Wyjątki procesora MC68000

---

Procesor 68000 zawsze znajduje się w jednym z trzech stanów działania: normalnym, wyjątkowym
lub zatrzymania (instrukcja STOP) oraz pracuje w jednym z dwóch trybów dostępu (Privilege mode):

"użytkownika" (User mode) -

w tym trybie procesor ma niższy poziom dostępu. Korzysta z oddzielnego stosu (wskaźnik A7=USP) i nie może wykonywać kilku instrukcji. Jeśli bit 13 ("S") rejestru SR jest zerem, to tryb "użytkownika" jest włączony.

"nadzorcy" (Supervisor mode) -

w tym trybie procesor ma wyższy poziom dostępu. Korzysta z oddzielnego stosu (wskaźnik A7=SSP) i może wykonywać wszystkie instrukcje. Jeśli bit 13 ("S") rejestru SR jest jedynką, to tryb "nadzorcy" jest włączony.

Tryb dostępu to mechanizm zapewniający bezpieczeństwo w systemie komputerowym (określa, które
operacje są dozwolone). System operacyjny działa w trybie "nadzorcy", co zapewnia mu pełny dostęp
do wszystkich zasobów komputera. Natomiast zwykłe programy pracują w trybie "użytkownika", dlatego
nie mają dostępu do zarezerwowanych obszarów systemowych, których nie powinny modyfikować.
Kiedy procesor działa w trybie "użytkownika", przejście do trybu "nadzorcy" jest możliwe tylko po wystą-
pieniu wyjątku (Exception processing). Natomiast przejście z trybu "nadzorcy" do trybu "użytkownika"
jest możliwe po wykonaniu jednej z 4 instrukcji: "ANDI to SR", "EORI to SR", "MOVE to SR" lub RTE.

Opis rejestru stanu SR (Status Register):



16-bitowy rejestr SR pełni funkcję kontrolno-sterowniczą i dzieli się na dwa bajty:

młodszy (użytkownika) -

rejestr kodów warunkowych CCR (Condition Code Register), który zawiera kody warunkowe ustawiane przez instrukcje.

starszy (systemowy) -

zawiera ustawienia procesora. Dostęp do niego w trybie "użytkownika" jest możliwy poprzez instrukcję "MOVE from SR", ale tylko na procesorze 68000. Na procesorze 68010/20/30/40/60 dostęp do tego bajtu jest możliwy tylko w trybie "nadzorcy".

Bity rejestru SR oznaczone szarym kolorem, nie są używane i mają wartość 0
(na procesorach 68020 i nowszych, bity 14 i 12 są używane).

Wyjątek (Exception) występuje, gdy procesor wykryje nietypową sytuację (stan wyjątkowy), np.
kod nieobsługiwanej instrukcji, dzielenie przez 0, czy błąd adresu (skok pod nieparzysty adres). Mechanizm wyjątków pozwala na programową obsługę takich sytuacji. Po wystąpieniu wyjątku
normalne wykonywanie kodu zostaje przerwane i są wykonywane następujące operacje:

• skopiowanie wartości rejestru SR do pseudorejestru Sx
• ustawienie bitu 13 ("S") w rejestrze SR (włączenie trybu "nadzorcy")
• wyzerowanie bitu 15 ("T") w rejestrze SR (wyłączenie "śledzenia" instrukcji)
• ustalenie numeru wektora wyjątku
• ustalenie adresu procedury obsługującej wyjątek
• odłożenie wartości rejestru PC na stos "nadzorcy" (SSP)-4
• odłożenie wartości pseudorejestru Sx na stos "nadzorcy" (SSP)-2
• skopiowanie adresu procedury obsługującej wyjątek do rejestru PC
• wykonanie kodu procedury obsługującej wyjątek
• wykonanie instrukcji RTE (powrót z wyjątku)
• przywrócenie wartości rejestru SR ze stosu "nadzorcy" (SSP)+2
• przywrócenie wartości rejestru PC ze stosu "nadzorcy" (SSP)+4

Włączany jest tryb "nadzorcy", a wartości rejestrów SR i PC są odkładane na stosie (A7=SSP).
W zależności od wyjątku, który wystąpił oraz od modelu procesora, wcześniej na stosie są odkładane
różne dodatkowe dane. Następnie jest generowany numer wektora wyjątku, który wystąpił. Numer ten
jest mnożony przez 4, aby uzyskać adres wektora wyjątku (na procesorze 68010/20/30/40/60 do tak
obliczonego adresu jest dodawana wartość rejestru VBR). Wektor ten zawiera 32-bitowy adres
procedury, która obsługuje dany wyjątek (powinna być zakończona instrukcją RTE). Po wykonaniu
instrukcji RTE kończącej procedurę obsługi wyjątku, wartości rejestrów SR i PC (oraz ewentualnie
dodatkowe dane) są przywracane ze stosu. Są to wartości, jakie te rejestry miały przed wystąpieniem
wyjątku. Zwykle wartość rejestru PC wskazuje na instrukcję następną po tej, która wywołała wyjątek.
Jednak wartość tą można zmodyfikować na stosie tak, aby zawierała adres dowolnego kodu.
Przywrócony rejestr SR wyłącza tryb "nadzorcy", a rejestr PC zawiera adres kodu, który zostanie
wykonany po zakończeniu obsługi wyjątku.

Wektor wyjątku to miejsce w pamięci, z którego procesor odczytuje 32-bitowy adres procedury,
obsługującej dany wyjątek. Jest 255 wektorów wyjątków, które są zapisane jako tablica (Vector table)
w pierwszych 1024 bajtach pamięci operacyjnej:

Numer wektora (dziesiętnie)	Adres wektora (szesnastkowo)	Wyjątek
0 1	0000 0004	Reset: initial SSP   Reset: initial PC
2	0008	Bus error
3	000C	Address error
4	0010	Illegal instruction
5	0014	Zero divide
6	0018	CHK instruction
7	001C	TRAPV instruction
8	0020	Privilege violation
9	0024	Trace
10	0028	Line 1010 emulator
11	002C	Line 1111 emulator
12...14	0030...0038	Reserved (1)
15	003C	Uninitialized interrupt
16...23	0040...005C	Reserved (1)
24	0060	Spurious interrupt (2)
25	0064	Level 1 interrupt autovector
26	0068	Level 2 interrupt autovector
27	006C	Level 3 interrupt autovector
28	0070	Level 4 interrupt autovector
29	0074	Level 5 interrupt autovector
30	0078	Level 6 interrupt autovector
31	007C	Level 7 interrupt autovector
32...47	0080...00BC	TRAP instruction (3)
48...63	00C0...00FC	Reserved (1)
64...255	0100...03FC	User interrupt (4)

OBJAŚNIENIA:
(1) - zarezerwowane wektory procesora 68000 (użytkownik nie powinien ich wykorzystywać).
        Kolejne procesory z rodziny 680x0 obsługują dodatkowe wyjątki, używając tych wektorów.
(2) - wyjątek wystąpi, jeśli podczas wykonywania przerwania pojawi się błąd szyny (Bus error).
(3) - instrukcja "TRAP #n" używa wektora wyjątku nr 32+n (n=0...15).
(4) - wektory przeznaczone do wykorzystania przez użytkownika.

Wszystkie wektory wyjątków mają rozmiar 4 bajtów i znajdują się w obszarze danych "nadzorcy"
(Supervisor data space). Odstępstwem od tej reguły jest wektor wyjątku nr 0 (Reset), który zajmuje
8 bajtów i znajduje się w obszarze programu "nadzorcy" (Supervisor program space). Po każdym
zresetowaniu systemu procesor pracuje w trybie "nadzorcy" (na procesorze 68010/20/30/40/60
wartość rejestru VBR jest zerowana). Z wektora wyjątku nr 0 (Reset), czyli z komórki pamięci
o adresie $00000000 jest odczytywana, początkowa wartość wskaźnika stosu "nadzorcy" (A7=SSP),
a z komórki $00000004 - początkowa wartość rejestru PC (adres pierwszej instrukcji, która zostanie
wykonana przez procesor).

Grupy wyjątków i priorytet (kolejność) ich wykonywania:

GRUPA	WYJĄTEK	WYKONYWANIE
0	Reset Bus error Address error	w ciągu 2 cykli zegarowych
1	Trace Interrupt Illegal instruction   Privilege violation	przed następną instrukcją
2	TRAP TRAPV CHK Zero divide	podczas wykonywania instrukcji

Grupa wyjątków nr 0 ma najwyższy, a grupa nr 2 - najniższy priorytet. Wyjątki w każdej grupie są
zapisane w kolejności ich priorytetów (od najwyższego). Wyjątki w grupie nr 2 mają równy priorytet,
ponieważ tylko jedna instrukcja może być wykonywana w określonym czasie. Najwyższy priorytet
ma wyjątek "Reset", który występuje podczas włączania/resetowania systemu lub po całkowitej
i nieodwracalnej jego awarii.

Wyjątki dzieli się na dwa podstawowe rodzaje: programowe (wewnętrzne) oraz sprzętowe (zewnętrzne).