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)
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- [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)
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- [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。
cpp
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。
cpp
t = csr
csr = t | rs1
rd = t3.3 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。
cpp
t = csr
csr = t & ∼rs1
rd = t3.4 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。
cpp
rd = csr
csr = zimm3.5 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）。
cpp
t = csr
csr = t | zimm
rd = t3.6 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）。
cpp
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》