【RISC-V】RISC-V寄存器

一、通用寄存器

32位RISC-V体系结构提供32个32位的整型通用寄存器
寄存器别名全称说明
X0zero零寄存器可做源寄存器(rs)或目标寄存器(rd)
X1ra链接寄存器保存函数返回地址
X2sp栈指针寄存器指向栈的地址
X3gp全局寄存器用于链接器松弛优化
X4tp线程寄存器常用于在OS中保存指向进程控制块(task_struct)数据结构的指针
X5 ~ X7
X28 ~ X31		t0 ~ t6临时寄存器
X8s0/fp帧指针寄存器用于函数调用，被调用函数需保存数据
X9s1用于函数调用 ，被调用函数需要保存的数据
X10 ~ X17a0 ~ a7用于函数调用，传递参数和返回值
X18 ~ X27s2 ~ s11用于函数调用 ，被调用函数需要保存的数据

二、系统寄存器

系统控制状态寄存器(CSR)。

CSR指令编码结构
CSR地址空间映射：

地址范围bit[11:10]bit[9:8]bit[7:4]访问模式访问权限
0x000 ~ 0x0FF0000xxxxURW
0x400 ~ 0x4FF0100xxxxURW
0x800 ~ 0x8FF1000xxxxURW(用户自定义系统寄存器)
0xC00 ~ 0xC7F11000xxxURO
0xC80 ~ 0xCBF110010xxURO
0xCC0 ~ 0xCFF110011xxURO
0x100 ~ 0x1FF0001xxxxSRW
0x500 ~ 0x57F01010xxxSRW
0x580 ~ 0x5BF010110xxSRW
0x5C0 ~ 0x5FF010111xxSRW(用户自定义系统寄存器)
0x900 ~ 0x97F10010xxxSRW
0x980 ~ 0x9BF100110xxSRW
0x9C0 ~ 0x9FF100111xxSRW(用户自定义系统寄存器)
0xD00 ~ 0xD7F11010xxxSRO
0xD80 ~ 0xDBF110110xxSRO
0xDC0 ~ 0xDFF110111xxSRO(用户自定义系统寄存器)
0x300 ~ 0x3FF0011xxxxMRW
0x700 ~ 0x77F01110xxxMRW
0x780 ~ 0x79F1011100xMRW
0x7A0 ~ 0x7AF01111010MRW(用于调试寄存器)
0x7B0 ~ 0x7BF01111011MRW(只能用于调试寄存器)
0x7C0 ~ 0x7FF011111xxMRW(用户自定义系统寄存器)
0xB00 ~ 0xB7F10110xxxMRW
0xB80 ~ 0xBBF101110xxMRW
0xBC0 ~ 0xBFF101111xxMRW(用户自定义系统寄存器)
0xF00 ~ 0xF7F11110xxxMRO
0xF80 ~ 0xFBF111110xxMRO
0xFC0 ~ 0xFFF111111xxMRO(用户自定义系统寄存器)
  • 出发非法指令异常的行为：
    • 访问不存在或未实现的寄存器；
    • 写入RO的系统寄存器
    • 低级别处理器模式下访问高级别处理器模式的系统寄存器（模式级别：M > S > U）

2.1 U模式 系统寄存器

地址CSR名称属性说明
0x001fflagsURW浮点数累积异常(accrued exception)
0x002frmURW浮点数动态舍入模式(dynamic rounding mode)
0x003fcsrURW浮点数控制和状态寄存器
0xC00cycleURO读取时钟周期，映射到RDCYCLE伪指令
0xC01timeURO读取time系统寄存器的值，映射到RDTIME伪指令
0xC02instretURO执行指令数目，映射到RDINSTRET伪指令
0xC03 ~ 0xC1Fhpmcounter3 ~hpmcounter31性能检测寄存器
  • 补充：
    • RDCYCLE伪指令读取cycle系统寄存器的值，返回物理处理器内核的时钟周期数（并非处理器硬件线程的始终周期数）。主要用于性能监控和调优；
    • RDTIME伪指令读取time系统寄存器的值，获取系统实际时间。系统每次启动时读取CMOS上的RTC计数值，当时钟中断到来时，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；
    • hpmcounter用于系统性能检测的寄存器，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。

2.2 S模式 系统寄存器

地址CSR名称属性说明
0x100sstatusSRWS模式下的处理器状态寄存器
0x104sieSRWS模式下的中断使能寄存器
0x105stvecSRWS模式下的异常向量表入口地址寄存器
0x106scounterenSRWS模式下的计数使能寄存器
0x10AsenvcfgSRWS模式下的环境配置寄存器
0x140scratchSRW用于异常处理的临时寄存器
0x141sepcSRWS模式下的异常模式程序计数器(PC)寄存器
0x142scauseSRWS模式下的异常原因寄存器
0x143stvalSRWS模式下的异常向量寄存器（记录发生异常的虚拟地址）
0x144sipSRWS模式下的中断待定寄存器
0x180satpSRWS模式下的地址转换与保护寄存器
0x5A8scontextSRWS模式下的上下文寄存器(用于调试)
  • 说明：
    • scounteren用于在S模式下，使能U模式下的硬件性能检测和计数寄存器(cycle, time, instret, HPM3~31)
      scratch在从S模式返回U模式时，保存S模式时的进程控制块。

2.3 M模式 系统寄存器

2.3.1 总览表

地址CSR名称属性说明
0xF11mvendoridMRO机器厂商ID寄存器
0xF12marchidMRO处理器体系结构ID寄存器
0xF13mimpidMRO处理器实现版本编号寄存器
0xF14mhartidMRO处理器硬件线程(hart)ID寄存器
0xF15mconfigptrMRO配置数据结构寄存器
0x300mstatusMRWM模式下的处理器状态寄存器
0x301misaMRW指令集体系结构和扩展寄存器
0x302medelegMRWM模式下的异常委托寄存器，把异常委托到S模式下处理
0x303midelegMRWM模式下的中断委托寄存器，把中断委托到S模式下处理
0x304mieMRWM模式下的中断使能寄存器
0x305mtvecMRWM模式下的异常向量入口地址寄存器
0x306mcounterenMRWM模式下的计数使能寄存器。用于使能S模式或U模式下的硬件性能检测和计数寄存器。
0x340mscratchMRW用于异常处理的临时寄存器
0x341mepcMRWM模式下的异常模式PC寄存器。处理器陷入M模式时，保存中断或遇到的异常的指令的虚拟地址
0x342mcauseMRWM模式下的异常原因寄存器
0x343mtvalMRWM模式下的异常向量寄存器。处理器陷入M模式时，mtval记录发生异常的虚拟地址。
0x344mipMRWM模式下的中断待定寄存器。表示哪些中断处与待定状态。
0x34AmtinstMRWM模式下的陷入指令(用于虚拟化)
0x34Bmtval2MRWM模式下的异常向量寄存器(用于虚拟化)

2.3.2 补充

2.3.2.1 misa寄存器

  • misa：表示处理器支持的体系结构和扩展
    • Extensions(bit[25:0])：表示处理器支持的扩展
    • MXL(bit[63:62)：表示M模式下寄存器长度
      • 1：32位
      • 2：64位
      • 3：128位
位名称说明
0A原子操作扩展
1B位操作扩展
2C压缩指令扩展
3D双精度浮点数扩展
4ERV32E指令集扩展
5F单精度浮点数扩展
6G保留
7H虚拟化扩展
8IRV32I/RV64I/RV128I基础指令集扩展
9J动态翻译语言扩展
10K保留
11L保留
12M整数乘/除扩展
13N用户中断扩展
14O保留
15PSIMD扩展
16Q4倍精度浮点数扩展
17R保留
18S支持S模式
19T保留
20U支持U模式
21V可伸缩矢量扩展
22W保留
23X非标准扩展
24Y保留
25Z保留

2.3.2.2 mstatus寄存器

字段尾段说明
UIEbit[0]
SIEbit[1]中断使能位，用于使能和关闭S模式下所有的中断
MIEbit[3]中断使能位，用于使能和关闭M模式下所有的中断
SPIEbit[5]中断使能保存位。当一个异常陷入S模式时，SIE的值保存到SPIE中，SIE设置为0。当调用SRET指令返回时，从SPIE中恢复SIE，然后SPIE设置为1
UBEbit[6]控制U模式下加载和存储指令访问内存的大小端模式。
0：小端。
1：大端。
MPIEbit[7]中断使能保存位。当一个异常陷入M模式时，MIE的值保存到MPIE中，MIE设置为0。当调用MRET指令返回时，从MPIE中恢复MIE，然后MPIE设置为1
SPPbit[8]陷入S模式之前的CPU处理模式。
0：从U模式陷入到S模式。
1：在S模式触发的异常。
VSbir[10:9]使能可伸缩矢量扩展
MPPbit[12:11]陷入M模式之前CPU的处理模式。
0：从U模式陷入到M模式。
1：从S模式陷入到M模式
2：在M模式触发的异常。
FSbit[14:13]使能浮点数单元
XSbit[16:15使能U模式下扩展的其他状态
MPRVbit[17]修改有效特权模式：
0：加载和存储指令按照当前的处理器模式进行地址转换和内存保护。
加载和存储指令按照MPP字段中存储的处理器模式的权限进行内存保护与检查
SUMbit[18]指定在S模式下是否允许访问U模式的内存。
0：在S模式下访问U模式下的内存是会触发异常。
1：在S模式下可以访问U模式下的内存
MXRbit[19]指定访问内存的权限。
0：可以加载只读页面。
1：可以加载可读和可执行的页面
TVMbit[20] 支持拦截S模式下的虚拟内存管理操作
TWbit[21]支持拦截WFI指令。
0：WFI指令可以在低权限模式下执行。
1：
TSRbit[22]支持拦截SRET指令。
0：在S模式下正常执行SRET指令。
1：在S模式下执行SRET指令会触发非法指令异常。
UXLbit[33:32]U模式下寄存器长度
SXLbit[35:34]S模式下寄存器长度
SBEbit[36]控制S模式下加载和内存访问的大小端模式。
0：小端。
1：大端。
MBEbit[37]控制M模式下加载和内存访问的大小端模式。
0：小端。
1：大端。

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