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- 11.1 MIPS32架构中定义的异常类型
- 11.2 精确异常
- 当一个异常发生后,系统的顺序执行会被中断,此时有若干条指令处于流水线上的不同阶段,处理器会转移到异常处理例程,异常处理结束后返回原程序继续执行,因为不希望异常处理例程破坏原程序的正常执行,所以对于异常发生时,流水线上没有执行完的指令,必须记住它处于流水线的哪一阶段,以便异常处理结束后能恢复执行,这便是精确异常。
- 对一个实现精确异常的处理器,在异常发生时,都会有一个被异常打断的指令,称为异常受害者(Exception Victim),也可称为发生异常的指令,该指令前面的所有指令都要被执行到流水线的最后一个阶段,也就是正常执行完成,但是该指令及该指令之后的指令都要被取消,就像从来没有执行过一样。如图11-1所示。第2条指令add在执行阶段发生溢出异常,在这种情况下,已经到达访存阶段的第1条指令ori会继续执行完成,而第2,3,4条指令都会被取消,不会有任何影响处理器的情况发生,就像没有进过流水线一样。
- 为了实现精确异常,必须要求异常发生的顺序与指令的顺序相同,在非流水线的处理器上,这是必然的,但是对于拥有流水线的处理器,就会有些复杂。在流水线处理器上,异常会在流水线的不同阶段发生。带来潜在的问题。比如:以图11-2为例,加载指令lw会在流水线的访存阶段发生地址未对齐的异常(因为加载地址是0x3,指令lx要求加载地址的最后两位为00),该异常应该会在第4个时钟周期发生,而它的后一条指令di是无效指令(MIPS32架构没有定义该指令,所以是无效指令),会在流水线的译码阶段引发无效指令异常,也就是在第3个时钟周期,而此时上一条加载指令lw还处于执行阶段,没有进入访存阶段,所以先发生的异常就是无效指令异常。从而不满足异常发生的顺序与指令的顺序相同这一要求。
- 为了避免上述情况,先发生的异常并不立即处理,异常事件只是被标记,并继续运行流水线。在大多数处理器中,会射击一个特殊的流水线阶段,专门用于处理异常。如果某一条指令的异常事件到达了流水线的这个阶段,那么会进行异常处理,并且当前处于流水线其余阶段的指令的异常事件都会被忽略。还是以图11-2为例,假设处理器会在访存阶段处理异常情况,那么di指令虽然在第3个时钟周期发生了异常,但是并不处理,只是保存一个异常标记,等到第5个时钟周期该指令进入访存阶段再处理。但是,在第4个时钟周期,上一条指令lw进入了访存阶段,并且发生了地址未对齐异常,因为已经处于访存阶段了,所以会处理该异常,而包括无效指令异常在内的流水线其余阶段的异常都被忽略。
- 通过以上方法就可以在流水线处理器中实现“按指令执行的顺序处理异常,而不是按异常发生的顺序处理异常处理”。
- 11.3 异常处理过程
- 11.4 异常相关指令介绍
- 11.4.1 自陷指令
11.1 MIPS32架构中定义的异常类型
在MIPS32架构中,有一些事件要打断程序的正常执行流程,这些事件有中断(Interrupt)、陷阱(Trap)、系统调用(System Call)以及其他任何可以打断程序正常执行流程的情况,统称为异常。异常类型及其优先级如表所示。
OpenMIPS处理器只实现对其中6种异常情况的处理,列举如下:
- 硬件复位
- 中断(包含软中断、硬中断)
- syscall系统调用
- 无效指令
- 溢出
- 自陷指令引发的异常
异常发生后,会进入异常处理例程进行具体的异常处理,处理结束后,返回到异常发生前的状态进行执行。在上面的6中异常中,硬件复位是一种特殊的异常,特殊之处在于不用从异常处理例程返回,所以不用考虑保护现场,也不用保存返回地址,OpenMIPS对硬件复位异常的处理方法是很简单的:全部寄存器清零,从地址0x0处取指执行,这实际也就是复位的过程,所以硬件复位异常的处理过程不再论述
11.2 精确异常
当一个异常发生后,系统的顺序执行会被中断,此时有若干条指令处于流水线上的不同阶段,处理器会转移到异常处理例程,异常处理结束后返回原程序继续执行,因为不希望异常处理例程破坏原程序的正常执行,所以对于异常发生时,流水线上没有执行完的指令,必须记住它处于流水线的哪一阶段,以便异常处理结束后能恢复执行,这便是精确异常。
对一个实现精确异常的处理器,在异常发生时,都会有一个被异常打断的指令,称为异常受害者(Exception Victim),也可称为发生异常的指令,该指令前面的所有指令都要被执行到流水线的最后一个阶段,也就是正常执行完成,但是该指令及该指令之后的指令都要被取消,就像从来没有执行过一样。如图11-1所示。第2条指令add在执行阶段发生溢出异常,在这种情况下,已经到达访存阶段的第1条指令ori会继续执行完成,而第2,3,4条指令都会被取消,不会有任何影响处理器的情况发生,就像没有进过流水线一样。
为了实现精确异常,必须要求异常发生的顺序与指令的顺序相同,在非流水线的处理器上,这是必然的,但是对于拥有流水线的处理器,就会有些复杂。在流水线处理器上,异常会在流水线的不同阶段发生。带来潜在的问题。比如:以图11-2为例,加载指令lw会在流水线的访存阶段发生地址未对齐的异常(因为加载地址是0x3,指令lx要求加载地址的最后两位为00),该异常应该会在第4个时钟周期发生,而它的后一条指令di是无效指令(MIPS32架构没有定义该指令,所以是无效指令),会在流水线的译码阶段引发无效指令异常,也就是在第3个时钟周期,而此时上一条加载指令lw还处于执行阶段,没有进入访存阶段,所以先发生的异常就是无效指令异常。从而不满足异常发生的顺序与指令的顺序相同这一要求。
为了避免上述情况,先发生的异常并不立即处理,异常事件只是被标记,并继续运行流水线。在大多数处理器中,会射击一个特殊的流水线阶段,专门用于处理异常。如果某一条指令的异常事件到达了流水线的这个阶段,那么会进行异常处理,并且当前处于流水线其余阶段的指令的异常事件都会被忽略。还是以图11-2为例,假设处理器会在访存阶段处理异常情况,那么di指令虽然在第3个时钟周期发生了异常,但是并不处理,只是保存一个异常标记,等到第5个时钟周期该指令进入访存阶段再处理。但是,在第4个时钟周期,上一条指令lw进入了访存阶段,并且发生了地址未对齐异常,因为已经处于访存阶段了,所以会处理该异常,而包括无效指令异常在内的流水线其余阶段的异常都被忽略。
通过以上方法就可以在流水线处理器中实现“按指令执行的顺序处理异常,而不是按异常发生的顺序处理异常处理”。
11.3 异常处理过程
当检测到异常发生后,处理器会执行一系列动作以处理异常,不同处理器的处理过程也不同,OpenMIPS处理器的处理过程如下:
11.4 异常相关指令介绍
MIPS32指令集架构中定义的异常相关指令包括:自陷指令、系统调用指令syscall、异常返回指令eret,下面分别介绍。
11.4.1 自陷指令
自陷指令有12条,按照指令中是否包含立即数,可以分为两类。
-
bububaohan 立即数的自陷指令
不包含立即数的自陷指令有6条,指令格式如图所示。
-
包含立即数的自陷指令
包含立即数的自陷指令也就是6条,指令格式如图所示。
11.4.2 系统调用指令syscall
11.4.3 异常返回指令eret
11.5 异常处理实现思路
11.5.1 实现思路
11.5.2 修改数据流图
11.5.3 修改系统结构
为了实现异常处理,需要修改系统结构,添加部分接口,如图所示。
版权声明:本文为CSDN博主「小刘真的很努力」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/dieyouxiu/article/details/122755663
11.1 MIPS32架构中定义的异常类型
在MIPS32架构中,有一些事件要打断程序的正常执行流程,这些事件有中断(Interrupt)、陷阱(Trap)、系统调用(System Call)以及其他任何可以打断程序正常执行流程的情况,统称为异常。异常类型及其优先级如表所示。
OpenMIPS处理器只实现对其中6种异常情况的处理,列举如下:
- 硬件复位
- 中断(包含软中断、硬中断)
- syscall系统调用
- 无效指令
- 溢出
- 自陷指令引发的异常
异常发生后,会进入异常处理例程进行具体的异常处理,处理结束后,返回到异常发生前的状态进行执行。在上面的6中异常中,硬件复位是一种特殊的异常,特殊之处在于不用从异常处理例程返回,所以不用考虑保护现场,也不用保存返回地址,OpenMIPS对硬件复位异常的处理方法是很简单的:全部寄存器清零,从地址0x0处取指执行,这实际也就是复位的过程,所以硬件复位异常的处理过程不再论述
11.2 精确异常
当一个异常发生后,系统的顺序执行会被中断,此时有若干条指令处于流水线上的不同阶段,处理器会转移到异常处理例程,异常处理结束后返回原程序继续执行,因为不希望异常处理例程破坏原程序的正常执行,所以对于异常发生时,流水线上没有执行完的指令,必须记住它处于流水线的哪一阶段,以便异常处理结束后能恢复执行,这便是精确异常。
对一个实现精确异常的处理器,在异常发生时,都会有一个被异常打断的指令,称为异常受害者(Exception Victim),也可称为发生异常的指令,该指令前面的所有指令都要被执行到流水线的最后一个阶段,也就是正常执行完成,但是该指令及该指令之后的指令都要被取消,就像从来没有执行过一样。如图11-1所示。第2条指令add在执行阶段发生溢出异常,在这种情况下,已经到达访存阶段的第1条指令ori会继续执行完成,而第2,3,4条指令都会被取消,不会有任何影响处理器的情况发生,就像没有进过流水线一样。
为了实现精确异常,必须要求异常发生的顺序与指令的顺序相同,在非流水线的处理器上,这是必然的,但是对于拥有流水线的处理器,就会有些复杂。在流水线处理器上,异常会在流水线的不同阶段发生。带来潜在的问题。比如:以图11-2为例,加载指令lw会在流水线的访存阶段发生地址未对齐的异常(因为加载地址是0x3,指令lx要求加载地址的最后两位为00),该异常应该会在第4个时钟周期发生,而它的后一条指令di是无效指令(MIPS32架构没有定义该指令,所以是无效指令),会在流水线的译码阶段引发无效指令异常,也就是在第3个时钟周期,而此时上一条加载指令lw还处于执行阶段,没有进入访存阶段,所以先发生的异常就是无效指令异常。从而不满足异常发生的顺序与指令的顺序相同这一要求。
为了避免上述情况,先发生的异常并不立即处理,异常事件只是被标记,并继续运行流水线。在大多数处理器中,会射击一个特殊的流水线阶段,专门用于处理异常。如果某一条指令的异常事件到达了流水线的这个阶段,那么会进行异常处理,并且当前处于流水线其余阶段的指令的异常事件都会被忽略。还是以图11-2为例,假设处理器会在访存阶段处理异常情况,那么di指令虽然在第3个时钟周期发生了异常,但是并不处理,只是保存一个异常标记,等到第5个时钟周期该指令进入访存阶段再处理。但是,在第4个时钟周期,上一条指令lw进入了访存阶段,并且发生了地址未对齐异常,因为已经处于访存阶段了,所以会处理该异常,而包括无效指令异常在内的流水线其余阶段的异常都被忽略。
通过以上方法就可以在流水线处理器中实现“按指令执行的顺序处理异常,而不是按异常发生的顺序处理异常处理”。
11.3 异常处理过程
当检测到异常发生后,处理器会执行一系列动作以处理异常,不同处理器的处理过程也不同,OpenMIPS处理器的处理过程如下:
11.4 异常相关指令介绍
MIPS32指令集架构中定义的异常相关指令包括:自陷指令、系统调用指令syscall、异常返回指令eret,下面分别介绍。
11.4.1 自陷指令
自陷指令有12条,按照指令中是否包含立即数,可以分为两类。
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bububaohan 立即数的自陷指令
不包含立即数的自陷指令有6条,指令格式如图所示。
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包含立即数的自陷指令
包含立即数的自陷指令也就是6条,指令格式如图所示。
11.4.2 系统调用指令syscall
11.4.3 异常返回指令eret
11.5 异常处理实现思路
11.5.1 实现思路
11.5.2 修改数据流图
11.5.3 修改系统结构
为了实现异常处理,需要修改系统结构,添加部分接口,如图所示。
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