Exception in MIPS

介绍

分支、跳转、异常（包括硬件中断）是三种改变控制流的事件。

同步异常是指程序执行到固定位置必定触发且每次现象一致的异常，如算术溢出异常、未定义指令异常、缺页异常等。

异步异常与当前执行程序无关，如I/O请求、内存错误、电源不稳定等。硬件中断是一种异步异常。

异常发生时，当前执行程序被中断，CPU跳转到对应的异常处理函数执行，异常处理完毕之后，继续执行被中断程序。

异常处理函数入口必须要保存被中断任务上下文，这样才能从异常返回。任务上下文包括CPU寄存器值、返回地址和栈顶指针等，通常是保存到内存中，那么就需要一个寄存器用来保存该内存段的基地址。MIPS预留了$k0和$k1两个寄存器，异常处理函数每次都会直接改写$k0和$k1寄存器值，这就意味着，正常运行的程序如果使用$k0或者$k1寄存器会导致不可预期的结果。

异常处理机制

MIPS的异常处理、MMU、Cache都是由CP0协处理器控制，CP0只能在内核态操作。

CP0寄存器使用下述指令操作：

异常处理相关CP0寄存器如下：

BadVAddr寄存器

保存异常发生时的内存地址(虚拟地址), 比如非对齐访问异常;

Cause寄存器

IP0~1表示软中断，IP2~7表示硬件中断类型，ExcCode表示异常类型，ExcCode 0表示中断。

ExcCode

Status寄存器

IM2~7为1表示使能对应中断，为0表示去使能；

IEc即当前中断模式，为1表示使能中断，为0表示禁用所有中断；

KUc即当前工作模式，为1表示User模式，为0表示Kernel模式；

IEp和KUp表示异常发生前的中断模式和工作模式；

IEo和KUo表示再之前的状态；

上述三组状态依次覆盖。

EPC寄存器

使用jal跳转指令时，发生了两件事情：

1）跳转到jal指定的地址执行

2）返回地址保存到$ra寄存器

但是当异常发生时，CPU跳转到一个固定的地址执行，即异常向量表。此时，返回地址不能保存在$ra寄存器中，因为它会覆盖$ra寄存器值，因此MIPS将异常返回地址保存在EPC寄存器中。

从异常返回

无延迟槽时

mfc0 $k0, $14 # get EPC in $k0

rfe # return from exception

jr $k0 # replace PC with the return address

有延迟槽时

mfc0 $k0, $14 # get EPC in $k0

addiu $k0, 4 # make sure it points to next instruction

rfe # return from exception

jr $k0 # replace PC with the return address

异常处理函数

当异常发生时，CPU会进入Kernel模式，同时禁用所有中断（CPU硬件实现，软件不可控）。

禁用中断的原因是异常处理函数首先需要保存处理器状态，随后才能处理中断。具体为：

1）确定异常类型，并保存相关信息（如EPC、Cause、Status寄存器值）

2）保存异常上下文，即所有CPU寄存器值

禁用中断并不代表不处理中断，只是延迟处理。当异常处理函数中使能中断，或者异常处理函数返回时，CPU会马上处理被Pending的中断（长时间Pending会丢失中断），跳转到中断处理函数处理。

如果异常处理函数可以在很短时间内执行完毕，那么，不需要在异常处理函数中使能中断，异常返回时CPU会使能中断。这也意味着，异常处理函数中不需要保存异常上下文，如EPC、Cause、Status寄存器值，但是仍然需要保存除$k0和$k1以外的通用寄存器值。

异常嵌套

异常处理函数执行时，中断被禁用，但是不代表CPU不会被trap。当异常处理函数本身出现异常时，仍然会触发异常。

参考文献

Exception in MIPS