包，可以使用如下命令进行解压

unzip stm32wrapper4dbg-master.zip

• 进入到源码目录下，执行 “make” 命令，执行完成后就会得到一个名为 “stm32wrapper4dbg” 的文件，这个就是我们要的工具，使用如下命令将其拷贝到 /usr/bin/ 目录下，这样子我们就可以在任何路径下使用这个工具了

sudo cp stm32wrapper4dbg /usr/bin/

• 可以使用 “stm32wrapper4dbg -s” 命令测试一下是否安装成功，如果安装成功，会输出如下信息

stm32wrapper4dbg: option requires an argument -- 's'
Usage: stm32wrapper4dbg -s srcfile -d destfile [-b] [-f]
  Add a debug wrapper to a stm32 image.
  If "-b" is not specified, the wrapper would be placed
  after the last byte of the image.
Options:
  -s srcfile   input image in stm32 file format
  -d destfile  output image in stm32 file format
  -b           place the wrapper before the image
  -f           force re-adding the wrapper

• 在编译 TF-A 之前，还有一个依赖库需要安装，是关于设备树编译相关的，输入如下命令

sudo apt-get install device-tree-compiler

编译正点原子提供的 TF-A

• 源码位置：程序源码/1、正点原子 Linux出厂系统源码/tf-a-stm32mp-2.2.r1-gaa9f87c-v1.5.tar.bz2
  
• 将其拷贝到 Ubuntu 环境下，使用如下命令解压缩

tar -xvf tf-a-stm32mp-2.2.r1-gaa9f87c-v1.5.tar.bz2

• 首先我们要将 Makefile.sdk 中的交叉编译工具链改为我们自己开发环境中的

# CROSS_COMPILE=arm-ostl-linux-gnueabi-
CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf-

• 编译 TF-A

cd tf-a-stm32mp-2.2.r1/           # 进入到 TF-A 源码目录下
make -f ../Makefile.sdk all       # 编译 TF-A，-f：指定 Makefile

• 编译完成后，如果出现如下提示，则说明编译成功

Built /home/thin-wind/atk/tf-a-stm32mp-2.2.r1/../build/serialboot/tf-a-stm32mp157d-atk.bin successfully
Generate /home/thin-wind/atk/tf-a-stm32mp-2.2.r1/../build/serialboot/tf-a-stm32mp157d-atk.stm32
Image Type   : ST Microelectronics STM32 V1.0
Image Size   : 241728 bytes
Image Load   : 0x2ffc2500
Entry Point  : 0x2ffd6000
Checksum     : 0x00e24c6a
Option     : 0x00000001
Version    : 0x00000000
Building stm32mp1
make[1]: Leaving directory '/home/thin-wind/atk/tf-a-stm32mp-2.2.r1'
Image Type   : ST Microelectronics STM32 V1.0
Image Size   : 241784 bytes
Image Load   : 0x2ffc2500
Entry Point  : 0x2fffd541
Checksum     : 0x00e26305
Option       : 0x00000001
Version      : 0x00000000
Halt Address : 0x2ffd6000

• 编译完成后会在上一层目录下生成 "build" 目录，进入 build/trusted/ 目录，如下红框标记的即为正点原子开发板使用的 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32
  
  

准备烧录文件

• 在烧录前，我们要提前准备好如下文件

atk_emmc-stm32mp157d-atk-qt.tsv
tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32
tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32
u-boot.stm32

• 其中，只有 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32 这个文件是我们编译生成的
• tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32: 由原子提供，路径：8、系统镜像/2、出厂系统镜像/1、 STM32CubeProg烧录固件包/tf-a/tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32
• u-boot.stm32: 由原子提供，路径：8、系统镜像/2、出厂系统镜像/1、 STM32CubeProg烧录固件包/uboot/u-boot.stm32
• atk_emmc-stm32mp157d-atk-qt.tsv: 由原子提供，路径：8、系统镜像/2、出厂系统镜像/1、 STM32CubeProg烧录固件包/flashlayout/atk_emmc-stm32mp157d-atk-qt.tsv
• 为什么需要 tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32 和 u-boot.stm32 这两个文件？tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32 用来初始化 USB、DDR 等外设， DDR初始化了以后就可以运行 uboot 了，为什么要运行 uboot 呢？因为 uboot里面会初始化 EMMC、NAND 等外设，而且 uboot 会提供很强大的 EMMC 操作指令。也就是说，启动 uboot的目的就是为了操作 EMMC、 NAND，这样就可以在 uboot 里面通过相关的命令将 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32 写到 EMMC 或者 NAND 里面
• *.tsv 文件是 STM32CubeProgrammer 的烧录脚本配置文件，是文本格式的，很容易阅读，关于 .tsv语法的详细讲解，请参考 https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/STM32CubeProgrammer_flashlayout
• 将 atk_emmc-stm32mp157d-atk-qt.tsv 文件修改成下面的样子，注意不能使用空格，必须使用 Tab 键

#Opt  Id  Name  Type  Device  Offset  Binary
-  0x01 fsbl1-boot  Binary  none  0x0  tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32
-  0x03 ssbl-boot Binary  none  0x0  u-boot.stm32
P  0x04 fsbl1  Binary mmc1  boot1 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32
P  0x05 fsbl2  Binary mmc1  boot2 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32

• 关于 *.tsv 内容暂时就不做具体说明了，研究明白了也不一定用的到，不同的芯片烧录方式也是不一样的，我建议是除非工作中用到，否则没必要过度研究工具的使用

烧录 TF-A

• 烧录工具：STM32CubeProgrammer, 下载地址：https://www.st.com/zh/development-tools/stm32cubeprog.html#get-software
  
• 一切准备就绪，下面就是实际烧录环节了
  
• 首先设置开发板拨码开关为000，也就是从 USB 启动
  
• 按下图连接硬件 USB
  
  
• 连接成功后，通过设备管理器查看相关驱动是否 OK，安装完成 STM32CubeProgrammer 后可能找不到 DFU，重启电脑即可
  
  
• 打开 STM32CubeProgrammer 软件，按如下步骤连接 USB
  
  
• 连接成功后显示如下，点击 “Open file”
  
  
• 选择刚刚准备好的烧录文件中的 *.tsv 文件，按如下操作
  
  
• 烧录成功后会有如下提示：
  
  

TF-A 的运行

• 烧录成功后，接下来就是要测试一下能否运行
  
• 断电，设置开发板拨码开关为010，也就是从 EMMC 启动
  
• 打开串口工具，波特率设置为 115200
  
• 上电，TF-A 是最先启动的，从打印输出的时间可以看出我们编译的 TF-A 已经成功运行了
  
  

TF-A 启动顺序

• TF-A 一共分为 5 部分：bl1、bl2、bl31、bl32、bl33,打开 TF-A 源码，可以看到 bl1、bl2、bl31、bl32 这 4 个文件夹，并没有 bl33，这是因为 bl33 是 TF-A 启动的其它第三方镜像固件，比如 uboot
• TF-A 的启动流程：bl1 -> bl2 -> (bl31/bl32/bl33), bl31、bl32 和 bl33 对应的镜像不需要全部都有，但 bl33 一般是必须的，因为 bl33 一般是 uboot