예외 처리

요약

명령어를 실행하다가 계속할 수 없는 일이 생기면, 프로세서는 하던 일을 멈추고 미리 정해 둔 주소로 건너가 운영체제에 맡긴다. 계산대 직원이 처리할 수 없는 일이 생기면 그 손님에서 멈추고 어디까지 했는지 적어 둔 뒤 매니저를 부르는 것과 같다. 이때 문제를 일으킨 명령어가 어디 있었는지와 무슨 일인지를 적어 둬야 돌아와서 이어 갈 수 있다. 여러 명령어가 겹쳐 흐르는 프로세서에서는 문제의 명령어보다 앞선 것은 끝내고 뒤따르던 것은 버려야 해서 일이 까다롭다.

예시로 보기

add는 두 수를 더한 결과가 32비트에 들어가지 않으면(넘침) 예외를 일으킨다. $s3에 32비트로 적을 수 있는 가장 큰 양수 0x7FFFFFFF가 들어 있다. $s1 = 9, $s2 = 5, $t1 = 123이다.

 0: sub $t0, $s1, $s2     # 4
 4: add $t1, $s3, $s3     # 넘친다
 8: and $t2, $s1, $s2
12: or  $t3, $s1, $s2
16: slt $t4, $s1, $s2

넘친 결과를 그대로 $t1에 쓰고 다음으로 가면, 프로그램은 틀린 값을 들고 계속 달린다. 그래서 add가 아무것도 고치지 못하게 막고 운영체제의 처리 코드로 간다.

명령어	1	2	3	4	5
`sub $t0, $s1, $s2`	IF	ID	EX	MEM	WB
`add $t1, $s3, $s3`		IF	ID	EX	버림
`and $t2, $s1, $s2`			IF	ID	버림
`or $t3, $s1, $s2`				IF	버림

4번째 사이클에 add가 EX에서 넘침을 알린다. 그 사이클이 끝날 때 add와 뒤따르던 and, or를 버린다. 앞선 sub는 끝까지 간다. 끝나고 나면 $t0 = 4, $t1은 123 그대로, $t2와 $t3도 그대로다. EPC에 4(add의 주소)가, Cause에 넘침을 뜻하는 값이 들어가고, PC는 0x80000180이 된다.

검증: 위 표, $t0 = 4와 $t1 = 123, EPC = 4, 버린 명령어 3개, 예외가 있는 단일 사이클 흉내기와 같은 결과 — 27_mips-pipeline_impl.py (실제 하드웨어가 아니라 파이썬 흉내)

예외와 인터럽트

둘 다 “뜻하지 않게 실행 흐름을 바꿔야 하는 일”이다. 교재는 어디서 생겼느냐로 가른다¹.

	어디서 생기나	예
예외(exception)	프로세서 안, 명령어를 실행하다가	정의되지 않은 명령어, 산술 넘침, 시스템 호출
인터럽트(interrupt)	프로세서 밖, 입출력 장치가 보낸다	키보드 입력, 디스크가 읽기를 끝냄

이 낱말은 명령어 집합마다 다르게 쓴다¹. 운영체제 과목의 문서는 산술 넘침이나 잘못된 기계어처럼 명령어를 실행하다 생기는 것까지 묶어 인터럽트(프로그램 인터럽트)라 부른다.

프로세서가 하는 일

MIPS에서는 세 가지를 한다².

어디서 멈췄는지 적는다. 문제를 일으킨(또는 끼어들기를 당한) 명령어의 주소를 EPC(exception program counter, 예외 프로그램 카운터)라는 레지스터에 넣는다.
무슨 일인지 적는다. 까닭을 Cause 레지스터에 넣는다.
처리 코드로 건너간다. PC에 정해진 주소 0x8000 0180을 넣는다. 그 주소에 운영체제의 예외 처리기가 있다.

EPC와 Cause는 $t0 같은 보통 레지스터가 아니다. 예외를 맡는 별도 장치(시스템 제어 보조 프로세서, CP0)에 들어 있다².

Cause에 적는 값은 MIPS 참조표에 번호로 정해져 있다. 몇 가지만 든다³.

번호	이름	까닭
0	Int	인터럽트 (하드웨어)
8	Sys	시스템 호출
10	RI	정의되지 않은 명령어
12	Ov	산술 넘침

처리기가 하는 일. Cause를 읽어 까닭에 맞는 코드로 간다. 고칠 수 있는 일이면 고친 뒤 EPC를 써서 프로그램으로 돌아간다. 고칠 수 없으면 프로그램을 끝내고 EPC와 Cause로 무슨 일이 있었는지 알린다⁴.

단일 사이클 데이터패스에 넣으려면 다음 PC를 고르는 멀티플렉서에 0x8000 0180을 입력으로 하나 더 주고, EPC와 Cause 레지스터를 달고, 예외가 났을 때 RegWrite와 MemWrite를 0으로 누르는 신호를 만든다⁵.

파이프라인에서

예외는 제어 해저드의 한 가지다. 다음에 가져올 명령어가 갑자기 바뀐다는 점에서 예측이 틀린 분기와 같고, 버리는 회로도 거의 그대로 쓴다⁶.

지켜야 할 것은 “차례로 하나씩 실행하다가 딱 그 명령어에서 멈춘 것처럼 보이게” 하는 것이다.

문제의 명령어보다 앞선 명령어는 끝낸다. 예시의 sub.
문제의 명령어는 버린다. 넘친 add가 $t1을 덮어쓰면 안 된다. add $t1, $t2, $t1처럼 읽는 레지스터와 쓰는 레지스터가 같을 때 특히 그렇다. 덮어쓰고 나면 처리기가 원래 값을 볼 수 없다⁶.
뒤따르던 명령어도 버린다. 예시의 and, or.
EPC와 Cause를 채우고 처리기 주소에서 다음 명령어를 가져온다.

예시에서 넘침은 EX 단계에서 드러나므로 EX, ID, IF에 있던 세 명령어를 버렸다. 정의되지 않은 명령어는 해독하는 ID 단계에서 드러난다⁵.

활용

운영체제가 프로그램 사이를 오가고, 입출력을 기다리지 않고, 잘못된 프로그램을 끝낼 수 있는 것이 모두 이 장치 덕이다. → 인터럽트
넘침에 예외를 일으키는 것은 add, sub, addi다. addu, subu처럼 이름 끝에 u가 붙은 명령은 같은 계산을 하되 예외를 일으키지 않는다. C 컴파일러는 보통 u가 붙은 쪽을 쓴다⁷.
흔한 실수: EPC에 처리기의 주소가 들어간다고 쓰는 것. EPC에는 돌아올 곳(문제를 일으킨 명령어의 주소)이 들어가고, 처리기의 주소는 PC에 들어간다.
흔한 실수: 예외가 나면 파이프라인 안의 명령어를 모두 버린다고 쓰는 것. 앞선 명령어는 끝낸다.

연결

선수: 제어 해저드와 분기 예측, 제어 장치와 제어 신호
넘침을 알아내는 회로: ALU. x86은 넘침을 예외가 아니라 플래그 1비트로 남긴다: 산술 연산과 상태 플래그
돌아올 주소를 적어 두고 건너간다는 점은 jal과 같다: MIPS 프로시저 호출. 다른 점은 프로그램이 부른 것이 아니라는 것, 그리고 적는 곳이 $ra가 아니라 EPC라는 것이다.
운영체제 쪽에서 본 처리 순서와 이득: 인터럽트

확인 문제

C1 예외가 나면 MIPS 프로세서가 하는 세 가지를 레지스터 이름을 넣어 쓰라.

답: ① 문제를 일으킨 명령어의 주소를 EPC에 넣는다. ② 까닭을 Cause 레지스터에 넣는다. ③ PC에 처리기 주소 0x8000 0180을 넣어 그곳으로 건너간다.

C2 넘친 add $t1, $t2, $t1이 결과를 $t1에 쓰도록 두면 안 되는 이유는?

답: 쓰는 레지스터가 읽는 레지스터와 같아서, 쓰고 나면 원래의 $t1 값이 사라진다. 처리기가 무슨 값끼리 더하다 넘쳤는지 볼 수 없고, 고친 뒤 그 명령어를 다시 실행할 수도 없다. “그 명령어가 시작되기 직전”의 상태를 그대로 남겨야 한다.

C3 본문의 다섯 명령어에서 넘침이 둘째 add가 아니라 셋째 자리(8번지)의 명령어에서 났다고 하자. 끝까지 가는 명령어, 버려지는 명령어, EPC의 값은?

답: 0번지와 4번지의 명령어는 끝까지 간다. 8번지(문제의 명령어), 12번지, 16번지의 명령어를 버린다. EPC = 8.
이유: 8번지의 명령어가 EX에 있을 때(5번째 사이클) ID에는 12번지, IF에는 16번지의 명령어가 있다. 앞선 둘은 MEM과 WB 단계까지 가 있으므로 그대로 끝난다.

교재 출판사 강의 슬라이드 “Chapter 4 — The Processor” (Cooper Union 게시본), 슬라이드 63 (§4.9 Exceptions, Exceptions and Interrupts: 예외는 CPU 안에서, 인터럽트는 바깥 입출력 제어기에서. 명령어 집합마다 낱말을 다르게 쓴다), https://ee.cooper.edu/~curro/comparch/pipeline/chapter4_pipelining_END_FA11.pdf. Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design (MIPS Edition), 4장 “The Processor” ↩ ↩²
같은 슬라이드, 64 (Handling Exceptions: CP0, EPC, Cause 레지스터, 처리기 주소). 32비트 주소는 16진수 여덟 자리이므로 8000 0180으로 적었다. ↩ ↩²
MIPS Reference Data (교재의 참조표, Univ. of Patras 게시본), EXCEPTION CODES 표, https://eclass.upatras.gr/modules/document/file.php/EE805/MIPS_Instruction_Set/MIPSReferenceData.pdf ↩
같은 슬라이드, 65 (Handler Actions) ↩
넘침의 경우만 흉내기로 확인했다. ↩ ↩²
같은 슬라이드, 66 (Exceptions in a Pipeline: 제어 해저드의 한 형태, add $1, $2, $1의 넘침, 앞선 명령어는 끝내고 그 명령어와 뒤 명령어를 버린다, 예측이 틀린 분기와 비슷하다) ↩ ↩²
MIPS 참조표에서 주석 “(1) May cause overflow exception”이 add·sub·addi에는 붙어 있고 addu·subu에는 없는 것을 확인했다. “C 컴파일러는 보통 u가 붙은 쪽을 쓴다”는 직접 확인하지 못했다[확인필요]. ↩