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。