ARM64从EL2切换至EL1时.data段被清零的原因排查

问题背景 #

在Radxa RockPi 5b（RK3588）上通过Uboot启动裸机应用，启动命令为：

fatload mmc 1 0x8300000 rk3588.bin
go 0x8300000

自定义printf函数在EL2下完全正常，但切换到EL1后出现异常：

• .rodata段数据（字符串字面量、立即数）可正常打印
• 局部变量可正常使用
• 全局变量（.data段）读取值全为0，直接访问.data段物理地址也返回0

切换EL1的汇编代码如下：

prepare_el1:   
    ldr x0, =((1 << 31) | (1 << 41) | (1 << 40))
    msr hcr_el2, x0
    isb

    msr sctlr_el1, xzr
    isb

    ldr x0, =((7<<6) | 5)
    msr spsr_el2, x0
    isb

    adr x0, entry_el1
    msr elr_el2, x0
    isb
    eret

临时重定位程序到其他地址后，.data段可正常访问，但未明确根本原因。

核心原因分析 #

问题出在HCR_EL2的TGE位配置以及EL1的内存访问模式：

1. 你设置了HCR_EL2的TGE位（bit41），这会让EL1进入Guest虚拟化模式
2. 此时即使EL1关闭MMU（SCTLR_EL1.M=0），CPU访问的是中间物理地址（IPA），而非直接物理地址（PA）
3. Uboot在EL2下的阶段2页表（用于Guest地址转换）未正确映射0x8300000附近的.data段区域：要么该区域未被映射，要么属性被设为只读/清零，导致EL1访问时返回0
4. 重定位到其他地址后，该地址不在阶段2页表的限制范围内，因此能正常访问.data段

解决步骤 #

方案1：关闭Guest模式（推荐） #

修改HCR_EL2的配置，移除TGE位（bit41），让EL1运行在Non-Guest模式，此时关闭MMU时直接访问物理地址，和EL2的访问逻辑一致：

prepare_el1:   
    ; 移除(1 << 41)，保留RW位（bit31）和TWED位（bit40）
    ldr x0, =((1 << 31) | (1 << 40))
    msr hcr_el2, x0
    isb

    msr sctlr_el1, xzr
    isb

    ldr x0, =((7<<6) | 5)
    msr spsr_el2, x0
    isb

    adr x0, entry_el1
    msr elr_el2, x0
    isb
    eret

方案2：配置EL2阶段2页表 #

如果你需要保留Guest模式，需在EL2中为.data段所在的物理地址范围配置阶段2页表，将其标记为：

• Normal Memory类型
• 读写权限
• 非执行属性
  确保EL1的IPA能正确映射到对应的PA，且属性允许读写。

补充优化 #

建议在EL1中正确配置SCTLR_EL1，开启缓存以提升性能：

; 在EL1入口处配置SCTLR_EL1
mov x0, #(1 << 0)      ; M位：开启MMU（如果需要）
orr x0, x0, #(1 << 2)  ; C位：开启数据缓存
orr x0, x0, #(1 << 12) ; I位：开启指令缓存
msr sctlr_el1, x0
isb

内容的提问来源于stack exchange，提问作者SONGYJ