SPARC 体系结构之 Traps

SPARC 体系结构之 Traps

 

当前版本: 1.0
完成日期: 2009-05-27
作者: Jack Tan
Email: jiankemeng@gmail.com
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SPARC 的文档里将异常和中断统称为 Trap。一个 Trap 是指对异常或中断的响应行为。

1. Trap 概述

SPARC 有 3 个运行级别:用户态,特权级 (Privileged),超级特权级 (Hyperprivileged)。
OS 运行于特权级。为支持系统虚拟化,SUN 在 2005 年修订了 SPARC 的 Specification 引入了超级特权级 (Hyperprivileged) 用于运行Hypervisor

SPARC 下指定处理器状态的两个关键寄存器是 PSTATE 和 HPSTATE,分别对应于 Privileged 和 Hyperprivileged

为了良好地支持 Trap 嵌套,SPARC 引入了一个 Trap Level 寄存器,用于指定当前 Trap 的深度,正常运行的处理器 TL = 0, 处理器进入一个 Trap,TL 则加 1,SPARC 规范要求:兼容的实现得支持最少 4 个 Trap 嵌套 (用这个表示:MAXTL >= 4)

 

当一个 Trap 发生时,硬件做的反应是:

a. 自动保存 PC, NPC, (CCR, ASI, PSTATE, CWP) 寄存器到 TPC, TNPC, TSTATE (CCR, ASI, PSTATE, CWP 一起保存在 TSTATE)

b. 将 PSTATE 置为 privileged 模式

c. 跳转到 Trap vector 入口
因此与 Trap 相关的寄存器有:

 

TL, Trap Level 寄存器,指定当前处理器的 Trap Level,0 为正常模式

TSTATE, Trap State 寄存器,实现有 MAXTL 个

TT, Trap Type 寄存器,实现有 MAXTL 个

TPC, Trap Program Counter 寄存器,实现有 MAXTL 个

TNPC, Trap Next Program Counter 寄存器,实现有 MAXTL 个

 

因为 PC, NPC, (CCR, ASI, PSTATE, CWP) 都是硬件自动保存,因此支持多少层的 Trap 嵌套硬件就得实现相应数目的 TPC, TNPC,TT 和 TSTATE

Trap 发生时的处理器运行级别,位于 PSTATE[priv] 和 HPSTATE[hpriv]

 

SPARC 将 Reset, Error, Debug 的状态抽取出来,合称为 RED_state,用于对系统重启,硬件出错处理,处理器调试进行特殊的“照顾”。正常运行的状态称为 execute_state。当以下 Trap 出现时,处理器进入 RED_state:

POR (Power-On reset)

WDR (Watchdog Reset)

XIR (Externally Initiated Reset)

SIR (Software-Initiated Reset)

 

 

2. Trap 向量入口

 

2.1 正常运行时的向量入口

正常的运行状态 (execute_state),Trap 的向量入口由一个寄存器指定

使处理器进入特权级的 Trap,其向量入口由 TBA (Trap Base Address) 寄存器指定

使处理器进入超级特权级的 Trap,其向量入口由 HTBA (Hyperprivileged Trap Base Address) 指定

TBA 寄存器的位 63 ~ 15 为向量入口的基地址;

位 13 ~ 5 对应于 TT 寄存器,即不同类型的 Trap,其向量入口偏移也不一样;

TBA[4:0] 始终为 0,即向量入口是 32 字节对齐,每个 Trap handler 的初始长度是 32 字节,8 条指令

SPARC 还根据 Trap Level 的值,使用不同的向量入口,即:TL = 0 时,TBA[14] = 0; TL > 0 时,TBA[14] = 1;

 

2.2 RED_state 向量入口

因为 Reset, Error 及 Debug 的特殊性,当处理器位于 RED_state 状态时,其使用一个固定的向量入口基地址 RSTVaddr = 0xFFFF FFFF F000 0000,这是一个物理地址,位于物理地址空间的高 256MB。

 

RED_state 下的 Trap 偏移为:

Reserved                              0×00

POR (Power-On reset)                0×20

WDR (Watchdog Reset)              0×40

XIR (Externally Initiated Reset)       0×60

SIR (Software-Initiated Reset)        0×80

Other                                  0xA0

 

因此上电启动时,UltraSPARC 处理器是从 0xFFFF FFFF F000 0020 处取第一条指令的,则 Bootloader 也应该位于该地址处

 

 

3. Trap 向量类型

Trap 的类型由 TT 寄存器指定,这是一个 9 bits 的寄存器,因此其最多可描述 2^9 = 512 种 Trap

但实际中,一个处理器要不了这么多的 Trap,以下择其要者 (SPARC V9):

 

TT                             Description

——————————————————

0×001                        power on reset

0×005                        RED state exception

0×008                        instruction access exception

0×009                        instruction access MMU miss

0x00a                        instruction access error

0×010                        illegal instruction

0×011                        privileged opcode

0×024 – 27                  clearn window

0×030                        data access exception

0×031                        data access MMU miss

0×032                        data access error

0×033                        data access protection

0×034                        mem address not aligned

0×041 – 04F                 interrupt level n (n = 1 ~ 15)

0×080 – 09F                 spill n normal (n = 0 ~ 7)

0x0A0 – 0BF                 spill n other (n = 0 ~ 7)

0x0C0 – 0DF                 fill n normal (n = 0 ~ 7)

0x0E0 – 0FF                 fill n other (n = 0 ~ 7)

0×100 – 17F                 trap instruction

 

为加快 TLB 相关 Trap 的处理, UltraSPARC 还引入了:

0×064                        fast instruction access MMU miss

0×068                        fast data access MMU miss

0x06C                        fast data access protection

 

SPARC V7 (32bit) 的:

 

Exception or Interrupt Request    Priority               TT
————————————————————-
reset                               1               (see text)
data_store_error                    2                 0x2B
instruction_access_MMU_miss       2                 0x3C
instruction_access_error             3                 0×21
r_register_access_error              4                 0×20
instruction_access_exception        5                 0×01
privileged_instruction               6                 0×03
illegal_instruction                   7                 0×02
fp_disabled                         8                 0×04
cp_disabled                        8                  0×24
unimplemented_FLUSH             8                  0×25
watchpoint_detected               8                  0x0B
window_overflow                   9                  0×05
window_underflow                 9                   0×06
mem_address_not_aligned         10                 0×07
fp_exception                      11                  0×08
cp_exception                      11                 0×28
data_access_error                 12                  0×29
data_access_MMU_miss           12                  0x2C
data_access_exception            13                  0×09
tag_overflow                      14                  0x0A
division_by_zero                  15                  0x2A
trap_instruction                   16                  0×80 – 0xFF
interrupt_level_15                 17                  0x1F
interrupt_level_14                 18                  0x1E
interrupt_level_13                 19                  0x1D
interrupt_level_12                 20                  0x1C
interrupt_level_11                 21                  0x1B
interrupt_level_10                 22                  0x1A
interrupt_level_9                  23                  0×19
interrupt_level_8                  24                  0×18
interrupt_level_7                  25                  0×17
interrupt_level_6                  26                  0×16
interrupt_level_5                  27                  0×15
interrupt_level_4                  28                  0×14
interrupt_level_3                  29                  0×13
interrupt_level_2                  30                  0×12
interrupt_level_1                  31                  0×11
impl.-dependent exception     impl.-dep.            0×60 – 0x7F

 

 

 

 

 

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