RISC-V架构的三种特权模式如何切换

news2024/11/24 4:39:04

1、RISC-V的三种特权模式

特权模式	功能描述
机器模式（M-mode）	具有最高特权等级，具有访问所有资源的权限，通常运行固件和内核
用户模式（U-mode）	权限要比M模式低，通常是用来运行操作系统内核
管理员模式（S-mode）	级别最低的模式，它不能访问硬件资源，只能访问某些通用寄存器和通用指令，一般用于执行应用程序

芯片不一定会实现三种特权模式，可以只实现其中的部分特权模式，但是M模式是必须要实现的
- 单片机（运行RTOS）：通常只有M模式和U模式，或者只有M模式
- 通用SOC（运行linux）：M、S、U模式
芯片在启动时，默认是处于M模式
特权级别：M模式 > S模式 > U模式

2、三种特权模式之间的切换

在这里插入图片描述

从M模式返回低特权模式，使用mret命令，会返回到切换M模式之前的模式
从S模式返回低特权模式，使用sret命令，会返回到切换S模式之前的模式
U模式可以通过ecall指令切换到高特权模式，至于是切换到M模式还是S模式，取决于是M模式还是S模式来处理U模式的系统调用，这个异常委托有关
medeleg是RISC-V架构定义的异常委托寄存器，默认所有异常都是M模式处理，但是可以设置medeleg寄存器把部分异常交由S模式处理

3、高特权模式切换到低特权模式

3.1、低特权模式 -> 高特权模式 -> 低特权模式

这种是最常见的情况，程序运行在低特权模式，遇到中断、异常陷入到高特权模式，执行mret或者sret命令返回低特权模式
执行mret指令的硬件行为与异常处理模式下执行mret指令的行为相同。切换到高特权模式时，硬件会更新相关寄存器来记录低特权模式下的运行信息，通过保存现场、恢复现场来达到从高特权模式切换到低特权模式继续执行
参考博客：《RISC-V架构——中断处理和中断控制器介绍》；

3.2、高特权模式 -> 低特权模式

/ Switch Machine sub-mode to User mode /

li t0， MSTATUS_MPP //MSTATUS_MPP的值为0x00001800，即对应mstatus的MPP位域

csrc mstatus， t0 // 将mstatus寄存器的MPP位域清为0就，设置陷入M模式之前CPU模式是U特权模式

la t0， 1f // 将前面的标签1所在的PC地址赋值给t0

csrw mepc， t0 // 将t0的值赋值给CSR寄存器mepc，执行mret命令后，CPU从mepc寄存器中保存的地址处开始执行

mret // 执行mret指令，则会将模式切换到UserMode，并且从前的标签1处开始执行

// 程序（标签1即为mret的下一条指令的位置）

1: // 标签1的位置，U模式要运行的程序