QEMU Semihosting

在QEMU上面，如何跑一个bare metal程序呢？下面这段程序并不能正常工作，原因又是什么？

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("hello world!\n");
}

编译和运行^[1]

$ aarch64-elf-gcc --specs=rdimon.specs -g test.c -o test.elf
$ qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a53 -nographic -monitor null
-serial null -semihosting -m 128m -kernel test.elf

错误提示为，程序执行了非法指令。

----------------
IN: memset
0x00400400:  4e010c20  dup      v0.16b, w1

Taking exception 1 [Undefined Instruction]

FP Trap

DUP是一条NEON指令，查看QEMU源码，原来在fp_exception_el中，根据CPACR的配置trap了EL1的FP指令执行，这不是我们所期望的，打上patch继续。

IN: _swiopen.part.3
0x00403b84:  2a1303e0  mov      w0, w19
0x00403b88:  a94153f3  ldp      x19, x20, [sp, #0x10]
0x00403b8c:  a9425bf5  ldp      x21, x22, [sp, #0x20]
0x00403b90:  a94363f7  ldp      x23, x24, [sp, #0x30]
0x00403b94:  a8cb7bfd  ldp      x29, x30, [sp], #0xb0
0x00403b98:  d65f03c0  ret      

----------------
IN: 
0x00000000:  00000000  .byte    0x00, 0x00, 0x00, 0x00

Taking exception 1 [Undefined Instruction]

这次挂在了ret，函数执行完成后跳转到了0地址，此时sp为0x7ffff10，在128M RAM的末尾。检查这段内存都是0，说明数据都没有写入成功。

QEMU ARM Virtual Machine Memory Layout

查看virt的Memory Layout配置，这段内存落在了Reserved ROM区间，而正确的RAM配置应该在0x40000000开始。

    /* Space up to 0x8000000 is reserved for a boot ROM */
    [VIRT_FLASH] =              {          0, 0x08000000 },
    ...
    [VIRT_MEM] =                { 0x40000000, RAMLIMIT_BYTES },

另外，QEMU Semihosing并不能正确设置堆栈顶的值，

target_ulong do_arm_semihosting(CPUARMState *env)
{
...
            limit = ram_size;
            /* TODO: Make this use the limit of the loaded application.  */
            retvals[0] = limit / 2;
            retvals[1] = limit;
            retvals[2] = limit; /* Stack base */
            retvals[3] = 0; /* Stack limit.  */
}

继续上patch增加command line 支持RAM地址的设置，和修正heap/stack的计算。

Linker Scripts MEMORY

除了QEMU的修改，我们还需要在test程序链接时，指定MEMORY配置，使执行文件的地址空间和virt machine完全一致。

test.lds

MEMORY
{
  ROM (rx)  : ORIGIN =   0x100000, LENGTH = 128M
  RAM (rxw) : ORIGIN = 0x40000000, LENGTH = 512M
}

我们只希望修改memory layout，而不希望修改默认的Linker Script以及Sections，所以在编译时不使用-T，而直接将lds作为源文件（Implicit Linker Scripts）进行编译链接。

$ aarch64-elf-gcc --specs=rdimon.specs -g test.c test.lds -o test.elf
$ qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a53 -nographic -monitor null
-serial null -semihosting -semihosting-config ram_start=0x40000000 -m 128m
-kernel test.elf

hello world!

Mission Accomplished！

---

1. 本文使用编译器为 gcc-arm-8.2-2018.08-x86_64-aarch64-elf.tar.xz ↩