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 |
|---|---|---|---|
| X0 | zero | 零寄存器 | 可做源寄存器(rs)或目标寄存器(rd) |
| X1 | ra | 链接寄存器 | 保存函数返回地址 |
| X2 | sp | 栈指针寄存器 | 指向栈的地址 |
| X3 | gp | 全局寄存器 | 用于链接器松弛优化 |
| X4 | tp | 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 | |
| X8 | s0/fp | 帧指针寄存器 | 用于函数调用，被调用函数需保存数据 |
| X9 | s1 | 用于函数调用 ，被调用函数需要保存的数据 | |
| X10 ~ X17 | a0 ~ a7 | 用于函数调用，传递参数和返回值 | |
| X18 ~ X27 | s2 ~ 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地址空间映射：
| 地址范围 | bit11:10 | bit9:8 | bit7:4 | 访问模式 | 访问权限 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0x000 ~ 0x0FF | 00 | 00 | xxxx | U | RW |
| 0x400 ~ 0x4FF | 01 | 00 | xxxx | U | RW |
| 0x800 ~ 0x8FF | 10 | 00 | xxxx | U | RW(用户自定义系统寄存器) |
| 0xC00 ~ 0xC7F | 11 | 00 | 0xxx | U | RO |
| 0xC80 ~ 0xCBF | 11 | 00 | 10xx | U | RO |
| 0xCC0 ~ 0xCFF | 11 | 00 | 11xx | U | RO |
| 0x100 ~ 0x1FF | 00 | 01 | xxxx | S | RW |
| 0x500 ~ 0x57F | 01 | 01 | 0xxx | S | RW |
| 0x580 ~ 0x5BF | 01 | 01 | 10xx | S | RW |
| 0x5C0 ~ 0x5FF | 01 | 01 | 11xx | S | RW(用户自定义系统寄存器) |
| 0x900 ~ 0x97F | 10 | 01 | 0xxx | S | RW |
| 0x980 ~ 0x9BF | 10 | 01 | 10xx | S | RW |
| 0x9C0 ~ 0x9FF | 10 | 01 | 11xx | S | RW(用户自定义系统寄存器) |
| 0xD00 ~ 0xD7F | 11 | 01 | 0xxx | S | RO |
| 0xD80 ~ 0xDBF | 11 | 01 | 10xx | S | RO |
| 0xDC0 ~ 0xDFF | 11 | 01 | 11xx | S | RO(用户自定义系统寄存器) |
| 0x300 ~ 0x3FF | 00 | 11 | xxxx | M | RW |
| 0x700 ~ 0x77F | 01 | 11 | 0xxx | M | RW |
| 0x780 ~ 0x79F | 10 | 11 | 100x | M | RW |
| 0x7A0 ~ 0x7AF | 01 | 11 | 1010 | M | RW(用于调试寄存器) |
| 0x7B0 ~ 0x7BF | 01 | 11 | 1011 | M | RW(只能用于调试寄存器) |
| 0x7C0 ~ 0x7FF | 01 | 11 | 11xx | M | RW(用户自定义系统寄存器) |
| 0xB00 ~ 0xB7F | 10 | 11 | 0xxx | M | RW |
| 0xB80 ~ 0xBBF | 10 | 11 | 10xx | M | RW |
| 0xBC0 ~ 0xBFF | 10 | 11 | 11xx | M | RW(用户自定义系统寄存器) |
| 0xF00 ~ 0xF7F | 11 | 11 | 0xxx | M | RO |
| 0xF80 ~ 0xFBF | 11 | 11 | 10xx | M | RO |
| 0xFC0 ~ 0xFFF | 11 | 11 | 11xx | M | RO(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 |
|---|---|---|---|
| 0x001 | fflags | URW | 浮点数累积异常(accrued exception) |
| 0x002 | frm | URW | 浮点数动态舍入模式(dynamic rounding mode) |
| 0x003 | fcsr | URW | 浮点数控制和状态寄存器 |
| 0xC00 | cycle | URO | 读取时钟周期，映射到RDCYCLE伪指令 |
| 0xC01 | time | URO | 读取time系统寄存器的值，映射到RDTIME伪指令 |
| 0xC02 | instret | URO | 执行指令数目，映射到RDINSTRET伪指令 |
| 0xC03 ~ 0xC1F | hpmcounter3 ~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 |
|---|---|---|---|
| 0x100 | sstatus | SRW | S模式下的处理器状态寄存器 |
| 0x104 | sie | SRW | S模式下的中断使能寄存器 |
| 0x105 | stvec | SRW | S模式下的异常向量表入口地址寄存器 |
| 0x106 | scounteren | SRW | S模式下的计数使能寄存器 |
| 0x10A | senvcfg | SRW | S模式下的环境配置寄存器 |
| 0x140 | scratch | SRW | 用于异常处理的临时寄存器 |
| 0x141 | sepc | SRW | S模式下的异常模式程序计数器(PC)寄存器 |
| 0x142 | scause | SRW | S模式下的异常原因寄存器 |
| 0x143 | stval | SRW | S模式下的异常向量寄存器（记录发生异常的虚拟地址） |
| 0x144 | sip | SRW | S模式下的中断待定寄存器 |
| 0x180 | satp | SRW | S模式下的地址转换与保护寄存器 |
| 0x5A8 | scontext | SRW | S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。
- 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)
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 |
|---|---|---|---|
| 0xF11 | mvendorid | MRO | 机器厂商ID寄存器 |
| 0xF12 | marchid | MRO | 处理器体系结构ID寄存器 |
| 0xF13 | mimpid | MRO | 处理器实现版本编号寄存器 |
| 0xF14 | mhartid | MRO | 处理器硬件线程(hart)ID寄存器 |
| 0xF15 | mconfigptr | MRO | 配置数据结构寄存器 |
| 0x300 | mstatus | MRW | M模式下的处理器状态寄存器 |
| 0x301 | misa | MRW | 指令集体系结构和扩展寄存器 |
| 0x302 | medeleg | MRW | M模式下的异常委托寄存器，把异常委托到S模式下处理 |
| 0x303 | mideleg | MRW | M模式下的中断委托寄存器，把中断委托到S模式下处理 |
| 0x304 | mie | MRW | M模式下的中断使能寄存器 |
| 0x305 | mtvec | MRW | M模式下的异常向量入口地址寄存器 |
| 0x306 | mcounteren | MRW | M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。 |
| 0x340 | mscratch | MRW | 用于异常处理的临时寄存器 |
| 0x341 | mepc | MRW | M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 |
| 0x342 | mcause | MRW | M模式下的异常原因寄存器 |
| 0x343 | mtval | MRW | M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。 |
| 0x344 | mip | MRW | M模式下的中断待定寄存器。表示哪些中断处与待定状态。 |
| 0x34A | mtinst | MRW | M模式下的陷入指令(用于虚拟化) |
| 0x34B | mtval2 | MRW | M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(bit25:0)：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 |
|---|---|---|
| 0 | A | 原子操作扩展 |
| 1 | B | 位操作扩展 |
| 2 | C | 压缩指令扩展 |
| 3 | D | 双精度浮点数扩展 |
| 4 | E | RV32E指令集扩展 |
| 5 | F | 单精度浮点数扩展 |
| 6 | G | 保留 |
| 7 | H | 虚拟化扩展 |
| 8 | I | RV32I/RV64I/RV128I基础指令集扩展 |
| 9 | J | 动态翻译语言扩展 |
| 10 | K | 保留 |
| 11 | L | 保留 |
| 12 | M | 整数乘/除扩展 |
| 13 | N | 用户中断扩展 |
| 14 | O | 保留 |
| 15 | P | SIMD扩展 |
| 16 | Q | 4倍精度浮点数扩展 |
| 17 | R | 保留 |
| 18 | S | 支持S模式 |
| 19 | T | 保留 |
| 20 | U | 支持U模式 |
| 21 | V | 可伸缩矢量扩展 |
| 22 | W | 保留 |
| 23 | X | 非标准扩展 |
| 24 | Y | 保留 |
| 25 | Z | 保留 |
2.3.2.2 mstatus寄存器
| 字段 | 尾段 | 说明 |
|---|---|---|
| UIE | bit0 | |
| SIE | bit1 | 中断使能位，用于使能和关闭S模式下所有的中断 |
| MIE | bit3 | 中断使能位，用于使能和关闭M模式下所有的中断 |
| SPIE | bit5 | 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 |
| UBE | bit6 | 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。 |
| MPIE | bit7 | 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 |
| SPP | bit8 | 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。 |
| VS | bir10:9 | 使能可伸缩矢量扩展 |
| MPP | bit12:11 | 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。 |
| FS | bit14:13 | 使能浮点数单元 |
| XS | bit[16:15 | 使能U模式下扩展的其他状态 |
| MPRV | bit17 | 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 |
| SUM | bit18 | 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 |
| MXR | bit19 | 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 |
| TVM | bit20 支持拦截S模式下的虚拟内存管理操作 | |
| TW | bit21 | 支持拦截WFI指令。 0：WFI指令可以在低权限模式下执行。 1： |
| TSR | bit22 | 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。 |
| UXL | bit33:32 | U模式下寄存器长度 |
| SXL | bit35:34 | S模式下寄存器长度 |
| SBE | bit36 | 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。 |
| MBE | bit37 | 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。 |