RISC－V架构在机器模式下对异常的处理

上次我们讲了处理器的中断和异常，只是从高到低俯视了这一功能。没有落到实处，没有具体到细节。上一章有一处有问题，在此改正一下，狭义的中断和狭义的异常一起构成了广义的异常而非广义的中断。这一次，我们就来讲讲RISC－V特权架构，顺便把RISC－V架构中的中断和异常探索得更加深入。

CPU可以运行在好几种特权模式下。RISC－V中定义了三种特权模式，分别是机器模式（machinemode)、监管者模式(supervisor mode)和用户模式（user mode）。不同的领域和不同的厂家有不同的称呼。在操作系统中，机器模式体现为实模式，用户模式则体现为保护模式。早期的dos系统就是运行在实模式下。

RISC-V中的三种特权模式的编码、名称和缩写

为什么要划分这么多种的模式呢？目的是为了保护电脑运行环境不被破坏。比如说一个病毒线程想要篡改其他线程中的内存数据，甚至是破坏操作系统，这种操作肯定是不被允许的。我们必须为每一个线程划定一个空间，每个线程只能访问属于自己的空间。具体操作以后会讲。那问题就解决了吗？没有。作为操作系统，得能够有效的控制别的线程的运行情况，必要的时候将读写一些线程。因此操作系统必须要被赋予更高级的权限，或者说要与其他的应用线程区别对待,因此不同特权模式应运而生。

其中操作系统的线程代码就是运行在机器模式下，应用程序运行在用户模式下，有些时候比如windows系统里会忽然弹出一个管理员权限的许可窗口，如果你点了确定，可以理解为应用程序的权限经过你的许可提高到了监管者模式。注意：机器模式的权限是最高的，用户模式的权限是最低的。如果用户的权限过高，他们可能会弄坏电脑。

那么RISC－V的CPU是怎么做的呢？

首先，RISC－V架构中定义了一些控制和状态寄存器（control and status register），简称CSR，与32个物理寄存器不同（物理寄存器可以认为是5位地址寻址的），这些CSR是用12位地址进行寻址的，并且地址空间是私有独立的，不同于全局地址空间。并且，针对这些CSR寄存器的读写有相应的特殊指令，这些特殊指令都有被定义在之前讲的RISC-V指令集图卡中。其中某些特权指令只能在机器模式中被执行（需要等级权限），如果在用户模式中遇到这些特权指令，处理器就会抛出异常，相应的线程可能会被杀死，或者由用户自行决定。其次，CSR的种类有很多，举几个机器模式中要用到的CSR。比如mvendorid寄存器，它在12位的地址空间的地址是0xf11，它的用途是保存厂商标识代码的，所有的电子产品生产厂商可以向美国JEDEC协会付费申请一个厂商标识代码（也可以向我申请，我不收费，有意联系）。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。类似的CSR有很多，在此不一一赘述，下面重点说说八个和机器模式中断与异常有关的CSR。

它们分别是：mepc（异常PC寄存器）、mtvec（异常向量基地址寄存器）、mcause（异常原因寄存器）、mie（中断使能寄存器）、mip（中断等待寄存器）、mtval（异常值寄存器）、mscratch（草稿寄存器）和mstatus（线程状态寄存器）。其中每个寄存器命名开头的m是机器模式的意思。相应的还有其他模式中断与异常的CSR。

mstatus寄存器的具体字段，仅需注意红色画圈部分

机器模式下，异常发生时，mepc用于保存当前线程的PC值（或者异常的PC值），并将异常服务程序的入口地址从mtvec写入PC寄存器中。倘若支持向量中断并且是狭义中断发生时，那么PC值设置为mtvec-1+异常序号编码*4（之所以-1，是因为mtvec最低位是硬件是否支持向量中断的标志位，1表示支持向量中断，在硬件电路中我们大可以直接将最后一位抹掉实现-1），而狭义异常发生时，PC值仍设置成mtvec不变。根据异常或中断来源，将其来源序号写入mcause中。将mtval设置为出错的地址或其他适用于特定异常的信息字。将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数值，MIE字段属于mstatus寄存器的一部分）写到MPIE字段中后，再将MIE字段写0，用以禁止接受狭义中断，此时狭义中断如果发生，硬件将不做响应。因此，RISC－V能且只能支持软件中断嵌套。狭义异常是不需要嵌套的，异常服务程序中不会再发生狭义异常，除非你异常服务程序写得有问题。将发生中断前的权限模式写到mstatus中的MPP字段内。可以想象到，当中断或异常结束后，这些保存了的东西是要复原回来的，线程方能继续执行。

注意：以上过程均是由硬件自己完成，该过程中，没有指令被执行。硬件准备完成后，PC跳转到mtvec这个统一的地址入口，异常服务程序才开始处理异常。（以上过程有些繁杂，慢慢看，你会明白设计者的用意的）

异常服务程序具体怎么做呢？如果不支持向量中断，那么异常服务程序一上来，就先查询mcause寄存器，看看这个异常是狭义中断还是狭义异常，具体是哪出了问题。根据不同的问题再次跳转到不同的地址，对症下药解决问题。比如说打3d游戏的时候鼠标传来了一个中断，CPU跳转到异常服务程序，经查询mcause得知这是一个鼠标传来的中断，进而访问鼠标的驱动程序，并将相应数值传递给这款3d游戏，从而3d游戏渲染新的一帧画面，最后画面完成旋转。

以上便是RISC－V架构在机器模式下对异常的处理。具体细节需要参考RISC－V架构书。

审核编辑：刘清