1.3　RISC-V寄存器

1.3.1　通用寄存器

64位/32位的RISC-V体系结构提供32个64位/32位的整型通用寄存器，分别是x0～x31寄存器，如图1.5所示。对于浮点数运算，64位的RISC-V体系结构也提供32个浮点数通用寄存器，分别是f0～f31寄存器。

RISC-V的通用寄存器通常具有别名和特殊用途，在书写汇编指令时可以直接使用别名。

● x0寄存器的别名为zero。寄存器的内容全是0，可以用作源寄存器，也可以用作目标寄存器。

● x1寄存器的别名为ra——链接寄存器，用于保存函数返回地址。

● x2寄存器的别名为sp——栈指针寄存器，指向栈的地址。

图1.5　RISC-V整型通用寄存器

● x3寄存器的别名为gp——全局寄存器，用于链接器松弛优化。

● x4寄存器的别名为tp——线程寄存器，通常在操作系统中用于保存指向进程控制块——task_struct数据结构的指针。

● x5～x7以及x28～x31寄存器为临时寄存器，它们的别名分别是t0～t6。

● x8～x9以及x18～x27寄存器的别名分别是s0～s11。如果函数调用过程中要使用这些寄存器，需要先保存到栈里。另外，s0寄存器可以用作栈帧指针（Frame Pointer，FP）。

● x10～x17寄存器的别名分别为a0～a7，用于在调用函数时传递参数和返回结果。

除用于数据运算和存储之外，通用寄存器还可以在函数调用过程中起到特殊作用。RISC-V体系结构的函数调用规范对此有约定，详见第4章。

1.3.2　系统寄存器

除上面介绍的通用寄存器之外，RISC-V体系结构还定义了很多的系统控制和状态寄存器（Control and Status Register，CSR），通过访问和设置这些系统寄存器可以完成对处理器不同的功能配置。

RISC-V体系结构支持以下3类系统寄存器。

● M模式的系统寄存器。

● S模式的系统寄存器。

● U模式的系统寄存器。

程序可以通过CSR指令（如CSRRW指令）访问系统寄存器，详见3.11节。

CSR指令编码中预留了12位编码空间（csr[11:0]）用来索引系统寄存器，如图1.6所示，即指令编码中的Bit[31:20]。

图1.6　CSR指令编码

RISC-V体系结构对12位CSR编码空间做了约定。其中，Bit[11:10]用来表示系统寄存器的读写属性，0b11表示只读，其余表示可读可写。Bit[9:8]表示允许访问该系统寄存器的处理器模式，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地址的最高位对默认的访问权限进行编码，简化了硬件中的错误检查流程，并提供了更大的CSR编码空间，但限制了CSR到地址空间的映射。CSR地址空间映射如表1.3所示。

表1.3　CSR地址空间映射

注：① CSR编码中的“X”可以是0或1。

下面的访问行为会触发非法指令异常。

● 访问不存在或者没有实现的系统寄存器。

● 尝试写入只具有只读属性的系统寄存器。

● 在低级别的处理器模式下访问高级别的处理器模式的系统寄存器，例如，在S模式下访问M模式的系统寄存器。

1.3.3　U模式下的系统寄存器

U模式下的系统寄存器如表1.4所示。

表1.4　U模式下的系统寄存器

RDCYCLE伪指令读取cycle系统寄存器的值，返回处理器内核执行的时钟周期数。注意，它返回的是物理处理器内核（而不是处理器硬件线程）的时钟周期数。RDCYCLE伪指令的主要作用是进行性能监控和调优。

RDTIME伪指令读取time系统寄存器的值，获取系统的实际时间。系统每次启动时读取互补金属-氧化物-半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）上的RTC（Real Time Clock，实时时钟）计数，时钟中断时更新该计数。

RDINSTRET伪指令读取instret系统寄存器的值，返回处理器执行线程已经执行的指令数量。

hpmcounter3～hpmcounter31为29个用于系统性能监测的寄存器，这些计数器的计数记录平台的事件，并通过额外的特权寄存器进行配置。

RDCYCLE、RDTIME以及RDINSTRET伪指令在某些处理器上是通过SBI固件进行软件模拟实现的。例如，在U模式下使用RDTIME伪指令会触发非法指令异常，处理器将陷入M模式，M模式下的异常处理程序会读取time系统寄存器的值，然后返回U模式。

1.3.4　S模式下的系统寄存器

S模式下的系统寄存器如表1.5所示。

表1.5　S模式下的系统寄存器

接下来，介绍表1.5中的部分寄存器。

1．sstatus寄存器

sstatus寄存器表示S模式下的处理器状态，如图1.7所示。

图1.7　sstatus寄存器

图1.7中的WPRI表示这些字段是保留的，软件应该忽略从这些字段读取的值，并且在向同一寄存器的其他字段写入值时，应该保留这些字段中保存的值。通常，为了向前兼容，硬件会将这些字段设为只读的零值。sstatus寄存器中其他字段的含义如表1.6所示。

表1.6　sstatus寄存器中其他字段的含义

2．sie寄存器

sie寄存器用来使能和关闭S模式下的中断，详见第8章。

3．stvec寄存器

stvec寄存器用来在S模式下配置异常向量表入口地址和异常访问模式，详见第8章。

4．scounteren寄存器

scounteren寄存器是一个32位寄存器，用来使能U模式下的硬件性能监测和计数寄存器，如图1.8所示。

图1.8　scounteren寄存器

各字段的含义如下。

● CY字段：使能U模式下的cycle系统寄存器。

● TM字段：使能U模式下的time系统寄存器。

● IR字段：使能U模式下的instret系统寄存器。

● HPM3～HPM31字段：使能U模式下的hpmcounter3～hpmcounter31系统寄存器。

5．sscratch寄存器

sscratch寄存器是一个专门给S模式使用的临时寄存器，当处理器运行在U模式下时，它用来保存S模式下的进程控制块（例如，BenOS中的task_struct数据结构）的指针。

在操作系统中，当一个进程从S模式返回U模式时，通常使用sscratch寄存器来保存该进程的task_struct数据结构的指针。当该进程需要重新返回S模式时，读取sscratch寄存器即可得到task_struct数据结构。有人认为，进程可以在U模式下调度。这是不正确的，一个进程要调度，必须返回S模式下的调度器里（见17.3.8小节）。

6．sepc寄存器

当处理器陷入S模式时，会把中断现场或触发异常时的指令对应的虚拟地址写入sepc寄存器中。

7．scause寄存器

scause寄存器用于保存S模式下的异常原因，详见第8章。

8．stval寄存器

当处理器陷入S模式时，stval寄存器会记录发生异常的虚拟地址。

9．sip寄存器

sip寄存器用来表示哪些中断处于待定（pending）状态，详见第8章。

10．satp寄存器

satp寄存器用于地址转换，详见第10章。

1.3.5　M模式下的系统寄存器

M模式下的系统寄存器如表1.7所示。

表1.7　M模式下的系统寄存器

接下来，介绍表1.7中常用的寄存器。

1．misa寄存器

misa寄存器用来表示处理器支持的指令集体系结构和扩展，如图1.9所示。

图1.9　misa寄存器

字段的含义如下。

● Extensions：表示处理器支持的扩展，如表1.8所示。

● MXL：表示M模式下寄存器的长度。

◇ 1：表示32位。

◇ 2：表示64位。

◇ 3：表示128位。

表1.8　处理器支持的扩展

2．mvendorid寄存器

mvendorid寄存器是一个32位只读寄存器，遵循JEDEC制造商ID规范。

3．marchid寄存器

marchid寄存器用于返回处理器体系结构ID，该ID由RISC-V基金会统一分配。

4．mimpid寄存器

mimpid寄存器用于返回处理器的实现版本ID。

5．mhartid寄存器

mhartid寄存器用于返回处理器硬件线程ID。多核处理器中硬件线程的ID不一定是连续编号的，但至少有一个硬件线程的ID为0，同时需保证运行环境中硬件线程的ID互不相同。

6．mstatus寄存器

mstatus寄存器表示M模式下的处理器状态，如图1.10所示。

图1.10　mstatus寄存器

mstatus寄存器中部分字段的含义如表1.9所示。

表1.9　mstatus寄存器中部分字段的含义

7．medeleg寄存器

medeleg寄存器用于把异常委托到S模式下处理，详见第8章。

8．mideleg寄存器

mideleg寄存器用于把中断委托到S模式下处理，详见第8章。

9．mie寄存器

mie寄存器用来使能和关闭M模式下的中断，详见第8章。

10．mtval寄存器

当处理器陷入M模式时，mtval寄存器记录发生异常的虚拟地址。

11．mcounteren寄存器

mcounteren寄存器是一个32位寄存器，用来使能S模式或者U模式下的硬件性能监测和计数寄存器，如图1.11所示。

图1.11　mcounteren寄存器

字段的含义如下。

● CY字段：使能S模式或者U模式下的cycle系统寄存器。

● TM字段：使能S模式或者U模式下的time系统寄存器。

● IR字段：使能S模式或者U模式下的instret系统寄存器。

● HPM3～HPM31字段：使能S模式或者U模式下的hpmcounter3～hpmcounter31系统寄存器。

12．mscratch寄存器

mscratch寄存器是一个专门给M模式使用的临时寄存器，当处理器运行在S模式或者U模式下时，它用来保存M模式中上下文数据结构的指针。例如，在MySBI固件中用来保存M模式下的栈指针（ Stack Pointer，SP），在OpenSBI中用来保存M模式下的sbi_scratch数据结构。

13．mepc寄存器

当处理器陷入M模式时，会将中断或遇到异常的指令的虚拟地址写入mepc寄存器中。

14．mcause寄存器

mcause寄存器是M模式下的异常原因寄存器，详见第8章。

15．mip寄存器

mip寄存器用来表示哪些中断处于待定状态，详见第8章。