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ARM64与AMD64固件开发入门：从零理解启动第一阶段

你有没有想过，按下电源键的瞬间，CPU是如何“醒来”的？为什么有的设备开机只需几秒，而有的却要等上十几秒？这一切的秘密，都藏在固件启动的第一阶段——那个操作系统尚未加载、连内存都没初始化的“混沌初开”时刻。

在这个阶段，没有C库、没有堆栈、甚至没有RAM可用。一切都要靠开发者亲手搭建。而ARM64和AMD64，作为当今最主流的两种64位架构，在这条“从0到1”的路上，走出了截然不同的路径。

本文不讲空泛理论，也不堆砌术语。我们将像拆解一台老式收音机一样，一层层拨开ARM64与AMD64启动流程的外壳，带你真正看懂：
- 上电后第一条指令到底执行了什么？
- 没有内存时程序如何运行？
- 为什么一个用汇编写死地址，另一个却能跑C代码？
- 实际开发中哪些坑必须避开？

无论你是嵌入式新手，还是想深入底层的系统工程师，这篇文章都会让你对“启动”这件事，有全新的认知。

ARM64是怎么“醒过来”的？

起点：从一片黑暗中点亮火把

想象一下，芯片刚上电，内部就像一座断电的城市——没有路灯（时钟未启）、没有道路（MMU关闭）、也没有通信（外设未初始化）。唯一的光源，是预埋在芯片ROM里的那一小段代码。

对于ARM64来说，这个起点通常是物理地址0x00000000或者某个映射到片内ROM的地址。CPU复位后，会自动跳转到这里开始取指执行。这段代码就是BL1（Boot Loader Stage 1），它必须足够小、足够快，并且完全独立于外部DRAM。

更重要的是，ARM64一上来就进入了最高权限模式——EL3（Exception Level 3）。这是专为安全监控设计的特权层级，也是TrustZone可信执行环境的基石。

📌关键点：ARM64不是一步步“爬上去”的，而是直接站在顶峰（EL3），然后决定要不要下来。

第一步做什么？别急着开MMU！

很多初学者有个误解：以为启动第一步就是开启MMU和虚拟内存。错！恰恰相反，第一步反而是确保MMU处于关闭状态。

因为在没有页表之前，任何对虚拟地址的访问都会导致异常。所以BL1的第一件事，是读取系统控制寄存器SCTLR_EL3，并清除其中的M位（bit 0）来明确禁用MMU：

mrs x0, sctlr_el3 // 读取当前SCTLR值 bic x0, x0, #(1 << 0) // 清除M位 → 关闭MMU msr sctlr_el3, x0 // 写回寄存器

同理，数据缓存（C bit）、对齐检查（A bit）等也都会被暂时关闭，以进入一个确定、可控的状态。

栈都放哪儿？SRAM就是临时家

既然DRAM还没初始化，那函数调用用的栈放哪里？答案是：片上SRAM或内部缓存。

ARM64要求开发者在BL1阶段手动设置栈指针SP。通常做法是将SP指向一块已知可用的SRAM区域高地址（向下增长）：

ldr x0, =stack_top mov sp, x0

这块内存不需要初始化，只要物理存在即可。这也是为什么BL1必须精简——它只能使用有限的静态空间，不能依赖.data或.bss段（这些需要后续清零才能用）。

异常向量表：给中断安个“门牌号”

接下来要设置的是异常向量表基址寄存器 VBAR_EL3。你可以把它理解为一张“紧急联系电话表”，当发生复位、中断、异常时，CPU就知道该去哪找处理程序。

ldr x0, =vector_table msr vbar_el3, x0

这个表本身可以放在SRAM里，长度一般为2KB（每个异常入口占128字节）。一旦设好，系统就有了基本的容错能力。

多核怎么协调？主核干活，从核睡觉

现代ARM64处理器都是多核的。但启动时并不是所有核心一起上电，而是由主核（Primary Core）单独完成初始化，其他从核保持低功耗等待状态。

常用机制是让从核执行wfe（Wait For Event）指令，进入休眠，直到主核通过sev（Send Event）唤醒它们。这种模式不仅节能，还能避免资源竞争。

更高级的做法是通过PSCI（Power State Coordination Interface）标准接口统一管理核的启停，实现跨平台兼容。

最终目标：把接力棒交给BL2

BL1的任务很简单：准备好最基本的运行环境，然后把更大的舞台留给BL2。

典型动作包括：
- 初始化时钟和看门狗
- 配置GPIO用于调试输出
- 运行DDR控制器驱动，完成内存训练
- 将BL2镜像从Flash复制到DRAM
- 跳转至BL2入口

此时，系统终于有了可用内存，可以启用缓存、开启MMU，进入更复杂的引导阶段。

💡经验之谈：BL1越短越好，建议控制在几KB以内；所有操作应尽量无副作用，便于调试。

AMD64又是怎么“开机”的？

完全不同的起点：固定地址0xFFFFFFF0

如果说ARM64的启动像是“灵活选址创业”，那么AMD64更像是“按图索骥”。

所有amd64 CPU上电后，都会自动将CS:EIP设置为0xF000:FFF0，对应物理地址0xFFFFFFF0——距离4GB顶端仅16字节。这个地方永远存放着一条跳转指令：

jmp far 0xe0000 ; 跳往SPI Flash中的固件代码

这16字节的空间极其珍贵，几乎不做任何实质性工作，只是一个“引子”，把执行流导向真正的固件存储区（通常是主板上的SPI Flash芯片）。

实模式起步：回到1980年代的技术栈

有趣的是，尽管我们谈论的是64位架构，但amd64 CPU一开始运行的却是16位实模式。这是一种向后兼容的设计遗产，源自Intel 8086时代。

在这种模式下：
- 地址空间受限于20位（最大1MB）
- 没有分页机制
- 使用段:偏移方式寻址

但这没关系，因为这一阶段的目标不是功能完整，而是尽快建立起一个可运行C代码的环境。

CAR：用缓存当内存使

这里出现了一个非常聪明的技术——Cache-as-RAM（CAR）。

在DRAM尚未初始化前，传统方案只能靠汇编+极少量内部寄存器工作。但amd64平台利用L1/L2缓存未被占用的特点，将其配置为静态分配的RAM替代品。

具体操作如下：
1. 禁用缓存（设置CR0.CD=1）
2. 启用缓存但锁定为WB模式
3. 手动映射一段缓存行作为堆栈和全局变量区

这样一来，虽然没有DDR，也能跑起C函数了！

✅优势：开发者可以用结构化代码编写PEI模块，大幅提升可维护性。
❌限制：CAR空间通常不超过128KB，栈深度需严格控制。

PEI阶段：Intel平台的核心过渡期

PEI（Pre-EFI Initialization）是UEFI框架下的第一个正式阶段，相当于ARM64中的BL1，但它更加模块化。

它的主要职责包括：
- 初始化北桥/南桥芯片组
- 加载微码补丁（修复CPU硬件缺陷）
- 配置内存控制器
- 调用FSP-M（Firmware Support Package - Memory）

其中，FSP-M是最关键的组件，由Intel或SoC厂商提供二进制blob，负责具体的DDR训练与时序调整。开发者只需按规范调用，无需关心底层细节。

EFI_STATUS PeiMain(IN CONST EFI_PEI_SERVICES **PeiServices) { MemoryInit(PeiServices); // 调用FSP-M初始化内存 InstallPpi(PeiServices, &mMemoryInstalledPpiDesc); JumpToNextPhase(PeiServices); // 跳转至DXE }

一旦内存初始化完成，系统就会切换到正常RAM运行，进入DXE（Driver Execution Environment）阶段，开始加载各种驱动和服务。

多核启动：靠“广播消息”叫醒兄弟

amd64的多核唤醒机制称为INIT-SIPI-SIPI协议：

1. 主核发送 INIT IPI（处理器间中断），通知所有从核准备启动；
2. 主核发送 SIPI（Startup IPI），指定一个向量地址；
3. 从核收到后，跳转到该地址执行初始化代码；
4. 可重复一次SIPI确保稳定。

这种方式依赖APIC总线通信，属于x86特有的中断协调机制。

对比总结：两种哲学，一条终点

表面上看，两者差异巨大：
- ARM64强调清晰的权限隔离与安全性，适合构建可信计算基础；
- AMD64则偏向生态兼容与工程效率，借助标准化接口降低开发门槛。

但本质上，它们都在解决同一个问题：如何在一个“三无”环境（无内存、无OS、无服务）中，亲手造出第一个“有秩序”的世界。

开发实战：避坑指南与调试技巧

常见问题1：卡在DDR初始化？

这是最常见的启动失败场景。

ARM64排查思路：

• 检查DDR频率、时序参数是否匹配颗粒规格
• 使用示波器测量时钟信号完整性
• 在关键节点添加串口打印（即使只是点亮一个GPIO灯）
• 启用JTAG调试，单步跟踪内存训练过程

AMD64常见原因：

• FSP-M返回错误码（如0x1A表示内存训练失败）
• SPI Flash映射错误导致固件读取异常
• 微码未正确加载导致CPU行为异常

可通过BIOS日志（POST Code）判断故障阶段。

常见问题2：从核无法启动？

ARM64检查项：

• 是否正确实现了PSCI SMC处理程序？
• 从核入口地址是否已被正确加载到指定位置？
• 是否遗漏了GIC（中断控制器）配置？

AMD64注意点：

• APIC ID分配是否冲突？
• SIPI向量地址是否落在可执行范围？
• CAR区域是否覆盖到了从核代码？

调试利器推荐

1. QEMU仿真先行
   ```bash
   # 模拟ARM64启动
   qemu-system-aarch64 -M virt -cpu cortex-a57 -nographic -bios bl1.bin

# 模拟x86_64 UEFI启动
qemu-system-x86_64 -bios OVMF.fd -nographic -drive file=disk.img,format=raw
```

2. 串口日志必接
   无论是UART0还是PL011，务必尽早初始化并输出日志。哪怕只打印一个字符，也能帮你确认代码走到哪一步。

3. 符号表辅助分析
   编译时保留.symtab，配合objdump -d反汇编，可在崩溃时定位具体指令。

4. 使用EDK II或TF-A参考实现
   不要从零造轮子。Trusted Firmware-A 和 Tianocore EDK II 提供了经过验证的启动模板，适合作为基础进行裁剪。

写在最后：掌握启动，才算真正入门系统编程

当你第一次看到自己的汇编代码成功跳转到C函数，第一次看到串口输出“DRAM init done”，那种成就感远超普通应用开发。

而这，正是系统级程序员的独特乐趣。

ARM64与AMD64虽然路径不同，但都告诉我们一个道理：真正的掌控力，来自于对最底层逻辑的理解。

未来，无论是投身国产芯片替代、参与云服务器定制，还是研究RISC-V自研架构，今天所学的这些原理，都会成为你手中最锋利的工具。

如果你正在尝试移植U-Boot、修改TF-A，或者调试UEFI启动失败的问题，不妨停下来问问自己：

“我现在处在启动流程的哪一环？下一步需要建立什么环境？”

也许答案，就在你已经读过的某一行汇编里。

欢迎在评论区分享你的启动调试经历，我们一起破解那些“黑盒”背后的真相。