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

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

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。

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：

• 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

• 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，暂时未知，查看QEMU和TinyEMU源码中，均是如此实现的，暂时不管。

3.2 在S模式下，发生异常

与U模式下，完全一致。判断medeleg中该异常对应bit：

• 为0时，更新对应M模式寄存器，切到M模式，之后通过mret返回；
• 为1时，更新对应S模式寄存器，保持在S模式。

3.3 在M模式下，发生异常

不再关心medeleg寄存器值，仅能在M模式下处理，并会更新对应M模式寄存器。

4 系统调用时模式切换

系统调用，其实就是medeleg寄存器定义的异常之一，只不过这种异常，是由U或S模式下，程序通过ecall指令，软件触发的异常，主要用于系统调用，实现一些底层调用，例如输出打印信息到串口等。

因此，系统调用，这种异常的处理，与《2.1 异常处理时模式切换》完全一致，不再赘述。

5 中断处理时模式切换

进行中断处理时，模式转换图，如下：

与异常处理时，模式转换是类似的。
只是在异常处理中，我们判断medeleg寄存器，确定是否委托；而这里判断mideleg寄存器，来确定是否委托。

整体上，异常与中断的处理过程，非常相似。

更新寄存器，进入模式，以及返回指令，与异常处理时，完全一致，不再赘述。

本文描述的更详细内容，可阅读TinyEMU源码，riscv_cpu.c中raise_exception2函数。

综上，只有异常或中断，发生在U或S模式下时，才能委托给S模式处理；发生在M模式下时，只能在M模式处理，无法委托给S模式。

换句话说，委托的目的地一定是S模式，而被委托异常的源头，可以是U或S模式。