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

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

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

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

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

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：

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

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

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

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

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

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

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。

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参考文档：

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