异常处理过程：
当我们遇到异常时，我们首先需要把当前程序P的状态保存起来，而后跳到异常处理程序进行诊断。
- 这里我们从指令集状态机S = {<R,M>}的视角来讨论咯 R为寄存器，M为内存。
异常处理程序和P事两个不同的程序，它们使用不同的M，所以：只要异常处理程序不随意修改P的M，则不必进行实质性的保存操作。
但是R只有一份，即P和异常处理程序共用寄存器，所以我们需要把P的寄存器状态保存起来。
但是R保存到哪里呢？？
有几种方法：
1.保存到R：也就是增加新的一组寄存器，把P的寄存器状态复制到新寄存器中。
2.保存到M：也就是存到内存中，但是需要找到一处空闲的内存呢
3.保存到栈：栈有空间的话，这个可以有。
谁来保存？
- 硬件保存：在CPU状态机的控制下保存
- 软件保存： 通过指令控制CPU进行保存
所以保存R的设计，共有四种方法
| R | M | |
|---|---|---|
| 硬件保存 | 硬件保存到R_save | 硬件保存到M |
| 软件保存 | 软件保存到R_save | 软件保存到M |
当发生异常时的流程如下：P发生异常->硬件保存->跳转到异常处理程序->软件保存
这里要注意的是，当异常处理程序诊断时需要读取R_save。所以CPU还要添加相应的读取等指令。
RISCV硬件将PC保存到mepc这个特殊的寄存器中，也叫控制状态寄存器（CSR，control and status register）
CSR
用于控制和反映处理器状态的特殊寄存器（eg：mepc）
- 硬件发生某些事会自动更新CSR，或者从CSR中读出值直接用
- 软件也可以通过CSR指令来访问CSR
- 所以每个CSR都有一个软件可见的编号（CSR地址空间）
下面的图片中最上就是一条CSR指令，其中0x341代表mepc寄存器的地址空间（也是编号:-)
最简单异常处理还需要的CSR——mtvec
mtvec：异常处理程序的入口地址，即当发生异常时CPU自动跳转到这个地址
一个简单的异常处理程序
#include <klib.h>
void handler() {uintptr_t mepc; // 定义一个变量来存储异常发生时的程序计数器 (Program Counter)// 使用内联汇编读取 mepc 寄存器的值asm volatile ("csrr %0, mepc" : "=r"(mepc)); printf("exception at mepc = %p\n", mepc); // 打印异常发生的地址while (1); // 无限循环，防止返回
}
int main() {// 设置 mtvec 寄存器，指向异常处理程序 handlerasm volatile ("csrw mtvec, %0" : :"r"(handler));// 触发非法指令异常asm volatile (".word 0"); // 这行代码试图执行一个无效的指令printf("I am alive!\n");while (1);
}
类似的还有mcause寄存器，即发生异常时，CPU将异常号写入这个CSR
具体的异常号如下
# RTFM了解异常号的含义0 - Instruction address misaligned1 - Instruction access fault2 - Illegal Instruction3 - Breakpoint4 - Load address misaligned5 - Load access fault6 - Store/AMO address misaligned7 - Store/AMO access fault8 - Environment call from U-mode9 - Environment call from S-mode
11 - Environment call from M-mode
12 - Instruction page fault
13 - Load page fault
15 - Store/AMO page fault
从异常状态返回
若诊断问题不大，P可以继续执行，则需要从异常处理程序返回P。那么返回需要先回复之前为P保存的状态（恢复寄存器就行）
- RISC架构通过load指令将M中保存的内容恢复到R，然后返回P
- 但是异常处理程序和P事两个不同的程序，不可以通过ret/jal返回
- jalr指令需要先把返回地址写入一个寄存器，但是那样会改变P的状态，如果返回后P需要用这个寄存器，就会报错。
所以综上，我们需要添加一条特殊的返回指令mret，即跳转到mepc中存放的地址
uintptr_t mepc, mcause;
// 读取 mepc 寄存器的值（异常发生时的程序计数器值）
asm volatile ("csrr %0, mepc" : "=r"(mepc));
// 读取 mcause 寄存器的值（异常原因）
asm volatile ("csrr %0, mcause" : "=r"(mcause));
// 打印异常原因和异常发生时的程序计数器值
printf("exception mcause = %p at mepc = %p\n", mcause, mepc);
// 仅限于演示，没有恢复其他寄存器
// 检查异常原因是否为2（通常表示非法指令异常）
if (mcause == 2) {// 更新 mepc 寄存器的值为 mepc + 4（跳过导致异常的指令）asm volatile ("csrw mepc, %0; mret" : : "r"(mepc + 4));
}
while (1);
硬件实现异常处理
在单周期实现异常
实现异常处理我们得先
-
实现CSR
-
添加CSR的读写指令，而后在指令异常时注意通用寄存器GPR和CSR之间的数据交换。
-
实现异常的触发，在译码时要检查非法指令，识别ecall指令等，识别到异常事件后，我们还需要通过电路更新mmepc，，mcause等CSR，而后跳转到mevec中存放的地址
-
实现mret指令，即跳转到mepc中存放的地址
异常处理的状态机模型
在异常处理状态下，状态机模型又需要改变了，状态机模型需要加一个扩展（CSR），也就是：
R = {PC, GPR,CSR}，M无需扩展，注意在这里指令的执行并不是always成功了，定义一个函数
f_ex : S->{0,1},给定任意状态S：
- f_ex(S) = 0,则按照当前指令的语义进行状态转移
- f_ex\（S）= 1，则执行一条特殊指令raise_intr异常号，并更新状态如下
CSR[mepc] <- PC
CSR[mcause] <- 异常号
PC <- CSR[mtvec]
说白了，模型状态机一旦异常(f_ex(S)=1)，就是把各种异常号，异常的pc值存到CSR寄存器中
