3DS 的架构

大量的 CPU 最终影响了整个操作系统的复杂度。 不仅如此，这台主机中还包含了多个不同的系统。 这种设计作为主机运行不同服务的机制（例如： 对 NDSi、NDS、GBA 的向下兼容、恢复模式等）。

因此，为了避免本节变得更加混乱，我们一步步来。

架构

一台 3DS 主机中包含了四个固件：

• NATIVE_FIRM：使主机以"原生"的模式运行（可以使用 3DS 中独有的功能）。 此处，ARM11 用于运行主要的程序。
  • 有趣的是，主机上存在两份 NATIVE_FIRM 实例（分别称为 FIRM0 和 FIRM1），以防止第一份固件由于某些原因受损。
  • 该固件通常也被称为 "Horizon"。
• TWL_FIRM：使 3DS 以 NDSi 模式运行。 这确实会禁用 3DS 中独有的功能，但考虑到 CPU、GPU、音效和 I/O 的相互关联，TWL_FIRM 确实是一件艺术品。 因此，ARM9 和 ARM7 会被置于前台（它们运行主要的程序）。
  • "TWL"来自 NDSi 的内部代号。
• AGB_FIRM：类似 TWL_FIRM，使 3DS 以 GBA 模式运行。 此处，ARM7 用于运行主要的程序。
• SAFE_FIRM：用于维护相关任务，如系统更新等。 该固件基本上是一个早期版本的 NATIVE_FIRM （在旧款 3DS 上不超过版本 3.0，New 3DS 上不超过版本 8.1 ）。

所有的固件都包含了分别用于 ARM11、ARM9 和 ARM7 CPU 的二进制文件。 唯一的例外是 ARM7 在 NATIVE_FIRM 和 SAFE_FIRM 下不会被启用。

通常而言，3DS 首先会启动一个 Boot ROM，然后引导 NATIVE_FIRM。 在这之后，正在运行的操作系统可能会基于用户的操作重启至不同的固件（例如，游玩 NDS 游戏或者进入主机更新画面）。

现在让我们看看每个 CPU 在 NATIVE_FIRM 模式下的行为。

安全处理器

当 NATIVE_FIRM 启动后，ARM9 运行自己的操作系统，该系统包含名为 Kernel9 的内核和名为 Process9 的单个程序 。

Kernel9 的设计遵循 微内核 模型，也就是说它只提供了对硬件的必要抽象，包括：

• 内存管理.
• 进程调度。
• 进程间通信。

另一方面，Process9 是一个实现了如下服务的用户空间程序：

• 与 ARM11 的通信，称为"PXI"。
• 加密相关函数。 包含 AES、RSA、SHA 和 ECDSA。
• I/O 管理。
• 文件系统。
• Title（3DS 软件）验证和安装。

内核和 Process9 位于仅限 ARM9 访问的 1MB（New 3DS 中为 1.5MB）SRAM 上。

在安全性方面，Kernel9 和 Process9 之间没有权限区分，因为后者可以无条件访问一个系统调用，该调用可以在内核模式下运行任意代码。

总结来说，ARM9 除了连接到主机的 I/O 之外，也承担了 安全处理器 的职责，就像 Wii 和 Wii U 的 ARM9 那样，并与 NDS 中第二 CPU 仅用于负责 I/O 和音频任务的 协处理器 架构不同。

用户处理器

相应地，ARM11 上也运行了内核（称为 Kernel11），其架构与 ARM9 上的内核架构相似。 两者的区别在于，ARM11 上会运行多个用户空间进程，并通过它们提供服务，例如：

• 与 ARM9 的通信，称为"PXI"。
• 多核心处理。
• 网络、HTTP 和 SSL。
• 与任天堂在线基础设施的连接。
• 图形界面（称为"HOME 菜单"）。
• 启动应用程序的能力。
• 一个名为"服务"的应用程序抽象层，游戏必须调用这些服务才能访问硬件资源。 尽管一些组件如 GPU 通过一层非常薄的 API 作为接口。
  • 此外，服务是分层实现的。 游戏只访问这些服务的一部分，而后者则调用更高权限和专门化的服务。

ARM11 的内核位于专用的 512KB SRAM 上 ，这块内存也被称为"AXI Work RAM"或"AXI WRAM"，因为它与 ARM11 使用 AXI 协议连接。

强制行为

现在来说坏消息，NATIVE_FIRM还对用户程序施加了不同寻常的限制。

结合两个操作系统后，运行NATIVE_FIRM的任天堂3DS的权限级别概览。

首先，ARM11 的调度器硬编码了每个核心的行为（而不是将各个核心均视为通用处理单元）：

• 第一个核心称为 appcore，用于运行游戏。 但其使用 FIFO（即先进先出）的线程调度策略，这意味着多线程使用不当时游戏可能会发生死锁 。
• 第二个核心称为 syscore，用于运行系统相关任务。

例外地，syscore 可以将其执行时间的 30% 借给用户应用程序，这可能有助于降低一些操作的负载，尽管并非所有例程都可以在 syscore 下工作（尤其是时间敏感的操作）。

这种限制在 New 3DS 中进一步扩展，其 ARM11 MPCore 现在配备了四个核心，其中：

• 第四个MP11核心专门用于面部追踪。 任天堂的工程师没有增加电路，而是通过纯软件实现了面部追踪。 因此，他们保留了一个 MP11 核心用于这个功能。 我猜这是任天堂的一种低成本解决方案。
• 第三个MP11核心大部分时间处于空闲状态。 这是因为，默认情况下，调度程序未编程为在此处调度线程。 游戏元数据确实包含一个标志，可以启用第三个核心上的线程调度，尽管到目前为止，其采用仅在《异度之刃3D》（顺便说一句，这是新3DS独占游戏）中得到证实。 可能在某个时候，任天堂考虑过更无缝的方法，但最终发现由于电池消耗问题，以及可能与针对任一设置优化的游戏兼容性问题，该方法不可行。
  • 考虑到新任天堂2DS XL是"新"型变体，但没有立体屏幕，这意味着，在大多数情况下，其四核CPU的一半被浪费了！
• CDMA，新的 DMA 单元，仅在主机启动时可用 。 启动过程结束后，CDMA 将不会再次被使用。

接下来，对于游戏中可用的内存，我们已经知道旧款 3DS 和 New 3DS 分别配备了 128MB 和 256MB 的 FCRAM。 现在你需要知道的是对于应用来说，相应的可用内存分别只有 64 MB 和 124 MB 。 这意味着系统占用掉了主机约 50% 的内存，这并不是一个特别令人愉快的特性！ 为了缓解这种情况，游戏可以在它们的元数据中设置一个标志（称为 APPMEMTYPE）向系统请求更多的 FCRAM，分别为 96 MB 和 176 MB。 在幕后，该标志指示系统重新启动主机并在不预先启动HOME菜单的情况下启动游戏，从而在此过程中节省内存。

综合来看，你现在可以感受到新3DS中并非所有额外的硬件都会自动意味着更快的软件。 这很遗憾，也让我觉得新3DS从软件角度来看是一个仓促的产品。 但公平地说，任天堂从未计划将"新"3DS作为原始3DS的完全继任者。 "新"品牌显然是为了重振3DS系列，考虑到销量数字至少可以说不尽如人意。

存储介质

现在我们了解了操作系统的设计方式，接下来看看数据在这款主机中是如何存储的以及存储在哪里。

引导 ROMs

遵循其悠久的祖先Game Boy，SoC存储了一系列未加密的ROM，其中包含用于启动NATIVE_FIRM的程序 。 这些引导程序被称为Boot9和Boot11；分别由ARM9和ARM11执行。 同样，出于安全原因，它们在物理和虚拟上都保持隐藏。 举个例子，Boot9存储了AES解密密钥，这些密钥不能随意放置。

有趣的是，Boot9的代码显示它不仅仅能够从eMMC NAND引导NATIVE_FIRM。 然而，由于某些例程具有硬编码目录和额外的安全层，Boot ROM最终只能加载eMMC NAND中的NATIVE_FIRM固件。

此外，虽然随着新3DS的到来，多个组件发生了变化，但BootROMs却丝毫未变 。

OTP内存

为了进一步提高安全级别，主机将一系列主机独有的信息存储在一次性可编程（OTP）内存中 。 与Wii和Wii U类似，这些信息也包括加密密钥。

OTP在制造过程中写入一次，因此每个主机之间的密钥都不同。 因此，一个被破解的主机不一定会危及其他主机。 考虑到某些先前的实现包含全局密钥，这对于掌机来说是一个重要的里程碑。

eMMC NAND

初版3DS上的三星制造eMMC芯片。

在大型SoC旁边，有一个eMMC NAND闪存芯片。 然而，其尺寸因制造商而异 。 例如，东芝提供了943MB和1888MB的芯片，而三星则提供了954MB和1240MB的芯片。

为了解决这种差异，任天堂使用一个通用尺寸定义了3DS分区表：旧3DS为943MB（东芝尺寸），新3DS为1240MB（三星尺寸）。 因此，如果你的主机配备了更大的eMMC芯片，额外的空间不幸地被闲置了。

无论如何，主机依靠eMMC存储其系统数据，包括多个固件，以及用户数据（3DS和DSi模式下的存档和配置）。

SD/microSD

曾经是可选（有时是象征性）介质的SD卡，现在享有与内部存储类似的职责，因为3DS依赖它从eShop下载软件并存储用户数据（游戏存档、相机照片和麦克风录音）。

此处存储的软件和用户数据受AES-128-CTR加密保护。

启动过程

现在我们了解了操作系统的结构以及数据的存储位置，接下来看看任天堂3DS如何从一个闪亮的关机砖块变成一个提供多种服务的可操作主机。

多核混乱

考虑到3DS必须在其SoC中管理四个处理器（2核ARM11 + ARM9 + ARM7）——如果看新3DS，则是六个——人们不禁会想，这些"中央"处理器在主机启动期间是如何突然变得异常协调的。 嗯，这都归结于实现主从层次结构。

对于ARM9和ARM7，没有太多疑问，两者可以单独供电并加载不同的二进制文件。 因此，挑战主要集中在传播同质多核ARM11上。

在ARM11 MPCore集群中，所有核心都从0x00000000向量开始执行。 然而，CP15（系统控制协处理器）提供了一个名为CPU ID的寄存器，除其他功能外，它用于识别当前正在执行指令的核心。 因此，程序员可以查询此寄存器来决定当前CPU核心是应该发出命令（主）还是等待命令（从）。 ARM后来通过提供一个名为mpidr的专用寄存器（在ARMv7 CPU中找到）改进了这项技术。

得益于此，任天堂工程师能够识别3DS集群中的任何CPU核心，并实现一个引导加载程序，使所有核心协调一致，然后执行必要的功能以使主机运行起来。

启动流程

是时候深入了解引导过程了。 与同代任何其他主机一样，安全性至关重要，这将对引导阶段产生影响。 为了避免本节过于冗长，我简化了安全系统设置的阶段，但你会在"反盗版"部分找到更多信息。

话虽如此，一旦主机通电，将发生以下事件序列 ：

1. ARM9和ARM11通电。
2. ARM9的复位向量位于地址0xFFFF0000，指向Boot9。 ARM11被无限复位，直到其复位引脚被抬起。
3. Boot9清除ARM11的复位引脚，然后初始化ARM9的MPU。

ARM11 MPCore现在将并行开始执行Boot11：

1. ARM11的复位向量位于地址0x00000000，恰好与Boot11位于同一位置。
2. Boot11将根据其执行的核心进行分支。 如果大于核心2，则无限挂起。
3. 等待ARM9完成固件引导。

同时，ARM9将忙于继续执行Boot9：

4. AES和RSA公钥被导出到AES和RSA引擎（这将在"反盗版"部分解释）。
5. Boot9将尝试从NAND引导。
   1. 在NAND中，位置0x0处有一个名为"NCSD头"的分区，它声明有八个分区，每个分区都有一个固件可供引导。
   2. 对于列出的每个固件分区，Boot9将获取其头，验证SHA-256哈希和RSA-2048签名（使用先前从BootROM加载的一组密钥），并重复此过程直到一个验证成功。然后，它将从那里引导。 然后，它将从那里引导。
6. 如果NAND中的所有验证都失败，Boot9将尝试从Wi-Fi模块中的闪存引导。 如果这也失败，主机将显示错误屏幕。
7. 第一个验证成功的分区恰好包含NATIVE_FIRM。 Boot9将根据头的参数将固件复制到不同的内存区域。
8. 禁用Boot9和Boot11的一半。这样做，FCRAM将变得可访问。 这样做，FCRAM将变得可访问。
9. 将ARM9和ARM11的执行重定向到固件的入口点。

现在NATIVE_FIRM已引导：

1. ARM9将：
   1. 加载Kernel9。
   2. Kernel9隐藏OTP内存并加载Process9。
   3. ARM9 CPU现在已启动并运行Process9。
2. 同时ARM11执行以下操作：
   1. 加载Kernel11。
   2. 在New 3DS的情况下，Kernel11将写入一个名为CFG11_BOOTROM_OVERLAY_CNT的新寄存器，以覆盖Boot11代码 。 这将允许将新ARM11核心（核心3和核心4）的执行从Boot11重定向到Kernel11中的任意函数，从而控制它们。
   3. Kernel11将启动各种系统进程，包括PM（进程管理器）。
   4. PM将启动"NS"（任天堂用户界面Shell）系统模块。
   5. NS将启动游戏或HOME菜单应用程序。
   6. 现在由用户控制。

备用启动过程

前面所有的解释都集中在启动NATIVE_FIRM上，这导致了传统的原生3DS模式。 对于TWL_FIRM、AGB_FIRM和SAFE_FIRM等其他固件，情况则复杂一些。 事实证明，之前的启动过程仍然是必需的，因为只有NATIVE_FIRM可以从电源循环启动。 但是一旦NATIVE_FIRM运行起来，它就可以引导这些固件中的任何一个，并且每个固件都会以不同的方式编程ARM9。 无论哪种情况，在Boot9期间设置的安全机制仍然会生效。

特别是TWL_FIRM和AGB_FIRM，它们操作一组特殊的寄存器，根据DS、DSi或GBA游戏所期望的硬件和内存布局来塑造3DS硬件。 FCRAM仍然可以访问，允许从这些位置（除了NTR卡槽）引导游戏ROM。 然而，FCRAM将被重新配置以遵循DS和GBA总线规范（16位宽，而不是32位）。

关于向下兼容固件的一个重大区别是，ARM7最终将处于活动状态（因为任天堂DSi/DS和GBA软件需要它）。

要退出任一模式，非原生固件包含一个重新启动系统的例程，从而使其返回NATIVE_FIRM。 因此，回到3DS模式。

交互界面

第七代主机界面已登陆任天堂3DS。 一个明显的迹象是用户不再需要零售游戏来充分利用他们的主机，只需浏览界面，你就会发现捆绑了许多应用程序和服务。 这包括这款主机的特殊功能（3D相机、立体视角和增强现实）。 与智能手机竞争的压力再明显不过了。

HOME菜单，安装了一些应用程序。 这次我还插入了马里奥大陆的游戏卡带。

Wii的"Miis"已进入3DS。

设置应用程序。

在用户界面设计方面，我倾向于认为它借鉴了Wii系统菜单的许多模式，但移植到了双屏便携系统上。 HOME菜单（交互式界面的名称）使用1页导航系统，其中每个已安装的应用程序都显示在一个可滚动的网格上。 除了这里和那里的一些快捷方式，每个服务都是一个要启动的应用程序。

现在，作为任天堂的产品，你可以期待它特别注重创造力和对细节的关注。 家庭是目标受众，然而，成年人是付费者，任天堂深知这一点。

保持一致性

NS模块不仅负责启动交互式界面，它还为3DS软件提供了调用例程来处理某些交互的能力。 一个例子是"返回HOME菜单"叠加层，每当用户按下"HOME"按钮时都必须显示。

用户可以在游戏中按下"HOME"按钮，这将重新显示HOME菜单而不会关闭当前应用程序。 此事件由正在运行的应用程序处理，但例程由NS服务提供。

此外，3DS软件还可以调用"迷你应用程序"来处理其他事件（例如显示虚拟键盘），这些被称为Applets 。

这两组都是所有应用程序的关键依赖项，因为它们负责一致地对外部事件做出正确反应。 有趣的是，由于Applets和NS例程不属于游戏本身，在New 3DS系统中，即使游戏在兼容模式下运行（即所有"新"硬件都已禁用），它们仍将使用全部硬件执行，为未优化的3DS游戏提供小幅性能提升。

传统的 shell

虽然特殊固件包含了DS/GBA游戏所期望的旧BIOS例程，但并没有DS或DSi界面。

旧的Wi-Fi设置屏幕（由DSi和DS游戏调用）是唯一的例外。 有趣的是，虽然原始DS Wi-Fi设置无用（因为它们只能连接到WEP保护的接入点），但DSi的对应设置（从DSi和"DSi增强型"DS游戏访问）可以更改3DS的Wi-Fi设置。 然而，这些游戏捆绑了一个只适用于真实DSi的旧Wi-Fi驱动程序（3DS包含Atheros AR6014，而DSi配备Atheros AR6002或AR6013）。 因此，为了解决这个问题，当固件启动时，两个Wi-Fi设置会自动同步。

可更新性

当然，一个可更新的系统几乎是必需的，不仅是为了提供新功能，也是出于安全考虑。

你可以通过在线或游戏卡带更新系统软件。 令人困惑的是，两者都包含不同的更新包。 游戏卡带只捆绑了系统更新，不包含更新后的用户应用程序，而网络更新则包含所有内容 。 因此，版本名称会编码两者的混合，以防用户使用了两种渠道。

要安装更新，NS服务会重启到SAFE_FIRM，由系统更新程序负责此过程 。