RISC-V硬件架构

通用CPU一般能够在硬件上支持内存空间的隔离，使得多个程序在各自独立的内存空间中并发执行。这种硬件机制即支持用户特权级和内核特权级。应用程序运行在用户特权级，这样应用不能执行特权指令，且不能破坏操作系统内核的数据和操作系统执行过程。而操作系统内核运行在内核特权级，可以访问特权指令，并管理和控制应用程序，硬件外设等。所以对于操作系统而言，需要CPU硬件至少支持用户特权级和内核特权级（控制隔离），以及内存空间隔离（数据隔离）。

RISC-V是发源于Berkeley的开源instruction set architecture (ISA)。在继续阅读前，对RISCV指令集和架构特别感兴趣的同学可仔细阅读RISC-V的Specifications。当前用户态指令集规范的版本为2.2，特权态指令集规范的版本为1.10。

• User-Level ISA Specification v2.2
• Draft Privileged ISA Specification v1.10

Modular ISA

RISC-V ISA是模块化的，它由一个基本指令集和一些扩展指令集组成

• Base integer ISAs
  • RV32I
  • RV64I
  • RV128I
• Standard extensions
  • M: Integer Multiply
  • A: Atomic Memory Operations
  • F: Single-percison Floating-point
  • D: Double-precision Floating-point
  • G: IMAFD, General Purpose ISA

举例来说，RV32IMA表示支持基本整数操作和原子操作的32位RISC-V指令集。对于一般在用户态执行的应用程序，只需要上述用户态指令集就基本足够了。但如果是象操作系统这样的软件，需要控制整个计算机硬件，则只使用用户态指令集是不够的，还需要在处于内核特权级的CPU状态下执行特权指令集。

Privileged ISA

Software Stacks

RISC-V在设计时就考虑了硬件虚拟化的需求，三种典型RISC-V系统的结构如下

上图中各个英文缩写对应的全称如下

• ABI: Application Binary Interface
• AEE: Application Execution Environment
• SBI: Supervisor Binary Interface
• SEE: Supervisor Execution Environment
• HBI: Hypervisor Binary Interface
• HEE: Hypervisor Execution Environment

RISC-V通过各层之间的Binary Interface实现了对下一层的抽象，方便了虚拟机的实现以及OS在不同RISC-V架构间的移植。采用了图中第二种结构，bbl在其中充当了SEE的角色。

Privilege Levels

RISC-V共有4种不同的特权级，与x86不同的是，RISC-V中特权级对应数字越小，权限越低

一个RISC-V的实现并不要求同时支持这四种特权级，可接受的特权级组合如下

目前官方的Spike模拟器只部分实现了3个特权级。

Control and Status Registers

RISC-V中各个特权级都有单独的Control and Status Registers (CSRs)，其中应当注意的有以下几个

在继续阅读前，读者应当查阅Privileged Spec 1.9.1以熟悉以上CSR的功能和用途。

CSR Instructions

RISC-V ISA中提供了一些修改CSR的原子操作，下面介绍之后常用到的csrrw指令

# Atomic Read & Write Bit
cssrw rd, csr, rs

语义上等价的C++函数如下

void cssrw(unsigned int& rd, unsigned int& csr, unsigned int& rs) {
  unsigned int tmp = rs;
  rd = csr;
  csr = tmp;
}

几种有趣的用法如下

# csr = rs
cssrw x0, csr, rs
# csr = 0
cssrw x0, csr, x0
# rd = csr, csr = 0
cssrw rd, csr, x0
# swap rd and csr
cssrw rd, csr, rd