最近学习mit 6.828这门公开课，这门课包含一个基于RISC-V架构的操作系统。在学习过程中，看了非常多的RISC-V架构的文档，在此记录一下供后续查看。

1 特权架构

RISC-V架构提供了三种模式

• Machine mode(M-mode)
• Supervisor mode(S-mode)
• User mode(U-mode)

这三种模式，M-mode拥有对系统和硬件完全掌控的权限，U-mode权限最低，只能够使用一般意义的指令或者寄存器，没有权限访问硬件设备。

在现代计算机体系结构中，RAM抽象为一个包含非常多能够存储一个字节的存储单元（cell）的设备，每个存储单元都有一个从零开始的地址，处理器通过地址来读写RAM。对于外部I\O设备，将这些设备映射为某个地址或者某个地址段，那么处理器也能够使用简单的load\store指令来访问设备。对于xv6操作系统，QEMU将[0x0, 0x80000000)保留作为I\O设备映射的地址空间，如下图右图所示。

在M-mode中，通过物理地址（physical address，PA）来访问RAM或者I\O设备，处理中断或者异常。S-mode下使用虚拟地址（virtual address，VA）访问RAM或者I\O设备，通过地址翻译单元（MMU）将虚拟地址翻译成物理地址才能够访问RAM或者I\O设备，并且默认不能处理中断或者异常。U-mode权限最低，需要通过中断陷入S-mode才能够访问I\O设备。

2 中断和异常

中断和异常都会导致处理器的执行流跳转到中断异常处理程序（exception handler），默认情况下中断异常处理程序是在M-mode下执行的。

M-mode下有几个额外的寄存器来描述和中断或者异常相关的状态，这些寄存器只能在M-mode下才能读写。

上图是mstatus包含的状态，比较关心的包括

当中断或者异常发生时，硬件会执行以下四步后跳转到mtvec处

1. 将PC寄存器保存到mepc中，并且将PC设置为mtvec
2. 设置mcause为发生的异常或者中断，并且设置额外需要的信息到mtval中
3. 将mstatus.MIE保存到mstatus.MPIE，并设置mstatus.MIE为0
4. 将mstatus.MPP设置为中断或者异常发生时的模式

在中断异常处理程序中，会首先将一些整数寄存器的值保存到mscratch指向到存储空间，接着再处理中断和异常，最后将保存在mscratch保存的寄存器值恢复到寄存器中，将PC设置为mepc，从而恢复之前的执行流。

为了让类Unix的多任务操作系统能够运行在RISC-V架构，RISC-V架构提供了S-mode。S-mode通过虚拟地址来访问硬件资源，这样内核和每个进程都有自己的地址空间，提供了资源隔离的效果。默认所有中断或者异常都是转到M-mode下处理的，RISC-V提供额外的机制可以将中断或者异常授予给S-mode处理，这涉及到额外的两个寄存器mideleg（Machine interrupt delegation）和medeleg（Machine exception delegation），分别用于授予中断和异常。同时S-mode也有和M-mode一样的状态控制寄存器，前文已经描述过M-mode的8个状态控制寄存器，S-mode也存在8个状态控制寄存器，和M-mode的区别是这些寄存器全是以S***开头，这里不再赘述。

3 物理内存保护

物理内存保护（Physical Memory Protection，PMP）是一种很低级别的资源隔离手段，一般用于嵌入式设备，PMP涉及到两种类型寄存器pmpaddr和pmpcfg。pmpaddr是物理地址，pmpcfg是地址空间的配置信息，其中pmpaddr0描述[0, pmpaddr0)地址空间，其访问权限的配置信息在pmpcfg0的低8位。需要注意的是，S-mode通过地址访问I\O设备或者RAM时会受到PMP的限制，而M-mode不会。

4 虚拟地址

虚拟地址是一个比较大的主题，本节只是为了本文的完整性很笼统的介绍下虚拟地址，后面会另外写一篇文章更详细地描述虚拟地址。

S-mode和U-mode是通过虚拟地址来访问I\O设备或者RAM的，这是通过设置页表寄存器satp实现的，通过将satp寄存器设置为根页表的地址，接下里处理器会将虚拟地址发送给地址翻译单元，地址翻译单元从页表中找到对应的页表条目（PTE），PTE包含物理页的首地址（PPN），处理器将PPN和虚拟地址的地址偏移（VPO）结合就形成物理地址，那么接下来就可以通过物理地址来访问RAM或者I\O设备了。