sparc v8架構的異常處理

1.前言

2.異常簡介

3.異常的使用場合

4.sparc v8異常處理流程

5.總結

1.前言

對于研究芯片處理器架構，是件非常有意思的事情。剛開始的接觸時候也是一頭霧水，不知所云，看著厚厚的架構手冊，不知道從哪里下手。比如《ARMv8-A Architecture reference manual》一共是6666頁純英文文檔，如果沒真正看過，估計一上來就開始打退堂鼓了。后面接觸的芯片的體系架構多了，自然也明白很多東西其實是有一些共性的，雖然架構不同，但是指令集、流水線以及系統(tǒng)運行的模式也能猜測7到8分準確。本文主要介紹一下sparc v8體系架構下的異常處理，同時簡單的對比一下armv8體系架構的異常。

2.異常簡介

Exception，中文翻譯一般是異常，龍芯的手冊上翻譯為例外。就是系統(tǒng)在運行的過程中發(fā)生了異常事件，比如除0溢出、數(shù)組越界、文件找不到等。這種錯誤一般都是可以預測到的，所以芯片設計的時候，也會預留一些陷阱，當在特定的情況下，進入這個陷阱，說明發(fā)生了特定的事情。當然在語言處理層面，也會引入異常的這個概念，也就是比如java中，遇到異?？梢詔hrow拋棄也能夠catch捕獲異常。對于芯片架構來說，這種處理過程更加有意思。

在armv8中，會指定一個異常向量表，將這個異常向量表的首地址交給一個寄存器，當異常發(fā)生的時候,則會跳轉到相應偏移的處理程序中。

system_vectors: .align11 .setVBAR,system_vectors .orgVBAR //ExceptionfromCurrentEL(EL1)withSP_EL0(SPSEL=1) .org(VBAR+0x00+0) Bvector_error//Synchronous .org(VBAR+0x80+0) Bvector_irq//IRQ/vIRQ .org(VBAR+0x100+0) Bvector_fiq//FIQ/vFIQ .org(VBAR+0x180+0) Bvector_error//Error/vError //ExceptionfromCurrentEL(EL1)withSP_ELn .org(VBAR+0x200+0) Bvector_error//Synchronous .org(VBAR+0x280+0) Bvector_irq//IRQ/vIRQ .org(VBAR+0x300+0) Bvector_fiq//FIQ/vFIQ .org(VBAR+0x380+0) Bvector_error //ExceptionfromlowerEL,aarch64 .org(VBAR+0x400+0) Bvector_error .org(VBAR+0x480+0) Bvector_error .org(VBAR+0x500+0) Bvector_error .org(VBAR+0x580+0) Bvector_error //ExceptionfromlowerEL,aarch32 .org(VBAR+0x600+0) Bvector_error .org(VBAR+0x680+0) Bvector_error .org(VBAR+0x700+0) Bvector_error .org(VBAR+0x780+0) Bvector_error .org(VBAR+0x800+0) Bvector_error

在armv8架構中，處理器所處的模式一共有四種，EL0EL1EL2EL3。同一時刻只能處于一種ELx，所以在每個EL層級，異常的處理都會有Synchronous、IRQ、FIQ、Error四種。這也是armv8的特殊之處。

而對于sparc v8架構而言，處理器的模式只有兩種，supervisor 和 user mode。只需要設置寄存器即可。相比較而言sparc v8的異常更好理解。就是系統(tǒng)在user模式下權限比較低，可以做不破壞系統(tǒng)狀態(tài)的事情，比如不能改變系統(tǒng)運行狀態(tài)，不能修改寄存器值，不能修改PC指針等等。但是在supervisor下就能夠做這些事情。

所以這時候問題就來了，兩種模式如何切換，這時就需要借助Exception。一般來說，sparc v8的啟動入口就是異常向量的入口，所以第一次進來的就是reset異常。當系統(tǒng)處于異常處理程序的時候，這時候的模式為supervisor，可以做很多事情，比如修改pc指針，修改處理器模式等等。最后退出異常處理，進入用戶模式進行處理。

在sparc中，預留了一些可以配置的軟件中斷，使用ta n來觸發(fā)系統(tǒng)進入特定的陷阱，其中n表示軟件中斷標號，這些都是設計者為芯片使用者留下的工具。

3.異常的使用場合

說起異常，很多人都覺得這是一個致命的錯誤，所以避而遠之。其實不然，異常使用得當，將會大大提高系統(tǒng)的運行效率。比如在rtos porting的過程中，我們常常需要改變處理器的運行狀態(tài)，或者利用異常進入到特定的處理函數(shù)中，例如system call等等。

異常也提供了安全機制，比如在芯片使用上，我們往往不會賦予我們的執(zhí)行程序在芯片的最高權限下去使用這個芯片。比如armv8，我們不會去el3上運行一個系統(tǒng)，這樣一不小心就會出現(xiàn)不可逆轉的錯誤。一般的rtos或者linux都會選擇el1作為系統(tǒng)運行的層級。需要在el3上做的事情比較少，這時候就可以通過異常轉換層級，達到我們的目的。在sparc v8上也是這樣，一般程序運行在user mode，只有需要的時候，才會切換到supervisor mode。

另外就是系統(tǒng)進入中斷的時候，本質上來說，中斷其實就是異常的一種，因為異常分為同步和異步，其中異步異常就是中斷。在中斷里做的事情一般都是比較緊急的事情。

當系統(tǒng)進入trap的時候，就是出現(xiàn)了同步異常的時候，這時候需要告知使用者，當前出現(xiàn)了除零錯誤地址訪問異常等等。這些都是trap必須設置的，如果芯片沒有這些保護機制，任程序繼續(xù)執(zhí)行下去，那將會造成不可預知的后果。

4.sparc v8異常處理流程

在sparc異常的處理中，默認情況下會在程序執(zhí)行的入口處設定異常向量表。然后首先通過一個reset的異常進入第一行啟動代碼。系統(tǒng)運行起來后，會初始化狀態(tài)寄存器，初始化C語言執(zhí)行需要的環(huán)境，比如清除bss段、設置sp棧指針等等。

然后程序進入C語言執(zhí)行，其中匯編語言中的ret1會主動將pc值填充，然后跳轉。系統(tǒng)運行時，若遇到中斷需要處理，則進入中斷處理程序。如果系統(tǒng)在user mode下運行，需要修改pc值，那么只能通過trap指令進行，其中sparc v8的ta指令就是進入同步異常，然后去處理supervisor模式才能做的事情。

對于一個rtos來說，線程壓棧的時候，會把當前的pc、和一些狀態(tài)寄存器、通用寄存器的值讀出來，保存在當前的線程棧中，也就是一塊內存中，接著會將另外的一個線程棧的內容從內存中取出來，然后設置pc值、狀態(tài)寄存器值、以及通用寄存器值等等，這時在sparc v8上就需要執(zhí)行ta 3指令了，其中ta n中的n是自己設定的，需要自己實現(xiàn)相關的處理函數(shù)，這里只是預留了一個陷阱，至于陷阱怎么處理，那是需要自己來設定的。

5.總結

本文主要介紹了一下異常這部分的處理邏輯，只有在研究芯片體系架構的時候，才會需要非常深刻的了解這一塊。使用好異常，將會讓程序設計變得更加的合理，也能夠非常清晰的了解操作系統(tǒng)的底層運行邏輯。

原文標題：sparc v8架構的異常處理

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