Risc-V的三种模式

机器模式（machine-mode）

机器模式（缩写为 M 模式，M-mode）是 RISC-V 中 hart（hardware thread，硬件线程）可以执行的最高权限模式。在 M 模式下运行的 hart 对内存，I/O 和一些对于启动和配置系统来说必要的底层功能有着完全的使用权。

机器模式可以拦截并处理异常，异常被分为两类。一类是同步异常，指执行了无效操作码的指令，或者访问了无效的内存地址。另一类即是中断（软件中断硬件中断）。

机器模式下的异常处理

八个控制状态寄存器（CSR）是机器模式下异常处理的必要部分：

• mtvec（Machine Trap Vector）它保存发生异常时处理器需要跳转到的地址。
• mepc（Machine Exception PC）它指向发生异常的指令。
• mcause（Machine Exception Cause）它指示发生异常的种类。
• mie（Machine Interrupt Enable）它指出目前哪些中断可以被处理。
• mip（Machine Interrupt Pending）保存目前待处理的中断。
• mtval（Machine Trap Value）它保存了陷入（trap）的附加信息：地址例外中出错的地址、发生非法指令例外的指令本身，对于其他异常，它的值为 0。
• mscratch（Machine Scratch）它暂时存放一个字大小的数据。
• mstatus（Machine Status）它保存全局中断开关，以及许多其他的状态，其中包括当前以哪种模式运行

处理器在 M 模式下运行时，只有在全局中断开关 mstatus.MIE=1时才会产生中断.此外，每种类型中断在CSRmie中都有自己的开关。举个例子，xv6在最开始运行时，会在start.c中完成对时钟中断器的初始化。

xv6/kernel/start.c->timerinit()

/**
 * 1. 将mstatus.MIE = 1， 打开了M模式的全局中断开关
 * 2. 将mie.MTIE = 1，   允许了M模式发生时钟中断异常
 */
void timerinit() {
  
  // each CPU has a separate source of timer interrupts.
  int id = r_mhartid();

  // ask the CLINT for a timer interrupt.
  int interval = 1000000; // cycles; about 1/10th second in qemu.
  *(uint64*)CLINT_MTIMECMP(id) = *(uint64*)CLINT_MTIME + interval;

  // prepare information in scratch[] for timervec.
  // scratch[0..3] : space for timervec to save registers.
  // scratch[4] : address of CLINT MTIMECMP register.
  // scratch[5] : desired interval (in cycles) between timer interrupts.
  // 为时钟中断的中断处理函数timervec, 提供一些配置信息
  uint64 *scratch = &mscratch0[32 * id];
  scratch[4] = CLINT_MTIMECMP(id);
  scratch[5] = interval;
  w_mscratch((uint64)scratch);

  // set the machine-mode trap handler.
  // 机器模式下，发生中断时跳转的中断处理函数，在M模式下，仅处理时钟中断异常，所以入口直接设置成了时钟中断处理函数的地址。
  w_mtvec((uint64)timervec);
  // IE->interrupt execption->中断异常
  // enable machine-mode interrupts.
  w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE);

  // enable machine-mode timer interrupts.
  w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
}

如果timerinit()初始化完成后，发生了时钟中断，那么此时寄存器mip的MTIE会置为1，那么此时就会发生中断。

中断什么时候发生？当CPU执行一条指令前，他会去检查一下对应的中断寄存器，对应时钟中断，当检查到mip.MTIE = 1，即此时有一条时钟中断，且对应的mstatus.mie = 1 && mie.MTIE = 1，那么此时就会发生时钟中断。

在机器模式下，当CPU发生发生异常时，硬件会自动做出以下动作：

1. 发生异常指令的PC保存到CSRmepc中，并将PC设置为CSRmtvec的值
2. 根据异常来源设置CSRmcause，将mtval设置为设置为出错的地址或者其他特定的异常信息。
3. 将mstatus.MIE置为0，禁用全局中断，并将mstatus.MIE的值保存到mstatus.MPIE中
4. 将异常前的运行模式保存到mstatus.MPP中，并将运行模式切换到M模式。

此时跳转到mtvec保存的地址中去执行，当返回时，需要依赖mret指令，执行mret执行将会执行上述步骤的逆操作，返回到原先发生异常的状态。

用户模式 （user-mode）

对于简单的嵌入式系统来说，机器模式就够了，而对于操作系统来说，上面运行这很多用户程序，需要保证用户程序间的内存相互隔离，以保证安全性，同时要禁止用户程序使用一些机器特权指令，例如mret等等。防止用户程序越界。

用户代码必须被限制只能访问自己那部分内存。实现了 M 和 U 模式的处理器具有一个叫做物理内存保护（PMP，Physical Memory Protection）的功能，允许 M 模式指定 U 模式可以访问的内存地址。PMP 包括几个地址寄存器（通常为 8 到 16 个）和相应的配置寄存器。这些配置寄存器可以授予或拒绝读、写和执行权限。当处于 U 模式的处理器尝试取指或执行 load 或 store 操作时，将地址和所有的 PMP 地址寄存器比较。如果地址大于等于 PMP 地址 i，但小于 PMP 地址 i+1，则 PMP i+1 的配置寄存器决定该访问是否可以继续，如果不能将会引发访问异常。

管理模式（supervisor-mode）

上一节中描述的 PMP 方案对嵌入式系统的实现很有吸引力，因为它以相对较低的成本提供了内存保护，但它的一些缺点限制了它在通用计算中的使用。由于 PMP 仅支持固定数量的内存区域，因此无法对它进行扩展从而适应复杂的应用程序。而且由于这些区域必须在物理存储中连续，因此系统可能产生存储碎片化的问题。另外，PMP 不能有效地支持对辅存的分页。

更复杂的 RISC-V 处理器用和几乎所有通用架构相同的方式处理这些问题：使用基于页面的虚拟内存。这个功能构成了监管者模式（S 模式）的核心，这是一种可选的权限模式，旨在支持现代类 Unix 操作系统，如 Linux，FreeBSD 和 Windows。S 模式比 U 模式权
限更高，但比 M 模式低。与 U 模式一样，S 模式下运行的软件不能使用 M 模式的 CSR 和指令，并且受到 PMP 的限制。本届介绍 S 模式的中断和异常，下一节将详细介绍 S 模式下的虚拟内存系统。

默认情况下，发生所有异常（不论在什么权限模式下）的时候，控制权都会被移交到M 模式的异常处理程序。但是 Unix 系统中的大多数例外都应该进行 S 模式下的系统调用。M 模式的异常处理程序可以将异常重新导向 S 模式，但这些额外的操作会减慢大多数
异常的处理速度。因此，RISC-V 提供了一种异常委托机制。通过该机制可以选择性地将中断和同步异常交给 S 模式处理，而完全绕过 M 模式。

mideleg（Machine Interrupt Delegation，机器中断委托）CSR 控制将哪些中断委托给 S模式。例如，mideleg[5]对应于 S 模式的时钟中断，如果把它置位，S 模式的时钟中断将会移交 S 模式的异常处理程序，而不是 M 模式的异常处理程序。

sie和sip在S模式下的作用等同于mie和mip在M模式下的作用。

同样的，处理中断委托外，还有同步异常委托CSR medeleg（Machine Execption Delegation）。

请注意，无论委派设置是怎样的，发生异常时控制权都不会移交给权限更低的模式。在 M 模式下发生的异常总是在 M 模式下处理。在 S 模式下发生的异常，根据具体的委派设置，可能由 M 模式或 S 模式处理，但永远不会由 U 模式处理。

S 模式有几个异常处理 CSR：sepc、stvec、scause、sscratch、stval 和 sstatus，它们 M 模式 CSR 相同的功能。监管者异常返回指令 sret 与 mret 的行为相同，但它作用于 S 模式的异常处理 CSR，而不是 M 模式的 CSR。

在管理模式下，当CPU发生发生异常时，硬件会自动做出以下动作：

1. 发生异常指令的PC保存到CSRsepc中，并将PC设置为CSRstvec的值
2. 根据异常来源设置CSRscause，将mtval设置为设置为出错的地址或者其他特定的异常信息。
3. 将mstatus.SIE置为0，禁用全局中断，并将mstatus.SIE的值保存到mstatus.SPIE中
4. 将异常前的运行模式保存到mstatus.SPP中，并将运行模式切换到S模式。