从头开发一个RISC-V的操作系统(二)RISC-V 指令集架构介绍

目标：通过这一个系列课程的学习，开发出一个简易的在RISC-V指令集架构上运行的操作系统。

前提

这个系列的大部分文章和知识来自于：[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春，以及相关的github地址。

在这个过程中，这个系列相当于是我的学习笔记，做个记录。

ISA的基本介绍

ISA是什么

指令集架构(ISA)是底层硬件电路向上层软件程序提供的一层接口规范。这样就为上层软件提供了一层抽象，让使用者不用操心具体的电路结构。

CISC vs RISC

复杂指令集(CISC)：它针对特定的功能实现特定的指令，导致指令数目多，但生成的程序长度较短。
精简指令集(RISC)：只定义常用指令，对复杂的功能采用常用指令组合进行实现。导致指令数目比较精简，但是生成的程序长度较长。‘

ISA的宽度

这块需要重点理解。
ISA(处理器)的宽度指的是CPU中通用寄存器 的宽度(bit数)，这决定了寻址范围的大小，以及数据运算的能力。
举个例子：32位的CPU，它的通用寄存器的宽度为32bit。如果我们给内存中的每一个空间进行编号，那么我们最多可以有多少个编号呢？(也就是最多可以找到多个地址呢？)
答案应该是$2^{32}$个编号。假如通用寄存器的宽度位2bit，最多可以有$2^2=4$个编号，00,01,10,11。这里也就可以回答为什么32位的CPU的内存空间最大是4GB，因为CPU最多可以寻址的内存单元数量为2的32次方，即4,294,967,296个单元，同时由于内存寻址是以字节为单位的，因此32位寻址架构可以寻址的最大内存量为4GB（4,294,967,296字节）。

注：ISA的宽度和指令编码长度无关。

RISC-V指令集

RISC-V 代表这Berkeley所研发的第五代精简指令集，该项目2010年始于加州大学伯克利分校。

RISC-V ISA的命名规范

ISA的命名格式：RV[###][abc…xyz]
其中：RV用于表示RISC-V体系结构的前缀，即RISC-V的缩写；[xxx] {32,64,128}，处理器的通用寄存器的宽度；[abc..xyz]标识该处理器支持的指令集模块集合。

模块化的ISA

RISC-V的ISA是模块的ISA，模块化ISA的概念是：由1个基本整数指令集+多个可选的扩展指令集组成。基础指令集是固定的，永远不会变。

通用寄存器

RISC-V的非特权规格书(Unprivileged Specification)定义了32个通用寄存器以及一个PC寄存器(无法访问)，寄存器的宽度由ISA指令，RV32的寄存器宽度为32bit，RV64的寄存器宽度为64bit。

Hart

HART = Hardware Thread()
这个属于是RISC-V中自己建立的，我的理解就是我们所说的CPU中核的概念，一个CPU有几个核对应到RISC-V中就是有几个Hart。

特权级别

RISC-V的特权规格书(Privileged Specification)定义了三个特权级别。这个可以理解为CPU的三种状态。我们知道Linux操作系统中有用户态和内核态。当我们的程序运行在用户态时，对应的就是进入User态，当运行在内核态，对应的就是进入Supervisor态。如果这里不太理解，可参考视频中的P4节。

Machine(机器态)级别是最高的，所有的实现都需要支持。

不同特权级别下分别对应各自的一套Registers(CSR)，用于控制和获取相应Level下的处理器工作状态。高级别的特权级别下可以访问低级别的CSR，例如Machine可以访问Supervisor/User的CSR，但反之不可以。RISC-V定义了专门用于操作CSR的指令，同时也定义了特定的指令用于在不同级别中进行切换。

内存管理与保护

物理内存保护

虚拟内存：启用虚拟内存需要支持Supervisor Level。物理内存和虚拟内存之间的映射实际上是通过硬件实现的，我们称之为MMU(内存管理单元)

异常和中断

异常(Exception)，当遇到异常指令时，CPU会执行一段异常处理程序。处理完毕后，它会再次执行这条异常指令，然后继续向下执行。主动触发

中断(Interrupt)，当遇到中断时，CPU会执行中断程序，处理完毕后，它会从中断指令的下一条指令开始执行。被动触发