正点原子嵌入式linux驱动开发——TF-A使用

上一篇笔记STM32MP157芯片的开发环境，之后就直接简写为MP1。为了保证安全ARM推出了 Arm Trusted Firmware的可信固件，简称 TF-A。它是一个开源的软件，最早是用在Armv8-A，ST也在MP1里面使用到了TF-A。它的作用就是隔离硬件，为硬件提供一个安全环境并且提供安全服务。

TF-A初步使用

智能设备的安全问题是一个物联网产品非常重要的环节， ARM为此提供了TrustZone解决方案，TrustZone将CPU的工作状态分为了Secure World(安全世界)和Normal World(非安全世界)，涉及到安全相关的内容运行在安全世界，比如指纹、密码等，其他的操作都在非安全世界运行，比如应用程序。TrustZone是一种硬件解决方案，只要学会使用就好了，不用过多探究，不是linux驱动开发的重点。

系统源码获取

与TrustZone对应的，我们需要一套软件来配合TrustZone，TF-A应运而生，TF-A全称是Arm Trusted Firmware，有些资料也叫做 ATF，一般中文资料叫做 ARM可信固件。 MP1内部集成了TrustZone，因此ST也提供了TF-A相关源码，TF-A会先初始化DDR等外设，把Uboot从Flash(NAND、NOR FLASH、SD、MMC 等)拷贝到DDR中。我们不可能直接去官方网站下载TF-A的源码，这样的开发难度太大，半导体厂商都会从TF-A官网下载源码，然后修改适配自己
的芯片，把自家的芯片加进去。在实际项目开发中直接使用半导体原厂给提供的TF-A即可。ST官方TF-A、uboot、 kernel等源码下载链接为： ST官方系统源码，打开以后如下图所示：

中的 STM32MP1Dev就是官方的源码包，里面包括 TF-A uboot kernel等源码，点击“ Get Software”下载整个系统源码。这里我们已经下载下来并放到了开发板光盘中，就是en.SOURCES-stm32mp1-openstlinux-5-4-dunfell-mp1-20-06-24.tar.xz。

在Ubuntu中创建一个目录存放源码，然后将ST官方系统源码发送到Ubuntu中。这里我在前面创建的“linux”目录下新建一个名为“stm32mp1”的目录存放所有源码，命令如下：

cd linux/ //进入linux目录 mkdir stm32mp1 //创建stm32mp1目录

用FileZilla将ST官方源码压缩包en.SOURCES-stm32mp1-openstlinux-5-4-dunfell-mp1-20-06-24.tar.xz拷贝到“atk-mp1”目录下。解压压缩包，命令如下：

tar -xvf en.SOURCES-stm32mp1-openstlinux-5-4-dunfell-mp1-20-06-24.tar.xz

解压完成以后会得到一个名为“stm32mp1-openstlinux-5.4-dunfell-mp1-20-06-24”的文件夹；进入stm32mp1-openstlinux-5.4-dunfell-mp1-20-06-24/sources/arm-ostl-linux-gnueabi目录下，里面就是uboot、optee、tf-a、kernel源码，而这5个源码文件夹的含义如下图所示：

上图中共有 5个源码，本教程就用到前三个：u-boot-stm32mp-2020.01-r0、linux-stm32mp-5.4.31-r0和tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0，也就是TF-A、Uboot和Linux Kernel。传统的linux学习中不需要TF-A的，只需要uboot和Linux Kernel，但是MP1带有安全硬件，因此加入了TF-A。

首先TF-A并不是ST自己做的， ST只是将自己的MP1芯片移植到了TF-A上，上图中的tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0就是ST自己修改后的TF-A源码，直接使用ST修改后的 TF-A源码即可，包括uboot、linux kernel都是这样的。

tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0支持ST所有的 MP1芯片，也支持各种启动方式，例如：EMMC、NAND、NOR FLASH等等。 tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0里面包含了 ST自家所有的MP1评估板，正点原子的STM32MP157开发板参考了ST官方的STM32MP157C-EV1开发板，因此，后续的移植都是以STM32MP157C-EV1开发板为蓝本，在此基础上进行修改。

tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0目录文件一共有5个文件，这5个文件的含义如下图所示：

TF-A源码打补丁

上图中的TF-A源码还不能直接使用，需要对其打补丁。ST也是在TF-A官方的源码上将自己的MP1系列芯片添加进去的，因此必然涉及到对官方TF-A源码的修改，修改的部分就是“补丁”，补丁文件后缀为.patch，之前图片中的0001-st-update-v2.2-r2.0.0.patch就是ST为TF-A官方源码做的补丁文件，补丁文件里面描述了修改源码中的哪些文件，应该添加或删除哪些代码或文件，打完补丁后的TF-A才是真正需要的。因此，打补
丁需要两个文件：

1. 补丁文件，在此处就是0001-st-update-v2.2-r2.0.0.patch；
2. 需要打补丁的源文件，在此处就是tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0.tar.gz。

首先需要先解压tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0.tar.gz，命令如下所示：

tar -vxf tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0.tar.gz

解压完就会在当前目录下生成“tf-a-stm32mp-2.2.r1”目录；接下来就是给TF-A源码打补丁，在解压好的TF-A的目录下运行以下命令：

cd tf-a-stm32mp-2.2.r1 //进入TF-A源码 for p in `ls -1 ../*.patch`; do patch -p1 < $p; done //打补丁

这条命令的意思是把上一层目录下的所有“ “.patch”后缀的文件都通过patch命令打补丁到TF-A的源码目录，在这里就是将001-st-update-v2.2-r2.0.0.patch这个补丁打入到TF-A源码里面，过程如下图所示：

由于ST官方源码目录太长，为了方便调试，在stm32mp1目录下创建一个名为“tf-a”的子
目录，然后就打完补丁后的tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0目录下的所有文件都拷贝到tf-a下，命令如下：

cd tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0/ cp * /home/zuozhongkai/linux/atk-mp1/tf-a/ -rf

以上命令的cp之后的具体目录看你自己是怎么创建的，更换一下就可以了，拷贝完成后tf-a目录应如下图所示：

创建VSCode工程

为了方便阅读TF-A源码，可以创建一个VSCode工程，然后打开VSCode，点击：文件->打开文件夹，选中打完补丁后的tf-a-stm32mp-2.2.r1-r0文件夹，打开以后的VSCode如下图所示：

左侧的资源管理器就是TF-A的工程目录结构。最后我们保存一下工作区， 点击：文件 ->将工作区另存为…，打开保存工作区对话框，将工作区保存到TF-A 源码根目录下，设置文件名为“ tf-a”，如下图所示：

保存以后就会在TF-A源码根目录下多出一个名为“tf-a.code-workspace”的文件，这样一个完整的 VSCode工程就建立起来了。

编译和烧录TF-A

通过上文得到的TF-A源码是ST提供的，这个TF-A肯定是不能直接在正点原子的STM32MP157开发板上运行的，需要移植和修改。但是在正式移植TF-A之前需要了解如何编译TF-A，并烧写到正点原子的STM32MP157开发板上，这里我们直接编译正点原子已经修改好的TF-A。

stm32wrapper4dbg工具安装

编译TF-A或者Uboot的时候需要用到stm32wrapper4dbg这个工具，否则编译会报错。ST提供了这个工具的码，我们需要在Ubuntu下编译并安装这个源码，源码的下载地址为：stm32wrapper4dbg下载地址，这个正点原子是已经在开发光盘中提供了的，就是stm32wrapper4dbg-master.zip。 将源码压缩包拷贝到Ubuntu下，然后进行解压，命令如下：

unzip stm32wrapper4dbg-master.zip //解压

解压完成以后就会得到一个名为“stm32wrapper4dbg-master”的文件夹，进入到此文件夹里面，然后编译并安 装，命令如下：

cd stm32wrapper4dbg-master //进入到此文件夹 make //编译

编译完成以后就会得到一个名为“stm32wrapper4dbg”的工具；将编译出来的stm32wrapper4dbg工具拷贝到 Ubuntu的 /usr/bin目录下，命令如下：

sudo cp stm32wrapper4dbg /usr/bin

拷贝完成以后就可以直接在终端中使用stm32wrapper4dbg这个工具了，输入如下命令查看
帮助信息：

stm32wrapper4dbg -s

如果输出下图所示内容就说明stm32wrapper4dbg工具安装成功：

编译正点原子官方TF-A

准备正点原子出厂TF-A源码

首先安装设备树编译相关命令，输入如下命令：

sudo apt-get install device-tree-compiler

在Ubuntu的stm32mp1目录下新建一个名为“alientek_tf-a”的子目录，然后把正点原子修改好的TF-A源码拷贝到alientek_tf-a这个目录下。正点原子修改好的TF-A源码已经放到了开发板光盘中，就是tf-a-stm32mp-2.2.r1-g463d4d8-v1.0.tar.bz2。 拷贝完成以后解压，输入如下命令：

tar -xvf tf-a-stm32mp-2.2.r1-g463d4d8-v1.0.tar.bz2

解压完成以后alientek_tf-a文件夹就会有tf-a-stm32mp-2.2.r1文件夹，这就是正点原子针对自己的STM32MP157开发板修改过的TF-A源码，Makefile.sdk是一会编译TF-A要用到的Makefile。

修改Makefile.sdk

首先，TF-A是有自己的Makefile文件的，而且真正编译的时候也是要用TF-A自己的Makefile。Makefile.sdk是ST自己编写的，也是我们一会编译TF-A的时候要用到的，Makefile.sdk里面主要定义了一些编译属性，比如要使用的交叉编译器、编译的一些选项等等，Makefile.sdk最终会调用 TF-A内部的 Makefile来编译TF-A。默认情况下Makefile.sdk里面使
用的是ST官方的交叉编译器 (arm-ostl-linux-gnueabi-gcc)，但是正点原子的文档教程中用的是通用交叉编译器arm-none-linux-gnueabihf-gcc，因此我们需要修改Makefile.sdk，将交叉编译器改为我们目前所使
用的。打开Makefile.sdk，然后找到CROSS_COMPILE，将其改为“arm-none-linux-gnueabihf-”。

编译TF-A

准备工作都就绪以后就可以编译正点原子出厂TF-A了，进入到tf-a-stm32mp-2.2.r1目录里面，然后运行执行如下命令编译TF-A:

cd tf-a-stm32mp-2.2.r1/ //进入到正点原子出厂 TF-A的源码目录 make -f ../Makefile.sdk all //编译 TF-A

‘-f’的意思是重新指定Makefile，在这里就是指定Makefile.sdk，编译成功会出现下图所示：

编译完成以后会在上一层目录，也就是alientek_tf-a下生成一个名为“build”的目录，进入build目录下，一共有三个子目录：optee、serialboot和trusted，如下图所示：

我们只关注trusted目录下的文件，此目录下就保存了MP1所有型号的TF-A固件，包括正点原子开发板所使用的tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32，如下图所示：

TF-A烧录到EMMC

使用STM32CubeProgrammer将TF-A烧写到开发板里面，STM32CubeProgrammer支持通过UART、USB、STLINK来烧写系统，本教程全部采用USB烧写，也就是通过开发板上的USB_OTG口来烧写系统。

准备烧写材料

在Windows下通过STM32CubeProgrammer来烧写TF-A，新建一个目录来存放烧写镜像文件，例如创建一个名为“images”的目录。然后将开发板光盘里面的这两个文件先拷贝到images目录下：tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32， u-boot.stm32，全部都是正点原子官方写的。

最后就是前面编译出来，真正要烧写的 tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32，通过FileZilla将 Ubuntu里面的tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32发送到images目录下。

正点原子提供的这两个文件是干嘛的呢？正点原子的教程是这么说的，和STM32CubeProgrammer软件的设计以及烧写过程有关：tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32中间有个“serialboot”，也就是串行BOOT，说明是和启动有关的；此固件用来初始化USB、DDR等外设，DDR初始化了以后就可以运行uboot了（uboot里面会初始化EMMC、NAND等外设，而且uboot会提供很强大的EMMC操作指令）；也就是说，启动uboot的目的就是为了操作EMMC、NAND，这样就可以在uboot里面通过相关的命令将tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32写到EMMC或者NAND里面。

总结来说，正点原子的教程认为，需要tf-a-stm32mp157d-atk-serialboot.stm32和u-boot.stm32的原因，就是为了将tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32烧写到EMMC、NAND、SD卡里面。

准备FlashLayout

以上三个文件的烧写设置需要通过STM32CubeProgrammer脚本文件来定义，STM32CubeProgrammer脚本文件后缀为.tsv，ST官方也叫做FlashLayout。这里可以直接在正点原子提供的tsv文件基础上修改，将开源的开发光盘中的atk_emmc-stm32mp157d-atk-qt.tsv拷贝到前面的 images前目录下，然后将其重命名为“tf-a.tsv”，完成后 images目录如下图所示：

.tsv是文本格式的，很容易阅读，关于.tsv语法的详细讲解，请参考： tsv详解。用Notepad++软件打开tf-a.tsv，默认格式时看不出什么的，tsv对格式有要求，必须要设置一下 Notepad++软件，点击“视图->显示符号->显示空格与制表符”, 设置好以后的tf-a.tsv如下图所示：

tf-a.tsv中，黄色箭头代表是TAB键，TAB键越多黄色箭头就越长，如果用空格键的话就会显示‘_’。tsv语法要求只能用TAB键，不能用空格！以‘#’开头为注释，所以上图第一行为注释 。

修改tf-a.tsv文件内容如下图所示：

上图中一共有5行，第1行为注释，一共7列，这7列的含义如下图所示：

接下来详细介绍一下这7个配置：

1.Opt域
Opt是第一个项，此选项通过‘-’、‘P’、‘D’和‘E’这四个字符定义操作方法，首选的是‘-’和‘P’。

• ‘-’：none，也就是空选项，分区或者设备无需修改，如果Device域为none，那么Opt强制为‘ ‘-’；
• ‘P’：向分区或者设备烧写固件。

STM32CubeProgrammer本质是通过uboot来烧写系统的，也就是先把uboot加载到板子的DDR里面并运行，然后使用uboot来烧写系统。uboot会请求需要烧写的二进制文件，然后将其烧写到指定的分区或者Falsh设备里面。

针对‘P’，还可以搭配一下两个参数：

• ‘E’：空分区或设备，表示对应的分区或设备不更新，相关的Id项会被跳过；
• ‘D’：删除分区或设备。

允许的组合如下：

• ‘-’：空选型；
• ‘P’：更新分区或设备，也就是向分区或设备烧写固件；
• ‘PE’：不更新，也就是指定某个分区或者设备不需要烧写固件，这样我们就可以单独只更新tf-a，uboot，kernel或rootfs；
• ‘PD’：删除并更新，也可以写作‘DP’；
• ‘PDE’：删除并且保持为空，也可写作‘PED/DPE/DEP/EPD/EDP’。

2.Id域

STM32CubeProgrammer通过Id域来确定烧写方法，会通过Id域来识别下一个要烧写到设备里面的二进制文件：

• ROM或FSBL：二进制文件要加载到RAM；
• SSBL（uboot）：二进制文件要烧写到Flash中。

FlashLayout支持的Id范围如下图所示：

其中0X01和0X03这两个Id是给FSBL和SSBL留着的，它们会被加载到RAM中。一些默认的Id含义如下图所示：

3.Name域

Name域为一段字符串，也就是目标内存段的名字。

4.Type域

Type域仅仅用于uboot，用来选择需要更新的Flash区域：

• SD卡或者EMMC设备对应GPT分区；
• 原始的Flash设备，如NAND、NOR等对应MTD分区。

SD/EMMC和NAND/NOR所支持的Type类型如下图所示：

正点原子STM32MP157开发板为EMMC类型，所以我们只需要知道EMMC下的Type域含义：

• Binary：原始的二进制文件；
• FileSystem：linux文件系统，为ext2/ext4/fat格式；
• System：Linux内核。

5.Device域

Device域指定Uboot设备树定义的设备和索引 (从0开始)，不同的设备其设备名字和索引不同：

• mmc+索引 ：如mmc0、mmc1、mmc2等，对应SD卡或EMMC；比如SD卡和EMMC分别接到MP1的SDMMC1和SDMMC2接口上，那么SD卡和EMMC分别为mmc0和mmc1；
• nor+索引 ：如nor0，对应NOR或者QUADSPI Flash；
• nand+索引 ：如nand0，对应连接到FMC总线上的并行NAND Flash；
• spi-nand+索引 ：如spi-nand0，对应连接到QSPI上的串行NAND Flash；
• none：RAM，也就是将固件加载到RAM里面，仅允许启动阶段使用，而且Type域要为Binary，Offset域要为0，Opt域为‘-’；
• ram+索引 ：如ram0，烧写服务讲固件加载到RAM中运行。

6.Offset域

Offset就是偏移，支持的值如下：

• boot1：EMMC的第一个启动区域分区；
• boot2：EMMC的第二个启动区域分区；
• 数字：具体的偏移值，单位为字节。

7.Binary域

STM32CubeProgrammer软件要使用的二进制文件。

通过USB烧写TF-A

首先设置开发板拨码开关，设置为000，也就是从 USB启动，然后复位开发板！

首先通过USB Type-C线将开发板的USB_OTG和USB_TTL连接到电脑上，如下图所示：

按照上图将板子的USB串口与USB OTG连接到电脑以后还要检查一下连接是否成功，打开电脑的设备管理器，查看CH340和DFU模式是否存在，如下图所示：

连接没问题的话就可以使用STM32CubeProgrammer来烧写TF-A了，打开STM32CubeProgrammer，选择USB连接方式，Port选择 USB1，如下图所示：

USB设置好以后点击右上角的“Connect”来连接开发板，连接成功以后左下角的log区域就会输出一些信息，右侧中间的数据区域也会显示开发板默认的分区情况，右下角会显示目标板信息，如下图所示：

STM32CubeProgrammer要使用FlashLayout文件来烧写系统，也就是前面我们创建的tf-a.tsv。点击“Open File”，打开 tf-a.tsv，如下图所示：

注意 ，如果没有看到的“Browse”和 Download”这两个按钮的话，把STM32CubeProgrammer界面放大一点，尤其是左右托大，因为软件默认界面会把这两个按钮挡住！

一切准备就绪以后就可以点击上图中的“Download”按钮开始下载，下方的log区域就会显示烧写过程，烧写完成以后就会有提示信息提示完成烧写。

TF-A运行

自己编译的TF-A已经烧写到了开发板中，接下来就是测试能不能运行，打开MobaXterm软件，设置好与开发板连接的串口，波特率选择115200。

设置开发板拨码开关为010，也就是从 EMMC启动，然后复位开发板！

注意，由于开发板默认已经烧写了整套Linux系统，所以直接启动的话会启动整个系统，包括我们刚刚烧写的自己编译的TF-A，原有的uboot、Linux系统等。TF-A是最先启动的，也就是最前的就是我们自己编译的 TF-A，如下图所示：

TF-A启动的时候会打印出编译时间，我们可以通过编译时间来判断是否为我们自己编译的TF-A。比如上图中 TF-A的编译时间为2020年11月11号10:53:02，这个时间是正点原子开发教程编译的时间，说明目前正在运行的 TF-A就是自行编译的正点原子出厂TF-A，也就是tf-a-stm32mp157d-atk-trusted.stm32。

总结

这一章节的内容，就是初步介绍了TF-A，然后根据正点原子给的源代码，进行初步的TF-A代码编译以及移植，学习了如何编译并适配自己的MP1开发板，然后完成了通过STM32CubeProgrammer完成TF-A的烧写操作，并通过运行时的log信息判断TF-A是否烧写成功。