RISC－V架構(gòu)在機(jī)器模式下對(duì)異常的處理

上次我們講了處理器的中斷和異常，只是從高到低俯視了這一功能。沒(méi)有落到實(shí)處，沒(méi)有具體到細(xì)節(jié)。上一章有一處有問(wèn)題，在此改正一下，狹義的中斷和狹義的異常一起構(gòu)成了廣義的異常而非廣義的中斷。這一次，我們就來(lái)講講RISC－V特權(quán)架構(gòu)，順便把RISC－V架構(gòu)中的中斷和異常探索得更加深入。

CPU可以運(yùn)行在好幾種特權(quán)模式下。RISC－V中定義了三種特權(quán)模式，分別是機(jī)器模式（machinemode)、監(jiān)管者模式(supervisor mode)和用戶模式（user mode）。不同的領(lǐng)域和不同的廠家有不同的稱呼。在操作系統(tǒng)中，機(jī)器模式體現(xiàn)為實(shí)模式，用戶模式則體現(xiàn)為保護(hù)模式。早期的dos系統(tǒng)就是運(yùn)行在實(shí)模式下。

RISC-V中的三種特權(quán)模式的編碼、名稱和縮寫

為什么要?jiǎng)澐诌@么多種的模式呢？目的是為了保護(hù)電腦運(yùn)行環(huán)境不被破壞。比如說(shuō)一個(gè)病毒線程想要篡改其他線程中的內(nèi)存數(shù)據(jù)，甚至是破壞操作系統(tǒng)，這種操作肯定是不被允許的。我們必須為每一個(gè)線程劃定一個(gè)空間，每個(gè)線程只能訪問(wèn)屬于自己的空間。具體操作以后會(huì)講。那問(wèn)題就解決了嗎？沒(méi)有。作為操作系統(tǒng)，得能夠有效的控制別的線程的運(yùn)行情況，必要的時(shí)候?qū)⒆x寫一些線程。因此操作系統(tǒng)必須要被賦予更高級(jí)的權(quán)限，或者說(shuō)要與其他的應(yīng)用線程區(qū)別對(duì)待,因此不同特權(quán)模式應(yīng)運(yùn)而生。

其中操作系統(tǒng)的線程代碼就是運(yùn)行在機(jī)器模式下，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，有些時(shí)候比如windows系統(tǒng)里會(huì)忽然彈出一個(gè)管理員權(quán)限的許可窗口，如果你點(diǎn)了確定，可以理解為應(yīng)用程序的權(quán)限經(jīng)過(guò)你的許可提高到了監(jiān)管者模式。注意：機(jī)器模式的權(quán)限是最高的，用戶模式的權(quán)限是最低的。如果用戶的權(quán)限過(guò)高，他們可能會(huì)弄壞電腦。

那么RISC－V的CPU是怎么做的呢？

首先，RISC－V架構(gòu)中定義了一些控制和狀態(tài)寄存器（control and status register），簡(jiǎn)稱CSR，與32個(gè)物理寄存器不同（物理寄存器可以認(rèn)為是5位地址尋址的），這些CSR是用12位地址進(jìn)行尋址的，并且地址空間是私有獨(dú)立的，不同于全局地址空間。并且，針對(duì)這些CSR寄存器的讀寫有相應(yīng)的特殊指令，這些特殊指令都有被定義在之前講的RISC-V指令集圖卡中。其中某些特權(quán)指令只能在機(jī)器模式中被執(zhí)行（需要等級(jí)權(quán)限），如果在用戶模式中遇到這些特權(quán)指令，處理器就會(huì)拋出異常，相應(yīng)的線程可能會(huì)被殺死，或者由用戶自行決定。其次，CSR的種類有很多，舉幾個(gè)機(jī)器模式中要用到的CSR。比如mvendorid寄存器，它在12位的地址空間的地址是0xf11，它的用途是保存廠商標(biāo)識(shí)代碼的，所有的電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠商可以向美國(guó)JEDEC協(xié)會(huì)付費(fèi)申請(qǐng)一個(gè)廠商標(biāo)識(shí)代碼（也可以向我申請(qǐng)，我不收費(fèi)，有意聯(lián)系）。再比如misa（指令集寄存器），地址是0x301，用途是指示此CPU支持哪些指令集。類似的CSR有很多，在此不一一贅述，下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)八個(gè)和機(jī)器模式中斷與異常有關(guān)的CSR。

它們分別是：mepc（異常PC寄存器）、mtvec（異常向量基地址寄存器）、mcause（異常原因寄存器）、mie（中斷使能寄存器）、mip（中斷等待寄存器）、mtval（異常值寄存器）、mscratch（草稿寄存器）和mstatus（線程狀態(tài)寄存器）。其中每個(gè)寄存器命名開(kāi)頭的m是機(jī)器模式的意思。相應(yīng)的還有其他模式中斷與異常的CSR。

mstatus寄存器的具體字段，僅需注意紅色畫圈部分

機(jī)器模式下，異常發(fā)生時(shí)，mepc用于保存當(dāng)前線程的PC值（或者異常的PC值），并將異常服務(wù)程序的入口地址從mtvec寫入PC寄存器中。倘若支持向量中斷并且是狹義中斷發(fā)生時(shí)，那么PC值設(shè)置為mtvec-1+異常序號(hào)編碼*4（之所以-1，是因?yàn)閙tvec最低位是硬件是否支持向量中斷的標(biāo)志位，1表示支持向量中斷，在硬件電路中我們大可以直接將最后一位抹掉實(shí)現(xiàn)-1），而狹義異常發(fā)生時(shí)，PC值仍設(shè)置成mtvec不變。根據(jù)異常或中斷來(lái)源，將其來(lái)源序號(hào)寫入mcause中。將mtval設(shè)置為出錯(cuò)的地址或其他適用于特定異常的信息字。將mstatus中的MIE字段（注意，是MIE字段，不是mie寄存器，字段是指寄存器中的某一段數(shù)值，MIE字段屬于mstatus寄存器的一部分）寫到MPIE字段中后，再將MIE字段寫0，用以禁止接受狹義中斷，此時(shí)狹義中斷如果發(fā)生，硬件將不做響應(yīng)。因此，RISC－V能且只能支持軟件中斷嵌套。狹義異常是不需要嵌套的，異常服務(wù)程序中不會(huì)再發(fā)生狹義異常，除非你異常服務(wù)程序?qū)懙糜袉?wèn)題。將發(fā)生中斷前的權(quán)限模式寫到mstatus中的MPP字段內(nèi)?？梢韵胂蟮?，當(dāng)中斷或異常結(jié)束后，這些保存了的東西是要復(fù)原回來(lái)的，線程方能繼續(xù)執(zhí)行。

注意：以上過(guò)程均是由硬件自己完成，該過(guò)程中，沒(méi)有指令被執(zhí)行。硬件準(zhǔn)備完成后，PC跳轉(zhuǎn)到mtvec這個(gè)統(tǒng)一的地址入口，異常服務(wù)程序才開(kāi)始處理異常。（以上過(guò)程有些繁雜，慢慢看，你會(huì)明白設(shè)計(jì)者的用意的）

異常服務(wù)程序具體怎么做呢？如果不支持向量中斷，那么異常服務(wù)程序一上來(lái)，就先查詢mcause寄存器，看看這個(gè)異常是狹義中斷還是狹義異常，具體是哪出了問(wèn)題。根據(jù)不同的問(wèn)題再次跳轉(zhuǎn)到不同的地址，對(duì)癥下藥解決問(wèn)題。比如說(shuō)打3d游戲的時(shí)候鼠標(biāo)傳來(lái)了一個(gè)中斷，CPU跳轉(zhuǎn)到異常服務(wù)程序，經(jīng)查詢mcause得知這是一個(gè)鼠標(biāo)傳來(lái)的中斷，進(jìn)而訪問(wèn)鼠標(biāo)的驅(qū)動(dòng)程序，并將相應(yīng)數(shù)值傳遞給這款3d游戲，從而3d游戲渲染新的一幀畫面，最后畫面完成旋轉(zhuǎn)。

以上便是RISC－V架構(gòu)在機(jī)器模式下對(duì)異常的處理。具體細(xì)節(jié)需要參考RISC－V架構(gòu)書。

審核編輯：劉清