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1. CSR的作用与分类

CSR（Control and Status Registers）是RISC-V体系结构中的一组特殊寄存器，主要用于控制处理器状态、管理中断与异常、以及提供性能监控等功能。CSR被分为以下三种模式级别：

  1. 用户模式（u-mode）
  2. 超级模式（s-mode）
  3. 机器模式（m-mode）

CSR的地址空间使用统一的12位编码，具有特定的访问权限：

  1. u（用户态）
  2. s（超级用户态）
  3. m（机器态）

2. 用户模式（User Mode）CSR

用户模式是运行非超级用户应用的最低级别。以下是用户模式常用的CSR：

ustatus（0x000）​

用户态状态寄存器，用于指示中断启用等状态

位域说明：​

  • UIE：全局中断使能位

  • UPIE：中断之前的全局中断使能状态

uie（0x004）​

用户态中断启用寄存器，用于单独控制用户态中断源

utvec（0x005）​

用户态中断向量基地址寄存器。通常存储用户模式的异常处理程序入口地址

3. 超级模式（Supervisor Mode）CSR

超级模式用于运行操作系统及其内核服务

sstatus（0x100）​

超级用户态状态寄存器，存储系统级全局状态

位域说明：​

  • SIE：超级用户态中断使能位

  • SPIE：中断之前的超级用户态中断状态

  • SPP：中断返回时的超级用户模式

sie（0x104）​

超级用户态中断启用寄存器，控制特定中断源

stvec（0x105）​

超级用户态中断向量基地址寄存器，保存异常和中断处理程序入口

scounteren（0x106）​

用户态计数器访问控制寄存器，用于限制用户模式对计数器的访问

sscratch（0x140）​

临时保存寄存器，通常用于保存异常处理相关的数据

sepc（0x141）​

超级用户态异常程序计数器，保存异常发生时的程序计数器值

scause（0x142）​

超级用户态异常原因寄存器，指出异常的来源和性质

stval（0x143）​

超级用户态异常值寄存器，存储与异常相关的数据

sip（0x144）​

超级用户态中断挂起寄存器，指示未决中断

4. 机器模式（Machine Mode）CSR

机器模式是RISC-V中最高权限的模式，负责初始化、配置和管理处理器

mstatus（0x300）​

机器态状态寄存器，提供全局状态信息

位域说明：​

  • MIE：机器态中断使能位

  • MPIE：中断之前的机器态中断状态

  • MPP：中断返回时的超级用户级别

mie（0x304）​

机器态中断启用寄存器，用于启用机器级别的中断

mtvec（0x305）​

机器态中断向量基地址寄存器，指示异常或中断的处理程序地址

mscratch（0x340）​

临时保存寄存器，通常在异常处理期间使用

mepc（0x341）​

机器态异常程序计数器，存储异常发生时的PC值

mcause（0x342）​

机器态异常原因寄存器，指示异常或中断的原因

mtval（0x343）​

机器态异常值寄存器，提供与异常相关的附加信息

mip（0x344）​

机器态中断挂起寄存器，指示未决的中断源

5. 性能监控CSR

RISC-V提供性能监控相关的CSR，用于分析程序性能

mcycle（0xB00）​

机器态周期计数器，记录自处理器启动以来的时钟周期数

minstret（0xB02）​

指令退休计数器，记录完成执行的指令数量

mhpmcounter3-31（0xB03-0xB1F）​

性能监控计数器，可编程用于统计特定的硬件事件（如缓存命中次数）

mhpmcounter3h-31h（0xB83-0xB9F）​

64位架构中性能监控计数器的高位部分

6. 用户可访问的CSR

某些CSR即使在用户模式下也可以访问，主要包括以下内容：

cycle（0xC00）​

周期计数器，用户可读

time（0xC01）​

时间计数器，基于RTC的全局时间

instret（0xC02）​

指令退休计数器，用户可读

hpmcounter3-31（0xC03-0xC1F）​

用户模式下的性能监控计数器

7. 示例

读取CSR的值​

使用RISC-V的内联汇编指令可以直接读取CSR寄存器的值。以下是一个读取sscratch寄存器的示例：

csrr a0, sscratch

写入CSR的值​

某些CSR允许写入，例如sscratch。以下代码示例展示如何将值写入sscratch寄存器：

csrw mscratch, a0

说明​

  • 代码中的csrr、csrw是RISC-V的汇编指令，分别用于读取和写入CSR寄存器。
  • 不同处理器实现可能对CSR支持有所差异，需要确保目标平台支持这些寄存器。
  • 如果需要对CSR进行更多操作，建议参考RISC-V特权架构规范。

7.1 进入示例​

下载测试代码

下载解压并进入示例目录

7.2 编译​

make
```
## 7.3 **运行**
```
make run

运行后LOG如下

qemu-system-riscv64 -nographic -machine virt -m 128M  -bios m_mode.bin  -device loader,file=s_mode.bin,addr=0x80200000  -kernel s_mode.elf
   _____ ____ _____
   / ____|  _ \_   _|
 | (___ | |_) || |
  \ \___ \|  _ < | |
  ____) | |_) || |_
 |_|_____/|____/_____|

sscratch value: 0x0
sscratch value: 0xaabbccdd11223344

详见请参考文档：实验环境搭建。