riscv中的异常简介

处理器在执行的过程中,除了分支类型的指令之外,很多其他的情况也可以打断程序的执行，这些情况统称为异常(exception)；

不同的指令集体系中，异常包括的内容也不尽相同，可以概括地将异常分为下面几种。

• 处理器的外部事件引起的异常，这种类型的异常其实更多时候被称做中断(interrupt)
  • 因为发生在处理器的外部,中断本质上和处理器中执行的指令没有必然的关系，处理器在执行的任何阶段都有可能接收到中断，因此也称做是异步的异常；
• VA->PA转换的异常；
  • TLB miss;
  • page fault;
  • 访问了一个受保护的page;
• 指令自身引起的错误，例如:
  • 未定义的指令、用户态下的非法指令、整数运算时的溢出、访问存储器的地址未对齐等。
  • 很多处理器还支持数据的完整性检查，例如处理器对L2Cache送来的数据进行奇偶校验或ECC校验,如果发现校验失败,也会产生异常;
• 指令自身产生的异常；
  • 例如MIPS指令集中的SYSCALL和Trap两种指令,执行这些指令就会产生异常，其中：
    • SYSCALL 指令是无条件产生异常；
    • 而 Trap 指令则是有条件地产生异常
    • 普通的程序可以通过这种类型的指令来调用操作系统的某些任务,一个处理器要支持操作系统,这种类型的指令是必须有的。

异常处理流程

????????对于一个特定的处理器来说，所有类型异常的处理过程是一样的，从处理器外部看起来，产生异常的指令之前的所有指令都已经完成了，而这条产生异常的指令及其之后的所有指令都不允许完成。

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• 什么时候处理异常？
  • 遵循PO的顺序，需要再流水线最后一个阶段再对异常进行统一的处理；也就是，当ROB中，将要commit的指令，发现有excption时，才进行处理；
  • 发生异常的指令，及其以后的所有指令，都不能完成，因此，需要将异常之后的所有指令，都kill掉；
• 处理器会跳转到对应的异常处理程序(exception handler)的入口地址,开始执行这个异常处理程序。
  • 保存PC值（或者下一条PC值，根据异常类型来决定），对于RISC处理器，放到EPC中来存储；
  • 将通用寄存器的值保存到堆栈（memory）中，因为异常处理过程，可能会修改这些寄存器的值；
    • 对于RISC处理器，访问memory只能用load/store指令；因此，存储通用寄存器的值，需要使用store指令；
    • 而堆栈的指针，则使用通用寄存器来模拟，MIPS中使用R29来作为堆栈指针；
    • 例如，将通用寄存器R20的内容，写到memory中：SW R20,0[R29]， 实际上R29只是一个普通的寄存器，和其他寄存器没区别，只是一种约定俗称的做法，需要使用软件来管理堆栈指针的增减；
• 当其执行完成后,会返回到刚才发生异常的地方,重新开始将这条指令取到流水线中,就好像这个异常没有发生过一样,这种方式也称做精确的异常(precise exception)，因为总能够找到哪条指令发生了异常。
• 对于大部分类型的异常来说，从其对应的异常处理程序返回的时候，都需要重新执行这条产生异常的指令；有些类型的异常不能这样做，典型的例子就是 SYSCALL/Trap 指令产生的异常，如果重新执行，会死锁；