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RISC-V工作模式及寄存器基本知识

RISC-V总共有四种工作模式,分别是U、S、H和M模式:

Level Encoding Name Abbreviation
0 00 User/Application U
1 01 Suppervisor S
2 10 Reserved
3 11 Machine M

U模式被编码为00,S模式编码为01,H模式编码为10,M模式编码为11。Level越高,等级越高。等级越高,拥有的访问权限也更高。按照特权等级,由高到低依次为M、H、S、U。

上表中编码为10的模式是保留的,这个模式实际上就是H模式,H模式是用作虚拟化,但是目前RISC-V对虚拟化还不太完善,基本不支持。因此上表并没有将H模式标出来,而是作为保留。也正是因此,有人经常将RISC-V的模式说成三种U、S和M。

  • U模式:User,用户模式
  • S模式:Supervisor,监管者模式
  • M模式:Machine,机器模式

以RISC-V Linux为例,Linux应用程序处于U模式,Linux内核/uboot处于S模式,M模式则是OpenSBI。M模式拥有最高访问权限,Linux内核如果要访问CSR寄存器,则必须由S模式切换到M模式,由OpenSBI读取CSR寄存器,然后将数据返回给内核。

M模式是必须要选择的,RISC-V的裸机代码都运行在M模式下。

RISC-V通用寄存器

寄存器 ABI名称 说明
x0 zero 0值寄存器,硬编码为0,写入数据忽略,读取数据为0
x1 ra 用于返回地址(return address)
x2 sp 用于栈指针(stack pointer)
x3 gp 用于通用指针(global pointer)
x4 tp 用于线程指针
x5 t0 用于存放临时数据或者备用链接寄存器
x6~x7 t1~t2 用于存放临时数据寄存器
x8 s0/fp 需要保存的寄存器或者帧指针寄存器
x9 s1 需要保存寄存器
x10~x11 a0~a1 函数参数或者返回值寄存器
x12~x17 a2-a7 函数传递参数寄存器
x18~x27 s2-s11 需要保存的寄存器
x28~x31 t3~t6 用于存放临时数据寄存器

RISC-V有x0~x31共32个通用寄存器,每个通用寄存器都有各自的用途,例如x2是作为sp栈指针、a0 ~ a1用来保存函数参数或返回值。x0寄存器被硬编码为了0,就是个0值寄存器。

ABI名称相当于这些通用寄存器的别名,在RISC-V汇编当中,都使用ABI名称来代表这些寄存器。

RISC-V CSR寄存器

CSR是控制状态寄存器,RISC-V中CSR寄存器,需要使用csrr、csrw、csrrw等特定指令进行访问。

M模式和S模式都有自己的CSR寄存器,但是大体上相同。下面列举一些常用的CSR。

M模式CSR寄存器

mstatus

状态寄存器,保存了全局中断使能状态和其他状态,例如切换模式前,保存当前模式。

mtvec

异常入口基地址寄存器。保存发生异常时需要跳转的地址。

medeleg 和 mideleg

medeleg是异常委托,mideleg是中断委托。例如,在M模式下发生异常或中断时,可以通过这两个寄存器,将中断/异常交给S模式或者其他模式处理。

mip 和 mie

mie是中断使能寄存器,对需要使能的中断,在对应位使能。

mip是中断等待寄存器,表示目前正准备处理的中断。

hpm

全称Hardware Performance Monitor,硬件性能单元,用于性能计数。包括了两类寄存器:mhpmcounter和mhpmevent

  • mhpmcounter:性能计数器
  • mhpmevent:用于配置性能事件

mcounteren 和 mcountinhibit

这两个也是hpm相关的寄存器,主要用于控制hpm的使能、计数禁止。

  • mcounteren:计数器使能
  • mcountinhibit:禁止计数

mscratch

用于保存M模式指向hart上下文的指针,并在进入M模式的处理程序时,和用户寄存器交换。

mepc

发生中断时,当前程序的PC值,保存在mepc中,中断返回时,会从mepc读取PC值。

mcause

用于保存发生中断或异常的情况,中断和异常描述如下:

Interrupt Exception Description
1 0 Reserved
1 1 Supervisor software interrupt
1 2 Reserved
1 3 Machine software interrupt
1 4 Reserved
1 5 Supervisor timer interrupt
1 6 Reserved
1 7 Machine timer interrupt
1 8 Reserved
1 9 Supervisor external interrupt
1 10 Reserved
1 11 Machine external interrupt
1 12-15 Reserved
1 >=16 Designated for platform use
0 0 Instruction address misaligned
0 1 Instruction access fault
0 2 Illegal Instruction
0 3 Breakpoint
0 4 Load address misaligned
0 5 Load access fault
0 6 Store/AMO address misaligned
0 7 Store/AMO access fault
0 8 Environment call from U-mode
0 9 Environment call from S-mode
0 10 Reserved
0 11 Environment call from M-mode
0 12 Instruction page fault
0 13 Load page fault
0 14 Reserved
0 15 Store/AMO page fault
0 16-23 Reserved
0 24-31 Designated for custom use
0 32-47 Reserved
0 48-63 Designated for custom use
0 >=64 Reserved

上表中1代表中断,0代表异常,每个异常/中断都有对应的编码值,通过mcause的值,可以很清楚的知道发生了什么中断或异常,特别在调试过程, mcause 发挥了很大作用。

mvtal

异常值寄存器,例如发生异常时,保存出错的地址。

S模式CSR寄存器

S模式的CSR和M模式基本上是一样的,只不过将第一个字母m改为了s,例如 mcause 改为了 scause , mvtal 改为了 svtal 。它们的功能基本相同,不再赘述。

要注意的是,S模式除了拥有M模式相同功能的CSR外,另外还增加了一个 stap 寄存器。

stap

stap 寄存器主要是给MMU使用, stap 寄存器保存了页表的基地址,MMU通过 stap 可以找到第一级页表,进而找到物理地址。

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