第十一章：异常相关指令的实现

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。

1. 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。
   

2. 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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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。

1. 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。
   

2. 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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