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1 Esercitazione 4 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

13 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?

14 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 PC SPIM) 0 se il processore è in kernel mode Interrupt mask esprime gli interrupt abilitati it interruptt mask user mode interrupt enable exception level

15 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

16 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

17 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)

18 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

19 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)

20 .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

21 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?

22 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:

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

24 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

25 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

26 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

27 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"

28 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

29 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

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

31 Bibliografia Appendice A Sezione A.7

32 Interruzioni in PCSPIM Input/Output

33 Interrupt Sono tipicamente causati da dispositivi hardware esterni, e collegati al processore attraverso delle linee di controllo di bus, come ad esempio le periferiche I/0 Quando le periferiche i sono pronte ad effettuare operazioni impostano una linea di interruzione collegata alla CPU Quando viene attivata una linea di interruzione, se il sistema ha abilitato le interruzioni i i della CPU, il normale flusso di esecuzione viene interrotto, e la CPU passa a gestire l interrupt

34 Interrupt abilitati All interno dell interrupt mask (del Status Register) ciascun bit corrisponde all abilitazioneabilitazione di una differente linea di interruzione collegata ad una o piu periferiche Se il bit è impostato a 1 il corrispondente interrupt è abilitato e la periferica può generare una eccezione Se il bit è impostato a 0 il corrispondente interrupt NON è abilitato e anche se la linea di interruzione è attivata dalla periferica, la CPU non genera l eccezione Quando viene sollevata una eccezione a seguito di un interruzione abilitata, nel registro Cause viene impostato a 1 il bit corrispondente all interruzione

35 Interrupt t abilitati ti Registro Cause Registro Status Interruzione interrupt pendenti codice eccezione it interruptt mask user mode interrupt enable exception level

36 Input/Output p PCSPIM simula un terminale/console (una periferica di I/O) che permette di visualizzare caratteri sul video e leggere caratteri dalla tastiera Il terminale è composto da due dispositivi distinti e indipendenti: Transmitter: visualizza caratteri ASCII sulla Console Receiver: accetta caratteri ASCII dalla tastiera Osservazione: essendo indipendenti, un tasto premuto sulla tastiera non viene automaticamente mostrato sulla console; un programma deve esplicitamente fare l eco di un carattere letto dal Receiver inviandolo al Transmitter

37 Input/Output p In PCSPIM i dispositivi Receiver e Transmitter sono controllati tramite 4 registri i cui contenuti appaiano a specifici indirizzi di memoria: Receiver Control 0xFFFF0000 Receiver Data 0xFFFF0004 Transmitter Control 0xFFFF0008 Transmitter Data 0xFFFF000c Per utilizzare i dispositivi di I/O memory-mapped è necessario abilitare l opzione relativa nel Settings di PCSPIM

38 Il Receiver: Receiver Control Receiver Control Ready: 1 carattere ricevuto dal Receiver 0 nessun carattere ricevuto dal Receiver 1 0 It Interrupt tenable: 1 Interrupt Receiver Abilitati 0 Interrupt Receiver Disabilitati Il bit di Ready è in sola lettura (le scritture vengono ignorate) Il bit di Ready passa da 0 a 1 quando un carattere è arrivato dalla tastiera, ma non è stato ancora prelevato dal Receiver Data

39 Il Receiver: Receiver Data Receiver Data 7 0 Codice ASCII del tasto premuto Il codice ASCII del tasto premuto è valido soltanto se p Ready = 1 (nel Receiver Control)

40 Il Transmitter: Transmitter Control o Ready: 1 Transmitter pronto ad inviare il prossimo carattere 0 Transmitter occupato a scrivere il precedente carattere Trasmitter Control 1 0 Interrupt Enable: 1 Interrupt Transmitter Abilitati 0 Interrupt Transmitter Disabilitati Il bit di Ready è in sola lettura (le scritture vengono ignorate) Ready = 1 se il Transmitter è pronto a scrivere un nuovo carattere, e 0 se è occupato a scrivere il carattere precedente

41 Il Transmitter: Transmitter Data Transmitter Data 7 0 Codice ASCII del carattere da stampare È possibile stampare un carattere solo scrivendolo nel Transmitter Data quando il bit di Ready del Transmitter Control è 1; Altrimenti, se il bit di Ready è zero il carattere non sarà visualizzato e andrà perso

42 Tastiera È collegata alla linea di interruzione che fa capo al bit 8 dei registri Status e Cause Per abilitare le interruzioni dalla tastiera si abilita il bit 8 del registro Status Per scoprire se l interruzione è stata provocata dalla tastiera si verifica il valore del bit 8 nel registro Cause

43 Esempio di uso Exceptions.s # Il programma scrive una successione infinita di 0 # Alla pressione di un tasto stampa una stringa di avviso # Interrupt.globl start.data car0:.asciiz 0.text start: # Abilita gli interrupt in generale mfc0 $t0, $12 # Leggi Status Register (12) ori $t0, $t0, 1 # Abilita in generale gli INT ori $t0, $t0, 0x100 # Abilita gli INT da Tastiera mtc0 $t0, $12 #S Scrivi iil nuovo Status t Register

44 Esempio di uso Exceptions.s s # Abilita gli interrupt dalla periferica I/O, dal Receiver lw $t1, 0xFFFF0000 # Leggi attuale Receiver Control ori $t1,,$ $t1, 2 # Abilita gli INT da Receiver sw $t1, 0xFFFF0000 # Scrivi il nuovo Receiver Control Receiver Control Ready: 1 carattere ricevuto dal Receiver 0 nessun carattere ricevuto dal Receiver 1 0 Interrupt Enable: 1 Interrupt Receiver Abilitati 0 Interrupt Receiver Disabilitati

45 Esempio di uso Exceptions.s s # Stampa in un ciclo infinito il carattere 0 ciclo: la $a0, car0 # stringa 0" li $v0, 4 # print string syscall li $t0, 0x00000fff perdi_tempo: addi $t0, $t0, -1 bnez $t0, perdi_tempo b ciclo # costante grande # decrementa # gira a vuoto # ciclo infinito

46 Esempio di uso Exceptions.s s # DISABILITA Interruzioni dal Receiver (tastiera) lw $a0, 0xffff0000 # Leggi attuale Receiver Control andi $a0, $a0, 0xfffd # Azzera bit 1 = INT enable sw $a0, 0xffff0000 # Scrivinuovo ReceiverControl # DISABILITA Interrupt dalla tastiera nella CPU mfc0 $a0, $12 # Leggi il CPU Status Reg. andi $a0, $a0, 0xfeff # Azzera il bit INT della tastiera mtc0 $a0, $12 # Scrivi il nuovo CPU Status Reg.

47 Esercizio Si chiede di utilizzare il Receiver Control and Data per leggere i caratteri inseriti dalla tastiera. Si chiede di stampare il carattere inserito utilizzando una syscall.

48 Esercizio i - Soluzione.data Fine:.ascii "q" # carattere da premere per finire Messaggio:.ascii "Il tasto premuto e':" # nota: questa stringa non e' 'terminata t con byte 0! Carattere:.asciiz "\n\n" # due a capo (il primo verra' sovrascritto).text main:

49 Esercizio - Soluzione li $t0, 0xFFFF0000 # Receiver Control li $t2, 0xFFFF0004 # Receiver Data lb $t4, Fine # carattere per finirei BusyWaitRead: # "busy wait" lw $t1, 0($t0) # ReceiverControlRegister Register andi $t1, $t1, 0x1 # tiene solo il bit 0 beqz $t1, BusyWaitRead # se e' 0, non e' ancora arrivato nulla # Ready = 1, e' arrivato un carattere lb $t3, 0($t2) # legge byte dal Receiver Data beq $t3, $t4, fine # se e' il tasto di fine, esci sb $t3, Carattere # e lo salva in memoria li $v0, 4 # Stampa il carattere con la syscall la $a0, Messaggio # il carattere e' incorporato! syscall # stampa con syscall b BusyWaitRead fine:

50 Esercizio Si chiede di modificare l esercizio precedente utilizzando gli interrupt per evitare di fare busy wait. # Da inserire nel Exceptions.s nella gestione degli interrupt IntKbd: andi $a0, $k0, 0x0100 # Receiver mask: 0x = beq $a0, $0, EndIntKbd # branch se e' interrupt ma non di Receiver # E' interrupt del Receiver, quindi... # Stampa le info sull'interrupt li $v0, 4 la $a0,, m5_ syscall # print " by Receiver "

51 Exceptions.s - Interrupt dalla tastiera # DISABILITA Interruzioni dal Receiver (tastiera) lw $a0, 0xFFFF0000 # Leggi attuale Receiver Control andi $a0, $a0, 0xfffd # Azzera bit 1 = INT enable sw $a0, 0xFFFF0000 # Scrivi nuovo Receiver Control # DISABILITA Interrupt Receiver nella CPU mfc0 $a0, $12 # Leggi il CPU Status Reg. andi $a0, $a0, 0xfeff # Azzera il bit INT del Receiver mtc0 $a0, $12 # Scrivi il nuovo CPU Status Reg. # Gestione del char digitato lw $a0, 0xFFFF0004 # prelevo il carattere dal Data Reg. sw $a0, BuffKbd # e lo metto nel buffer comune EndIntKbd:

52 Esempio uso Exceptions.s s # Abilita interrupt della CPU mfc0 $t0, $12 # Leggi il CPU Status Reg. ori $t0, $t0, 1 # abilita in generale gli INT ori $t0, $t0, 0x100 # abilita il bit INT del Receiver mtc0 $t0,,$ $12 # Scrivi il nuovo CPU Status Reg. # Abilitazione Interrupt dal Receiver (tastiera) lw $t1, 0xFFFF0000 # Leggi attuale Receiver Control Reg. ori $t1, $t1, 2 # bit 1 = INT enable sw $t1, 0xFFFF0000 # scrivinuovo ReceiverControlReg Reg.

53 Esercizi

54 Esercizio 1 Dato il seguente frammento di codice, in quale punto avviene un'eccezione dioverflow (considerando d che i numeri sono interi positivi in CA2)? li $t0, 0x7FFFFFFD li $t1, 1 add $t0, $t0, $t1 # riga 1 add $t0, $t0, $t1 # riga 2 add $t0, $t0, $t1 # riga 3 add $t0, $t0, $t1 # riga 4 lw $t2, 0($t0) # riga 5 b k 2 # i 6 add $t0 $t0 $t1 #riga1 1. Alla riga 1 2. Alla riga 2 3. Alla riga 3 4. Alla riga 4 5. Alla riga 5 break 2 # riga 6 6. Alla riga 6 7. Non avviene nessuna eccezione 8. Nessuna delle altre

55 Esercizio 2 Se il registro Cause assume il valore 0x , quale eccezione si è verificata? 1. Break Exception 2. Syscall Exception 3. AdES (scrittura non allineata in memoria) 4. AdEL (lettura non allineata da memoria) 5. Interrupt Exception 6. Overflow Exception 7. Nessuna delle altre

56 Esercizio 3 Dato il seguente frammento di codice di un Exceptions.s, s specificare quale riga riconosce correttamente un'eccezione di tipo Interrupt.... mfc0 $k0, $13 # Cause register srl $k0, $k0, 2 andi $k0, $k0, 0x1f Riga 1: bnez $k0, is_irq # riga 1 Riga 2: bgtz $k0, is_irq # riga 2 Riga 3: bltz $k0, is_irq # riga 3 Riga 4: beqz $k0, is_irq # riga 4... is_irq: # gestione Interrupt 1. Alla riga 1 2. Alla riga 2 3. Alla riga 3 4. Alla riga 4 5. Nessuna delle altre

57 Esercizio 4 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?.data dato:.word 33.text main: la $t0, dato lw $t1, 0($t0) li $t2, 1 add $t2, $t2, $t0 sw $t2, 0($t2) jr $ra

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