RISC-V架構系列之1：指令集和特權模式

作者：張健 2021-01-30 12:39:16

從2010年開始的RISC-V 項目，已經有10年的時間，RISC-V基金會先后批準了RISC-V Base ISA， Privileged Architecture，Processor Trace等規范。RISC-V對Linux的基本支持也已經完成。

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從2010年開始的RISC-V 項目，已經有10年的時間，RISC-V基金會先后批準了RISC-V Base ISA， Privileged Architecture，Processor Trace等規范。RISC-V對Linux的基本支持也已經完成。本文嘗試通俗易懂的介紹RISC-V對于Linux的基本支持，包括指令集和異常處理。內存管理，遷移到RISC-V，UEFI，KVM等支持，歡迎繼續關注本公眾號。

ISA

眼見為實，下面就是RISC-V的匯編語言了。從筆者代碼中反匯編得來，功能是把傳入的字符c，通過RISC-V提供的標準接口(此處指OpenSBI，見下文 )輸出到終端。

名正才能言順，RISC-V指令集規范

想做好一個生態，需要大家對齊目標，RISC-V的規范( Specifications，參考鏈接1)就起了這樣的作用，目前的規范分成兩部分，第1卷是非特權指令，第2卷是特權指令。在第一卷中，RISC-V已經定義了RV32I和RV64I兩個基礎整數運算，并有如下擴展。

現在問題來了，這么多規范，大家如果用的指令集不一致，豈不是沒法互操作了?別急，RISC-V還定義了下面指令集組合。

為了提高指令密度，更節省存儲空間，RISC-V還有上述的C擴展(壓縮指令)，例如RV32GC表示使用壓縮指令的RV32G指令集，RV64GC表示使用壓縮指令的RV64G指令集。根據Andrew Waterman的測試，在Spec2006(一個測試cpu性能的商用測試套)中，RV32GC和RV64GC分別比RV32G和RV64G節省30%+的空間，而性能變化不大，見參考資料2 。

除了非特權指令，RISC-V的規范還包括特權指令。Privileged Spec里面Machine ISA和Supervisor ISA已經release了1.11版本。而虛擬化Virtualization ISA目前是0.6，還在討論中。

ISA簡述

了解指令集有助于我們了解這個架構。RISC-V是一個RISC架構。所有的運算都在寄存器之間進行，通過單獨的load和store指令，把數據從內存中讀出或寫回。整體的指令集架構方面，包云崗老師帶領團隊已經做了很好的中文翻譯(參考鏈接3) ，我這邊就不再詳細的展開講，僅僅舉兩個例子

“Addi sp,sp,-32”是把sp寄存器的值減32并保存到sp寄存器中，這條指令在準備本函數自己的棧空間。

“Sd ra,24(sp)”是把本返回地址(ra)保存到棧上，24(sp)表示相對+24的位置，這是RISC-V二進制調用規范定義的。

偽匯編

平時讀代碼的時候，除了架構中定義的匯編指令還會遇到偽匯編。偽匯編是一些幫助我們平時手寫匯編提高效率的東西。比如說寄存器的賦值，下面的一條li偽指令會被翻譯為lui和addiw兩條指令。

再舉個例子，csrw用于寫入csr寄存器。其中csr的全稱是Control and Status Register，主要是和特權管理相關的寄存器。

異常處理

了解了基本的匯編語言，我們就可以進一步的了解RISC-V的異常，這是操作系統的職責之一(另一個重要職責是虛擬內存的管理，在下一篇文章介紹)。

為了便于理解，我們與ARM和X86對比下。

大約40年前，x86架構有了如上圖的保護模式。其中Level0跑操作系統，Level3跑應用。為了支持虛擬化，x86引入了VMX operation(如下圖)，Guest操作系統和應用運行在non-root模式，Hypervisor運行在root模式。在這樣的設計下，支持Type-1和Type-2的虛擬機技術都比較方便，并且原有的操作系統不需要任何修改就可以作為Guest操作系統運行。不過早期的x86虛擬化也有缺點，例如不支持二級頁表轉換，需要用shadow page table，這樣效率很低，直到EPT的引入解決這一問題。

相比之下，ARM架構采取了不同的方式。由于ARM架構下已經有了如下圖的Normal和Secure world設計(這里指的是Normal world的操作系統，例如Linux，可以不加修改的運行在Secure world)。沒有用類似x86添加VMX root和non-root的operation的形式。

而是如下圖添加了新的一個異常級別EL2(下圖的Hypervisor)，很容易理解的是EL2比EL1有更多的級別。問題在于EL2并不是EL1的復制，也就是說Linux kernel沒法直接運行在EL2上。對于Xen這種典型的Type-1虛擬化機制沒問題，Xen hypervisor可以很開心的運行在EL2。但是對于KVM，KVM作為Linux kernel的一個模塊，就比較尷尬：KVM需要EL2的一些權限，但是Linux又只能運行在EL1。于是原本在x86上完整的KVM被拆成了high-visor和low-visor(需要EL2特權能力的部分)兩部分。平時KVM的high-visor愉快和Linux kernel一起運行在EL1，當需要虛擬化管理的特權操作時，KVM從high-visor陷入到low-visor處理。

ARM的虛擬化技術比x86的晚了很多年，有個好處是可以完成x86多次迭代得到的狀態，例如前文提到的x86為了避免shadow page table引入的EPT，在ARM虛擬化擴展時是原生支持的。同時，ARM的虛擬化擴展在32位和64位架構下是完全一樣的，早期的虛擬化工作，不論是xen還是KVM的工作都是在32位的ARMv7a架構的Cortex-A15和Cortex-A7上完成的。這樣ARM64推出后，虛擬化這部分工作不需要重新做。至于ARM虛擬化上更多異常處理導致的性能問題，從ARMv8.1開始，有了VHE模式，支持把EL1下沉到EL2運行，這樣KVM ARM就沒有了前述的開銷。

從上述歷史可以看出，軟硬件的協同，靈活可擴展的設計非常重要。RISC-V的設計中也體現了這一點。在沒有虛擬化特性情況下，RISC-V最多支持三個特權級別。通常來說，為了支持Linux這樣的Rich OS，需要同時支持這三個模式。每一層有不同的權限。Bootloader/BIOS/UEFI運行系統的最高級別machine mode，Linux kernel運行在supervisor mode，應用運行在user mode。默認情況下，所有的異常都在machine mode處理。在有Linux kernel時，這樣明顯降低了效率：所有原本可以由Linux kernel處理的異常，例如應用的缺頁異常，都需要先陷入到machine mode再轉發給kernel。為了允許軟件系統更靈活的管理異常，RISC-V引入了delegation機制，可以選擇把一部分異常和中斷由硬件直接交給supervisor mode的kernel處理。

現在問題來了，RISC-V的虛擬化是如何設計的呢?很明顯，虛擬化的特權級別需要支持Linux kernel這種Rich OS。所以RISC-V沒有像早期的ARM虛擬化一樣把虛擬化異常直接直接加到supervisor mode和machine mode之間，而是定義了獨立的virtualization mode，這個mode再與user和supervisor mode組合，于是有了下面的表格。

(表格來自The RISC-V Instruction Set Manual, Volume II: Privileged Architecture, Document Version 1.12-draft Table 5.1)

這么說有點抽象，用RISC-V kVM作者之一的Anup Patel畫的圖表示(圖片已獲得作者授權，原圖見參考鏈接4)。

備注：RISC-V虛擬化規范目前處于0.6草稿狀態，未來可能還會有些小的變化。

SBI

了解了RISC-V的特權模式，不同層次的軟件調用遵循什么樣的規范呢?RISC-V的設計中，下層(硬件/軟件)對上層透明，規范會定義二進制接口，對具體如何實現沒有要求。例如Linux kernel在supervisor mode，對下面的特權級別，通過SBI(Supervisor Binary Interface)訪問，SBI訪問的軟件稱為SEE(Supervisor Execution Environment)，SEE可以是bootloader，BIOS，也可以Hypervisor。和SEE類似的還有支持應用的運行環境AEE。

(圖片來自The RISC-V Instruction Set Manual, Volume II: Privileged Architecture, Document Version 1.12-draft Figure 1.1)

SBI的規范見參考鏈接5，規范定義了SBI的能力，例如獲得SBI規范的版本，發送或接收一個字符，remote fence，設置timer，發送IPI中斷，管理RISC-V處理器(RISC-V中稱為hart)等，以及SBI的二進制調用規范。截止這篇文章，SBI是0.3 draft，這個版本主要是增加了用于系統復位的SBI接口。既然SBI是個規范，那就有各種實現，OpenSBI就是其中一個實現，這個實現支持generic(用于支持qemu的RISC-V virt machine)，sifive和k210等芯片。

這么說有點抽象，咱們舉個簡單的例子。如果想寫一個簡單的從supervisor mode調用SBI接口打印字符的代碼，要怎么做呢?

首先，假設，我們以及有了c語言的運行環境，那我們需要根據SBI定義的二進制調用規范，使用寄存器a7傳遞指定的extension ID。