RISC-V特权架构 - 模式切换与委托

1 导致模式切换的常见动作
2 异常处理规则
3 异常处理时模式切换
- 3.1 在U模式下，发生异常
- 3.2 在S模式下，发生异常
- 3.3 在M模式下，发生异常
4 系统调用时模式切换
5 中断处理时模式切换

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 导致模式切换的常见动作

RISC-V指令架构中，模式切换通常与异常处理、系统调用或程序流程管理有关。以下是导致RISC-V模式切换的一些常见动作：

异常处理
当RISC-V处理器遇到异常（如中断、非法指令等）时，它会根据异常类型跳转到相应的异常处理程序。这个跳转过程往往涉及从当前模式（如用户模式U）切换到更高特权的模式（如监督模式S或机器模式M），以便执行必要的异常处理代码。
中断处理
当中断发生时（如定时器中断、外部设备中断等），处理器会暂停当前任务，保存现场，并跳转到中断处理程序。这个过程通常涉及模式切换，以确保中断处理代码在适当的特权级别下执行。
系统调用
用户模式程序有时需要执行一些特权操作，如访问硬件资源或执行某些管理任务。这些操作不能直接在用户模式下完成，因此程序会发起系统调用。系统调用会导致处理器从用户模式切换到监督模式或机器模式，以便内核或特权代码可以执行所需的操作。RISCV提供ECALL指令，来实现系统调用。
模式切换指令
RISC-V提供了一些特权指令，用于在模式之间显式切换。例如，mret指令用于从机器模式返回到先前的模式，sret指令用于从监督模式返回到先前的模式。当异常处理程序或系统调用处理完成后，这些指令会被用来恢复之前的执行模式。

总之，导致RISC-V模式切换的动作包括异常处理、系统调用、使用模式切换指令以及中断处理等。这些动作确保了处理器能够在不同的执行模式之间灵活切换，以满足不同任务的需求。

2 异常处理规则

RISC-V架构指出，有如下的，异常处理规则：

M模式下发生中断，只能在M模式下处理
S模式下发生中断，默认在M模式下处理，也可以委托到S模式下处理
U模式下发生中断，默认在M模式下处理，也可以委托到S模式下处理

也就是说，只能把低级模式中断，委托给高级模式处理；而不能把高级模式中断，委托给低级模式处理。

不能把M模式产生的中断，委托给S模式；这意味着在M模式下发生的中断，通常需要在M模式下处理，而不能直接委托给S模式。

其实，还有一种迂回的方法，可以将M模式下中断，“委托”到S模式处理，那就是下节要讲的中断注入机制。

处理器，在某时刻，只会处于某一个模式下，但是会根据当前的执行上下文和任务需求，在不同的模式之间进行切换。

3 异常处理时模式切换

中断、异常、系统调用，他们都属于广义上的异常。
但是，在RISCV体系结构中，委托机制，使用2个寄存器实现委托：

将中断归为一类，使用mideleg寄存器，以便将中断，委托给S模式处理；
将异常与系统调用归为一类，使用medeleg寄存器，以便将异常，委托给S模式处理。

进行异常处理时，模式转换图，如下：
在这里插入图片描述

低权限模式，切换到高权限模式
通常是，由异常/中断/系统调用（ecall指令）触发了异常，需要切换到更高权限模式，进行异常处理。此时，才会发生由低到高模式的切换。
高权限模式，切换到低权限模式
通常是，在异常处理程序结束后，使用xret指令，返回到之前的模式。此时，才会发生由高到低模式的切换。

3.1 在U模式下，发生异常

在这里插入图片描述

若medeleg中该异常对应bit为1，表示该异常，需要委托给S模式处理，则更新scause、sepc、stval、mstatus、pc这些S模式寄存器，并切换到S模式；异常服务程序执行完毕后，通过sret指令返回到之前的模式。
若bit为0，表示不委托，则更新mcause、mepc、mtval、mstatus、pc这些M模式寄存器，并切换到M模式，异常服务程序执行完毕后，通过mret指令返回到之前的模式。

寄存器具体如何更新，可参考《RISC-V特权架构 - 机器模式下的异常处理》。
至于为何在S模式下，仍然更新mstatus寄存器，而不是sstatus寄存器，其原因为：sstatus可以看成mstatus的一个部分字段限制访问的镜像，它不包含M模式下的字段。对sstatus所做的更改会反映在mstatus中，对mstatus所做的更改也会反映在sstatus中。
因此，更改mstatus中S模式字段，sstatus中对应字段自动被修改，故全部操作mstatus就可以了。