📚 课程目录第3章 ATF源码结构分析

3. ATF 源码结构分析：关键目录的功能与依赖关系

ARM Trusted Firmware (ATF) 的源码采用分层模块化设计，将安全世界的启动流程拆解为多个独立的镜像阶段。理解各目录的职责与依赖关系，是进行启动优化和定制移植的基础。本章将深入分析 bl1、bl2、bl31、bl32、common 和 plat 这六个核心目录。

3.1 整体架构与启动流水线

ATF 的启动流程是一个严格的线性流水线，每个 Boot Loader (BL) 阶段负责特定的初始化任务，并加载下一个阶段。下图展示了从 ROM 到 Rich OS 的完整启动链路。

  关键概念： ATF 的启动顺序是 BL1 → BL2 → BL31/32 → 非安全世界 (U-Boot/Linux)。BL33 (如 U-Boot) 由 BL31 在退出安全世界后加载。

3.2 关键目录功能详解

每个 BL 阶段对应源码中的一个顶级目录，它们各自承担不可替代的职责。下表总结了各目录的核心功能与输出产物。

目录	全称	核心功能	输出产物
bl1	Boot Loader Stage 1	ROM 加载后的第一个固件，初始化 CPU、平台基础外设、TrustZone 控制器，加载 BL2 到 SRAM。	`bl1.bin`
bl2	Boot Loader Stage 2	运行在 SRAM，负责加载 BL31、BL32 和 BL33 镜像到指定内存，并传递平台参数。	`bl2.bin`
bl31	Boot Loader Stage 3 (EL3 Runtime)	EL3 异常等级运行时固件，处理安全监控调用 (SMC)、电源管理、PSCI 服务，是安全世界的入口。	`bl31.bin`
bl32	Boot Loader Stage 2 (Secure OS)	安全操作系统镜像（如 OP-TEE），提供安全服务，运行在 S-EL1。	`bl32.bin`
common	Common Library	存放各 BL 阶段共享的通用代码，如内存管理、链表操作、控制台输出、异常处理框架。	静态库 (libcommon.a)
plat	Platform Porting Layer	平台移植层，包含所有与具体 SoC 和板级硬件相关的代码，如 GIC、UART、定时器、电源域。	平台定制代码

3.3 目录间的依赖关系

ATF 的依赖关系遵循严格的单向原则：低阶段依赖高阶段提供的接口，高阶段依赖低阶段完成初始化。同时，所有 BL 阶段都依赖 common 和 plat 目录。

bl1 → bl2：BL1 负责加载 BL2，BL2 的入口地址和参数由 BL1 通过平台结构体传递。
bl2 → bl31/bl32/bl33：BL2 解析镜像头部信息，将 BL31、BL32 和 BL33 加载到各自的内存区域，并设置好跳转上下文。
bl31 → bl32：BL31 在初始化 EL3 运行时环境后，通过 SMC 调用或直接跳转进入 BL32（安全 OS）。
bl31 → bl33：BL31 在完成安全世界初始化后，通过 el3_exit 退出到非安全世界的 BL33。
所有 BL → common：每个 BL 阶段都链接 common 库，使用其提供的通用函数，如 console_putc、memcpy、assert。
所有 BL → plat：每个 BL 阶段都通过平台宏和回调函数访问硬件资源，如 plat_get_my_entrypoint、plat_my_core_pos。

优化提示： 在启动优化中，bl2 和 bl31 是主要优化对象。减少 BL2 的镜像加载时间（如使用 DMA 或 XIP 执行）以及精简 BL31 的初始化流程，能显著缩短整体启动时间。

3.4 平台目录 (plat) 的内部结构

plat 目录是移植工作的核心，其内部按厂商和 SoC 系列组织。一个典型的平台目录结构如下：

plat/
├── arm/                          # ARM 官方参考平台
│   ├── common/                   # ARM 平台通用代码
│   ├── fvp/                      # Fixed Virtual Platform 模型
│   └── juno/                     # Juno 开发板
├── hisilicon/                    # 海思平台
│   └── hikey960/                 # HiKey960 开发板
├── mediatek/                     # 联发科平台
│   └── mt8173/                   # MT8173 SoC
├── nvidia/                       # 英伟达平台
│   └── tegra/                    # Tegra SoC 系列
├── rockchip/                     # 瑞芯微平台
│   ├── common/                   # Rockchip 通用代码
│   ├── rk3328/                   # RK3328 SoC
│   └── rk3399/                   # RK3399 SoC
└── st/                           # STMicroelectronics 平台
    └── stm32mp1/                 # STM32MP1 系列

每个平台目录下必须实现 platform.mk 和一系列以 plat_ 开头的 C 文件，用于定义内存布局、电源管理、中断控制器等硬件参数。

3.5 依赖关系总结图

下图以模块依赖的视角，展示了各目录之间的编译与运行时依赖关系。

3.6 编译与链接依赖

在构建系统中，依赖关系通过 Makefile 和链接脚本体现。以下是各 BL 阶段与 common、plat 的编译依赖示例：

# 以 bl31 的 Makefile 片段为例
BL31_SOURCES += $(COMMON_DIR)/bl_common.c
BL31_SOURCES += $(COMMON_DIR)/tlb.c
BL31_SOURCES += $(PLAT_DIR)/plat_psci.c
BL31_SOURCES += $(PLAT_DIR)/plat_topology.c

# 链接时，bl31.elf 需要链接 libcommon.a 和平台对象
$(BUILD_DIR)/bl31/bl31.elf: $(BL31_OBJS) $(COMMON_LIB) $(PLAT_LIB)
	$(LD) -o $@ $^ -T $(LINKER_SCRIPT)

移植注意事项： 在添加新平台时，必须确保 plat 目录下实现了所有被 BL1、BL2、BL31 调用的平台接口。遗漏任何一个 plat_ 函数都会导致链接失败。建议从 ARM 官方参考平台（如 FVP）复制一份，然后逐步替换硬件相关代码。

3.7 启动流程中的关键函数调用链

为了更直观地理解目录间的协作，下表列出了从 BL1 到 BL33 的关键函数调用及其所属目录。

阶段	关键函数	所属目录	功能描述
BL1	`bl1_main()`	bl1	BL1 主入口，初始化控制台、内存、加载 BL2
BL1	`plat_get_my_entrypoint()`	plat	获取当前 CPU 的入口点（用于多核启动）
BL2	`bl2_main()`	bl2	BL2 主入口，解析镜像列表，加载后续阶段
BL2	`load_image()`	common	从存储介质加载镜像到内存
BL31	`bl31_main()`	bl31	BL31 主入口，初始化运行时服务、PSCI、中断
BL31	`psci_setup()`	bl31	初始化电源管理状态机
BL31	`el3_exit()`	common	从 EL3 退出到非安全世界
BL32	`opteed_setup()`	bl32	初始化 OP-TEE 安全 OS

通过以上分析可以看出，ATF 的源码结构清晰地将安全启动的各个阶段解耦，common 提供共享基础设施，plat 封装硬件差异，使得开发者可以专注于特定阶段的优化而不影响其他模块。