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RK3588启动时aarch64 CPU初始化超详细版说明

从一个“卡死”的CPU说起

你有没有遇到过这样的情况：新做的RK3588板子上电后，串口毫无输出，JTAG连上去发现PC（程序计数器）停在第一条指令不动？或者更诡异的是，代码看似执行了，却在某个eret指令后直接消失不见，再也无法响应调试？

这类问题往往不源于外设驱动或操作系统配置，而是藏得更深——出在CPU最底层的初始化阶段。尤其是对于像RK3588这样基于ARMv8-A架构、支持完整aarch64和TrustZone机制的高端SoC来说，哪怕是一个寄存器位设置错误，都可能导致系统永远无法跳出EL3（Exception Level 3），甚至引发不可恢复的异常循环。

本文将带你深入到RK3588芯片加电后的第一毫秒，逐行解析其aarch64 CPU核心是如何从复位向量一步步建立起运行环境，并最终把控制权交给U-Boot或Linux内核的全过程。我们不讲套话，不堆术语，只聚焦真实开发中会碰到的问题与解法。

aarch64启动的核心：异常等级模型

要理解RK3588的启动流程，必须先搞清楚ARMv8-A的异常等级（Exception Level, EL）模型。这是整个aarch64世界的安全与权限基石。

四层“防护塔”：EL0 到 EL3

当你按下电源键，RK3588的每一个大核（A76/A55）都会从EL3开始执行。为什么是EL3？因为它拥有最高特权，可以访问所有硬件资源，包括安全控制器、加密引擎、内存保护单元等，是构建可信执行环境（TEE）的第一道防线。

✅ 关键点：所有初始化操作都在EL3完成，然后通过eret降级跳转至EL2或EL1。这个过程不可逆，除非发生异常重新进入更高EL。

启动起点：Mask ROM 与 复位向量

RK3588一上电，CPU从物理地址0x0000_0000取指执行。这个地方不是Flash也不是DDR，而是芯片内部固化的Mask ROM—— 一段由瑞芯微写死的只读代码。

这段代码虽然你看不到源码，但它的行为是确定的：

1. 初始化PLL，稳定主频；
2. 检测启动介质（eMMC、SPI NOR/NAND、USB烧录模式）；
3. 加载第一阶段引导程序（MiniLoader 或 SPL）到SRAM；
4. 跳转执行SPL。

此时CPU仍处于aarch64 + EL3状态，尚未启用MMU、Cache，也没有堆栈。也就是说，接下来你要写的每一条汇编指令，都必须极其小心——任何一次非法内存访问都会让CPU陷入Data Abort异常，而如果你还没设置好异常向量表，那就会彻底“死机”。

EL3初始化五大关键步骤

当控制权交到你的固件（如ATF中的BL31）手中时，第一步就是建立基本运行环境。以下是必须按顺序完成的五个核心动作。

1. 设置栈指针 SP_EL3

mov x0, #0x40000000 // 假设片上SRAM起始地址为0x40000000 add sp, x0, #0x10000 // 栈顶 = 起始 + 64KB

⚠️注意：这里的sp默认指的是当前异常等级下的栈指针，即SP_EL3。你不能假设SP_EL0或其他等级的栈已经准备好。

如果后续需要切换到其他EL（比如EL2），你还得显式设置对应等级的SP，例如使用：

msr sp_el1, x1 msr sp_el2, x2

否则一旦发生中断或异常返回，CPU将因找不到正确的栈而崩溃。

2. 关闭中断：DAIF屏蔽

msr daifset, #0xf // 屏蔽 IRQ, FIQ, SError, Debug

DAIF 是PSTATE中的四个标志位：
-D: Debug 异常掩码
-A: Asynchronous Abort (SError) 掩码
-I: IRQ 中断掩码
-F: FIQ 快速中断掩码

在初始化期间关闭所有中断，是为了防止外部事件干扰关键配置（比如正在改SCTLR时来了个IRQ）。否则可能造成状态混乱或竞态条件。

完成后可通过msr daifclr, #0xf重新开启。

3. 配置 SCTLR_EL3：CPU行为总控开关

mrs x0, sctlr_el3 // 读出现有值 orr x0, x0, #(1 << 2) // A=1: 使能对齐检查 bic x0, x0, #(1 << 4) // C=0: 禁用数据缓存 D-cache bic x0, x0, #(1 << 12) // I=0: 禁用指令缓存 I-cache bic x0, x0, #(1 << 0) // M=0: MMU关闭 msr sctlr_el3, x0

📌关键位域说明：

💡 实践建议：
- 在建立有效的页表之前，绝对不要开启M=1，否则会触发Address Size Fault；
- Cache可在DDR初始化后逐步打开，但需配合dccivac/icivau等维护指令保证一致性。

4. 设置 VBAR_EL3：异常向量入口

ldr x0, =vector_table_el3 msr vbar_el3, x0

VBAR_EL3指向当前EL3的异常向量表基址。该表结构固定，共16项，每项间隔128字节，覆盖如下类型：

vector_table_el3: b reset_handler // Reset b undefined_handler // Undefined instruction b svc_handler // Supervisor Call (SVC) b prefetch_abort_handler // Prefetch Abort b data_abort_handler // Data Abort b . // Reserved b irq_handler // IRQ b fiq_handler // FIQ

✅要求：
- 向量表必须8字节对齐；
- 每个处理函数应以eret返回；
- 若未设置VBAR就发生异常，CPU会跳转到未知位置，极难调试。

你可以利用它来做早期日志输出，比如在data_abort_handler里打印出错地址和寄存器状态。

5. 配置 SCR_EL3：安全世界切换控制器

mrs x0, scr_el3 orr x0, x0, #(1 << 0) // NS=1 → 进入 Non-Secure World orr x0, x0, #(1 << 10) // RW=1 → 下一级运行在 aarch64 msr scr_el3, x0

SCR_EL3 是决定安全状态迁移的关键寄存器：

🎯 典型用途：
当你在BL31（ATF）中准备跳转到U-Boot（BL33）时，就需要先把NS设为1，表示“我要去非安全世界了”。否则即使跳过去了，也会因为安全属性不匹配而被拦截。

如何跳出去？ERET 实现异常等级降级

完成了EL3的初始化后，下一步是“移交政权”——跳转到更低特权等级，通常是EL2（用于Hypervisor）或 EL1（用于Linux kernel）。

这一步靠的是eret指令，但它不是普通的跳转，而是“异常返回”，依赖两个特殊寄存器：

• ELR_EL3：保存目标执行地址；
• SPSR_EL3：保存目标状态的PSTATE。

mov x0, #0x80000000 // U-Boot入口地址 msr elr_el3, x0 // 设置跳转目标 mrs x1, spsr_el3 orr x1, x1, #(0x3 << 0) // M[3:0] = 0b11 → 目标为 EL2 aarch64 // orr x1, x1, #(0x1 << 0) // 若目标为 EL1 aarch64，则用 0b01 msr spsr_el3, x1 eret // 执行！切换EL并跳转

🧠工作原理：
-eret触发后，CPU会从ELR读取地址作为PC；
- 从SPSR恢复PSTATE，包括目标EL、运行状态（aarch64/aarch32）、中断屏蔽状态；
- 安全状态由SCR_NS决定；
- 最终进入目标EL，开始执行新世界的代码。

⚠️ 常见坑点：
- SPSR.M 设置错误 → 进入非法状态 → CPU lockup；
- ELR指向不可执行区域 → 取指失败 → Prefetch Abort；
- 未关闭MMU但无页表 → 访问任意地址都会触发Translation Fault。

整体启动流程图解

[Power On] ↓ CPU 复位 → PC = 0x00000000 ↓ Mask ROM 执行（ROM Code） ↓ 加载 MiniLoader/SPL 至 SRAM ↓ DRAM 初始化（DDR PHY训练、控制器配置） ↓ 跳转至 DRAM 中的 BL31 (ATF) ↓ BL31 在 EL3 执行： ├── 设置 SP_EL3 ├── 关闭 DAIF ├── 配置 SCTLR_EL3（禁MMU/CACHE） ├── 设置 VBAR_EL3 ├── 配置 SCR_EL3（切换NS/RW） └── 准备 ELR/SPSR → eret 跳转 ↓ 进入 BL33 (U-Boot) at EL2 (aarch64) ↓ U-Boot 初始化外设、加载 Kernel ↓ Kernel 入口 (_start) at EL1 ↓ 开启MMU、创建页表、接管系统

🔍 提示：多核系统中，只有主核（CPU0）会走完整流程，其余核通常停留在WFE状态，等待PSCI调用唤醒。

调试实战：三个经典“踩坑”场景

❌ 问题1：CPU卡死在第一条指令

现象：JTAG连接后发现PC没动，串口无输出。

排查思路：
1. 是否晶振未起振？用示波器测32.768kHz和24MHz；
2. Flash读取失败？检查SPI CLK/DATA线路阻抗；
3. 代码未正确烧录？尝试USB Loader模式重刷；
4. 栈指针未设？导致后续push出错。

🔧解决方案：
- 添加GPIO翻转代码（如LED闪烁），定位执行进度；
- 使用DS-5或OpenOCD+GDB单步跟踪；
- 在汇编开头加nop循环，确认是否能进main。

❌ 问题2：ERET之后没有反应

现象：log显示“即将跳转”，但之后一切静默。

原因分析：
- SPSR.M 设置错误（误设为aarch32）；
- ELR指向的地址没有映射或不可执行；
- 目标EL的栈未设置，异常返回失败；
- MMU已开但页表为空。

🔧调试技巧：
- 在跳转前打印elr_el3,spsr_el3,scr_el3；
- 使用静态链接确保目标函数地址可知；
- 在U-Boot入口处加uart_putc('U')测试是否到达。

❌ 问题3：频繁触发 Data Abort

现象：刚一访问内存就崩，异常向量跳进data_abort_handler。

常见诱因：
- 访问NULL指针或越界地址；
- Cache未维护导致脏数据；
- 外设MMIO地址未通过IOMMU映射；
- 页表Entry配置错误（如AP权限不对）。

🔧 解决方案：
- 在异常处理函数中 dump 所有寄存器（尤其是FAR_EL3, ESR_EL3）；
- 使用mrs x0, far_el3获取出错虚拟地址；
- 使用mrs x1, esr_el3查看异常原因（bit[31:26]编码）；
- 插入dsb sy; isb同步流水线后再访问内存。

工程最佳实践建议

为了写出稳定可靠的初始化代码，推荐以下做法：

1. 最小化初期依赖
   不要在SP设置前调用函数，避免隐式push/pop。

2. 严格对齐
   代码、栈、页表均按16字节对齐，减少Alignment Fault风险。

3. 尽早启用串口输出
   在SPL阶段就初始化UART0，输出“[EL3] Start”便于远程调试。

4. 防御性编程
   每个MSR/MRS操作加注释，说明修改意图和影响范围。

5. 查阅TRM文档
   RK3588的技术参考手册（Technical Reference Manual）中有大量Errata和初始化序列细节，务必比对。

6. 安全优先
   在跳转至非安全世界前，完成TZMA/TZC-400配置，划分安全内存区。

写在最后：掌握底层，才能掌控全局

RK3588作为国产高端SoC的代表，其复杂度远超传统MCU。但正是这种复杂性，赋予了它在AI边缘计算、工业视觉、智能座舱等领域的强大生命力。

而这一切的前提，是你能否稳稳地走过那最初的几百条汇编指令。那些看似枯燥的msr、mrs、eret，实则是通往系统大门的钥匙。

当你下次面对一块“不开机”的开发板时，请记住：

问题不在别处，就在第一条指令之后的第17行。

如果你在移植U-Boot、定制ATF或调试Secure Boot过程中遇到具体问题，欢迎留言交流。我们可以一起剖析反汇编、解读ESR、追踪ELR，直到点亮那一行“Welcome to U-Boot”。

毕竟，真正的嵌入式工程师，都是从看懂reset_handler开始的。