系統(tǒng)控制協(xié)處理器的作用及其基于32位嵌入式CPU的設(shè)計與實現(xiàn)

　　MIPS體系結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)控制協(xié)處理器簡稱CP0，它提供指令正常執(zhí)行所需的環(huán)境，進行異常/中斷處理、高速緩存填充、虛實地址轉(zhuǎn)換、操作模式轉(zhuǎn)換等操作。單從硬件的角度而言，系統(tǒng)控制協(xié)處理器對指令集的作用就相當于操作系統(tǒng)對應(yīng)用程序的作用一樣。

　　異常處理

　　CPU運行過程中常常需要中斷正常執(zhí)行的指令流程，跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行某段特殊的指令段，接著再恢復(fù)原來的指令序列。MIPS體系結(jié)構(gòu)中稱這樣的過程為異常（Exception）。所有的異常都采用統(tǒng)一的機制處理。

　　對于異常情況，需要采取以下3方面的措施：

　　1） 異常檢測：CPU需要及時檢測出哪個部件發(fā)生了什么異常；一般而言，異常檢測由各個模塊進行，如加法溢出由加法器在運算過程中產(chǎn)生，并在相應(yīng)的流水段被系統(tǒng)控制協(xié)處理器CP0讀入。因此這部分功能不屬于CP0的設(shè)計范圍。

　　2） 異常處理：CPU按照優(yōu)先級選擇哪個異常被處理，并進行必要的上下文切換（Context Switch），為進入異常服務(wù)子程序做準備，保證與該種異常對應(yīng)的服務(wù)程序被執(zhí)行，并且能夠從中斷處完全恢復(fù)原來的指令執(zhí)行現(xiàn)場。

　　3） 異常服務(wù)：執(zhí)行異常服務(wù)子程序，這部分主要由軟件（操作系統(tǒng)）來完成。

　　對異常處理機制的要求

　　與傳統(tǒng)的異常/中斷處理機制相比，在MIPS 4Kc體系結(jié)構(gòu)下的異常處理需要特別考慮3個因素。

　　流水線的劃分

　　本設(shè)計采用五段流水線設(shè)計，即每條指令的執(zhí)行一般都經(jīng)過IF（取指）、DE（指令譯碼）、EX（指令執(zhí)行）、MEM（訪問存儲器）和WB（數(shù)據(jù)寫回R.F.）五個步驟。因為指令動作被分割，所以異常源也被分割到各個流水線段。例如：加法溢出異常只能在EX被檢測到。

　　精確異常處理機制

　　精確異常處理是指在發(fā)生異常時，僅僅對發(fā)生異常的指令或其后面的指令進行異常處理；而其前面的指令要保證能夠正常結(jié)束。所謂“精確”，是指受到異常處理影響的只有產(chǎn)生異常條件的那條指令，所有在此之前的指令在異常被處理前都將被執(zhí)行完成。異常處理結(jié)束后仍將從發(fā)生異常的指令開始繼續(xù)執(zhí)行。

　　操作模式切換

　　對于多進程操作系統(tǒng)，至少要區(qū)分兩種進程：有特權(quán)的操作系統(tǒng)“核心”進程和一般程序的“用戶”進程。當CPU檢測到異常發(fā)生時，指令執(zhí)行的正常順序會被暫停，處理器進入核心模式。當異常服務(wù)子程序執(zhí)行完后，CPU從斷點中恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行原指令序列。

　　異常處理流水線

　　根據(jù)上述分析可以確定，硬件異常處理流水線的主要任務(wù)有3個：更新相應(yīng)的CP0寄存器，即寫CP0寄存器；保存發(fā)生異常的指令地址，或當異常指令在延遲槽時，保存引起延遲槽的跳轉(zhuǎn)指令地址；選擇異常服務(wù)子程序的入口地址。

　　CP0寄存器記錄了CPU當前的狀態(tài)，因此，對CP0寄存器的寫就是對CPU狀態(tài)的改變，需要進行嚴格的控制。而且對寄存器的寫是影響關(guān)鍵路徑的主要因素。因此本文主要論述對CP0寄存器寫操作的設(shè)計。