RISC-V ISA

目录

• RISC-V ISA
  • 原文链接：https://github.com/tuling1900/note/blob/main/riscv/riscv-isa.md
  • ISA基本介绍
  • RISC-V ISA
    • RISC-V特点
    • 命名规范
    • 增量ISA
    • 模块ISA
      • 基本整数（Integer）指令集
      • 扩展模块指令集
    • 通用寄存器（General Purpose Registers）
    • HART
    • 特权级别（Privileged Level）
    • Control and Status Registers (CSR)
    • 内存管理与保护
      • 物理内存保护（Physical Memory Protection，PMP）
      • 虚拟内存（Virtual Memory）
    • 异常和中断

RISC-V ISA

本文内容来自软件所汪辰老师的课程

原文链接：https://github.com/tuling1900/note/blob/main/riscv/riscv-isa.md

ISA基本介绍

ISA：Instruction Set Architecture

是底层硬件电路面向上层软件程序提供的一层接口规范

ISA 是一种标准，定义了：基本数据类型、寄存器、指令、寻址模式、异常或中断处理方式

为上层软件提供一层抽象，制定规则和约束，让编程者不用操心具体的电路结构。

ISA宽度是指cpu中通用寄存器的宽度（二进制位数），决定了寻址范围的大小，数据运算能力

指令编码长度与ISA宽度无关

RISC-V ISA

RISC-V基金会

RISC-V特点

简单、清晰的分层设计、模块化、稳定、社区化

官方标准下载地址

命名规范

RV[###][abc....xyz]

RV：用于标识 RISC-V 体系架构的前缀，即 RISC-V 的缩写

[###]：{32, 64, 128} 用于标识处理器的字宽，也就是 处理器的寄存器的宽度（单位为 bit）

[abc…xyz]：标识该处理器支持的指令集模块集合。

增量ISA

增量 ISA: 计算机体系结构的传统方法，同一个体系架构下的新一代处理 器不仅实现了新的 ISA 扩展，还必须实现过去的所有扩展，目的是为了 保持向后的二进制兼容性。典型的，以 80x86 为代表

增量ISA会使指令越来越负责

模块ISA

模块化 ISA: 由 1 个基本整数指令集 + 多个可选的扩展指令集组成。基 础指令集是固定的，永远不会改变。

RISC-V是模块化ISA

基本整数（Integer）指令集

唯一强制要求实现的基础指令集，其他指令集都是可选的扩展模块

扩展模块指令集

RISC-V 允许在实现中以可选的形式实现其他 标准化和非标准化的指令集扩展

特定组合“IMAFD”被称为 “通用（General）” 组合，用英文字母 G 表示

通用寄存器（General Purpose Registers）

RISC-V 的 Unprivileged Specification 定义了 32 个通用寄存器以及一个 PC

RISC-V PC不暴露给程序员

如果实现支持 F/D 扩展则需要额外支持 32 个浮点（Float Point）寄存器

每个寄存器具体编程时有特定的用途以及 各自的别名。由 RISC-V Application Binary Interface (ABI) 定义

HART

HART = HARdware Thread 硬件线程

一个HART对应一个指令执行流

From the perspective of software running in a given execution environment, a hart is a resource that autonomously fetches and executes RISC-V instructions within that execution environment.

特权级别（Privileged Level）

RISC-V 的 Privileged Specification 定义了三个特权级别（privilege level）

Machine 级别是最高的级别，所有的实现都需要支持

可选的 Debug 级别

Control and Status Registers (CSR)

不同的特权级别下时分别对应各自的一套 Registers (CSR)，用于控制（Control）控制和获取相应 Level 下的处理器工作状态

高级别的特权级别下可以访问低级别的 CSR， 譬如 Machine Level 下可以访问 Supervisor/User Level 的 CSR，以此类推；但反之不可以

RISC-V 定义了专门用于操作 CSR 的指令

RISC-V 定义了特定的指令可以用于在不同 特权级别之间进行切换

内存管理与保护

物理内存保护（Physical Memory Protection，PMP）

允许 M 模式指定 U 模式可以访 问的内存地址

支持 R/W/X，以及 Lock

虚拟内存（Virtual Memory）

需要支持 Supervisor Level

用于实现高级的操作系统特性

多种映射方式 Sv32/Sv39/Sv48

异常和中断

异常（Exception）：“an unusual condition occurring at run time associated with an instruction in the current RISC-V hart”

在当前 hart 上、与“当前正在执行的指令”相关、运行时出现的不寻常情况（同步事件）

中断（Interrupt）：“an external asynchronous event that may cause a RISC-V hart to experience an unexpected transfer of control”

异步发生，不依赖/不等待当前指令的执行结果，来自 hart 外部（例如外设、平台中断控制器等）

区分异常和中断的区别