處理器結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)相關(guān)(MIPS為例).ppt

1、See MIPS Run 周劍 2010 7,Contents,MIPS概述,1,協(xié)處理器0,2,異常處理,4,函數(shù)調(diào)用,5,MIPS概述,五級(jí)流水（四個(gè)時(shí)鐘周期） IF取指 RD讀寄存器 ALU算術(shù)運(yùn)算 MEM訪問內(nèi)存 WB寫回寄存器,要求: 1. 指令等長（32位） 2. 內(nèi)存操作限制（load 2. 異常處理次序與指令次序一致； 3. 后續(xù)指令無效化：后續(xù)指令不影響寄存器的值和CPU；,異常處理,異常處理步驟,Mips CPU 設(shè)置EPC返回地址； 設(shè)置SR(EXL)位，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)禁止中斷； 設(shè)置Cause寄存器（地址異常設(shè)置BadVAddr寄存器）； 進(jìn)入異常入口，軟件處理； 軟件處理

2、： 用k0和 k1索引一塊內(nèi)存，保存寄存器； 查詢Cause寄存器確定異常種類； 構(gòu)建異常處理環(huán)境：提供內(nèi)存棧保存信息；(高級(jí)語言子程序) 處理異常； 從異常調(diào)用子程序返回到底層的異常處理程序；(內(nèi)核態(tài)，關(guān)中斷）； 異常返回(eret)；,異常處理,1. 全局中斷使能位：SR(IE) 2. SR(EXL)(異常級(jí))和SR(ERL)(錯(cuò)誤級(jí)) 置位，則中斷禁止 3. 中斷屏蔽位SR(IM) 4. Cause寄存器中有8個(gè)中斷位，一般5-6個(gè)為輸入引腳驅(qū)動(dòng)，剩下2個(gè)用于軟件中斷；查看Cause(IP)，判斷活躍的中斷。,中斷資源,異常處理,中斷處理過程,Cause(IP)&SR(IM)，確定活躍且

3、使能的中斷 ； 通過一個(gè)優(yōu)先級(jí)選擇一個(gè)中斷來處理； 保存SR(IM)老屏蔽位，可能在主異常處理保存了SR； 寫SR(IM)，禁止優(yōu)先級(jí)小于等于該中斷的中斷； 必要時(shí)保存中斷上下文； SR(IE)置1，并且將SR(KSU)置于核心態(tài)以便清除SR(EXL)離開異常模式； 調(diào)用中斷處理程序； 返回時(shí)禁止中斷，以便恢復(fù)被中斷任務(wù)的執(zhí)行。,異常處理,軟件中實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級(jí),1. 軟件中每個(gè)中斷源都屬于某個(gè)優(yōu)先等級(jí)（IPL）； 2. CPU運(yùn)行在最低優(yōu)先級(jí)，任何中斷允許； 3. CPU運(yùn)行在最高優(yōu)先級(jí)，任何中斷禁止； 4. 任意IPL上，分配到該級(jí)和更低優(yōu)先級(jí)的中斷被禁止，而 更高優(yōu)先級(jí)的使能，同一級(jí)的不同

4、中斷先來先服務(wù)； 5. IPL和被運(yùn)行代碼相關(guān)：任意一段代碼以固定IPL執(zhí)行； 6. 如果不在最低優(yōu)先級(jí)并且沒有更高優(yōu)先級(jí)中斷活躍時(shí)，中斷返回被中斷的代碼，如果在最低優(yōu)先級(jí)可能會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)CPU共享。,異常處理,原子性實(shí)現(xiàn),原子操作可以通過禁止所有中斷來實(shí)現(xiàn)，但禁止中斷本身（對(duì)SR的R-M-W）不保證是原子的。 有三個(gè)方法修正： 中斷處理例程返回前必須恢復(fù)被中斷代碼的SR； 用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來禁止中斷； MiPS 指令集中用load-linked和store-conditional指令來設(shè)置關(guān)鍵區(qū) (MIPS中的信號(hào)量機(jī)制） ；,異常處理,啟動(dòng)注意點(diǎn),1. CPU從非緩存區(qū)Kseg1的0

5、 xBFC00000取值； 2. SR保證三個(gè)態(tài)：CPU在內(nèi)核態(tài)、中斷禁止、SR(BEV)=1； 3. 高速緩存處于隨機(jī)無意義狀態(tài)； 4. TLB處于隨機(jī)狀態(tài)，初始化前不可訪問；,異常處理,啟動(dòng)順序,1. 跳到ROM空間：異常入口在0 xBFC00000；跳轉(zhuǎn)是簡單測(cè)試 2. 配置&CPU初始化：SR設(shè)置成有效狀態(tài)，可從非緩存空間取值； 3. 內(nèi)存初始化：在初始化部分RAM并對(duì)其進(jìn)行完整性檢查前，只能使用寄存器，可以將初始化縮小到一塊能放下ROM中的程序的內(nèi)存大?。?4. 狀態(tài)跟蹤：利用控制臺(tái)端口(診斷寄存器)報(bào)告初始化過程的一些問題； 5. 現(xiàn)在可以分配棧，設(shè)置足夠多的寄存器，以便調(diào)用C過程； 6. 初始化Cache，運(yùn)行其他初始化代碼；,函數(shù)調(diào)用,堆棧參數(shù)結(jié)構(gòu),1. 所有函數(shù)調(diào)用參數(shù)在堆棧里分配空間，但參數(shù)結(jié)構(gòu)的前四個(gè)字通過寄存器傳遞（a0-a3）； 1. SP指向棧底； 2. 至少分配16個(gè)字節(jié)的參數(shù)空間； 3. 任何半字類型參數(shù)擴(kuò)展成32位的對(duì)象傳遞，除了結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)（字節(jié)和半字緊縮成一個(gè)字存儲(chǔ)）；,函數(shù)調(diào)用,寄存器傳遞參數(shù),1. 任何位于參數(shù)結(jié)構(gòu)開頭16個(gè)字節(jié)的參數(shù)傳遞到a0a3中； 2. 除非第一個(gè)參數(shù)是浮點(diǎn)，否則不能在FP中傳遞浮點(diǎn)參數(shù)； 3. 整型或者指針型返回值放于v0($2)中，浮點(diǎn)返回到$f0中； 4. 返回?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)太大，調(diào)