1、异常现象

• 程序出现了下列trap的打印（打印右边的注释，是根据程序编译的.map和.lst文件得到的内容）

ra         = 0x1ff04eb4  //_printf_i 函数内的一个代码地址
sp         = 0x1ff0e4c0  //栈指针，指向当前栈顶位置
gp         = 0x1ff0a7a0  //_sp地址（栈顶的地址）
tp         = 0xa5a5a5a5
t0         = 0x1ff02056
t1         = 0xfffffff0
t2         = 0xa5a5a5a5
fp         = 0x1ff0e610  //帧指针，指向当前栈帧的基址
s1         = 0x1ff09250
a0         = 0xfffe1265  //非法地址
a1         = 0x0
a2         = 0xfffe1264
a3         = 0x1ff0e748
a4         = 0x1ff0e60c
a5         = 0x1ff0e744
a6         = 0x0
a7         = 0x64
s2         = 0x1ff0e6a8
s3         = 0x1ff06634
s4         = 0x1ff09250
s5         = 0xfffe1265  //非法地址
s6         = 0xa
s7         = 0x25
s8         = 0x1
s9         = 0x7
s10        = 0xa5a5a5a5
s11        = 0xa5a5a5a5
t3         = 0xa5a5a5a5
t4         = 0xa5a5a5a5
t5         = 0xa5a5a5a5
t6         = 0xa5a5a5a5
mstatus    = 0x9880
mepc       = 0x1ff05e78  //memchr 函数内的一个代码地址
msubm      = 0x80
mcause     = 0x38000005  //这是一个异常
mdcause    = 0x2
mtval      = 0xfffe1265  //非法地址
stack trace:0x1ff067c8   //_svfiprintf_r 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff01d3e
stack trace:0x1ff06994   //_svfiprintf_r 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff04f8e   //_vsniprintf_r 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff01064
stack trace:0x1ff0209a   //_puts 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff020d4   //_printf 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff03334   //tc_run_test_case 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff038d6   //fpga_test_case_task 函数内的一个代码地址
stack trace:0x1ff01d3e
stack trace:0x1ff01422
stack trace:0x1ff01848
stack trace:0x1ff0104e   
stack trace:end

2、名词解释

2.1、Stack Trace（堆栈跟踪）

• 是程序发生异常（或主动打印）时，输出的一系列方法调用链记录。它告诉你“程序在执行到哪一行代码时出了问题”，以及“这个方法是经由怎样的调用路径被触发的”。

• 阅读顺序： 从下往上读，就是调用的历史；从上往下读，就是异常传播的路径。

• 结合以上理论，可以知道异常的代码调用顺序如下：

fpga_test_case_task
tc_run_test_case
_printf
_puts
_vsniprintf_r
_svfiprintf_r

2.2、Exception Register（异常寄存器）

• Exception Register 是当程序发生异常时，CPU或操作系统保存的异常现场信息，记录了异常发生瞬间的处理器状态。它与 Stack Trace 是互补的两种调试信息：

• Stack Trace：程序的调用链路（逻辑层面的执行路径）

• Exception Register：CPU的硬件状态（物理层面的执行现场）

（1）、mepc，记录异常发生时正在执行的指令地址

• 最重要！直接告诉你代码执行到了哪个内存地址

（2）、sp，栈指针

• 指向当前栈顶位置用于恢复函数调用栈、局部变量等

（3）、fp，帧指针

• 指向当前栈帧的基址，用于回溯调用链（Stack Trace 的基础）

（4）、mstatus，（需要查RISCV的手册）

• 状态寄存器 / 标志位

（5）、mcause，是 RISC-V 架构中的一个异常/中断原因寄存器

mcause     = 0x38000005

• 最高位第31bit为0，表示这是一个异常
• 第0bit为1，指令地址未对齐
• 第2bit为1，非法指令
• 第27bit为1，加载虚拟地址未对齐
• 第28bit为1，加载虚拟访问故障
• 第29bit为1，指令虚拟地址未对齐

（6）、mtval，异常相关的额外信息（如错误地址）

• mcause 只告诉"发生了什么"，mtval 告诉"具体是什么"（如错误地址、非法指令值）

mtval      = 0xfffe1265

• 这个表示错误的地址，即程序运行过程中，发生了地址被篡改的行为

3、解决错误

• 根据程序的打印，先到程序异常前的位置打个断点，可以观察到group指针，name指针，case_list指针的地址都是正常的sram地址。

• 程序异常后，再观察，name地址、case_list等地址已经变成异常值，且恰好和mtval的值相等
  

• 可以观察到，group指针指向name指针，name指针指向"fpga_test_case_list"内容，

• group指向的地址为0x1ff09afc，name指向的地址为0x1ff08d14

• 即0x1ff09afc地址存放的是name指针变量，0x1ff08d14地址存放的是"fpga_test_case_list"内容

• name指针变量的值被篡改了，可以用 *(int *)0x1ff09afc的方式来得到name指针变量的值

• 在程序异常前，先打数据断点，再执行程序，调试时程序就会在异常的地方停下来，就能找到是哪段代码导致的异常。

-exec watch *(int *)0x1ff09afc

4、最终原因

• 代码流程类似下面

volatile uint8_t flag = 0;
uint32_t value[10] = {0};

//中断复位函数
void isr()
{
    value[flag] = 10;
    flag++;
}

void main()
{
    while(flag != 10);
    flag = 0;
}

（1）、数据竞争（Data Race）

• 主循环和ISR同时访问共享变量 flag，虽然使用了 volatile，但缺乏原子性保证：

// 主线程中
while(flag != 10);  // 读取flag
flag = 0;           // 写入flag

// ISR中
flag++;             // 读取-修改-写入操作，非原子

（2）、flag++ 不是原子操作

ldrb r0, [flag_addr]   ; 读取
add  r0, r0, #1        ; 修改
strb r0, [flag_addr]   ; 写入

• 如果主循环在这三条指令之间读取flag，可能读到中间状态。

• volatile 只能防止编译器优化，不能保证原子性，也不能防止CPU乱序执行。

• 所以当主程序读到flag等于10的时候，中断可能还在写入11，就会发生数组越界的问题。

• 可以修改中断服务函数如下

//中断复位函数
void isr()
{
		if(flag < 10)
		{
    		value[flag] = 10;
    		flag++;
    	}
}

• 或者使用原子操作，临界区关中断，使用双缓冲/环形缓冲区等方式解决。