3.8.4　技术特征

3.8.4　技术特征

3.8.4.1　权限模式

RISC-V指令集架构必须工作在一种确定的权限模式下。根据RISC-V权限规范，目前共有以下4种权限模式：机器模式（machine，M模式）、用户模式（user，U模式）、管理模式（supervisor，S模式）、监视模式（hypervisor，H模式）。其中，H模式暂时处于草案状态，因此通常设计时仅考虑前3种特权模式。RISC-V通过CSR来控制当前的权限模式。通过设置CSR中特定2位的值，可以切换到不同的模式。RISC-V权限模式见表3-7。

表3-7　RISC-V权限模式

（1）机器模式（M模式）。机器模式是RISC-V指令集架构中最高级别的权限模式，具有执行任何机器操作的权限，也是在系统设计中必须被实现的一个工作模式。相比之下，U/S/H等其他权限模式都是可选的，不同的系统可以根据运行环境和实际需要，决定是否支持实现某一级别的权限模式。

（2）用户模式（U模式）。用户模式是RISC-V特权系统中最低级别的权限模式，又被称为“非特权模式”。它通常用于执行来自用户等外部环境的不可信操作，通过对其操作范围的限制来保护系统内的各种资源不受侵害。

（3）管理模式（S模式）。管理模式具有比用户级更高的操作权限，可用于操作一台机器中的敏感资源。RISC-V管理模式需要与机器模式和用户模式共同实现，因此，不能出现系统中只存在S模式而不存在U模式的情况。

（4）监视模式（H模式）。监视模式可用于管理跨机器的资源，或者将机器整体作为组件承担更高级别的任务。如H模式可以协助实现一台机器系统的虚拟化操作。

3.8.4.2　寄存器组织形式

RISC-V指令集架构具有32位和64位，其寄存器宽度也分别是32位和64位。RISC-V的基本整数指令集中包含32个整数寄存器x0～x31以及一个程序计数器保存当前指令的地址。基本RISC-VISA具有32位固定长度指令，并且必须在32位边界对齐。然而，标准RISC-V编码模式被设计成支持变长指令的扩展，在这个扩展中，每条指令长度可以是16位指令包裹（parcel）长度的整数倍，并且这些指令包裹必须在16位边界对齐。

基本RISC-VISA具有一个小端存储器系统，但是非标准变种可以提供大端或双端存储器系统。指令被保存在存储器中，每个16位包裹以实现的端字节顺序，被保存到一个存储器半字中。包含一条指令的包裹，被保存到递增的半字地址，其中最低寻址的包裹保存着指令规范中最低位的二进制值，也就是说，指令总是按照一系列包裹的小端顺序保存，而不管存储器的端字节顺序。

3.8.4.3　中断和异常管理

1）RISC-V异常处理

RISC-V定义的三种模式（U/S/M），均可发生异常。但是只有特权模式（S/M）才能处理异常。当处理器的程序在正常执行当中发生了异常，处理器就会强行跳转到一个指定的PC地址。这个过程定义为“陷阱（trap）”。

2）RISC-V中断类型

RISC-V架构一共定义了4种中断类型：

（1）外部中断。指处理器核的一个单比特输入信号，如果要支持更多的外部中断，就需要在这个单比特信号的基础之上引入中断控制器。

（2）计时器中断。RISC-V架构定义了两个64位的寄存器mtime与mtimecmp。mtime寄存器里的值以恒定频率递增，当mtime的值大于等于mtimecmp的值时，就会产生计时器中断。

（3）软件中断。指软件自己触发的中断。

（4）调试中断。用于调试器实现调试功能。

3）RISC-V中断屏蔽与等待

RISC-V架构中MIE寄存器可以使能或屏蔽外部中断、计时器中断、软件中断，但是调试中断无法屏蔽。RISC-V架构中MIP寄存器可以用来查询：外部中断、计时器中断、软件中断，是否处于等待状态。

RISC-V架构在硬件上没有中断嵌套机制，需要在软件上来实现。因为在进入异常之后，mstatus寄存器的MIE全局中断使能位会被置0（也即中断被全局关闭，再也无法响应新的中断）。如果硬要有中断嵌套的机制，就需要从软件角度在异常服务程序中将MIE全局中断使能位打开，以及嵌套保存上下文。这一设计让处理器硬件设计变得简单，但是软件的设计就变得复杂。