PowerPC 体系结构之中断异常

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2024年1月11日发(作者：)

PowerPC 体系结构之中断异常

取 BOOKE 之精要。

1. 异常类型

00 Critical Interrupt 来自于外部中断控制器，具有较高的优先级

01 Machine Check 严重的内部状态错误，如 Cache 数据的校验失败

02 Data Storage 数据读写异常，如：用户态读一个非用户态的页 (UR=0)

03 Instruction Storage 读指令异常，如：用户态时取一个用户态不可执行的页

(UX=0)

04 External Interrupt 来自于外部中断控制器

05 Alignment 非对齐访问异常

06 Program 程序异常，如：执行非法指令，用户态执行特权指令

07 Floating-Point unavailable 在无浮点部件的 CPU 上执行浮点指令即会触发此异常

08 System call 系统调用

09 Auxiliary Processor Unavailable 在无协处理器的 CPU 上执行协处理器指令即触发此异常

10 Decrementer DEC 寄存器归零异常，DEC 是一个内部时钟计数器，Linux 用之实现时钟中断

11 Fixed-interval timer interrupt

12 Watchdog timer interrupt

13 Data TLB error 数据 TLB Miss 异常

14 Instruction TLB error 指令 TLB Miss 异常

15 Debug 调试异常，用于支持调试

16 - 31 Reserved for future use 保留给将来体系结构升级用

32 - 63 Allocated for implementation-dependent use 具体实现相关

其中 0，1，12，15 为 Critical Exception，当其发生时，使用 CSRR0 & CSRR1 保存当前 PC

或 (PC + 4) 和 MSR；其他异常发生时，则使用 SRR0 & SRR1 保存当前 PC 或 (PC + 4)

和 MSR

可以看到 BOOKE 体系结构层面规定的异常即为前 16 个，这其中的有些异常是个笼统的抽象（比如 Data Storage 就需要区分是读还是写导致的），为了更细地描述发生异常的原因，PowerPC 引入了一个 ESR (Exception Syndrome Register)，让硬件在异常发生时，在其中指出更具体的原因。比如 若 ESR[40] 被置位，则说明异常是由写操作引起的。

2. 异常入口（向量）

BOOKE 使用可读写的内部寄存器 IVPR 和 IVOR 来指定异常的入口。

其中 IVPR (Interrupt Vector Prefix Register) 为 64 bit，指定所有异常入口基地址的高 48 bit，

即 IVPR[48:63] 始终为 0

IVOR (Interrupt Vector Offset Register) 为 32 bit，指定具体异常入口相对异常基地址的偏移，每个异常一个，只使用其低 16 位。则其 IVOR[32:40] 为 0；又因所有入口 16 字节对齐，实际上 IVOR[60:63] 亦始终 0：

IVOR00 Critical Interrupt

IVOR01 Machine Check

IVOR02 Data Storage

IVOR03 Instruction Storage

IVOR04 External Interrupt

IVOR05 Alignment

IVOR06 Program

IVOR07 Floating-Point unavailable

IVOR08 System call

IVOR09 Auxiliary Processor Unavailable

IVOR10 Decrementer

IVOR11 Fixed-interval timer interrupt

IVOR12 Watchdog timer interrupt

IVOR13 Data TLB error

IVOR14 Instruction TLB error

IVOR15 Debug

IVOR16 ~ IVOR31

IVOR32 ~ IVOR63

则 Data TLB Miss 的异常入口即为： IVPR[0:47] || IVOR[48:59] || 0b0000

注意：PowerPC 没有 RESET 异常这个概念，故没有 RESET 的入口，上电后处理器直接到固定地址去取指令(E500 上为 0xFFFF FFFC)。

3. 相关寄存器

3.0 MSR (Machine Status Register)

内含部分异常使能位，清位则屏蔽相应的异常：

MSR[46], CE (Critical Enable) --- Critical Input and Watchdog Timer Interrupts Enable

MSR[48], EE (External Enable) --- External Input, Decrementer and Fixed-Interval Timer

Interrupts Enable

MSR[51], ME (Machine Check Enable) --- Machine Check Enable

MSR[54], DE (Debug Enable) --- Debug Enable

MSR[49], PR (Proble State) --- 置 1 表示处理器处于用户态，置 0 则为核心态

当 Critical Exception 发生时，硬件将 MSR 保存于 CSRR1 后，仅保持 ME 不变，自动将

MSR 之其它位清零（PR = 0，进入核心态）

当一般异常发生时，硬件将 MSR 保存于 SRR1 后，保持 CE，DE，ME 不变，自动将其它位清零

3.1 SRR0 (Save/Restore Register 0)

64 bit，用于异常发生时保存引起异常指令的地址（异常）或其下一条指令的地址（中断）。

保存过程硬件自动做

执行 rfi 从异常返回时，处理器会跳转到 SRR0 保存的地址处继续执行。

3.2 SRR1 (Save/Restore Register 1)

32 bit，用于异常发生时硬件自动保存 MSR (Machine Status Register)

执行 rfi 从异常返回时，处理器会将 SRR1 值恢复入 MSR

3.3 CSRR0 (Critical Save/Restore Register 0)

64 bit，用于 Critical Exception (0, 1, 12, 15)

其它与 SRR0 同，只是该类型异常使用指令 rfci 返回

3.4 CSRR1 (Critical Save/Restore Register 1)

32 bit，用于 Critical Exception (0, 1, 12, 15)

其它与 SRR1 同，只是该类型异常使用指令 rfci 返回

3.5 DEAR (Data Exception Address Register)

64 bit，用于记录访存失败的地址，类似 MIPS 之 BadVAddr 或 x86 之 CR2

3.6 IVPR & IVORi

64 bit & 32 bit，异常入口寄存器

3.7 ESR (Exception Syndrome Register)

4. 完整的例子

以外设中断为例：

a. 外部中断控制器通过中断引脚 (#int) 触发处理器进入 External Input 异常

b. 保存当前 PC + 4 入 SRR0 （异步，无需重新执行之，故下一条指令即可）

c. 保存当前 MSR 入 SRR1，保持 MSR 之 CE, DE, ME，其余清除

d. 跳转到入口 IVPR + IVOR4 处 （interrupt handler 之所在）

e. interrupt handler 使用指令 rfi 返回，处理器在执行该指令时自动把 SRR1 恢复入 MSR，SRR0 入 PC

最后给一个 BOOKE 之异常的全家福：

参考文献：

[1] Book E: Enhanced PowerPC Architecture, V1.0, 2002.5

本文标签： 指令中断执行地址发生