RISC-V(2)——特权级及特权指令集

目录

1.  特权级

2. 控制和状态寄存器（CSR）

2.1 分类

 2.2 分析    

---

 

1.  特权级

        一个 RISC-V 硬件线程（hart）是运行在某个特权级上的，这个特权级被编码到一个或者多个 CSR（control and status register，控制和状态寄存器）中的一种模式。

        当前定义了四种特权级，如下所示。 

级别	编码	名字	缩写
0	00	用户模式	U
1	01	管理员/监管者模式	S
2	10	保留	H
3	11	机器模式	M

•         特权级的作用：被用于在不同的软件栈部件之间提供保护；
•         现象：试图执行当前特权模式不允许的操作， 将导致一个异常的产生。这些异常通常会导致下层执行环境或者 HAL 产生自陷（trap）。

        机器级是最高级特权，也是 RISC-V 硬件平台唯一必须的特权级。

• 机器模式（M-mode）：代码是固有可信的（inherently trusted），因为它可以在低层次访问机器的实现；
• 用户模式（U-mode）：被用于传统应用程序；
• 管理员模式（S-mode）：被分别用于操作系统；

        所有硬件实现必须提供M-mode，因为这是唯一的模式，可以不受限制地访问整个机器。 最简单的RISC-V实现可以仅提供M-mode，虽然这样做不能为防止不正确的、恶意应用代码提供保护。许多RISC-V实现还支持至少一个用户模式（U-mode），以对系统的其他部分进行保护，防止被应用程序代码破坏。管理员模式（S-mode）可被加入，以在管理员级操作系统和SEE、HAL之间提供隔离。

        一个 hart（硬件线程）通常在 U-mode 下运行应用程序，直到某些自陷（例如一个管理 员调用或者一个定时器中断）强制切换到一个自陷处理函数（trap handler），这个自陷处理 函数通常运行在更特权的模式下。然后这个线程将执行这个自陷处理器函数，它最终在 U-mode 下，在引起自陷的指令处或之后，继续线程执行。提升特权基级别的自陷称为垂直 自陷（vertical trap），而保持在同样特权级别的自陷称为水平自陷（horizontal trap）。RISC-V 特权体系结构提供了将自陷灵活地路由到不同的特权层。

2. 控制和状态寄存器（CSR）

2.1 分类

用户级：

管理员级：

 机器级：

 

 2.2 分析    

        高权限模式通常可以使用权限较低的模式的所用功能，并且它们还有一些低权限模式下不可用的额外功能，例如：

• 处理中断和执行 I/O 的功能
• 处理器通常大部分时间都运行在权限最低的模式下
• 处理中断和异常时会将控制权移交到更高权限的模式

RISC-V 特权体系结构定义的所有指令的指令集:

（1）mret、sret、uret

mret、sret或uret指令用于从m模式中的自陷重定向。

（2）sfence.vma

        supervisor-mode fence.virtual memory addreee，刷新当前CPU下的TLB，在多核系统中，如果一个hart修改了页表，执行sfence.vma之后，仅仅是刷新了当前hart的TLB，无法刷新其他hart的TLB。

(3) wfi

等待中断指令。

等待中断指令（WFI）用于提供提示，即当前的hart可以暂停，直到有需要处理的中断。WFI指令的执行也可以用于通知硬件平台适当的中断应该优先路由到该hart。WFI可在所有特权模式下使用，也可选择在U模式下使用。
当在mstatus中TW=1时，此指令可能引发非法指令异常。

         如果当硬件线程被暂停时，出现一个使能的中断或者后来出现了一个，将会在下一条指 令处执行中断异常，即自陷处理函数继续执行，并且 mepc＝pc＋4。

（4）寄存器操纵

• csrr，读取一个 CSR 的值到通用寄存器。如：csrr t0, mstatus，读取 mstatus 的值到 t0 中。
• csrw，把一个通用寄存器中的值写入 CSR 中。如：csrw mstatus, t0，将 t0 的值写入 mstatus。
• csrs，把 CSR 中指定的 bit 置 1。如：csrsi mstatus, (1 << 2)，将 mstatus 的右起第 3 位置 1。
• csrc，把 CSR 中指定的 bit 置 0。如：csrci mstatus, (1 << 2)，将 mstatus 的右起第 3 位置 0。
• csrrw，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把另一个值写入该 CSR。如：csrrw t0, mstatus, t0，将 mstatus 的值与 t0 的值交换。
• csrrs，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把该 CSR 中指定的 bit 置 1。
• csrrc，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把该 CSR 中指定的 bit 置 0。