RISC-V特权架构 - CSR寄存器

RV32/64 特权架构 - CSR寄存器

  • 1 CSR地址空间
  • 2 CSR定义
    • 2.1 用户级
    • 2.2 监管级
    • 2.3 超级监管级
    • 2.4 机器级
  • 3 CSR访问
    • 3.1 CSRRW
    • 3.2 CSRRS
    • 3.3 CSRRC
    • 3.4 CSRRWI
    • 3.5 CSRRSI
    • 3.6 CSRRCI

本文属于《 RISC-V指令集基础系列教程》之一,欢迎查看其它文章。

1 CSR地址空间

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,因此理论上最多可以有4096个CSR寄存器,并且地址空间是私有独立的,不同于全局地址空间。

CSR地址空间,定义如下:
在这里插入图片描述
CSR地址的高4bits,用于编码CSR在各个权级上的可读写性:

  • [11:10],表示该寄存器是可读写(00,01或10),还是只读(11)。
  • [9:8],表示允许访问该寄存器的最低权级。
    00:用户级,用户模式及以上权级(用户、监管、机器)可访问。
    01:监管级,监管模式及以上权级(监管、机器)可访问。
    10:超级监管级(扩展模式),仅在虚拟化时使用,用于访问虚拟化专用的CSR。
    11:机器级,仅机器模式可访问。
    从上图也可以看到,根据[9:8]的值,整个CSR地址空间被分为了4个部分。

除此之外,上图还指定了哪些CSR地址是标准用途,而哪些是自定义用途。
用于自定义的CSR地址,不会在未来标准扩展中被重新定义。

2 CSR定义

我们知道,CSR寄存器被划分为4个级别:用户级、监管级、超级监管级、机器级。
接下来,我们看看各个权级,具体定义了哪些寄存器。

2.1 用户级

用户级CSR,定义了两个部分的寄存器:

  • Unprivileged Floating-Point CSRs
  • Unprivileged Counter/Timers

在这里插入图片描述
以上Number列,给出了该寄存器的12位地址。
具体寄存器含义见规范手册。

2.2 监管级

监管级CSR,定义了五个部分的寄存器:

  • Supervisor Trap Setup
  • Supervisor Configuration
  • Supervisor Trap Handling
  • Supervisor Protection and Translation
  • Debug/Trace Registers

在这里插入图片描述
具体寄存器含义见规范手册。

2.3 超级监管级

超级监管级CSR,定义了七个部分的寄存器:

  • Hypervisor Trap Setup
  • Hypervisor Trap Handling
  • Hypervisor Configuration
  • Hypervisor Protection and Translation
  • Debug/Trace Registers
  • Hypervisor Counter/Timer Virtualization Registers
  • Virtual Supervisor Registers

在这里插入图片描述
具体寄存器含义见规范手册。

2.4 机器级

机器级CSR,定义了九个部分的寄存器:

  • Machine Information Registers
  • Machine Trap Setup
  • Machine Trap Handling
  • Machine Configuration
  • Machine Memory Protection
  • Machine Counter/Timers
  • Machine Counter Setup
  • Debug/Trace Registers (shared with Debug Mode)
  • Debug Mode Registers

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
具体寄存器含义见规范手册。

3 CSR访问

针对CSR寄存器的读写,有相应的特殊指令,这些特殊指令都被定义在RV32I中,如下所示:
在这里插入图片描述
真正的指令只有CSRRW、CSRRS、CSRRC、CSRRWI、CSRRSI、CSRRCI这6条,其他资料中的CSR指令,均为伪指令。

CSR指令机器码中共有12位(第20-31位)用来指示,被“读改写”的是哪一个CSR寄存器,这里通常填写的就是前面讲过的CSR地址,比如:mtvec寄存器那就是0x305。

注意事项:

  • 试图访问一个不存在的CSR将造成一个非法指令异常(illegal instruction exception);
  • 试图在不当的权级下访问CSR,或者尝试写入一个只读寄存器也都将造成非法指令异常;
  • 可读写寄存器中也可能包含一些只读位,此时忽略对只读位的写入。

3.1 CSRRW

在这里插入图片描述
指令形式:csrrw rd, csr, rs1
指令功能:CSR寄存器读后写。记csr值为t,将rs1写入csr,再将t写入rd。

t = csr
csr = rs1
rd = t

例如:csrrw t0, mstatus, t0
将 mstatus 的值与 t0 的值交换。

3.2 CSRRS

在这里插入图片描述
指令形式:csrrs rd, csr, rs1
指令功能:CSR寄存器读后置位。记csr值为t,将t和rs1的按位或结果写入csr,再将t 写入rd。

t = csr
csr = t | rs1 
rd = t

3.3 CSRRC

在这里插入图片描述
指令形式:csrrc rd, csr, rs1
指令功能:CSR寄存器读后清位。记csr值为t,将rs1的反码和t按位与,结果写入csr,再将t写入rd。

t = csr
csr = t & ∼rs1
rd = t

3.4 CSRRWI

在这里插入图片描述
指令形式:csrrwi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能:CSR寄存器读后写立即数。将csr 的值复制到rd 中,再将5 位立即数zimm 的零扩展结果写入csr。

rd = csr
csr = zimm

3.5 CSRRSI

在这里插入图片描述
指令形式:csrrsi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能:CSR寄存器读后置位立即数。记csr 的值为t,将5 位立即数zimm 零扩展后,和t 按位或,结果写入csr,再将t 写入rd(csr 中的第5 及更高的位不变)。

t = csr
csr = t | zimm
rd = t

3.6 CSRRCI

在这里插入图片描述
指令形式:csrrci rd, csr, zimm[4:0]
指令功能:CSR寄存器读后清位立即数。记csr 的值为t,将5 位立即数zimm 零扩展后的反码和t 按位与,结果写入csr,再将t 写入rd(csr 中的第5 及更高的位不变)。

t = csr
csr = t & ∼zimm 
rd = t

此外,需要注意:

  • 若目的通用寄存器为x0,则不会执行读取操作;
  • 若源通用寄存器为x0或立即数0,也不会进行写入CSR操作。

基于以上6条指令和x0这样的特性,衍生出若干CSR伪指令,比如:csrr、csrc、csrci、csrs、csrw等。


参考文档:

  • 《riscv-spec-20191213》
  • 《riscv-privileged-20211203》

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