RISC-V体系架构

RISC-V体系架构

目录

1. RISC-V指令集特点
2. RISC-V指令集扩展
   • 2.1 基础指令集
   • 2.2 基础指令类型
   • 2.3 扩展指令集
3. RISC-V体系架构特点
4. RISC-V基本概念
   • 4.1 执行环境（EEI）
   • 4.2 哈特（Hart）
5. RISC-V处理器模式
   • 5.1 三种基本模式
   • 5.2 特权级别配置
   • 5.3 虚拟化扩展
6. SBI接口
   • 6.1 定义
   • 6.2 OpenSBI实现
7. RISC-V寄存器
   • 7.1 寄存器配置
   • 7.2 通用寄存器功能分配
8. RISC-V系统控制和状态寄存器（CSRs）
   • 8.1 系统寄存器分类
   • 8.2 CSR指令编码
   • 8.3 12位CSR编码空间分组
   • 8.4 非法指令异常触发条件
   • 8.5 M模式系统控制和状态寄存器
     • 8.5.1 mstatus寄存器（机器状态寄存器）
   • 8.6 S模式系统控制和状态寄存器
     • 8.6.1 sstatus寄存器字段详细说明
     • 8.6.2 satp寄存器（特权地址转换和保护寄存器）
   • 8.8.9 CSR访问指令
     • 8.8.9.1 基本CSR指令

1. RISC-V指令集特点

1. 开源免费 - 完全开放的指令集架构，无专利限制
2. 设计简洁 - 继承了MIPS的优点，指令数量少而精
3. 模块化设计 - 支持多种扩展指令集，按需选择
4. 丰富的软件生态 - 拥有完整的工具链支持
5. 可扩展性 - 支持自定义指令扩展
6. 向后兼容 - 新版本保持对旧版本的兼容性
7. 多宽度支持 - 支持32位、64位、128位等多种位宽

2. RISC-V指令集扩展

2.1 基础指令集

• RV32I: 32位整型最小指令集合（40条指令）
• RV64I: 64位整型最小指令集合（在RV32I基础上增加64位操作）
• RV32E: 32位嵌入式指令集（16个寄存器版本）
• RV128I: 128位整型指令集合（实验性）

2.2 基础指令类型

• 算术运算: ADD, SUB, MUL, DIV等
• 逻辑运算: AND, OR, XOR, NOT等
• 移位运算: SLL, SRL, SRA等
• 比较运算: SLT, SLTU等
• 分支跳转: BEQ, BNE, JAL, JALR等
• 内存访问: LB, LH, LW, SB, SH, SW等
• 系统调用: ECALL, EBREAK等

2.3 扩展指令集

注意: 实现最小指令集合和M扩展即可运行一个小型操作系统

3. RISC-V体系架构特点

• 完全开放 - 一个完全开放的指令集架构
• 硬件友好 - 真正适合硬件实现的架构，而不是模拟或二进制翻译的指令集架构
• 通用设计 - 通用的指令集架构，而不是针对某个特定微架构的实现
• 教学友好 - 最小集合的整数指令集可用作教学，在此基础上可实现众多扩展指令集
• 标准兼容 - 支持IEEE-754浮点标准
• 模块化 - 支持众多扩展指令集
• 多地址空间 - 支持32位和64位地址空间
• 多核支持 - 支持多核与异构
• 代码优化 - 支持可选的压缩指令编码，提高性能、能源效率和优化静态代码大小
• 虚拟化 - 支持虚拟化扩展
• 矢量计算 - 支持可伸缩矢量指令扩展

4. RISC-V基本概念

4.1 执行环境（EEI）

• 执行环境接口（Execution Environment Interface）：定义软件与硬件之间的接口规范

4.2 哈特（Hart）

• 定义: 表示一个CPU硬件执行单元
• 类比:
  • X86架构：超线程（Simultaneous Multithread SMT）
  • ARMv8架构：处理机（Processing Element PE）

5. RISC-V处理器模式

5.1 三种基本模式

• 机器模式（M）: 运行SBI固件，为操作系统提供服务
• 特权模式（S）: 运行操作系统内核，为应用程序提供服务
• 用户模式（U）: 运行应用程序

5.2 特权级别配置

5.3 虚拟化扩展

虚拟化扩展新增以下模式：

• HS模式: 主机特权模式
• VS模式: 虚拟特权模式
• VU模式: 虚拟用户模式

6. SBI接口

6.1 定义

• Supervisor Binary Interface: 对所有RISC-V硬件平台中共性的功能做了抽象，为运行在S模式下的操作系统和HS模式下的虚拟化管理软件提供统一的接口
• 类比: 类似操作系统中的系统调用层或者X86的BIOS

6.2 OpenSBI实现

RISC-V有一个通用的SBI实现：OpenSBI

主要功能:

• 为运行在低级别的处理器模式提供访问M模式硬件资源的抽象接口
• 保证系统稳定和安全
• 提供良好的可移植性

7. RISC-V寄存器

7.1 寄存器配置

• 64位RISC-V: 提供32个通用寄存器（x0-x31）
• 浮点寄存器: 提供32个浮点通用寄存器（f0-f31）

7.2 通用寄存器功能分配

8. RISC-V系统控制和状态寄存器（CSRs）

8.1 系统寄存器分类

RISC-V支持3类系统寄存器：

• M模式系统寄存器 - 机器模式专用
• S模式系统寄存器 - 特权模式专用
• U模式系统寄存器 - 用户模式专用

8.2 CSR指令编码

软件通过CSR指令访问系统寄存器（如CSRRW），在CSR指令编码中预留了12位编码空间用于索引系统控制寄存器：

8.3 12位CSR编码空间分组

读写控制（bit11-bit10）

• 0b11: 只读寄存器
• 其他值: 可读写寄存器

访问权限（bit9-bit8）

• 0b00: U模式访问
• 0b01: S模式访问
• 0b10: M模式访问
• 0b11: HS/VS模式访问

8.4 非法指令异常触发条件

• 访问不存在或未实现的寄存器
• 尝试写入具有只读属性的寄存器
• 在低级别模式下访问高级别处理器模式的系统寄存器

8.5 M模式系统控制和状态寄存器

8.5.1 mstatus寄存器（机器状态寄存器）

8.6 S模式系统控制和状态寄存器

8.6.1 sstatus寄存器字段详细说明

8.6.2 satp寄存器（特权地址转换和保护寄存器）

8.8.9 CSR访问指令

8.8.9.1 基本CSR指令