例外處理（Exception）
例外（Exception）是 CPU 提供的一項功能，讓作業系統核心可以處理各種事件，例如無效的記憶體存取（又稱為分頁錯誤 page fault）、非法指令，以及系統呼叫。
例外就像是 C++ 或 Java 中的 try-catch 機制，但它是由硬體輔助實現的。在 CPU 運行程式的過程中，除非遇到需要核心介入的情況，否則它會持續執行下去。和 try-catch 的主要差別在於：例外處理完畢後，核心可以讓程式從發生例外的那一點繼續執行，就好像什麼事都沒發生過一樣。這聽起來是不是很酷的 CPU 特性呢？
例外也可能在核心模式（kernel mode）下被觸發，而這通常代表是致命的核心錯誤（kernel bug）。如果你發現 QEMU 突然重開機，或是核心沒有如預期地執行，很可能就是發生了例外。我建議你一開始就實作一個例外處理器，這樣即使發生錯誤，也能透過 kernel panic 優雅地當機。這就像在開發 JavaScript 時，會先加上一個 unhandled Rejection 的處理器一樣，是基本容錯手段。
例外處理的生命週期（Life of an exception）
在 RISC-V 架構中，例外處理（Exception）的處理流程如下：
- CPU 首先會檢查
medeleg暫存器，以決定該由哪個操作模式（Operation Mode）來處理該例外。在我們的情境中，OpenSBI 已經設定好讓 S 模式（Supervisor Mode）處理來自使用者模式（U-Mode）與 S 模式本身的例外。 - CPU 會將當前狀態（如暫存器）儲存到一些控制與狀態暫存器（CSR）中（如下所述）。
- CPU 將
stvec（Supervisor Trap Vector）暫存器中的值設定為新的程式計數器（PC），並跳轉到核心所定義的例外處理函式（exception handler）。 - 例外處理器會進一步儲存所有通用暫存器（也就是目前的程式狀態），然後處理該例外。
- 處理完成後，例外處理器會還原原本儲存的執行狀態，並透過 sret 指令（Supervisor Return）讓 CPU 從發生例外的地方繼續執行。 第 2 步中所更新的 CSR 暫存器主要如下，而核心會根據這些 CSR 的內容來決定如何處理該例外：
| 暫存器名稱 (Register Name) | 內容 |
|---|---|
scause | 例外的類型。核心會讀取這個暫存器來判斷發生的是哪一種例外事件。 |
|
| stval | 與例外相關的補充資訊，例如造成例外的記憶體位址。實際內容依例外類型而定。 | | sepc | 發生例外當下的程式計數器（PC）值，也就是觸發例外的那一行指令的位址。 | | sstatus | 發生例外時的操作模式（使用者模式 U-Mode 或監督模式 S-Mode）等狀態資訊。 |
例外處理器（Exception Handler）
現在，讓我們撰寫你的第一個例外處理器吧！以下是會登錄在 stvec 暫存器中的例外處理器進入點（entry point）：
__attribute__((naked))
__attribute__((aligned(4)))
void kernel_entry(void) {
__asm__ __volatile__(
"csrw sscratch, sp\n"
"addi sp, sp, -4 * 31\n"
"sw ra, 4 * 0(sp)\n"
"sw gp, 4 * 1(sp)\n"
"sw tp, 4 * 2(sp)\n"
"sw t0, 4 * 3(sp)\n"
"sw t1, 4 * 4(sp)\n"
"sw t2, 4 * 5(sp)\n"
"sw t3, 4 * 6(sp)\n"
"sw t4, 4 * 7(sp)\n"
"sw t5, 4 * 8(sp)\n"
"sw t6, 4 * 9(sp)\n"
"sw a0, 4 * 10(sp)\n"
"sw a1, 4 * 11(sp)\n"
"sw a2, 4 * 12(sp)\n"
"sw a3, 4 * 13(sp)\n"
"sw a4, 4 * 14(sp)\n"
"sw a5, 4 * 15(sp)\n"
"sw a6, 4 * 16(sp)\n"
"sw a7, 4 * 17(sp)\n"
"sw s0, 4 * 18(sp)\n"
"sw s1, 4 * 19(sp)\n"
"sw s2, 4 * 20(sp)\n"
"sw s3, 4 * 21(sp)\n"
"sw s4, 4 * 22(sp)\n"
"sw s5, 4 * 23(sp)\n"
"sw s6, 4 * 24(sp)\n"
"sw s7, 4 * 25(sp)\n"
"sw s8, 4 * 26(sp)\n"
"sw s9, 4 * 27(sp)\n"
"sw s10, 4 * 28(sp)\n"
"sw s11, 4 * 29(sp)\n"
"csrr a0, sscratch\n"
"sw a0, 4 * 30(sp)\n"
"mv a0, sp\n"
"call handle_trap\n"
"lw ra, 4 * 0(sp)\n"
"lw gp, 4 * 1(sp)\n"
"lw tp, 4 * 2(sp)\n"
"lw t0, 4 * 3(sp)\n"
"lw t1, 4 * 4(sp)\n"
"lw t2, 4 * 5(sp)\n"
"lw t3, 4 * 6(sp)\n"
"lw t4, 4 * 7(sp)\n"
"lw t5, 4 * 8(sp)\n"
"lw t6, 4 * 9(sp)\n"
"lw a0, 4 * 10(sp)\n"
"lw a1, 4 * 11(sp)\n"
"lw a2, 4 * 12(sp)\n"
"lw a3, 4 * 13(sp)\n"
"lw a4, 4 * 14(sp)\n"
"lw a5, 4 * 15(sp)\n"
"lw a6, 4 * 16(sp)\n"
"lw a7, 4 * 17(sp)\n"
"lw s0, 4 * 18(sp)\n"
"lw s1, 4 * 19(sp)\n"
"lw s2, 4 * 20(sp)\n"
"lw s3, 4 * 21(sp)\n"
"lw s4, 4 * 22(sp)\n"
"lw s5, 4 * 23(sp)\n"
"lw s6, 4 * 24(sp)\n"
"lw s7, 4 * 25(sp)\n"
"lw s8, 4 * 26(sp)\n"
"lw s9, 4 * 27(sp)\n"
"lw s10, 4 * 28(sp)\n"
"lw s11, 4 * 29(sp)\n"
"lw sp, 4 * 30(sp)\n"
"sret\n"
);
}以下是一些重點：
sscratch暫存器被用來暫存發生例外時的堆疊指標（stack pointer），稍後會被還原。- 內核中並不使用浮點暫存器，因此這裡不需要儲存它們。一般而言，它們會在執行緒切換（thread switching）時儲存與還原。
- 堆疊指標會被存入
a0暫存器中，接著呼叫handle_trap函數。在這個時間點，sp 所指向的位置會包含暫存器的值，這些值的排列方式與後面會定義的trap_frame結構一致。 - 加上
__attribute__((aligned(4)))是為了讓函數起始地址對齊至 4 位元組（byte）邊界。這是因為stvec暫存器除了保存例外處理器的位址外，低兩個位元還會表示例外處理的模式（mode）。
NOTE
例外處理器的進入點是整個內核中最關鍵且最容易出錯的地方之一。細讀程式碼你會發現，所有通用暫存器（general-purpose registers） 原始 的值都會被保存到堆疊中，就連 sp 也透過 sscratch 暫存。 如果你不小心覆寫了 a0 暫存器的值，可能會導致非常難以除錯的問題，例如「區域變數的值莫名其妙被改變」。請務必完美儲存執行狀態，才不會在週六晚上浪費時間抓蟲。 在這個進入點中，我們會呼叫下列用我們最熟悉的 C 語言所寫的 handle_trap 函式來處理例外狀況：
void handle_trap(struct trap_frame *f) {
uint32_t scause = READ_CSR(scause);
uint32_t stval = READ_CSR(stval);
uint32_t user_pc = READ_CSR(sepc);
PANIC("unexpected trap scause=%x, stval=%x, sepc=%x\n", scause, stval, user_pc);
}它會讀取造成例外的原因，並觸發一次內核恐慌（kernel panic），以便除錯使用。
接下來，我們在 kernel.h 中定義這裡所使用的各種巨集（macros）：
#include "common.h"
struct trap_frame {
uint32_t ra;
uint32_t gp;
uint32_t tp;
uint32_t t0;
uint32_t t1;
uint32_t t2;
uint32_t t3;
uint32_t t4;
uint32_t t5;
uint32_t t6;
uint32_t a0;
uint32_t a1;
uint32_t a2;
uint32_t a3;
uint32_t a4;
uint32_t a5;
uint32_t a6;
uint32_t a7;
uint32_t s0;
uint32_t s1;
uint32_t s2;
uint32_t s3;
uint32_t s4;
uint32_t s5;
uint32_t s6;
uint32_t s7;
uint32_t s8;
uint32_t s9;
uint32_t s10;
uint32_t s11;
uint32_t sp;
} __attribute__((packed));
#define READ_CSR(reg) \
({ \
unsigned long __tmp; \
__asm__ __volatile__("csrr %0, " #reg : "=r"(__tmp)); \
__tmp; \
})
#define WRITE_CSR(reg, value) \
do { \
uint32_t __tmp = (value); \
__asm__ __volatile__("csrw " #reg ", %0" ::"r"(__tmp)); \
} while (0)trap_frame 結構（struct）代表了在 kernel_entry 中儲存的程式狀態。READ_CSR 與 WRITE_CSR 是用來讀寫 CSR（Control and Status Register）的便利巨集。
最後一件要做的事，就是告訴 CPU 我們的例外處理函式（exception handler）在哪裡。這可以透過在 kernel_main 函式中設定 stvec 暫存器來完成：
void kernel_main(void) {
memset(__bss, 0, (size_t) __bss_end - (size_t) __bss);
WRITE_CSR(stvec, (uint32_t) kernel_entry); // new
__asm__ __volatile__("unimp"); // new除了設定 stvec 暫存器之外，它還執行了 unimp 指令。這是一個偽指令（pseudo instruction），會觸發非法指令例外（illegal instruction exception）。
NOTE
unimp 是一個「偽指令」。
根據 RISC-V 組合語言程式設計手冊，組譯器會將 unimp 轉換為以下指令：
csrrw x0, cycle, x0這行指令試圖將 cycle 暫存器的值寫入 x0，同時從 x0 讀出。但由於 cycle 是唯讀（read-only）暫存器，CPU 會判定這是無效指令，並觸發非法指令例外。
試試看吧！
讓我們實際執行它，確認例外處理器（exception handler）是否有被呼叫：
$ ./run.sh
Hello World!
PANIC: kernel.c:47: unexpected trap scause=00000002, stval=ffffff84, sepc=8020015e根據規範，當 scause 的值為 2 時，表示「非法指令（Illegal instruction）」，也就是程式嘗試執行一條無效的指令。這正是我們使用 unimp 指令所預期觸發的行為！ 接下來，我們也來檢查 sepc（Supervisor Exception Program Counter）的值是指向哪裡。如果它指向的是執行 unimp 指令的那一行，那就表示整個例外處理流程運作正確:
$ llvm-addr2line -e kernel.elf 8020015e
/Users/seiya/os-from-scratch/kernel.c:129