# Exceptions
## Exceptions and Interrupts
Exceptions 和Interrupts 是指需要改變控制流程的“意外”事件。

Exception：在CPU內部產生的事件。例如，未定義的 opcode 、Overflow、 syscall 等都屬於Exceptions。Exceptions是由於程序執行中出現了某種不正常的狀況而觸發的，需要引起系統的注意並進行相應的處理。

Interrupt：來自外部I/O控制器的事件。這些事件來自於外部設備或其他外部源頭，需要InterruptsCPU正在執行的程序，轉而處理這些事件。例如，鍵盤輸入、網絡數據包到達等都可以引發Interrupts。

在處理Exceptions和Interrupts時，需要平衡處理這些事件的及時性和效率。因為不管是Exceptions還是Interrupts，都需要中止當前正在執行的程序，轉而執行相應的處理程序。而這樣的切換會帶來一定的性能開銷，因此在處理這些事件時需要儘可能地減少對系統性能的影響，這是一個相當具有挑戰性的問題。

## Handling Exceptions

處理Exceptions的方式在不同的處理器架構中可能會有所不同。在MIPS架構中，Exceptions由系統控制協處理器（CP0）管理。

以下是在MIPS中處理Exceptions的一般步驟：

* 保存觸發Exceptions的指令的 PC：當Exceptions發生時，系統會保存正在執行的指令的PC位置。在MIPS中，這個位置被稱為Exceptions PC。

* 保存Exceptions的原因：系統會保存Exceptions發生的原因，這通常由一個特殊的 register 來記錄。在MIPS中，這個 register 被稱為Cause寄存器。根據文檔，我們可以假設這個寄存器是1位的，其中0表示未定義的 opcode ，1表示Overflow等問題。

* 跳轉到Exceptions處理程序：最後，系統會跳轉到預先定義好的Exceptions處理程序，這個程序的地址在MIPS中通常是0x8000 00180。
## An Alternate Mechanism
另一種處理 Exceptions 和 Interrupts 的機制是Vectored Interrupts 。

在Vectored Interrupts 機制中， Exceptions 或 Interrupts 的處理程序地址是通過 Exceptions 或 Interrupts 的原因來確定的。具體而言，每個可能的 Exceptions 或 Interrupts 原因都對應著一個處理程序地址，這些地址通常被組織成一個 Vector Table。

以下是Vectored Interrupts 機制的一個例子：

* 未定義的 opcode ：0xC000 0000
* Overflow：0xC000 0020
* 其他 Exceptions 或 Interrupts 原因：0xC000 0040

當系統遇到 Exceptions 或 Interrupts 時，它會根據 Exceptions 或 Interrupts 的原因查找相應的處理程序地址。然後，系統會跳轉到這個地址，開始執行相應的處理程序。

在這種機制下，處理程序可以直接處理 Exceptions 或 Interrupts ，或者它們也可以跳轉到實際的 Exceptions 或 Interrupts 處理程序中進行進一步的處理。這種機制使得系統可以靈活地處理不同的 Exceptions 和 Interrupts ，並根據具體情況選擇適當的處理程序

## Handler Actions
Exceptions 或 Interrupts 處理程序的行動通常包括以下步驟：

* 讀取 Exceptions 原因（Cause）：首先，處理程序會讀取引發 Exceptions 或 Interrupts 的原因。根據系統架構，可能是從特定的 register 中讀取這些信息，例如在MIPS架構中就是從Cause register 中讀取。

* 轉移到相應的處理程序：根據 Exceptions 原因，系統將轉移到相應的處理程序地址。這可以是通過向量 Interrupts 表（Vector Table）或其他方式來決定。

* 確定所需的操作：處理程序將根據 Exceptions 或 Interrupts 的具體情況確定所需的操作。這可能涉及到採取一些校正措施來恢復程序的正常執行，或者可能需要終止程序並報告錯誤。

* 如果可重新啟動：如果 Exceptions 是可重新啟動的，那麼處理程序將採取一些校正措施來修復問題，然後使用 Exceptions 程序計數器（EPC）來返回到原始程序中繼續執行。

* 否則：如果 Exceptions 無法重新啟動，處理程序將終止程序的執行。它可能會使用EPC、 Exceptions 原因等信息來報告錯誤，以供後續的調試或記錄。

## Exceptions in a Pipeline
在 Pipeline 處理器中，Exceptions 也是一種 control hazard 的形式。考慮一個在執行階段（EX stage）發生溢出的加法指令：

add $1, $2, $1

當在執行這條指令時發生溢出，系統需要立即處理這個 Exceptions 。為了有效地處理這個 Exceptions ，需要採取以下步驟：

* 防止 register 被覆蓋：首先，需要防止在溢出發生時，目標 register （在這個例子中是$1）被覆蓋。這意味著暫停對後續指令的執行。

* 完成之前的指令：任何已經在 Pipeline 中但尚未完成的指令都應該被執行完畢。這包括在加法指令之前的所有指令。

* 清空加法指令和後續指令：由於加法指令及其後續指令可能會被取消，因此 Pipeline 中的這些指令需要被清空。

* 設置Cause和EPC寄存器的值：這些寄存器用於記錄 Exceptions 的原因和發生 Exceptions 時的程序計數器（PC）值。

* 將控制轉移到 Exceptions 處理程序：最後，系統需要將控制轉移到預先定義的 Exceptions 處理程序中，以進行進一步的處理。

* 在某種程度上，處理 Exceptions 與處理 Branch hazard 預測錯誤類似，因為它們都需要進行類似的硬體和流程操作，例如清空 Pipeline 和轉移控制。

## Instruction-Level Parallelism (ILP)
指令級平行處理（ILP）是指在處理器內同時執行多個指令的能力，以提高整體性能。有幾種技術可用於增加ILP：

pipeline ： pipeline 將指令的執行分解為多個階段，允許不同指令的不同階段同時進行處理。這減少了執行指令的整體時間。具有較深 pipeline 的處理器，每個階段的任務較少，使時鐘周期縮短，從而可能增加ILP。

Multiple issue ：該技術涉及在處理器內複製 pipeline 階段，以創建多個管道。通過每個時鐘周期啟動多個指令，處理器可以實現低於1的CPI（每指令週期數），使使用每週期指令（IPC）作為性能指標更有效。例如，具有4GHz時鐘速度和4路Multiple issue 功能的處理器在理論上可以達到IPC的峰值4，如果每個指令僅需要四分之一的周期完成，則可達到16億指令每秒（BIPS）。