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1 CSR地址空間

RISC－V架構中定義了一些控制和狀態寄存器（control and status register），簡稱CSR，與32個物理寄存器不同（物理寄存器可以認為是5位地址尋址的），這些CSR是用12位地址進行尋址的，因此理論上最多可以有4096個CSR寄存器，并且地址空間是私有獨立的，不同于全局地址空間。

CSR地址空間，定義如下：

CSR地址的高4bits，用于編碼CSR在各個權級上的可讀寫性：

• [11:10]，表示該寄存器是可讀寫（00，01或10），還是只讀（11）。
• [9:8]，表示允許訪問該寄存器的最低權級。
  00：用戶級，用戶模式及以上權級（用戶、監管、機器）可訪問。
  01：監管級，監管模式及以上權級（監管、機器）可訪問。
  10：超級監管級（擴展模式），僅在虛擬化時使用，用于訪問虛擬化專用的CSR。
  11：機器級，僅機器模式可訪問。
  從上圖也可以看到，根據[9:8]的值，整個CSR地址空間被分為了4個部分。

除此之外，上圖還指定了哪些CSR地址是標準用途，而哪些是自定義用途。
用于自定義的CSR地址，不會在未來標準擴展中被重新定義。

2 CSR定義

我們知道，CSR寄存器被劃分為4個級別：用戶級、監管級、超級監管級、機器級。
接下來，我們看看各個權級，具體定義了哪些寄存器。

2.1 用戶級

用戶級CSR，定義了兩個部分的寄存器：

• Unprivileged Floating-Point CSRs
• Unprivileged Counter/Timers

以上Number列，給出了該寄存器的12位地址。
具體寄存器含義見規范手冊。

2.2 監管級

監管級CSR，定義了五個部分的寄存器：

• Supervisor Trap Setup
• Supervisor Configuration
• Supervisor Trap Handling
• Supervisor Protection and Translation
• Debug/Trace Registers

具體寄存器含義見規范手冊。

2.3 超級監管級

超級監管級CSR，定義了七個部分的寄存器：

• Hypervisor Trap Setup
• Hypervisor Trap Handling
• Hypervisor Configuration
• Hypervisor Protection and Translation
• Debug/Trace Registers
• Hypervisor Counter/Timer Virtualization Registers
• Virtual Supervisor Registers

具體寄存器含義見規范手冊。

2.4 機器級

機器級CSR，定義了九個部分的寄存器：

• Machine Information Registers
• Machine Trap Setup
• Machine Trap Handling
• Machine Configuration
• Machine Memory Protection
• Machine Counter/Timers
• Machine Counter Setup
• Debug/Trace Registers (shared with Debug Mode)
• Debug Mode Registers

具體寄存器含義見規范手冊。

3 CSR訪問

針對CSR寄存器的讀寫，有相應的特殊指令，這些特殊指令都被定義在RV32I中，如下所示：

真正的指令只有CSRRW、CSRRS、CSRRC、CSRRWI、CSRRSI、CSRRCI這6條，其他資料中的CSR指令，均為偽指令。

CSR指令機器碼中共有12位（第20-31位）用來指示，被“讀改寫”的是哪一個CSR寄存器，這里通常填寫的就是前面講過的CSR地址，比如：mtvec寄存器那就是0x305。

注意事項：

• 試圖訪問一個不存在的CSR將造成一個非法指令異常（illegal instruction exception）；
• 試圖在不當的權級下訪問CSR，或者嘗試寫入一個只讀寄存器也都將造成非法指令異常；
• 可讀寫寄存器中也可能包含一些只讀位，此時忽略對只讀位的寫入。

3.1 CSRRW

指令形式：csrrw rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器讀后寫。記csr值為t，將rs1寫入csr，再將t寫入rd。

t = csr
csr = rs1
rd = t

例如：csrrw t0, mstatus, t0
將 mstatus 的值與 t0 的值交換。

3.2 CSRRS

指令形式：csrrs rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器讀后置位。記csr值為t，將t和rs1的按位或結果寫入csr，再將t 寫入rd。

t = csr
csr = t | rs1 
rd = t

3.3 CSRRC

指令形式：csrrc rd, csr, rs1
指令功能：CSR寄存器讀后清位。記csr值為t，將rs1的反碼和t按位與，結果寫入csr，再將t寫入rd。

t = csr
csr = t & ～rs1
rd = t

3.4 CSRRWI

指令形式：csrrwi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器讀后寫立即數。將csr 的值復制到rd 中，再將5 位立即數zimm 的零擴展結果寫入csr。

rd = csr
csr = zimm

3.5 CSRRSI

指令形式：csrrsi rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器讀后置位立即數。記csr 的值為t，將5 位立即數zimm 零擴展后，和t 按位或，結果寫入csr，再將t 寫入rd（csr 中的第5 及更高的位不變）。

t = csr
csr = t | zimm
rd = t

3.6 CSRRCI

指令形式：csrrci rd, csr, zimm[4:0]
指令功能：CSR寄存器讀后清位立即數。記csr 的值為t，將5 位立即數zimm 零擴展后的反碼和t 按位與，結果寫入csr，再將t 寫入rd（csr 中的第5 及更高的位不變）。

t = csr
csr = t & ～zimm 
rd = t

此外，需要注意：

• 若目的通用寄存器為x0，則不會執行讀取操作；
• 若源通用寄存器為x0或立即數0，也不會進行寫入CSR操作。

基于以上6條指令和x0這樣的特性，衍生出若干CSR偽指令，比如：csrr、csrc、csrci、csrs、csrw等。

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參考文檔：

• 《riscv-spec-20191213》
• 《riscv-privileged-20211203》