异常和中断
思维导图¶
异常和中断的概念¶
异常：¶
异常来自于 cpu 内部的正在执行的指令本身
中断：¶
中断来自于 cpu 外部的硬件触发
统称为“中断”：¶
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内中断(内部异常) CPU 自己产生而不通过中断请求线请求，皆为不可屏蔽中断
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外中断(外部中断) 通过中断请求线 INTR 和 NMI 来实现
内部“异常”：CPU 内发生的意外事件或特殊事件¶
按发生原因分为硬故障中断和程序性中断两类¶
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硬故障中断：如电源掉电、硬件线路故障等
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程序性中断：执行某条指令时发生的“异常(Exception)”，如
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溢出
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缺页
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越界
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越权
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非法指令
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除数为 0
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断点
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单步跟踪
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系统调用
按处理方式分 故障(fault)、自陷(Trap)和终止(Abort)三类¶
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故障：执行指令引起的异常事件，如 溢出 /缺页 /访问超时 属于程序性中断
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自陷：预先安排的事件，如 单步跟踪、系统调用等(自愿中断) 属于程序性中断
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终止：硬故障事件，机器将终止，调出中断程序重启操作系统 属于硬故障中断
外部“中断”：¶
INTR(Interrupt Require)：¶
可屏蔽中断 (外设中断源引起的中断) CPU 可以响应、也可以不响应 响应与否受两个控制：
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本身的屏蔽位
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CPU 标志寄存器中的中断允许位(IF)
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置 IF=1：指令 STI——开中断
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清 IF=0：指令 CLI——关中断
NMI(Nonmaskable Interrupt)：¶
不可屏蔽中断 (重要或紧急的硬件故障)，属于类型 2 中断 CPU 必须无条件响应 如电源掉电、存储器读写出错、总线奇偶位出错等
处理器中的异常处理机制¶
关中断：¶
使处理器处于“禁止中断”状态，以防止新异常(或中断)破坏断点和现场
保护断点和程序状态：¶
将断点和程序状态保存到堆栈或特殊寄存器中
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PC→ 堆栈 或 EPC(专门存放断点的寄存器)
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PSWR → 堆栈 或 EPSWR (专门保存程序状态的寄存器)
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PSW—Program Status Word：程序状态字，包括条件码、中断码、状态位等
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PSWR(PSW 寄存器)：用于存放程序状态字寄存器。如 X86 的 FLAGS
识别异常事件：软件识别和硬件识别¶
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软件识别(非向量中断、MIPS 采用) 设置一个异常状态寄存器(如 MIPS 中为 Cause 寄存器)，用于记录异常原因。操作系统用一个异常处理程序，按优先级顺序查询异常状态寄存器，识别出异常事件，转入相应的中断服务程序执行
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数据通路中需增加两个寄存器
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EPC：32 位，用于存放断点(异常处理后返回到的指令的地址)
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写入 EPC 的断点可能是正在执行的指令( 故障 时)：把 PC 的值减 4 后送到 EPC
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写入 EPC 的断点可能是下条指令( 自陷 和 中断 时)：直接送 PC 到 EPC
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Cause：32 位，记录异常原因
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处理的异常类型：例如未定义指令(Cause=10)、算术溢出(Cause=12)
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需要加入两个寄存器的“写使能”控制信号
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EPCWr：在保存断点时该信号有效，使断点 PC 写入 EPC
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CauseWr：在处理器发现异常(如非法指令等)时，该信号有效，使异常类型被写到 Cause 寄存器
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需要一个控制信号 IntCause：选择正确的值写入到 Cause 中
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需要将异常查询程序的入口地址(MIPS 为 0x8000 0180)写入 PC：在原来 PCSource 控制的多路复用器中再增加一路，其输入为 0x8000 0180
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硬件识别(向量中断、80x86 采用) 用专门的硬件查询电路按优先级顺序识别异常，得到“中断类型号”，到中断向量表中读取对应的中断服务程序的入口地址
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中断向量表（中断入口地址表），位于 0000H ～ 03FFH
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含 256 个中断向量,每一项就是对应的中断服务程序的入口地址，每个向量长度为四个字节( CS:IP) 256 = 41616/4
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中断向量地址=中断类型号 ×4
- 若已知一个中断类型码，需要通过两次地址转换：
- 中断类型码到中断向量表地址
- 中断向量表地址到中断处理程序地址
流水线方式下的异常和中断处理¶
异常和中断都会改变程序的执行顺序¶
某条指令发现异常时，后面多条指令已被取到流水线中执行¶
处理时需要首先清除当前指令以及后面的所有已在流水线中的指令
如果是内部异常，n 级流水线中同时有 n 条指令，哪一条发生异常？¶
根据异常发生的流水段可确定是哪条指令，因为各类异常发生的流水段不同
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“溢出”在 EX 段检出
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“无效指令”在 ID 段检出
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“除数为 0”在 ID 段检出
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“无效指令地址”在 IF 段检出
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“无效数据地址”在 Load/Store 指令的 EX 段检出
如果是外部中断，外部中断与特定指令无关，如何确定处理点？¶
- 可在 IF 段或 WB 段中进行中断查询，需要保证当前 WB 段的指令能正确完成，并在有中断发生时，确保下个时钟开始执行中断服务程序
检测到异常时，指令已经取出多条，当前 PC 的值已不是断点，怎么办？¶
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指令地址存放在流水段寄存器中，把这个地址送到 EPC 保存，以实现精确中断
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精确中断(precise interrupt)或精确异常(precise exception)
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对于发生中断或者异常的单条指令，中断被称为“精确”当且仅当满足： 所有该指令之前的指令都已经提交其状态； 所有后继指令(包括中断的指令)没有改变任何机器的状态
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在流水线计算机中，异常或中断与其产生的指令始终能精确地关联起来