机器模式
机器模式（缩写为 M 模式，M-mode）是 RISC-V 中 hart（hardware thread，硬件线 程）可以执行的最高权限模式。在 M 模式下运行的 hart 对内存，I/O 和一些对于启动和配 置系统来说必要的底层功能有着完全的使用权。因此它是唯一所有标准 RISC-V 处理器都 必须实现的权限模式。实际上简单的 RISC-V 微控制器仅支持 M 模式。
hart 是 硬 件 线 程 （hardware thread）的缩略 形式。 我们用该术语将 它们与大多数程序员熟 悉的软件线程区分开 来。软件线程在 harts 上 进行分时复用。 大多数 处理器核都只有一个 hart。
CSR：控制状态寄存器
机器模式最重要的特性是拦截和处理异常（不寻常的运行时事件）的能力。
RISC-V 将 异常分为两类。
- 同步异常：这类异常在指令执行期间产生
- 如访问了无效的存储器地址
- 执行了具有无效操作码的指令
- 中断：它是与指令流异步的外部事件，比如键盘输入。
为了方便表述与区分，本文接下来的表述按照如下规则
- 异常：异常分两类，其中的同步异常
- 中断：异常分两类，其中的中断
RISC-V 异常和中断的原因
中断时mcause的最高有效位被设置成1，异常时置为0，剩下的位标识了中断或者异常的具体原因。
中断类型（来源）
- 软件中断：软件中断通过向内存映射寄存器中存数来触发，并通常用于由一个 hart 中断另一个 hart（在其他架构中称为处理器间中断机制）。
- 时钟中断：当 hart 的时间比较器（一个名为
mtimecmp的内存映射寄存器）大于实时计数器mtime时，会触发时钟中断。 - 外部中断： 有平台级中断控制器（大多数外部设备连接到这个中断控制器）引发。
机器模式下的异常、中断处理
八个控制状态寄存器（CSR）是机器模式下异常、中断处理的必要部分
mtvec（Machine Trap Vector）它保存发生异常/中断时处理器需要跳转到的地址。- RISC-V 还支持
向量中断，其中处理器跳转到各类异常/中断各自对应的地址，而不是一个统一的入口点。这种寻址消除 了读取和解码mcause的需要，加快了中断处理速度。 将mtval [0]设 置为1可启用此功能; 然后根据异常/中断原因x将PC设置为（mtval-1 + 4x ），而 不 是 通 常 的mtvec。
- RISC-V 还支持
mepc（Machine Exception PC）它指向发生异常/中断的指令。mcause（Machine Exception Cause）它指示发生异常/中断的原因（类型）。mie（Machine Interrupt Enable）它指出处理器当前屏蔽了哪些中断。mip（Machine Interrupt Pending）它列出目前正准备处理的中断（已经到来的中断）。mtval（Machine Trap Value）它保存了陷入（trap）的附加信息：page fault中出错的地址、发生非法指令例外的指令本身，对于其他异常，它的值为 0。mscratch（Machine Scratch）它暂时存放一个字大小的数据。mstatus（Machine Status）它保存全局中断使能，以及许多其他的状态
mstatus
mstatus.MIE 置 1 时才会产生中断。mstatus.PMIE 它在异常/中断发生后保存 MIE 的旧值
mie
每个中断在控制状态寄存器 mie 中都有自己的使能位。这些位在 mie 中的位置对应于图[[RISC-V 异常和中断的原因.png]]。例如，mie[7]=1 对应于 M 模式中的时钟中断打开。
注意：中断可以被屏蔽，但是异常不能被屏蔽
mip
与 mie 有着相同的布局，并且指示当前待处理的中断。
三者相互配合
mstatus.MIE=1 打开接收中断的总开关 = 1mie[7]= 1 接收时钟中断mip[7]= 1 当前待处理的中断刚好有时钟中断
则可以处理机器的时钟中断。mstatus[MIE] & mie[7] & mip[7] ≠ 0
当一个hart 发生异常、中断时
硬件会自动经历如下的状态转换：
- 异常指令的
PC被保存在mepc中，PC被设置为mtvec。- 对于同步异常：
pepc指向导致异常的指令。 - 对于中断：它指向中断处理后应该恢复执行的位置。（这个由软件设置）
- 对于同步异常：
- 根据异常/中断源来设置
mcause寄存器。 - 将
mtval设置为出错的地址或者其他适用于特定异常的信息。 - 将
mstatus中的MIE位置置零以禁用中断，并把先前的MIE值保留到MPIE中。 - 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。（如果处理器仅实现 M 模式，则有效地跳过这个步骤）。
处理中
为避免覆盖整数寄存器中的内容，异常/中断处理程序先在最开始用 mscratch 和整数寄存器（例如 a0）中的值交换。通常，软件会让 mscratch 包含指向附加临时内存空间的指针，处理程序用该指针来保存其主体中将会用到的整数寄存器。在主体执行之 后，中断程序会恢复它保存到内存中的寄存器，然后再次使用 mscratch 和 a0 交换， 将两个寄存器恢复到它们在发生异常之前的值。
返回
- 使用
mret指令返回，mret将PC设置为mepc - 将
mstatus的MPIE域复制到MIE来恢复之前的中断使能设置 - 并将权限模式设置为
mstatus的MPP域中的值
委托
默认情况下，发生所有异常（不论在什么权限模式下）的时候，控制权都会被移交到 M 模式的异常处理程序。但是 Unix 系统中的大多数例外都应该进行 S 模式下的系统调 用。M 模式的异常处理程序可以将异常重新导向 S 模式，但这些额外的操作会减慢大多数 异常的处理速度。因此，RISC-V 提供了一种异常委托机制。通过该机制可以选择性地将中断和同步异常交给 S 模式处理，而完全绕过 M 模式。
委托中断
mideleg（Machine Interrupt Delegation，机器中断委托）CSR控制将哪些中断委托给 S模式
与 mip 和 mie 一样，mideleg 中的每个位对应于”异常/中断原因图“相同的中断。例如， mideleg[5]对应于 S 模式的时钟中断，如果把它置位，S 模式的时钟中断将会移交 S 模式 的异常处理程序，而不是 M 模式的异常处理程序。
屏蔽委托的中断
委托给 S 模式的任何中断都可以被 S 模式的sieCSR屏蔽。sie（Supervisor Interrupt Enable，监管者中断使能）和 sip（Supervisor Interrupt Pending，监管者中断待处理）CSR 是 S 模式的控制状态寄存器，他们是 mie 和 mip 的子集。它们有着和 M 模式下相同的布局，但在 sie 和 sip 中只有与由 mideleg 委托的中断对应的位才能读写。那些没有被委派 的中断对应的位始终为零。
委托异常
M 模式还可以通过 medeleg CSR 将同步异常委托给 S 模式medeleg[15]便会把 store page fault（store 过程中出现的缺页）委托给 S 模式。
基于页面的虚拟内存
S 模式提供了一种传统的虚拟内存系统，它将内存划分为固定大小的页来进行地址转 换和对内存内容的保护。启用分页的时候，大多数地址（包括 load 和 store 的有效地址和 PC 中的地址）都是虚拟地址。要访问物理内存，它们必须被转换为真正的物理地址，这通 过遍历一种称为页表的多叉树实现。 RISC-V 的分页方案以 SvX 的模式命名，其中 X 是以位为单位的虚拟地址的长度。RV64 支持多种分页方案，但我们只介绍最受欢迎的一种，Sv39。
| 标志位 | 说明 |
|---|---|
| V | 决定了该页表项的其余部分是否有效（V = 1 时有效） 。若 V = 0，则任何遍历到此页表项的虚址转换操作都会导致页错误。 |
| R、W 和 X | 位分别表示此页是否可以读取、写入和执行。如果这三个位都是 0，V=1 那么这个页表项是指向下一级页表的指针，否则它是页表树的一个叶节点。 |
| U | 位表示该页是否是用户页面。若 U = 0，则 U 模式不能访问此页面，但 S 模式 可以。若 U = 1，则 U 模式下能访问这个页面 。 |
| G | 表示这个映射是否对所有虚址空间有效，硬件可以用这个信息来提高地址转换的性能。这一位通常只用于属于操作系统的页面 |
| A | 位表示自从上次 A 位被清除以来，该页面是否被访问过。 |
| D | 位表示自从上次清除 D 位以来页面是否被弄脏（例如被写入）。 |
| RSW | 域留给操作系统使用，它会被硬件忽略。 |
| PNN | PPN 域包含物理页号，这是物理地址的一部分。若这个页表项是一个叶节点，那 么 PPN 是转换后物理地址的一部分。否则 PPN 给出下一节页表的地址。 |
操作系统依赖于 A 位和 D 位来决定将哪些页面 交换到辅存。定期清除 A 位有助于 OS 判断哪 些页面是最近最少使用 的。 置上 D 位表示换 出该页面的成本更高， 因为它必须写回辅存。
一个叫 satp（Supervisor Address Translation and Protection，监管者地址转换和保护） 的 S 模式控制状态寄存器控制了分页系统。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，它可以用来降低上下文切换的开销。最后，PPN 字段保存 了根页表的物理地址，它以 4 KiB 的页面大小为单位。通常 M 模式的程序在第一次进入 S 模式之前会把零写入 satp 以禁用分页，然后 S 模式的程序在初始化页表以后会再次进行 satp 寄存器的写操
清除TLB缓存
所有现代的处理器都用地 址转换缓存（通常称为 TLB，全称为 Translation Lookaside Buffer）来减少这种开销。为了 降低这个缓存本身的开销，大多数处理器不会让它时刻与页表保持一致。这意味着如果操 作系统修改了页表，那么这个缓存会变得陈旧而不可用。S 模式添加了另一条指令来解决 这个问题。这条sfence.vma 会通知处理器，软件可能已经修改了页表，于是处理器可以 相应地刷新转换缓存。它需要两个可选的参数，这样可以缩小缓存刷新的范围。一个位于 rs1，它指示了页表哪个虚址对应的转换被修改了；另一个位于 rs2，它给出了被修改页表 的进程的地址空间标识符（ASID）。如果两者都是 x0，便会刷新整个转换缓存。
特权指令：
mret： machine-mode trap returnsret： supervisor-mode trap returnsfence.vma： supervisor-mode fence.virtual memory addreeewfi： wait for interruptcsrr，读取一个 CSR 的值到通用寄存器。如：csrr t0, mstatus，读取mstatus的值到t0中。csrw，把一个通用寄存器中的值写入 CSR 中。如：csrw mstatus, t0，将t0的值写入mstatus。csrs，把 CSR 中指定的 bit 置 1。如：csrsi mstatus, (1 << 2)，将mstatus的右起第 3 位置 1。csrc，把 CSR 中指定的 bit 置 0。如：csrci mstatus, (1 << 2)，将mstatus的右起第 3 位置 0。csrrw，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把另一个值写入该 CSR。如：csrrw t0, mstatus, t0，将mstatus的值与t0的值交换。csrrs，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把该 CSR 中指定的 bit 置 1。csrrc，读取一个 CSR 的值到通用寄存器，然后把该 CSR 中指定的 bit 置 0。