嵌入式Linux系统启动流程

标准启动流程

• ROM Code
  • 位置：片上 ROM（<128KB）
  • 功能：
    • 基本时钟树初始化
    • 从启动设备（Flash/SD/ 以太网 / 串口）加载 FSBL
    • 启动 FSBL
  • 特点：芯片出厂固化，不可修改，是整个系统的信任根。
• First Stage Boot Loader (FSBL)
  • 位置：内置 RAM（<256KB）
  • 功能：
    • 完成时钟树初始化
    • 初始化外部 RAM（DDR/LPDDR）控制器
    • 从启动设备加载 SSBL
  • 特点：体积小，只做最基础的硬件初始化，为加载更大的 SSBL 做准备。
• Second Stage Boot Loader (SSBL)
  • 位置：外部 RAM（≥512MB）
  • 功能：
    • 从存储器或以太网加载启动文件系统（bootfs）
    • 显示开机画面（splash screen）
    • 加载 Linux 内核（uImage/zImage）和设备树（*.dtb）
    • 启动 Linux 内核
  • 常见实现：U-Boot
• Linux Kernel
  • 位置：外部 RAM
  • 功能：
    • 内核初始化、平台驱动加载
    • 挂载根文件系统（rootfs）
    • 启动用户空间初始化进程（/sbin/init 或 systemd）
• Linux user space
  • 位置：外部 RAM
  • 功能：
    • 运行用户空间服务和应用程序

非安全启动流程

• Cortex-A7 + Cortex-M4 异构多核 SoC 上的具体实现

• ROM Code
  • 从启动介质加载 FSBL（U-Boot SPL）到 SYSRAM
• FSBL (U-Boot SPL)
  • 位置：SYSRAM (256KB)
  • 初始化 DDR 控制器，将 SSBL（U-Boot）加载到 DDR
• SSBL (U-Boot)
  • 位置：DDR
  • 加载 Linux 内核、设备树和根文件系统到 DDR
  • 启动 Linux 内核
• Linux Kernel & User Space
  • 内核在非安全世界（Non-Secure）运行
  • 可选地，通过 RPMsg 等机制与 Cortex-M4 的固件（Firmware）通信

安全启动流程

• 启用 TrustZone (TZ)，引入了可信执行环境（TEE），整个启动链都经过签名验证
• ROM Code
  • 验证 FSBL（TF-A）的签名，验证通过后加载到 SYSRAM
• FSBL (TF-A)
  • 位置：SYSRAM (256KB)
  • 初始化 DDR，验证 SSBL（U-Boot）的签名，加载到 DDR
  • 初始化安全世界（Secure World），启动 TEE（如 OP-TEE）
• TEE (TF-A or OP-TEE)
  • 位置：SYSRAM 或 DDR 的安全区域
  • 提供可信应用（Trusted Applications）运行环境，处理密钥、加密等敏感操作
• SSBL (U-Boot)
  • 位置：DDR
  • 在非安全世界运行，加载并验证 Linux 内核镜像
  • 启动 Linux 内核
• Linux Kernel & User Space
  • 内核在非安全世界运行，通过特定的 SMC 调用与安全世界的 TEE 通信
  • Cortex-M4 的固件也可以通过安全通道与 A7 核交互

VS

• FSBL/SPL/TF-A 的角色：在非安全启动中，FSBL 是 U-Boot SPL；在安全启动中，FSBL 是 TF-A（Trusted Firmware-A），它负责初始化安全世界
• SSBL/U-Boot：在两种模式下都是 U-Boot，但在安全模式下，它的镜像也需要被 FSBL 验证签名
• TEE (OP-TEE)：是安全启动的核心，提供了一个隔离的执行环境，保护关键资产
• 签名验证：安全启动的每一步（ROM → FSBL → SSBL → Kernel）都对下一个阶段的镜像进行签名验证，防止恶意代码篡改启动链