1.3　RISC-V寄存器

1.3.1　通用寄存器

64位/32位的RISC-V體系結(jié)構(gòu)提供32個(gè)64位/32位的整型通用寄存器，分別是x0～x31寄存器，如圖1.5所示。對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，64位的RISC-V體系結(jié)構(gòu)也提供32個(gè)浮點(diǎn)數(shù)通用寄存器，分別是f0～f31寄存器。

RISC-V的通用寄存器通常具有別名和特殊用途，在書(shū)寫(xiě)匯編指令時(shí)可以直接使用別名。

● x0寄存器的別名為zero。寄存器的內(nèi)容全是0，可以用作源寄存器，也可以用作目標(biāo)寄存器。

● x1寄存器的別名為ra——鏈接寄存器，用于保存函數(shù)返回地址。

● x2寄存器的別名為sp——棧指針寄存器，指向棧的地址。

圖1.5　RISC-V整型通用寄存器

● x3寄存器的別名為gp——全局寄存器，用于鏈接器松弛優(yōu)化。

● x4寄存器的別名為tp——線程寄存器，通常在操作系統(tǒng)中用于保存指向進(jìn)程控制塊——task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。

● x5～x7以及x28～x31寄存器為臨時(shí)寄存器，它們的別名分別是t0～t6。

● x8～x9以及x18～x27寄存器的別名分別是s0～s11。如果函數(shù)調(diào)用過(guò)程中要使用這些寄存器，需要先保存到棧里。另外，s0寄存器可以用作棧幀指針（Frame Pointer，F(xiàn)P）。

● x10～x17寄存器的別名分別為a0～a7，用于在調(diào)用函數(shù)時(shí)傳遞參數(shù)和返回結(jié)果。

除用于數(shù)據(jù)運(yùn)算和存儲(chǔ)之外，通用寄存器還可以在函數(shù)調(diào)用過(guò)程中起到特殊作用。RISC-V體系結(jié)構(gòu)的函數(shù)調(diào)用規(guī)范對(duì)此有約定，詳見(jiàn)第4章。

1.3.2　系統(tǒng)寄存器

除上面介紹的通用寄存器之外，RISC-V體系結(jié)構(gòu)還定義了很多的系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器（Control and Status Register，CSR），通過(guò)訪問(wèn)和設(shè)置這些系統(tǒng)寄存器可以完成對(duì)處理器不同的功能配置。

RISC-V體系結(jié)構(gòu)支持以下3類(lèi)系統(tǒng)寄存器。

● M模式的系統(tǒng)寄存器。

● S模式的系統(tǒng)寄存器。

● U模式的系統(tǒng)寄存器。

程序可以通過(guò)CSR指令（如CSRRW指令）訪問(wèn)系統(tǒng)寄存器，詳見(jiàn)3.11節(jié)。

CSR指令編碼中預(yù)留了12位編碼空間（csr[11:0]）用來(lái)索引系統(tǒng)寄存器，如圖1.6所示，即指令編碼中的Bit[31:20]。

圖1.6　CSR指令編碼

RISC-V體系結(jié)構(gòu)對(duì)12位CSR編碼空間做了約定。其中，Bit[11:10]用來(lái)表示系統(tǒng)寄存器的讀寫(xiě)屬性，0b11表示只讀，其余表示可讀可寫(xiě)。Bit[9:8]表示允許訪問(wèn)該系統(tǒng)寄存器的處理器模式，0b00表示U模式，0b01表示S模式，0b10表示HS/VS模式，0b11表示M模式。剩余的位用作寄存器的索引。使用CSR地址的最高位對(duì)默認(rèn)的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行編碼，簡(jiǎn)化了硬件中的錯(cuò)誤檢查流程，并提供了更大的CSR編碼空間，但限制了CSR到地址空間的映射。CSR地址空間映射如表1.3所示。

表1.3　CSR地址空間映射

注：① CSR編碼中的“X”可以是0或1。

下面的訪問(wèn)行為會(huì)觸發(fā)非法指令異常。

● 訪問(wèn)不存在或者沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)寄存器。

● 嘗試寫(xiě)入只具有只讀屬性的系統(tǒng)寄存器。

● 在低級(jí)別的處理器模式下訪問(wèn)高級(jí)別的處理器模式的系統(tǒng)寄存器，例如，在S模式下訪問(wèn)M模式的系統(tǒng)寄存器。

1.3.3　U模式下的系統(tǒng)寄存器

U模式下的系統(tǒng)寄存器如表1.4所示。

表1.4　U模式下的系統(tǒng)寄存器

RDCYCLE偽指令讀取cycle系統(tǒng)寄存器的值，返回處理器內(nèi)核執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)。注意，它返回的是物理處理器內(nèi)核（而不是處理器硬件線程）的時(shí)鐘周期數(shù)。RDCYCLE偽指令的主要作用是進(jìn)行性能監(jiān)控和調(diào)優(yōu)。

RDTIME偽指令讀取time系統(tǒng)寄存器的值，獲取系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間。系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)讀取互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）上的RTC（Real Time Clock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘）計(jì)數(shù)，時(shí)鐘中斷時(shí)更新該計(jì)數(shù)。

RDINSTRET偽指令讀取instret系統(tǒng)寄存器的值，返回處理器執(zhí)行線程已經(jīng)執(zhí)行的指令數(shù)量。

hpmcounter3～hpmcounter31為29個(gè)用于系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)的寄存器，這些計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)記錄平臺(tái)的事件，并通過(guò)額外的特權(quán)寄存器進(jìn)行配置。

RDCYCLE、RDTIME以及RDINSTRET偽指令在某些處理器上是通過(guò)SBI固件進(jìn)行軟件模擬實(shí)現(xiàn)的。例如，在U模式下使用RDTIME偽指令會(huì)觸發(fā)非法指令異常，處理器將陷入M模式，M模式下的異常處理程序會(huì)讀取time系統(tǒng)寄存器的值，然后返回U模式。

1.3.4　S模式下的系統(tǒng)寄存器

S模式下的系統(tǒng)寄存器如表1.5所示。

表1.5　S模式下的系統(tǒng)寄存器

接下來(lái)，介紹表1.5中的部分寄存器。

1．sstatus寄存器

sstatus寄存器表示S模式下的處理器狀態(tài)，如圖1.7所示。

圖1.7　sstatus寄存器

圖1.7中的WPRI表示這些字段是保留的，軟件應(yīng)該忽略從這些字段讀取的值，并且在向同一寄存器的其他字段寫(xiě)入值時(shí)，應(yīng)該保留這些字段中保存的值。通常，為了向前兼容，硬件會(huì)將這些字段設(shè)為只讀的零值。sstatus寄存器中其他字段的含義如表1.6所示。

表1.6　sstatus寄存器中其他字段的含義

2．sie寄存器

sie寄存器用來(lái)使能和關(guān)閉S模式下的中斷，詳見(jiàn)第8章。

3．stvec寄存器

stvec寄存器用來(lái)在S模式下配置異常向量表入口地址和異常訪問(wèn)模式，詳見(jiàn)第8章。

4．scounteren寄存器

scounteren寄存器是一個(gè)32位寄存器，用來(lái)使能U模式下的硬件性能監(jiān)測(cè)和計(jì)數(shù)寄存器，如圖1.8所示。

圖1.8　scounteren寄存器

各字段的含義如下。

● CY字段：使能U模式下的cycle系統(tǒng)寄存器。

● TM字段：使能U模式下的time系統(tǒng)寄存器。

● IR字段：使能U模式下的instret系統(tǒng)寄存器。

● HPM3～HPM31字段：使能U模式下的hpmcounter3～hpmcounter31系統(tǒng)寄存器。

5．sscratch寄存器

sscratch寄存器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)給S模式使用的臨時(shí)寄存器，當(dāng)處理器運(yùn)行在U模式下時(shí)，它用來(lái)保存S模式下的進(jìn)程控制塊（例如，BenOS中的task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）的指針。

在操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程從S模式返回U模式時(shí)，通常使用sscratch寄存器來(lái)保存該進(jìn)程的task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。當(dāng)該進(jìn)程需要重新返回S模式時(shí)，讀取sscratch寄存器即可得到task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有人認(rèn)為，進(jìn)程可以在U模式下調(diào)度。這是不正確的，一個(gè)進(jìn)程要調(diào)度，必須返回S模式下的調(diào)度器里（見(jiàn)17.3.8小節(jié)）。

6．sepc寄存器

當(dāng)處理器陷入S模式時(shí)，會(huì)把中斷現(xiàn)場(chǎng)或觸發(fā)異常時(shí)的指令對(duì)應(yīng)的虛擬地址寫(xiě)入sepc寄存器中。

7．scause寄存器

scause寄存器用于保存S模式下的異常原因，詳見(jiàn)第8章。

8．stval寄存器

當(dāng)處理器陷入S模式時(shí)，stval寄存器會(huì)記錄發(fā)生異常的虛擬地址。

9．sip寄存器

sip寄存器用來(lái)表示哪些中斷處于待定（pending）狀態(tài)，詳見(jiàn)第8章。

10．satp寄存器

satp寄存器用于地址轉(zhuǎn)換，詳見(jiàn)第10章。

1.3.5　M模式下的系統(tǒng)寄存器

M模式下的系統(tǒng)寄存器如表1.7所示。

表1.7　M模式下的系統(tǒng)寄存器

接下來(lái)，介紹表1.7中常用的寄存器。

1．misa寄存器

misa寄存器用來(lái)表示處理器支持的指令集體系結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展，如圖1.9所示。

圖1.9　misa寄存器

字段的含義如下。

● Extensions：表示處理器支持的擴(kuò)展，如表1.8所示。

● MXL：表示M模式下寄存器的長(zhǎng)度。

◇ 1：表示32位。

◇ 2：表示64位。

◇ 3：表示128位。

表1.8　處理器支持的擴(kuò)展

2．mvendorid寄存器

mvendorid寄存器是一個(gè)32位只讀寄存器，遵循JEDEC制造商ID規(guī)范。

3．marchid寄存器

marchid寄存器用于返回處理器體系結(jié)構(gòu)ID，該ID由RISC-V基金會(huì)統(tǒng)一分配。

4．mimpid寄存器

mimpid寄存器用于返回處理器的實(shí)現(xiàn)版本ID。

5．mhartid寄存器

mhartid寄存器用于返回處理器硬件線程ID。多核處理器中硬件線程的ID不一定是連續(xù)編號(hào)的，但至少有一個(gè)硬件線程的ID為0，同時(shí)需保證運(yùn)行環(huán)境中硬件線程的ID互不相同。

6．mstatus寄存器

mstatus寄存器表示M模式下的處理器狀態(tài)，如圖1.10所示。

圖1.10　mstatus寄存器

mstatus寄存器中部分字段的含義如表1.9所示。

表1.9　mstatus寄存器中部分字段的含義

7．medeleg寄存器

medeleg寄存器用于把異常委托到S模式下處理，詳見(jiàn)第8章。

8．mideleg寄存器

mideleg寄存器用于把中斷委托到S模式下處理，詳見(jiàn)第8章。

9．mie寄存器

mie寄存器用來(lái)使能和關(guān)閉M模式下的中斷，詳見(jiàn)第8章。

10．mtval寄存器

當(dāng)處理器陷入M模式時(shí)，mtval寄存器記錄發(fā)生異常的虛擬地址。

11．mcounteren寄存器

mcounteren寄存器是一個(gè)32位寄存器，用來(lái)使能S模式或者U模式下的硬件性能監(jiān)測(cè)和計(jì)數(shù)寄存器，如圖1.11所示。

圖1.11　mcounteren寄存器

字段的含義如下。

● CY字段：使能S模式或者U模式下的cycle系統(tǒng)寄存器。

● TM字段：使能S模式或者U模式下的time系統(tǒng)寄存器。

● IR字段：使能S模式或者U模式下的instret系統(tǒng)寄存器。

● HPM3～HPM31字段：使能S模式或者U模式下的hpmcounter3～hpmcounter31系統(tǒng)寄存器。

12．mscratch寄存器

mscratch寄存器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)給M模式使用的臨時(shí)寄存器，當(dāng)處理器運(yùn)行在S模式或者U模式下時(shí)，它用來(lái)保存M模式中上下文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。例如，在MySBI固件中用來(lái)保存M模式下的棧指針（ Stack Pointer，SP），在OpenSBI中用來(lái)保存M模式下的sbi_scratch數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

13．mepc寄存器

當(dāng)處理器陷入M模式時(shí)，會(huì)將中斷或遇到異常的指令的虛擬地址寫(xiě)入mepc寄存器中。

14．mcause寄存器

mcause寄存器是M模式下的異常原因寄存器，詳見(jiàn)第8章。

15．mip寄存器

mip寄存器用來(lái)表示哪些中斷處于待定狀態(tài)，詳見(jiàn)第8章。