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aarch64电源管理控制器（PSCI）早期调用实战解析

从一个“黑盒”开始：为什么CPU不能自己启动自己？

你有没有想过这样一个问题：在一个四核aarch64处理器上，系统加电后，只有一个核心被激活执行第一条指令，其余三个核心却像睡着了一样——它们为什么不一起启动？又是谁唤醒了它们？

更进一步，当你在Linux中执行echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online关闭某个CPU时，底层究竟发生了什么？是直接断电了吗？还是有什么“协调员”在背后默默调度？

答案就藏在PSCI（Power State Coordination Interface）这个看似低调、实则至关重要的固件接口中。

尤其在系统启动的最早期阶段——比如U-Boot或Trusted Firmware-A运行期间，操作系统尚未接管硬件，所有对CPU状态的操作都必须通过PSCI来完成。它就像一颗嵌入式系统的“心脏起搏器”，控制着每个核心何时跳动、何时休眠。

本文不讲抽象理论，而是带你深入代码现场，一步步拆解PSCI如何在真实平台上实现多核启动与低功耗管理，揭示那些隐藏在SMC指令背后的细节和陷阱。

PSCI到底是什么？别再只看文档标题了

ARM官方文档里说PSCI是“电源状态协调接口”，听起来很正式，但其实我们可以把它理解为：

一个运行在EL3的安全服务程序，专门负责回答“能不能开机？”、“怎么关机？”这类问题。

它的存在解决了长期以来困扰嵌入式开发的问题：不同SoC厂商各自实现一套CPU启停逻辑，导致软件移植困难。有了PSCI之后，无论你是NXP、Rockchip还是华为鲲鹏平台，只要遵循标准，就能用同样的方式控制CPU。

它靠什么通信？SMC不是魔法

PSCI本身并不主动做任何事。它依赖aarch64架构提供的异常机制——SMC（Secure Monitor Call），也就是一条特殊的汇编指令：

smc #0

这条指令会触发一个异常，让处理器从当前异常级别（如EL2或EL1）跳转到最高特权级EL3，进入安全监控环境（Secure Monitor）。在那里，Trusted Firmware-A之类的固件会检查你传入的参数，并决定是否允许操作。

举个类比：
你可以把SMC想象成按电梯里的“紧急呼叫按钮”。你在外面喊“我要关机”，但真正执行断电的是物业值班室的专业人员（EL3固件），他们有权拒绝非法请求。

调用规则很简单，但细节全是坑

PSCI调用本质上就是“寄存器传参 + 发起SMC”：

比如启动一个新核心，典型代码如下：

#define PSCI_CPU_ON 0xC4000003 invoke_psci_fn(PSCI_CPU_ON, target_mpidr, entry_point, 0);

看起来简单吧？可现实往往是：
明明写了这段代码，CPU就是不起来。

为什么？因为你忽略了几个关键点：
- MPIDR格式对不对？
- 入口地址映射好了吗？
- 固件服务注册了吗？
- 缓存清理了吗？

接下来我们就以实际启动流程为例，逐层剥开这些“理所当然”的假设。

多核是怎么醒来的？一次真实的CPU_ON调用追踪

设想一个典型的aarch64平台：四核Cortex-A53，BL1 → BL2 → BL31（TF-A）→ Linux的启动链路。只有CPU0在复位后开始执行，其他核心需要软件唤醒。

这个过程的核心就是PSCI_CPU_ON调用。我们来看它是如何一步步走完的。

第一步：找到你要叫醒的那个人——MPIDR详解

每个CPU都有唯一标识，叫做MPIDR_EL1（Multiprocessor Affinity Register），其格式为：

<Aff3>.<Aff2>.<Aff1>.<Aff0>

例如：
- CPU0:0.0.0.0
- CPU1:0.0.0.1
- CPU2:0.0.1.0（可能属于另一个簇）

要启动CPU1，你就得构造出正确的MPIDR值。常见错误是直接写1，而忘了高位对齐。

正确做法：

uint64_t get_mpidr(int cpu_id) { uint64_t mpidr; // 读取当前CPU的MPIDR并清除最低字节 mpidr = read_sysreg(mpidr_el1) & ~0xFFUL; return mpidr | (cpu_id & 0xFF); }

注意：某些平台Aff域并非线性分配，需参考SoC手册确认拓扑结构。

第二步：告诉它醒来后去哪报到——入口点设置

新核心醒来后不能盲目跳转。你必须指定一个物理地址作为入口点，通常是二级启动函数：

extern void secondary_startup(void); int ret = psci_cpu_on(target_mpidr, (uint64_t)&secondary_startup, 0);

这里有个致命细节：该地址必须是物理地址且已被映射为可执行内存！

如果你用了虚拟内存，又没建立页表映射，或者缓存未同步，那新核心就会“踏空”——PC指针指向一片无效区域，直接跑飞。

解决办法：
- 使用__pa()宏转换为物理地址
- 在调用前刷新ICache/DCache
- 确保MMU开启前使用恒等映射

第三步：发出召唤——真正的SMC发生了什么

当调用psci_cpu_on时，最终会走到内联汇编层面：

static int __invoke_psci_fn_smc(uint64_t function_id, uint64_t arg1, uint64_t arg2, uint64_t arg3) { register uint64_t r0 __asm__("x0") = function_id; register uint64_t r1 __asm__("x1") = arg1; register uint64_t r2 __asm__("x2") = arg2; register uint64_t r3 __asm__("x3") = arg3; __asm__ volatile("smc #0" : "+r"(r0) : "r"(r1), "r"(r2), "r"(r3) : "memory"); return (int)r0; }

一旦执行smc #0，控制权立刻转移到EL3中的SMC处理分发器。

第四步：EL3接手，TF-A如何响应请求

在Trusted Firmware-A中，有一个全局的SMC处理表：

const smc_handler_t plat_smccc_handlers[] = { [PSCI_CPU_ON_AARCH64] = psci_cpu_on_handler, [PSCI_CPU_OFF_AARCH64] = psci_cpu_off_handler, ... };

当检测到X0为0xC4000003时，就会调用psci_cpu_on_handler函数，进行一系列校验：
- 目标CPU是否存在？
- 是否已在运行？
- 电源域是否可用？

如果一切正常，TF-A会设置该CPU的上下文（context），包括入口地址、参数、栈指针等，然后返回0表示接受请求。

此时主核看到返回值为0，就知道“任务已提交”，可以继续往下走了。

第五步：从核真正醒来——secondary_startup做了什么

当目标CPU被硬件激活后，它从ROM或向量表开始执行，经过一些基本初始化后，跳转到我们之前设定的secondary_startup函数。

这个函数一般长这样：

secondary_startup: mov x0, #0 msr daifset, #0xf // 关中断 bl disable_mmu_icache // 若未启用MMU ldr x0, =secondary_stack_top mov sp, x0 // 设置栈 bl secondary_start_kernel

随后进入kernel的smp_init流程，完成GIC配置、时钟初始化等工作，最终加入SMP调度。

整个过程看似顺畅，但任何一个环节出错都会导致“无声失败”——没有打印、没有崩溃，只是那个CPU永远醒不来。

常见“死机”场景及调试秘籍

别以为照着例子抄一遍就能成功。以下是我们在多个项目中踩过的坑，每一个都足以让你加班到凌晨两点。

❌ 痛点一：调用返回 -3（PSCI_RET_INVALID_PARAMS）

最常见的错误之一。原因可能是：
- MPIDR构造错误（特别是多簇架构下Aff1/Aff2未对齐）
- 入口地址非8字节对齐
- 第四个参数保留位非零

排查方法：
- 打印传入的MPIDR并与/proc/cpuinfo对比
- 检查设备树中CPU节点的reg属性是否一致
- 使用PSCI_FEATURES先查询是否支持该功能：

invoke_psci_fn(PSCI_FEATURES, PSCI_CPU_ON, 0, 0); // 返回0说明支持

❌ 痛点二：调用返回0，但从核没起来

这是最让人抓狂的情况——你以为成功了，结果对方压根没反应。

可能原因：
-入口地址不可达：DDR还没初始化好，代码段在外部存储器
-缓存未刷新：I-Cache没更新，CPU读到了旧指令
-电源域被锁定：SoC级别的PMIC未使能对应core domain
-BL31未初始化完成：过早调用了PSCI服务

救命技巧：
- 在BL31中启用LOG_LEVEL=50，查看TF-A日志输出
- 添加延时等待固件准备就绪：

mdelay(10); invoke_psci_fn(...);

• 使用JTAG连接，单步跟踪从核是否真的收到了唤醒信号

✅ 秘籍：如何验证PSCI服务是否就绪？

在早期Bootloader中，不要盲目调用PSCI。建议先探测版本号：

uint32_t version = psci_version(); if (version >= PSCI_VERSION_1_0) { // 支持CPU_SUSPEND等高级特性 }

若返回-1（PSCI_RET_NOT_SUPPORTED），说明PSCI服务还未注册，此时绝对不能调用任何PSCI函数！

更进一步：不只是开机，还能深度睡眠

PSCI不仅能“开机”，还能让CPU进入各种低功耗状态。这对于边缘计算、IoT设备尤为重要。

CPU_SUSPEND：让单核进入STOP模式

相比简单的WFI（Wait For Interrupt），PSCI_CPU_SUSPEND可以让核心关闭更多模块，显著降低漏电流。

调用方式：

PSCI_CPU_SUSPEND( PSCI_POWER_STATE(0, PSTATE_TYPE_STOP, PLAT_MAX_PWR_LVL), (uint64_t)phys_entry, // 唤醒后入口 context_id );

其中PSTATE_TYPE_STOP表示完全断电，唤醒延迟较长但功耗极低；而STANDBY仅关闭时钟，适合快速响应场景。

Linux内核正是通过这套机制实现CPU Hotplug和动态休眠：

// kernel/arch/arm64/kernel/psci.c static int psci_cpu_suspend(struct cpuidle_device *dev, struct cpuidle_driver *drv, int index) { return psci_ops.cpu_suspend(state_map[index], 0); }

设计权衡：省电 vs 实时性

所以选择哪种状态，取决于你的应用需求。自动驾驶系统显然不适合用STOP，但智能电表完全可以。

工程实践建议：别让PSCI成为你的盲区

尽管PSCI已成为现代aarch64系统的标配，但在实际开发中仍有不少团队将其视为“黑盒”。以下是我们总结的最佳实践：

✅ 必做清单

• 设备树中标注enable-method = "psci"
  否则Linux不会使用PSCI来管理CPU。

cpu@1 { reg = <0x0 0x1>; enable-method = "psci"; };

• 确保BL31优先初始化PSCI服务
  所有后续调用必须在其之后。

• 始终检查返回值
  即使是cpu_on也要判断是否真成功。

• 启用TF-A日志调试
  加上LOG_LEVEL=50，关键时刻能救你一命。

⚠️ 避坑提醒

• 不要用裸寄存器操作替代PSCI（如直接写CPUPWRCTL）
• 不要在中断上下文中调用阻塞型PSCI函数
• 注意大小端、AArch32/AArch64调用约定差异
• 多核并发调用时做好同步（如自旋锁保护上下文）

写在最后：PSCI不只是接口，更是系统设计哲学的体现

回顾全文，你会发现PSCI远不止是一个电源管理API。它体现了现代嵌入式系统设计的几大趋势：

• 权限分离：用户态无法直接操控硬件，必须通过安全固件代理
• 标准化：打破SoC碎片化困局，提升软件可移植性
• 精细化控制：从整机开关进化到单核粒度的动态调节
• 协作式调度：OS与固件共同决策最优电源策略

随着PSCI 2.0提案逐步推进（支持虚拟化亲和状态、跨平台状态编码），未来它将在云边端协同、异构计算中扮演更重要的角色。

而对于每一位从事底层开发的工程师来说，掌握PSCI的调用机制，意味着你不再只是“写代码的人”，而是真正理解系统如何呼吸、如何休憩、如何在性能与能耗之间寻找平衡的艺术匠人。

如果你正在开发一款基于aarch64的国产化平台、边缘AI盒子或车载控制器，不妨现在就去看看你的Bootloader里有没有正确使用PSCI——也许那个一直叫不醒的CPU，正等着你的一次精准唤醒。

欢迎在评论区分享你在PSCI调试中的“惊魂时刻”或独家技巧。