9.4　流水线与异常处理

这里简要介绍一下如何在流水线处理器中支持异常处理。在第3章曾介绍过，异常产生的来源包括：外部事件、指令执行中的错误、数据完整性问题、地址转换异常、系统调用和陷入以及需要软件修正的运算等。在流水线处理器中，这些不同类型的异常可能在流水线的不同阶段产生。例如访存地址错异常可以在取指阶段和访存阶段产生，保留指令异常和系统调用异常在译码阶段产生，整数溢出异常在执行阶段产生，而中断则可以在任何时候发生。

异常可以分为可恢复异常和不可恢复异常。不可恢复的异常通常发生在系统硬件出现了严重故障的时候，此时异常处理后系统通常面临重启，所以处理器响应不可恢复异常的机制很简单，只要立即终止当前的执行，记录软件所需的信息然后跳转到异常处理入口即可。但是，可恢复异常的处理就比较难，要求做得非常精确，这也就是常常提到的精确异常概念。精确异常要求处理完异常之后，回到产生异常的地方接着执行，还能执行正确，就好像没有发生过异常一样。要达成这个效果，要求在处理异常时，发生异常的指令前面的所有指令都执行完（修改了机器状态），而发生异常的指令及其后面的指令都没有执行（没有修改机器状态）。

在流水线处理器中，同时会有多条指令处于不同阶段，不同阶段都有发生异常的可能，那么如何实现精确异常呢？这里给出一种可行的设计方案。为什么说是可行的以及结构设计该如何修改，作为课后作业留给同学们思考。

1）任何一级流水发生异常时，在流水线中记录下发生异常的事件，直到写回阶段再处理。

2）如果在执行阶段要修改机器状态（如状态寄存器），保存下来直到写回阶段再修改。

3）指令的PC值随指令流水前进到写回阶段为异常处理专用。

4）将外部中断作为取指的异常处理。

5）指定一个通用寄存器（或一个专用寄存器）为异常处理时保存PC值专用。

6）当发生异常的指令处在写回阶段时，保存该指令的PC及必需的其他状态，置取指的PC值为异常处理程序入口地址。

在前面3节的介绍中，由简至繁地搭建出一个可以正常执行各种指令的流水线处理器。回顾设计过程，其中的设计要点有两个：第一是通过加入大量触发器，实现了流水线功能；第二是通过加入大量控制逻辑，解决了指令相关问题。