RISC-V 与中断相关的寄存器和指令

[info] 回顾：RISC-V 中的机器态（Machine Mode，机器模式，M 模式）

  • 是 RISC-V 中的最高权限模式，一些底层操作的指令只能由机器态进行使用。
  • 是所有标准 RISC-V 处理器都必须实现的模式。
  • 默认所有中断实际上是交给机器态处理的，但是为了实现更多功能，机器态会将某些中断交由内核态处理。这些异常也正是我们编写操作系统所需要实现的。

回顾：RISC-V 中的内核态（Supervisor Mode，内核模式，S 模式）

  • 通常为操作系统使用，可以访问一些 supervisor 级别的寄存器，通过这些寄存器对中断和虚拟内存映射进行管理。
  • Unix 系统中，大部分的中断都是内核态的系统调用。机器态可以通过异常委托机制（Machine Interrupt Delegation）将一部分中断设置为不经过机器态，直接由内核态处理

在实验中，我们主要关心的就是内核态可以使用的一些特权指令和寄存器。其中关于中断的会在本章用到，而关于内存映射的部分将会在第三部分用到。

与中断相关的寄存器

在内核态和机器态中，RISC-V 设计了一些 CSR（Control and Status Registers）寄存器用来保存控制信息。目前我们关心的是其中涉及到控制中断的寄存器。

发生中断时，硬件自动填写的寄存器

  • sepc
    即 Exception Program Counter，用来记录触发中断的指令的地址。

    和我们之前学的 MIPS 32 系统不同，RISC-V 中不需要考虑延迟槽的问题。但是 RISC-V 中的指令不定长，如果中断处理需要恢复到异常指令后一条指令进行执行，就需要正确判断将 pc 寄存器加上多少字节。

  • scause
    记录中断是否是硬件中断，以及具体的中断原因。

  • stval
    scause 不足以存下中断所有的必须信息。例如缺页异常，就会将 stval 设置成需要访问但是不在内存中的地址，以便于操作系统将这个地址所在的页面加载进来。

指导硬件处理中断的寄存器

  • stvec
    设置内核态中断处理流程的入口地址。存储了一个基址 BASE 和模式 MODE：

    • MODE 为 0 表示 Direct 模式，即遇到中断便跳转至 BASE 进行执行。

    • MODE 为 1 表示 Vectored 模式，此时 BASE 应当指向一个向量，存有不同处理流程的地址，遇到中断会跳转至 BASE + 4 * cause 进行处理流程。

  • sstatus
    具有许多状态位，控制全局中断使能等。

  • sie
    即 Supervisor Interrupt Enable，用来控制具体类型中断的使能，例如其中的 STIE 控制时钟中断使能。

  • sip
    即 Supervisor Interrupt Pending，和 sie 相对应，记录每种中断是否被触发。仅当 sie 和 sip 的对应位都为 1 时，意味着开中断且已发生中断，这时中断最终触发。

sscratch

（这个寄存器的用处会在实现线程时起到作用，目前仅了解即可）

在用户态，sscratch 保存内核栈的地址；在内核态，sscratch 的值为 0。

为了能够执行内核态的中断处理流程，仅有一个入口地址是不够的。中断处理流程很可能需要使用栈，而程序当前的用户栈是不安全的。因此，我们还需要一个预设的安全的栈空间，存放在这里。

在内核态中，sp 可以认为是一个安全的栈空间，sscratch 便不需要保存任何值。此时将其设为 0，可以在遇到中断时通过 sscratch 中的值判断中断前程序是否处于内核态。

与中断相关的指令

进入和退出中断

  • ecall
    触发中断，进入更高一层的中断处理流程之中。用户态进行系统调用进入内核态中断处理流程，内核态进行 SBI 调用进入机器态中断处理流程，使用的都是这条指令。

  • sret
    从内核态返回用户态，同时将 pc 的值设置为 sepc。（如果需要返回到 sepc 后一条指令，就需要在 sret 之前修改 sepc 的值）

  • ebreak
    触发一个断点。

  • mret
    从机器态返回内核态，同时将 pc 的值设置为 mepc。

操作 CSR

只有一系列特殊的指令（CSR Instruction）可以读写 CSR。尽管所有模式都可以使用这些指令，用户态只能只读的访问某几个寄存器。

为了让操作 CSR 的指令不被干扰，许多 CSR 指令都是结合了读写的原子操作。不过在实验中，我们只用到几个简单的指令。

  • csrrw dst, csr, src（CSR Read Write）
    同时读写的原子操作，将指定 CSR 的值写入 dst，同时将 src 的值写入 CSR。

  • csrr dst, csr（CSR Read）
    仅读取一个 CSR 寄存器。

  • csrw csr, src（CSR Write）
    仅写入一个 CSR 寄存器。

  • csrc(i) csr, rs1（CSR Clear）
    将 CSR 寄存器中指定的位清零，csrc 使用通用寄存器作为 mask，csrci 则使用立即数。

  • csrs(i) csr, rs1（CSR Set）
    将 CSR 寄存器中指定的位置 1，csrc 使用通用寄存器作为 mask，csrci 则使用立即数。

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RISC-V 官方文档：

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