Exception in MIPS
介紹
分支、跳轉、異常（包括硬體中斷）是三種改變控制流的事件。
同步異常是指程式執行到固定位置必定觸發且每次現象一致的異常，如算術溢出異常、未定義指令異常、缺頁異常等。
非同步異常與當前執行程式無關，如I/O請求、記憶體錯誤、電源不穩定等。硬體中斷是一種非同步異常。
異常發生時，當前執行程式被中斷，CPU跳轉到對應的異常處理函數執行，異常處理完畢之後，繼續執行被中斷程式。
異常處理函數入口必須要保存被中斷任務上下文，這樣才能從異常返回。任務上下文包括CPU暫存器值、返回地址和棧頂指針等，通常是保存到記憶體中，那麼就需要一個暫存器用來保存該記憶體段的基地址。MIPS預留了$k0和$k1兩個暫存器，異常處理函數每次都會直接改寫$k0和$k1暫存器值，這就意味著，正常運行的程式如果使用$k0或者$k1暫存器會導致不可預期的結果。
異常處理機制
MIPS的異常處理、MMU、Cache都是由CP0協處理器控制，CP0隻能在內核態操作。
CP0暫存器使用下述指令操作：
異常處理相關CP0暫存器如下：
BadVAddr暫存器
保存異常發生時的記憶體地址(虛擬地址), 比如非對齊訪問異常;
Cause暫存器
IP0~1表示軟中斷，IP2~7表示硬體中斷類型，ExcCode表示異常類型，ExcCode 0表示中斷。
ExcCode
Status暫存器
IM2~7為1表示使能對應中斷，為0表示去使能；
IEc即當前中斷模式，為1表示使能中斷，為0表示禁用所有中斷；
KUc即當前工作模式，為1表示User模式，為0表示Kernel模式；
IEp和KUp表示異常發生前的中斷模式和工作模式；
IEo和KUo表示再之前的狀態；
上述三組狀態依次覆蓋。
EPC暫存器
使用jal跳轉指令時，發生了兩件事情：
1）跳轉到jal指定的地址執行
2）返回地址保存到$ra暫存器
但是當異常發生時，CPU跳轉到一個固定的地址執行，即異常向量表。此時，返回地址不能保存在$ra暫存器中，因為它會覆蓋$ra暫存器值，因此MIPS將異常返回地址保存在EPC暫存器中。
從異常返回
無延遲槽時
mfc0 $k0, $14 # get EPC in $k0 rfe # return from exception jr $k0 # replace PC with the return address
有延遲槽時
mfc0 $k0, $14 # get EPC in $k0 addiu $k0, 4 # make sure it points to next instruction rfe # return from exception jr $k0 # replace PC with the return address
異常處理函數
當異常發生時，CPU會進入Kernel模式，同時禁用所有中斷（CPU硬體實現，軟體不可控）。
禁用中斷的原因是異常處理函數首先需要保存處理器狀態，隨後才能處理中斷。具體為：
1）確定異常類型，並保存相關資訊（如EPC、Cause、Status暫存器值）
2）保存異常上下文，即所有CPU暫存器值
禁用中斷並不代表不處理中斷，只是延遲處理。當異常處理函數中使能中斷，或者異常處理函數返回時，CPU會馬上處理被Pending的中斷（長時間Pending會丟失中斷），跳轉到中斷處理函數處理。
如果異常處理函數可以在很短時間內執行完畢，那麼，不需要在異常處理函數中使能中斷，異常返回時CPU會使能中斷。這也意味著，異常處理函數中不需要保存異常上下文，如EPC、Cause、Status暫存器值，但是仍然需要保存除$k0和$k1以外的通用暫存器值。
異常嵌套
異常處理函數執行時，中斷被禁用，但是不代表CPU不會被trap。當異常處理函數本身出現異常時，仍然會觸發異常。
