嵌入式32位CPU系統(tǒng)控制協(xié)處理器異常處理及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　IPS體系結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)控制協(xié)處理器簡(jiǎn)稱CP0，它提供指令正常執(zhí)行所需的環(huán)境，進(jìn)行異常/中斷處理、高速緩存填充、虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換、操作模式轉(zhuǎn)換等操作。單從硬件的角度而言，系統(tǒng)控制協(xié)處理器對(duì)指令集的作用就相當(dāng)于操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序的作用一樣。

　　異常處理

　　CPU運(yùn)行過(guò)程中常常需要中斷正常執(zhí)行的指令流程，跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行某段特殊的指令段，接著再恢復(fù)原來(lái)的指令序列。MIPS體系結(jié)構(gòu)中稱這樣的過(guò)程為異常（Exception）。所有的異常都采用統(tǒng)一的機(jī)制處理。

　　對(duì)于異常情況，需要采取以下3方面的措施：

　　1） 異常檢測(cè)：CPU需要及時(shí)檢測(cè)出哪個(gè)部件發(fā)生了什么異常；一般而言，異常檢測(cè)由各個(gè)模塊進(jìn)行，如加法溢出由加法器在運(yùn)算過(guò)程中產(chǎn)生，并在相應(yīng)的流水段被系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP0讀入。因此這部分功能不屬于CP0的設(shè)計(jì)范圍。

　　2） 異常處理：CPU按照優(yōu)先級(jí)選擇哪個(gè)異常被處理，并進(jìn)行必要的上下文切換（Context Switch），為進(jìn)入異常服務(wù)子程序做準(zhǔn)備，保證與該種異常對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序被執(zhí)行，并且能夠從中斷處完全恢復(fù)原來(lái)的指令執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)。

　　3） 異常服務(wù)：執(zhí)行異常服務(wù)子程序，這部

　　分主要由軟件（操作系統(tǒng)）來(lái)完成。

　　對(duì)異常處理機(jī)制的要求

　　與傳統(tǒng)的異常/中斷處理機(jī)制相比，在MIPS 4Kc體系結(jié)構(gòu)下的異常處理需要特別考慮3個(gè)因素。

　　流水線的劃分

　　本設(shè)計(jì)采用五段流水線設(shè)計(jì)，即每條指令的執(zhí)行一般都經(jīng)過(guò)IF（取指）、DE（指令譯碼）、EX（指令執(zhí)行）、MEM（訪問(wèn)存儲(chǔ)器）和WB（數(shù)據(jù)寫回R.F.）五個(gè)步驟。因?yàn)橹噶顒?dòng)作被分割，所以異常源也被分割到各個(gè)流水線段。例如：加法溢出異常只能在EX被檢測(cè)到。

　　精確異常處理機(jī)制

　　精確異常處理是指在發(fā)生異常時(shí)，僅僅對(duì)發(fā)生異常的指令或其后面的指令進(jìn)行異常處理；而其前面的指令要保證能夠正常結(jié)束。所謂“精確”，是指受到異常處理影響的只有產(chǎn)生異常條件的那條指令，所有在此之前的指令在異常被處理前都將被執(zhí)行完成。異常處理結(jié)束后仍將從發(fā)生異常的指令開始繼續(xù)執(zhí)行。

　　操作模式切換

　　對(duì)于多進(jìn)程操作系統(tǒng)，至少要區(qū)分兩種進(jìn)程：有特權(quán)的操作系統(tǒng)“核心”進(jìn)程和一般程序的“用戶”進(jìn)程。當(dāng)CPU檢測(cè)到異常發(fā)生時(shí)，指令執(zhí)行的正常順序會(huì)被暫停，處理器進(jìn)入核心模式。當(dāng)異常服務(wù)子程序執(zhí)行完后，CPU從斷點(diǎn)中恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行原指令序列。

　　異常處理流水線

　　根據(jù)上述分析可以確定，硬件異常處理流水線的主要任務(wù)有3個(gè)：更新相應(yīng)的CP0寄存器，即寫CP0寄存器；保存發(fā)生異常的指令地址，或當(dāng)異常指令在延遲槽時(shí)，保存引起延遲槽的跳轉(zhuǎn)指令地址；選擇異常服務(wù)子程序的入口地址。