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S-Mode（Supervisor Mode, Kernel Mode，内核态，内核模式）
- 操作系统运行的内核态CPU执行模式
- 在内核态的操作系统具有足够强大的硬件控制能力
- 特权级模式（Privileged Mode）：限制APP的执行与内存访问
- 能执行内核态特权指令，能直接影响应用程序执行

RISC-V 系统模式：H-Mode

w:900

H-Mode(Hypervisor Mode, Virtual Machine Mode，虚拟机监控器)
- 虚拟机监控器运行的Hypervisor Mode CPU执行模式
- 特权级模式：限制OS访问的内存空间的访问范围和访问方式
- 可执行H-Mode特权指令，能直接影响OS执行

RISC-V 系统模式：M-Mode

w:900

M-Mode（Machine Mode, Physical Machine Mode）
- Bootloader/BIOS运行的Machine Mode CPU执行模式
- 特权级模式：控制物理内存，直接关机
- 能执行M-Mode特权指令，能直接影响上述其他软件的执行

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

2.1 概述 2.2 特权级

2.3 CSR寄存器

RISC-V CSR寄存器分类

通用寄存器 x0-x31
- 一般指令访问
- 非特权指令可以使用的速度最快的存储单元
控制状态寄存器(CSR：Control and Status Registers)
- 通过控制状态寄存器指令访问，可以有4096个CSR
- 运行在用户态的应用程序不能访问大部分的CSR寄存器
- 运行在内核态的操作系统通过访问CSR寄存器控制计算机

通过CSR寄存器实现的隔离

OS通过硬件隔离手段（三防）来保障计算机的安全可靠

设置 CSR(控制状态寄存器) 实现隔离
- 控制：防止应用访问系统管控相关寄存器
  - 地址空间控制寄存器：mstatus/sstatus CSR(中断及状态)
- 时间：防止应用长期使用 100％的 CPU
  - 中断配置寄存器：sstatus/stvec CSR（中断跳转地址）
- 数据：防止应用破坏窃取数据
  - 地址空间配置寄存器：sstatus/stvec/satp CSR （分页系统）

CSR寄存器功能

信息类：主要用于获取当前芯片id和cpu核id等信息。
Trap设置：用于设置中断和异常相关寄存器。
Trap处理：用于处理中断和异常相关寄存器。
内存保护：有效保护内存资源

Risc-V中异常和中断统称Trap

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式

3. RISC-V系统编程：用户态编程

RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

系统编程简述

系统编程需要了解处理器的特权级架构，熟悉各个特权级能够访问的寄存器资源、内存资源和外设资源
编写内核级代码，构造操作系统，支持应用程序执行
- 内存管理进程调度
- 异常处理中断处理
- 系统调用外设控制
系统编程通常没有广泛用户编程库和方便的动态调试手段的支持
本课程的系统编程主要集中在 RISC-V 的 S-Mode 和 U-Mode，涉及部分对M-Mode的理解

RISC-V U-Mode编程：使用系统调用

U-Mode 下的应用程序不能够直接使用计算机的物理资源
环境调用异常：在执行 ecall 的时候发生，相当于系统调用
操作系统可以直接访问物理资源
如果应用程序需要使用硬件资源怎么办？
- 在屏幕上打印”hello world”
- 从文件中读入数据
通过系统调用从操作系统中获得服务

特权操作

特权操作：特权指令和CSR读写操作
指令非常少：
- mret 机器模式返回
- sret 监管者模式返回
- wfi 等待中断 (wait for interupt)
- sfence.vma 虚拟地址屏障(barrier)指令，用于虚拟内存无效和同步

很多其他的系统管理功能通过读写控制状态寄存器来实现

注:fence.i是i-cache屏障(barrier)指令，非特权指令，属于 “Zifencei”扩展规范，用于i-cache和d-cache一致性

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程

4. RISC-V系统编程：M-Mode编程

RISC-V系统编程：内核编程

4.1 中断机制和异常机制

4.2 中断/异常的硬件响应 4.3 中断/异常处理的控制权移交

M-Mode编程

M-Mode是 RISC-V 中 hart（hardware thread）的最高权限模式
M-Mode下，hart 对计算机系统的底层功能有完全的使用权
M-Mode最重要的特性是拦截和处理中断/异常
- 同步的异常：执行期间产生，访问无效的寄存器地址，或执行无效操作码的指令
- 异步的中断：指令流异步的外部事件，中断，如时钟中断
RISC-V 要求实现精确异常：保证异常之前的所有指令都完整执行，后续指令都没有开始执行

中断/异常的硬件响应

硬件
- 设置中断标记
- 依据中断向量调用相应中断服务
软件
- 保存当前处理状态
- 执行中断程序
- 清除中断标记
- 恢复之前的保存状态
中断向量表：中断--中断服务，异常--异常服务，系统调用

中断/异常开销

建立中断/异常/系统调用号与对应服务的开销；
内核堆栈的建立；
验证系统调用参数；
内核态数据拷贝到用户态；
内存状态改变（Cache/TLB 刷新的开销）。

M-Mode的中断控制和状态寄存器

mtvec(MachineTrapVector)保存发生中断/异常时要跳转到的中断处理例程入口地址
mie(Machine Interrupt Enable)中断使能寄存器
mip(Machine Interrupt Pending)中断请求寄存器
mstatus(Machine Status)保存全局中断以及其他的状态
mepc(Machine Exception PC)指向发生中断/异常时的指令
mcause(Machine Exception Cause)指示发生中断/异常的种类
mtval(Machine Trap Value)保存陷入(trap)附加信息
mscratch(Machine Scratch)它暂时存放一个字大小的数据

mstatus CSR寄存器

mstatus(Machine Status)保存全局中断以及其他的状态
- SIE控制S-Mode下全局中断，MIE控制M-Mode下全局中断。
- SPIE、MPIE记录发生中断之前MIE和SIE的值。
- SPP表示变化之前的特权级别是S-Mode还是U-Mode
- MPP表示变化之前是S-Mode还是U-Mode还是M-Mode PP：Previous Privilege

w:1000

mcause CSR寄存器

当发生异常时，mcause CSR中被写入一个指示导致异常的事件的代码，如果事件由中断引起，则置上Interrupt位，Exception Code字段包含指示最后一个异常的编码。

w:1150

M-Mode时钟中断Timer

中断是异步发生的
- 来自处理器外部的 I/O 设备的信号
Timer 可以稳定定时地产生中断
- 防止应用程序死占着 CPU 不放, 让 OS Kernel 能得到执行权...
- 由高特权模式下的软件获得 CPU 控制权
- 高特权模式下的软件可授权低特权模式软件处理中断

RISC-V处理器FU540模块图

w:650

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

4.1 中断机制和异常机制

4.2 中断/异常的硬件响应

4.3 中断/异常处理的控制权移交

M-Mode中断的硬件响应过程

异常/中断指令的PC被保存在mepc中，PC设置为mtvec。
- 对于同步异常，mepc指向导致异常的指令；
- 对于中断，指向中断处理后应该恢复执行的位置。
根据异常/中断来源设置 mcause，并将 mtval 设置为出错的地址或者其它适用于特定异常的信息字
把mstatus[MIE位]置零以禁用中断，并保留先前MIE值到MPIE中
- SIE控制S模式下全局中断，MIE控制M模式下全局中断；
- SPIE记录的是SIE中断之前的值，MPIE记录的是MIE中断之前的值
保留发生异常之前的权限模式到mstatus 的 MPP 域中，然后更改权限模式为M。（MPP表示变化之前的特权级别是S、M or U模式）

M-Mode中断分类

通过 mcause 寄存器的不同位（mie）来获取中断的类型。

软件中断：通过向内存映射寄存器写入数据来触发，一个 hart 中断另外一个hart（处理器间中断）
时钟中断：hart 的时间计数器寄存器 mtime 大于时间比较寄存器 mtimecmp
外部中断：由中断控制器触发，大部分情况下的外设都会连到这个中断控制器

RISC-V 的中断/异常

通过 mcause 寄存器的不同位来获取中断源的信息。第一列1代表中断，第2列代表中断ID，第3列中断含义 w:1000

M-Mode RISC-V异常机制

通过 mcause 寄存器的不同位来获取导致异常的信息。第一列0代表异常，第2列代表异常ID，第3列异常含义 w:900

M-Mode中断/异常的硬件响应

中断/异常的指令的 PC 被保存在 mepc 中， PC 被设置为 mtvec。
- 对于异常，mepc指向导致异常的指令
- 对于中断，mepc指向中断处理后应该恢复执行的位置
根据中断/异常来源设置 mcause（用于标识中断和异常的原因）
并将 mtval 设置为出错的地址或者其它适用于特定异常的信息字（提供了关于出错的具体信息）。

M-Mode中断/异常的硬件响应

mstatus负责控制特权级别、全局中断使能和其他关键系统功能
把控制状态寄存器 mstatus[MIE位]置零以禁用中断，并保留先前的 MIE 值到 MPIE 中。
- SIE控制S-Mode下全局中断，MIE控制M-Mode下全局中断；
- SPIE记录SIE中断之前的值，MPIE记录MIE中断之前的值）
发生异常之前的权限模式保留在 mstatus 的 MPP 域中，再把权限模式更改为M
- MPP表示变化之前的特权级别是S、M or U-Mode
跳转到mtvec CSR设置的地址继续执行

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

4.1 中断机制和异常机制 4.2 中断/异常的硬件响应

4.3 中断/异常处理的控制权移交

M-Mode中断/异常处理的控制权移交

默认情况下，所有的中断/异常都使得控制权移交到 M-Mode的中断/异常处理例程
M-Mode的中断/异常处理例程可以将中断/异常重新导向 S-Mode
但是这些额外的操作会减慢中断/异常的处理速度
RISC-V 提供一种中断/异常委托机制，通过该机制可以选择性地将中断/异常交给 S-Mode处理，而完全绕过 M-Mode

M-Mode中断/异常处理的控制权移交

mideleg/medeleg (Machine Interrupt/Exception Delegation）CSR 控制将哪些中断/异常委托给 S-Mode处理
mideleg/medeleg 中的每个位对应一个中断/异常
- 如 mideleg[5] 对应于 S-Mode的时钟中断，如果把它置位，S-Mode的时钟中断将会移交 S-Mode的中断/异常处理程序，而不是 M-Mode的中断/异常处理程序
- 委托给 S-Mode的任何中断都可以被 S-Mode的软件屏蔽。sie(Supervisor Interrupt Enable) 和 sip（Supervisor Interrupt Pending）CSR 是 S-Mode的控制状态寄存器

中断委托寄存器mideleg

mideleg (Machine Interrupt Delegation）控制将哪些中断委托给 S 模式处理
mideleg 中的每个为对应一个中断/异常
- mideleg[1]用于控制是否将核间中断交给s模式处理
- mideleg[5]用于控制是否将定时中断交给s模式处理
- mideleg[9]用于控制是否将外部中断交给s模式处理

异常委托寄存器medeleg

medeleg (Machine Exception Delegation）控制将哪些异常委托给 S 模式处理
medeleg 中的每个为对应一个中断/异常
- medeleg[1]用于控制是否将指令获取错误异常交给s模式处理
- medeleg[12]用于控制是否将指令页异常交给s模式处理
- medeleg[9]用于控制是否将数据页异常交给s模式处理

中断/异常处理的控制权移交

发生中断/异常时,处理器控制权通常不会移交给权限更低的模式
- 例如 medeleg[15] 会把 store page fault 委托给 S-Mode
- M-Mode下发生的异常总是在 M-Mode下处理
- S-Mode下发生的异常总是在 M-Mode，或者在 S-Mode下处理
- 上述两种模式发生的异常不会由 U-Mode处理

Why？

思考题

如何通过断点异常来实现调试器的断点调试功能？
如何实现单步跟踪？

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程

5. RISC-V系统编程：内核编程

5.1 中断/异常机制

5.2 中断/异常的处理 5.3 虚存机制

S-Mode的中断控制和状态寄存器

stvec(SupervisorTrapVector)保存发生中断/异常时要跳转到的地址
sie(Supervisor Interrupt Enable)中断使能寄存器
sip(Supervisor Interrupt Pending)中断请求寄存器
sstatus(Supervisor Status)保存全局中断以及其他的状态
sepc(Supervisor Exception PC)指向发生中断/异常时的指令
scause(Supervisor Exception Cause)指示发生中断/异常的种类
stval(Supervisor Trap Value)保存陷入(trap)附加信息
sscratch(Supervisor Scratch)不同mode交换数据中转站

sstatus寄存器

sstatus的SIE 和 SPIE 位分别保存了当前的和中断/异常发生之前的中断使能状态

w:1100

S-Mode中断/异常机制

sie & sip 寄存器是用于保存待处理中断和中断使能情况的CSR

sie （supervisor interrupt-enabled register）
sip（supervisor interrupt pending）

w:1150

scause寄存器

当发生异常时，CSR中被写入一个指示导致中断/异常的事件编号，记录在Exception Code字段中；如果事件由中断引起，则置Interrupt位。 scause 寄存器

w:1150

stvec 寄存器

中断/异常向量（trap-vector）基地址寄存器stvec CSR用于配置trap_handler地址

包括向量基址（BASE）和向量模式（MODE）：BASE 域中的值按 4 字节对齐
- MODE = 0 表示一个trap_handler处理所有的中断/异常
- MODE = 1 表示每个中断/异常有一个对应的trap_handler

stvec 寄存器 w:1000

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

5.1 中断/异常机制

5.2 中断/异常的处理

5.3 虚存机制

S-Mode中断/异常的硬件响应

硬件执行内容：hart 接受了中断/异常，并需要委派给 S-Mode，那么硬件会原子性的经历下面的状态转换

发生中断/异常的指令PC被存入 sepc, 且 PC 被设置为 stvec
scause 设置中断/异常类型，stval被设置为出错的地址/异常相关信息
把 sstatus中的 SIE 位置零，屏蔽中断， SIE位之前的值被保存在 SPIE 位中
发生例外前的特权模式被保存在 sstatus 的 SPP（previous privilege）域，然后设置当前特权模式为S-Mode
跳转到stvec CSR设置的地址继续执行

S-Mode中断/异常的软件处理

初始化
- 编写中断/异常的处理例程（如trap_handler）
- 设置trap_handler地址给stvec
软件执行
1. 处理器跳转到trap_handler
2. trap_handler处理中断/异常/系统调用等
3. 返回到之前的指令和之前的特权级继续执行

提纲

主流CPU比较
RISC-V系统模式
RISC-V系统编程：用户态编程
RISC-V系统编程：M-Mode编程
RISC-V系统编程：内核编程

5.1 中断/异常机制 5.2 中断/异常的处理

5.3 虚存机制

S-Mode虚拟内存系统

虚拟地址将内存划分为固定大小的页来进行地址转换和内容保护。
satp（Supervisor Address Translation and Protection，监管者地址转换和保护）S模式控制状态寄存器控制分页。satp 有三个域：
- MODE 域可以开启分页并选择页表级数
- ASID（Address Space Identifier，地址空间标识符）域是可选的，避免了切换进程时将TLB刷新的问题，降低上下文切换的开销
- PPN 字段保存了根页表的物理页号

S-Mode虚存机制

RISC-V 64 支持以下 虚拟地址转换方案：

模式	虚拟地址位宽	页表级数	每级索引位数	物理地址位宽
Sv39	39 位	3 级	9-9-9	56 位
Sv48	48 位	4 级	9-9-9-9	56 位
Sv57	57 位	5 级	9-9-9-9-9	56 位

注意：不同的模式仅影响 虚拟地址的解析，物理地址仍然受处理器实现的物理地址宽度（通常为 56 位）

S-Mode虚存机制

通过stap CSR建立页表基址
建立OS和APP的页表
处理内存访问异常

bg right:55% 85%

S-Mode虚存的地址转换

  38       30  29       21  20       12  11       0
+------------+------------+------------+------------- +
| VPN[2]     | VPN[1]     | VPN[0]     | Page Offset  |
+------------+------------+------------+------------- +
  9 bits      9 bits      9 bits      12 bits

VPN[2], VPN[1], VPN[0]（共 27 位）：L2/1/0三级页表索引。
Page Offset（12 位）：页内偏移（4 KiB 页大小）。
页表项（Page Table Entry, PTE）8 bytes

S-Mode虚存的地址转换

(1) 读取 satp CSR

satp.PPN 给出了L2页表基地址的物理页号（Physical Page Number, PPN）。
satp.MODE（4 bits）：8（Sv39）、9（Sv48）、10（Sv57）。

L2页表基地址 = PPN × 4 KiB

S-Mode虚存的地址转换

(2) 解析 VPN（Virtual Page Number）根据虚拟地址提取 VPN[2], VPN[1], VPN[0]，并进行 3 级页表查询。每个页表项（PTE，Page Table Entry）大小为 64-bit，其结构如下：

  63            10 9   8 7  6 5 4 3 2 1 0
  +---------------+-----+---+------------ +
  | PPN (44 bits) | RSW | D | A | X W R V |
  +---------------+-----+---+------------ +

PPN（物理页号）：映射到下一级页表或最终物理页。
V（Valid）：有效位，1 表示有效。R/W/X（读/写/执行）：页权限。A/D（Access/Dirty）：访问和修改位。RSW（Reserved for Software）为软件保留

S-Mode虚存的地址转换

三级地址翻译步骤：

VPN[2] = VA [38:30], 给出了L2页表的索引号

 L2页表的页表项(L2-PTE)地址= (satp.PPN × 4 KiB) + (VPN[2] × 8)
 L2-PTE.PPN = L1页表基址的物理页号

  63            10 9   8 7  6 5 4 3 2 1 0
  +---------------+-----+---+------------ +
  | PPN (44 bits) | RSW | D | A | X W R V |
  +---------------+-----+---+------------ +

S-Mode虚存的地址转换

三级地址翻译步骤： 2. VPN[1] = VA [29:21], 给出了L1页表的索引号

 L1页表的页表项(L1-PTE)地址= (L2-PTE.PPN × 4 KiB) + (VPN[1] × 8)
 L1-PTE.PPN = L0页表基址的物理页号

  63            10 9   8 7  6 5 4 3 2 1 0
  +---------------+-----+---+------------ +
  | PPN (44 bits) | RSW | D | A | X W R V |
  +---------------+-----+---+------------ +

S-Mode虚存的地址转换

三级地址翻译步骤： 3. VPN[0] = VA [20:12], 给出了L0页表的索引号

 L0页表的页表项(L0-PTE)地址= (L1-PTE.PPN × 4 KiB) + (VPN[0] × 8)
 L0-PTE.PPN = 最终物理地址的物理页号

  63            10 9   8 7  6 5 4 3 2 1 0
  +---------------+-----+---+------------ +
  | PPN (44 bits) | RSW | D | A | X W R V |
  +---------------+-----+---+------------ +

S-Mode虚存的地址转换

计算物理地址

虚地址对应的最终物理地址 = (L0 PTE.PPN × 4 KiB) + Page Offset

假设： satp.PPN = 0x12345，即L2页表基地址 = 0x12345 × 4 KiB = 0x12345000。虚拟地址： 0x0987654321 000 1001 1000 0111 0110 1001 0100 0011 0010 0001 000100110 000111011 010010100 0011 0010 0001 VPN[2]=0x026(9 bits) VPN[1]=0x03B(9 bits) VPN[0]=0x094(9 bits) Page Offset = 0x321

S-Mode虚存的地址转换

计算物理地址

VPN[2]=0x026 VPN[1]=0x03B VPN[0]=0x094
经过三级页表查询：
- L2中0x026号PTE 指向 L1 页表（PPN = 0x20000，L1基址）
- L1中0x03B号PTE 指向 L0 页表（PPN = 0x30000，L0基址）
- L0中0x094号PTE 指向物理页（PPN = 0x40000）
最终物理地址计算：

物理地址  = (0x40000 × 4 KiB) + 0x321
         = 0x40000000 + 0x321
         = 0x40000321

小结

RISC-V 特权级
- M-Mode, (H-Mode) S-Mode, U-Mode
RISC-V 的 M-Mode 和 S-Mode 的基本特征
- 中断使能、委托和配置；页表使能和配置
不同软件如何在 M-Mode<–>S-Mode<–>U-Mode 之间进行切换
- ecall, mret, sret
中断响应过程
虚实地址转换过程
- 手工计算地址转换

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