QEMU for AArch64：执行卡在ldr q1, [x0]导致yyy未打印的原因

代码与环境 #

C代码 #

#include "uart.h"
#include <string.h>
char x[32];
__attribute__((noinline))
void foo(void)
{
    strcpy(x, "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx");
}
int main(void)
{
  uart_puts("xxx\n");
  foo();
  uart_puts("yyy\n");
}

编译命令 #

$ aarch64-none-elf-gcc t78.c -mcpu=cortex-a57 -Wall -Wextra -g -O2 -c -std=c11 \
&& aarch64-none-elf-ld -T linker.ld t78.o boot.o uart.o -o kernel.elf

运行命令 #

$ qemu-system-aarch64.exe -machine virt -cpu cortex-a57 -nographic -kernel kernel.elf

问题现象 #

程序运行后仅输出xxx，后续的yyy完全没有打印。

排查情况 #

• GCC并未生成调用strcpy函数的代码，而是将strcpy的逻辑内联到了foo函数中
• 汇编代码里的ldr q1, [x0]指令是问题根源：在这条指令前添加ret让foo直接返回后，yyy可以正常打印

foo函数的汇编代码 #

foo:
.LFB0:
        .file 1 "t78.c"
        .loc 1 6 1 view -0
        .cfi_startproc
        .loc 1 7 5 view .LVU1
        adrp    x0, .LC0
        add     x0, x0, :lo12:.LC0
        adrp    x1, .LANCHOR0
        add     x2, x1, :lo12:.LANCHOR0
        ldr     q1, [x0]                     <<== 问题根源
        ldr     q0, [x0, 9]
        str     q1, [x1, #:lo12:.LANCHOR0]
        str     q0, [x2, 9]
        .loc 1 8 1 is_stmt 0 view .LVU2
        ret

工具版本 #

$ aarch64-none-elf-gcc --version
aarch64-none-elf-gcc.exe (Arm GNU Toolchain 12.2.Rel1 (Build arm-12.24)) 12.2.1 20221205

$ qemu-system-aarch64 --version
QEMU emulator version 7.2.0 (v7.2.0-11948-ge6523b71fc-dirty)

原因分析 #

这条ldr q1, [x0]指令触发了内存访问异常，导致程序直接崩溃，无法执行到后续的uart_puts("yyy\n")，具体原因如下：

1. 字符串常量的存储位置：GCC会把字符串常量"xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"放在.rodata（只读数据段）中，adrp x0, .LC0和add x0, x0, :lo12:.LC0这两条指令就是计算该字符串在内存中的地址。
2. 裸机环境的内存映射问题：在当前裸机项目中，链接脚本linker.ld可能没有将.rodata段正确映射到可访问的物理内存区域，或者启动代码（boot.o）没有配置MMU让CPU能正常访问该地址。
3. 异常触发：当CPU执行ldr q1, [x0]尝试读取.rodata段的内容时，由于该地址不可访问，会触发数据中止异常。而项目中没有安装对应的异常处理程序，CPU会直接进入错误状态，程序停止运行。

当在ldr q1, [x0]前添加ret指令时，foo函数直接返回，不会执行任何内存读取操作，自然不会触发异常，程序就能继续执行main函数中foo()之后的代码，成功打印yyy。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者pmor