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1 Esercitazione 8 Eccezioni & Interruzioni in MIPS 32 Claudia Raibulet raibulet@disco.unimib.it

2 Eccezioni Le eccezioni = variazioni delle condizioni normali di funzionamento della CPU Conseguenze delle eccezioni => cambiamento del normale flusso di esecuzione di un programma La CPU solleva una eccezione e quindi cambia il flusso di esecuzione a seguito di: errore del programma (non voluto dal programmatore) richiesta del programma (voluta dal programmatore) evento esterno (indipendente dal programma in esecuzione) In tutti i casi, il flusso di esecuzione passa ad una locazione prefissata, dove si trova il gestore delle eccezioni (exception handler)

3 Tre categorie: Tipi di eccezioni sincrone involontarie (impreviste, causate da elaborazioni con valori non-ammissibili o indirizzi di memoria non accessibili o fuori range) o accessi scorretti a locazioni di memoria (non allineati o fuori dallo spazio del processo) o overflow aritmetico sincrone volontarie (previste e richieste dal programmatore) o syscall, break asincrone (indipendenti dall esecuzione del programma in corso) o provocate dalle periferiche di I/O

4 Gestione delle eccezioni in MIPS Il processore risponde ad una eccezione salvando l indirizzo dell istruzione che ha causato l eccezione, ed eseguendo una procedura detta gestore delle eccezioni (in PCSPIM Exceptions.s) collocata nello spazio kernel text a partire dalla locazione 0x Il compito dell Exceptions.s p è di: salvare lo stato corrente dei registri (Salvataggio) svolgere le operazioni necessarie ad affrontare e risolvere l eccezione (Trattamento) ripristinare lo stato della macchina al momento dell eccezione (Ripristino)

5 Tipi di registri Per determinare la causa dell eccezione l Exception.s osserva i registri del co-processore 0 relativi alla gestione delle eccezioni: Registro Numero Significato BadVAddr 8 Indirizzo di memoria il cui riferimento ha provocato l eccezione Status 12 Maschera delle interruzioni e bit di abilitazione Cause 13 Tipo di eccezione e interrupt in attesa di servizio EPC 14 Indirizzo dell istruzione che ha causato l eccezione Si usano le istruzioni mtc0 move to c0 mfc0 move from c0 per accedere ai valori di tali registri

6 Schema del processore MIPS Memory CPU Coprocessor 1 (FPU) Registers $0 Registers $0 $31 $31 Arithmetic unit Multiply divide Lo Hi Arithmetic unit Coprocessor 0 (traps and memory) Registers BadVAddr Status Cause EPC

7 Registro Cause 8 bit per interrupt pendenti 5 bit per il codice dell eccezione Branch dl delay interrupt pendenti codice eccezione

8 Tabella delle eccezioni Numero Nome Descrizione 0 INT Interrupt esterno (periferica) 4 AdEL Load da indirizzo di memoria non allineato 5 AdES Store ad indirizzo di memoria non allineato 6 IBE Bus errore durante l istruzione fetch 7 DBE Bus error durante load o store 8 Sys Invocazione syscall 9 Bp Eccezione causata da breakpoint 10 RI Eccezione causata dall istruzione riservata 11 CpU Co-processore non utilizzabile 12 Ov Overflow aritmetico 15 FPE Eccezione causata da floating gpoint

9 Esempio overflow aritmetico.text main: # Genera un overflow aritmetico addizionando "con segno" due numeri # positivi la cui somma NON e' rappresentabile in complemento a 2 li $t0, 0x7fffffff # massimo positivo in complemento a 2 li $t1, 2 # aggiungo abbastanza per superare il massimo positivo add $a0, $t0, $t1 # cosa succede dopo aver eseguito questa istruzione? li $v0, 1 # stampa il risultato dell'operazione aritmetica syscall jr $ra #fine

10 Esempio Overflow Aritmetico Il contenuto dei registri quanto si solleva l eccezione: PC = EPC = Cause = BadVAddr= Status = 3000ff12 HI = LO = Il messaggio scritto nel Messagge Window: [0x c] 0x ori $9, $0, 2 ; 13: li $t1, 2 # aggiungo abbastanza per superare il massimo positivo [0x ] ] 0x add $4, $8, $9 ; 14: add $a0, $t0, $t1 # cosa succede dopo aver eseguito questa istruzione? Exception occurred at PC=0x Arithmetic overflow

11 Osservazioni Si noti che quando avviene l eccezione: appare un messaggio sulla Messagge Window Exception occured... ; tale stampa è effetuata internamente dal simulatore e NON dal Exceptions.s che non ha ancora iniziato l esecuzione PC assume il valore 0x , l indirizzo i iniziale i i dell Exceptions.s EPC assume il valore 0x , l indirizzo della istruzione che ha provocato l eccezione Il registro Cause assume il valore 0x

12 EPC Registri EPC e BadVAddr Dopo che è avvenuta una eccezione il registro EPC contiene l indirizzo dell istruzione in corso di esecuzione (PC) quando è avvenuta l eccezione BadVAddr Se avviene una eccezione a seguito di un accesso illegale alla memoria, questo registro contiene l indirizzo della locazione alla quale il programma ha tentato di accedere

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14 Esercizio 1 Si consideri il seguente esercizio: dato: main:.data.word 42.text la $t0, dato lw $t1, 0($t0) lw $t2, 3($t0) jr $ra # indirizzo in data segment # lettura da locazione # lettura da locazione nop # fine Considerando che il programma è memorizzato partendo dall indirizzo 0x e i dati dall indirizzo 0x si chiede: Quale istruzione genera l eccezione? Cosa indica il registro Cause? Quali valori assumono i registri EPC e BadVAddr?

15 Registro Status Interrupt enable: 1 interruzioni sono abilitate 0 interruzioni non sono abilitate Exception level: 1 settato a 1 dopo che una eccezione è sollevata 0 il valore di default User mode: 1 se il processore è in user mode (come sempre in SPIM) 0 se il processore è in kernel mode Interrupt mask esprime gli interrupt abilitati it interruptt mask user mode interrupt enable exception level

16 Break Interrompe con una eccezione l esecuzione di un programma e avvia l esecuzione dell Exceptions.ss Utilizzata principalmente dai debugger che assistono it il programmatore nella correzione dei di programmi permettendone l arresto in punti arbitrari, l ispezione ione delle variabili e della memoria, la eventuale modifica del codice, e la prosecuzione dell esecuzione break code # causa l eccezione code (1 riservata al debugger) 0 0xD 6 bit code su 20 bit 6 bit

17 Esempio - Break main:.text break 5 # genera break (parametro 5) jr $ra # fine Il contenuto dei registri quanto si solleva l eccezione: PC = EPC = Cause = BadVAddr= Status = 3000ff12 HI = LO = Il messaggio scritto nel Messagge Window: [0x ] 0x d break $5 ; 8: break 5 # genera break (parametro 5) Exception occurred at PC=0x

18 Osservazioni - Break La descrizione di break fa erroneamente intendere che genera una eccezione arbitraria, specificata dal parametro In realtà, sia su un vero sistema che sul simulatore, l eccezione generata è sempre la stessa: con Exception Code 9 La codifica dell istruzione non è conforme alla specifica: considera solo i primi 5 bit del parametro e li colloca a partire dal bit 11 su 5 bit (quindi 16-11) 11)

19 Exceptions.s Contiene il codice che gestisce le eccezioni Si trova alla locazione fissa 0x in area ktext riservata al sistema operativo Dal momento che viene eseguito dopo l interruzione di un programma utente in un punto qualsiasi, è tenuto a preservare TUTTI i registri macchina Ad esso sono riservati due registri $k0, $k1 che può utilizzare senza doverne preservare i contenuti Al termine del trattamento dell eccezione Exceptions.s ritorna al programma interrotto o termina il programma

20 Exceptions.s s MIPS e quindi anche PCSPIM rileva e tratta le eccezioni i PRIMA dell esecuzione della istruzione i corrente: se l eccezione corrente era una interruzione, l esecuzione del programma deve riprendere dall istruzione corrente (salvata nel registro EPC) se si tratta di un altro tipo di eccezione ed è possibile proseguire (se non è avvenuto un errore irreparabile o si tratta di un break), l esecuzione deve riprendere dall istruzione successiva (EPC+4)

21 .kdata save0: word 0 save1: word 0 Esempio Exceptions.s.ktext 0x move $k1, $at sw $v0, save0 sw $a0, save1 # kernel text segment # used in pseudo-instructions #i in the handler code Salvataggio: salva lo stato corrente di dei registri i

22 Esempio Exceptions.s mfc0 $k0, $13 # moves coprocessor 0 s # register 13 (Cause register) # into CPU register $k0 Come si puo sapere se si tratta di una eccezione o di una interruzione?

23 Esempio Exceptions.s # Riconosce e distingue tra le eccezioni e gli interrupt andi $a0, $k0, 0x007c # Excp mask: 0x007c 007 = bgtz $a0, Excp_ret # salta se e' una eccezione (XXXX XXXX X000 00XX) # Stampa Interrupt rilevato li $v0, 4 la $a0, m3_ syscall # print " Interrupt # Gestione dell'interrupt da XXXX non trattata in questo esempio # Gestione dell Interrupt da XXXX non trattata in questo esempio IntXXXX:... EndIntXXXX:

24 Esempio Exceptions.s Come si finisce di trattare una interruzione?

25 Esempio Exceptions.s # Rientro dalla gestione degli interrupt # Si resetta il Cause register mtc0 $0, $13 # Ripristino registri salvati lw $v0, save0 lw $a0, save1 move $at, $k1 # Si preleva l'indirizzo di ritorno # e salta all'indirizzo di ritorno eret # Return from exception handler

26 Esempio Exceptions.s # Gestione delle eccezioni Excp_ret: # Stampa le info sulla eccezione li $v0, 4 la $a0, m1_ syscall # print " Exception " li $v0, 1 srl $a0, $k0, 2 # shift right logical - estrae il Codice eccezione andi $a0, $a0, 0x1f syscall # print Codice eccezione li $v0, 4 lw $a0, excp($k0) syscall srl $k0, $k0, 2 # print stringa def eccezione # estrae il Codice eccezione perche # era in $a0 che e stato sovracritto

27 Esempio Exceptions.s Excp_Break: bne $k0, 0x9, End_Excp_Break # non è break li $v0, 4 # syscall 4 (print_str) la $a0, _brk_msg # eccezione break! syscall j End_Excp_Hnd End_Excp_Break: # Fine gestione break

28 Esempio Exceptions.s # Gestione dell'eccezione "Bad address" Excp_Bad_addr: # Salta se non e' l'eccezione Load from Bad address" bne $k0, 0x4, End_Excp_Bad_addr mfc0 $a0, $8 # carica BadVAddr andi $a0, $a0, 0x3 # E allineato alla word? # Uno dei 2 bit è a 1? beq $a0, $0, End_Excp_Hnd li $v0, 10 # Exit nel caso di "Bad address" syscall #10 codice di EXIT j End_Excp_Hnd Excp End_Excp_Bad_addr: Excp addr: # Fine gestione "Bad address"

29 Esempio Exceptions.s End_Excp_Hnd: mtc0 $0, $13 lw $v0, save0 lw $a0, save1 move $at, $k1 # Epilogo del gestore delle Eccezioni # Si resetta il Cause register # Si ripristina i registri salvati # Si preleva l'indirizzo di ritorno e salta all'indirizzo di ritorno mfc0 $k0, $14 # carica EPC in $k0 addi $k0, $k0, 4 # Ritorna alla istruzione successiva mtc0 $k0, $14 eret # Return from exception handler

30 Istruzioni di accesso ai registri del co-processore 0 mfc0 move from coprocessor 0 mtc0 move to coprocessor 0 eret return from Exceptions.s s Osservazione eret ritorna alla istruzione specificata in EPC Eccezioni: si deve incrementare e e EPC di 4 e salvare il nuovo valore in EPC nel coprocessore Interruzioni: non si deve eseguire nessuna modifica

31 Esercizio 2 Si chiede di modificare il codice dell Exceptions.s in modo tale da stampare a console il parametro dell istruzione break

32 Bibliografia Appendice A Sezione A.7