【RISC-V】RISC-V寄存器

一、通用寄存器

32位RISC-V体系结构提供32个32位的整型通用寄存器

寄存器	别名	全称	说明
X0	zero	零寄存器	可做源寄存器(rs)或目标寄存器(rd)
X1	ra	链接寄存器	保存函数返回地址
X2	sp	栈指针寄存器	指向栈的地址
X3	gp	全局寄存器	用于链接器松弛优化
X4	tp	线程寄存器	常用于在OS中保存指向进程控制块(task_struct)数据结构的指针
X5 ~ X7 X28 ~ X31	t0 ~ t6	临时寄存器
X8	s0/fp	帧指针寄存器	用于函数调用，被调用函数需保存数据
X9	s1		用于函数调用 ，被调用函数需要保存的数据
X10 ~ X17	a0 ~ a7		用于函数调用，传递参数和返回值
X18 ~ X27	s2 ~ s11		用于函数调用 ，被调用函数需要保存的数据

二、系统寄存器

系统控制状态寄存器(CSR)。

CSR地址空间映射：

地址范围	bit[11:10]	bit[9:8]	bit[7:4]	访问模式	访问权限
0x000 ~ 0x0FF	00	00	xxxx	U	RW
0x400 ~ 0x4FF	01	00	xxxx	U	RW
0x800 ~ 0x8FF	10	00	xxxx	U	RW(用户自定义系统寄存器)
0xC00 ~ 0xC7F	11	00	0xxx	U	RO
0xC80 ~ 0xCBF	11	00	10xx	U	RO
0xCC0 ~ 0xCFF	11	00	11xx	U	RO
0x100 ~ 0x1FF	00	01	xxxx	S	RW
0x500 ~ 0x57F	01	01	0xxx	S	RW
0x580 ~ 0x5BF	01	01	10xx	S	RW
0x5C0 ~ 0x5FF	01	01	11xx	S	RW(用户自定义系统寄存器)
0x900 ~ 0x97F	10	01	0xxx	S	RW
0x980 ~ 0x9BF	10	01	10xx	S	RW
0x9C0 ~ 0x9FF	10	01	11xx	S	RW(用户自定义系统寄存器)
0xD00 ~ 0xD7F	11	01	0xxx	S	RO
0xD80 ~ 0xDBF	11	01	10xx	S	RO
0xDC0 ~ 0xDFF	11	01	11xx	S	RO(用户自定义系统寄存器)
0x300 ~ 0x3FF	00	11	xxxx	M	RW
0x700 ~ 0x77F	01	11	0xxx	M	RW
0x780 ~ 0x79F	10	11	100x	M	RW
0x7A0 ~ 0x7AF	01	11	1010	M	RW(用于调试寄存器)
0x7B0 ~ 0x7BF	01	11	1011	M	RW(只能用于调试寄存器)
0x7C0 ~ 0x7FF	01	11	11xx	M	RW(用户自定义系统寄存器)
0xB00 ~ 0xB7F	10	11	0xxx	M	RW
0xB80 ~ 0xBBF	10	11	10xx	M	RW
0xBC0 ~ 0xBFF	10	11	11xx	M	RW(用户自定义系统寄存器)
0xF00 ~ 0xF7F	11	11	0xxx	M	RO
0xF80 ~ 0xFBF	11	11	10xx	M	RO
0xFC0 ~ 0xFFF	11	11	11xx	M	RO(用户自定义系统寄存器)

• 出发非法指令异常的行为：
  • 访问不存在或未实现的寄存器；
  • 写入RO的系统寄存器
  • 低级别处理器模式下访问高级别处理器模式的系统寄存器（模式级别：M > S > U）

2.1 U模式 系统寄存器

地址	CSR名称	属性	说明
0x001	fflags	URW	浮点数累积异常(accrued exception)
0x002	frm	URW	浮点数动态舍入模式(dynamic rounding mode)
0x003	fcsr	URW	浮点数控制和状态寄存器
0xC00	cycle	URO	读取时钟周期，映射到RDCYCLE伪指令
0xC01	time	URO	读取time系统寄存器的值，映射到RDTIME伪指令
0xC02	instret	URO	执行指令数目，映射到RDINSTRET伪指令
0xC03 ~ 0xC1F	hpmcounter3 ~hpmcounter31	性能检测寄存器

• 补充：
  • RDCYCLE伪指令读取cycle系统寄存器的值，返回物理处理器内核的时钟周期数（并非处理器硬件线程的始终周期数）。主要用于性能监控和调优；
  • RDTIME伪指令读取time系统寄存器的值，获取系统实际时间。系统每次启动时读取CMOS上的RTC计数值，当时钟中断到来时，更新该计数；
  • RDINSTRET伪指令读取instret系统寄存器的值，返回处理器执行线程已经执行的指令数量；
  • hpmcounter用于系统性能检测的寄存器，这些计数器的计数记录平台的事件，并通过额外的特权寄存器进行配置。

2.2 S模式 系统寄存器

地址	CSR名称	属性	说明
0x100	sstatus	SRW	S模式下的处理器状态寄存器
0x104	sie	SRW	S模式下的中断使能寄存器
0x105	stvec	SRW	S模式下的异常向量表入口地址寄存器
0x106	scounteren	SRW	S模式下的计数使能寄存器
0x10A	senvcfg	SRW	S模式下的环境配置寄存器
0x140	scratch	SRW	用于异常处理的临时寄存器
0x141	sepc	SRW	S模式下的异常模式程序计数器(PC)寄存器
0x142	scause	SRW	S模式下的异常原因寄存器
0x143	stval	SRW	S模式下的异常向量寄存器（记录发生异常的虚拟地址）
0x144	sip	SRW	S模式下的中断待定寄存器
0x180	satp	SRW	S模式下的地址转换与保护寄存器
0x5A8	scontext	SRW	S模式下的上下文寄存器(用于调试)

• 说明：
  • scounteren用于在S模式下，使能U模式下的硬件性能检测和计数寄存器(cycle, time, instret, HPM3~31)
    scratch在从S模式返回U模式时，保存S模式时的进程控制块。

2.3 M模式 系统寄存器

2.3.1 总览表

地址	CSR名称	属性	说明
0xF11	mvendorid	MRO	机器厂商ID寄存器
0xF12	marchid	MRO	处理器体系结构ID寄存器
0xF13	mimpid	MRO	处理器实现版本编号寄存器
0xF14	mhartid	MRO	处理器硬件线程(hart)ID寄存器
0xF15	mconfigptr	MRO	配置数据结构寄存器
0x300	mstatus	MRW	M模式下的处理器状态寄存器
0x301	misa	MRW	指令集体系结构和扩展寄存器
0x302	medeleg	MRW	M模式下的异常委托寄存器，把异常委托到S模式下处理
0x303	mideleg	MRW	M模式下的中断委托寄存器，把中断委托到S模式下处理
0x304	mie	MRW	M模式下的中断使能寄存器
0x305	mtvec	MRW	M模式下的异常向量入口地址寄存器
0x306	mcounteren	MRW	M模式下的计数使能寄存器。用于使能S模式或U模式下的硬件性能检测和计数寄存器。
0x340	mscratch	MRW	用于异常处理的临时寄存器
0x341	mepc	MRW	M模式下的异常模式PC寄存器。处理器陷入M模式时，保存中断或遇到的异常的指令的虚拟地址
0x342	mcause	MRW	M模式下的异常原因寄存器
0x343	mtval	MRW	M模式下的异常向量寄存器。处理器陷入M模式时，mtval记录发生异常的虚拟地址。
0x344	mip	MRW	M模式下的中断待定寄存器。表示哪些中断处与待定状态。
0x34A	mtinst	MRW	M模式下的陷入指令(用于虚拟化)
0x34B	mtval2	MRW	M模式下的异常向量寄存器(用于虚拟化)

2.3.2 补充

2.3.2.1 misa寄存器

• misa：表示处理器支持的体系结构和扩展
  • Extensions(bit[25:0])：表示处理器支持的扩展
  • MXL(bit[63:62)：表示M模式下寄存器长度
    • 1：32位
    • 2：64位
    • 3：128位

位	名称	说明
0	A	原子操作扩展
1	B	位操作扩展
2	C	压缩指令扩展
3	D	双精度浮点数扩展
4	E	RV32E指令集扩展
5	F	单精度浮点数扩展
6	G	保留
7	H	虚拟化扩展
8	I	RV32I/RV64I/RV128I基础指令集扩展
9	J	动态翻译语言扩展
10	K	保留
11	L	保留
12	M	整数乘/除扩展
13	N	用户中断扩展
14	O	保留
15	P	SIMD扩展
16	Q	4倍精度浮点数扩展
17	R	保留
18	S	支持S模式
19	T	保留
20	U	支持U模式
21	V	可伸缩矢量扩展
22	W	保留
23	X	非标准扩展
24	Y	保留
25	Z	保留

2.3.2.2 mstatus寄存器

字段	尾段	说明
UIE	bit[0]
SIE	bit[1]	中断使能位，用于使能和关闭S模式下所有的中断
MIE	bit[3]	中断使能位，用于使能和关闭M模式下所有的中断
SPIE	bit[5]	中断使能保存位。当一个异常陷入S模式时，SIE的值保存到SPIE中，SIE设置为0。当调用SRET指令返回时，从SPIE中恢复SIE，然后SPIE设置为1
UBE	bit[6]	控制U模式下加载和存储指令访问内存的大小端模式。 0：小端。 1：大端。
MPIE	bit[7]	中断使能保存位。当一个异常陷入M模式时，MIE的值保存到MPIE中，MIE设置为0。当调用MRET指令返回时，从MPIE中恢复MIE，然后MPIE设置为1
SPP	bit[8]	陷入S模式之前的CPU处理模式。 0：从U模式陷入到S模式。 1：在S模式触发的异常。
VS	bir[10:9]	使能可伸缩矢量扩展
MPP	bit[12:11]	陷入M模式之前CPU的处理模式。 0：从U模式陷入到M模式。 1：从S模式陷入到M模式 2：在M模式触发的异常。
FS	bit[14:13]	使能浮点数单元
XS	bit[16:15	使能U模式下扩展的其他状态
MPRV	bit[17]	修改有效特权模式： 0：加载和存储指令按照当前的处理器模式进行地址转换和内存保护。 加载和存储指令按照MPP字段中存储的处理器模式的权限进行内存保护与检查
SUM	bit[18]	指定在S模式下是否允许访问U模式的内存。 0：在S模式下访问U模式下的内存是会触发异常。 1：在S模式下可以访问U模式下的内存
MXR	bit[19]	指定访问内存的权限。 0：可以加载只读页面。 1：可以加载可读和可执行的页面
TVM	bit[20] 支持拦截S模式下的虚拟内存管理操作
TW	bit[21]	支持拦截WFI指令。 0：WFI指令可以在低权限模式下执行。 1：
TSR	bit[22]	支持拦截SRET指令。 0：在S模式下正常执行SRET指令。 1：在S模式下执行SRET指令会触发非法指令异常。
UXL	bit[33:32]	U模式下寄存器长度
SXL	bit[35:34]	S模式下寄存器长度
SBE	bit[36]	控制S模式下加载和内存访问的大小端模式。 0：小端。 1：大端。
MBE	bit[37]	控制M模式下加载和内存访问的大小端模式。 0：小端。 1：大端。