risc-v system instruction

• ECALL

ecall 指令以前叫做 scall，用于执行环境的变更，它会根据当前所处模式触发不同的执行环境切换异常, 用来执行需要更高权限才能执行的功能;

简单来说，ecall 指令将权限提升到内核模式并将程序跳转到指定的地址。操作系统内核和应用程序其实都是相同格式的文件，最关键的区别就是程序执行的特权级别不同。所以 Syscall 的本质其实就是提升特权权限到内核模式，并跳转到操作系统指定的用于处理 Syscall 的代码地址。

Syscall 场景下是在 U-mode（用户模式）下执行 ecall 指令，主要会触发如下变更：

• 处理器特权级别由 User-mode（用户模式）提升为 Supervisor-mode（内核模式）
• 当前指令地址保存到?sepc?特权寄存器
• 设置?scause?特权寄存器
• 跳转到?stvec?特权寄存器指向的指令地址

• EBREAK

环境操作指令，会导致自陷（self trap），PC会跳转到mtvec寄存器里的地址处。

用来中断程序的运作，让系统可以把使用权转交给 Debugger;

其实 Debugger 的 Break Point 就是用这个指令实现的，只是偷偷把指定位置的指令换掉了不跟使用者讲而已;

在RISC-V中，MRET、SRET和URET分别用于从Machine、Supervisor和User模式中的trap返回，返回之后的特权等级即分别为MPP、SPP和UPP中记录的值;

• MRET

当异常程序处理完成后，最终要从异常服务程序中退出，并返回主程序。riscv中定义了一组退出指令mret，sret，和uret，对于机器模式，对应mret。

注意高等级的特权模式可以执行低等级的xRET指令，即M模式可以执行MRET，SRET和URET;

在机器模式下退出异常时候，软件必须使用mret。

riscv架构规定，处理器执行完mret指令后，硬件行为如下：

• 停止执行当前程序流，转而从csr寄存器mepc定义的pc地址开始执行。
• 硬件更新csr寄存器机器模式状态寄存器mstatus。mstatus寄存器MIE域被更新为当前MPIE的值。MPIE 域的值则更新为1。

• SRET

S模式下使用sret指令返回原先指令的下一条指令;

在执行sret之前，需要准备好sepc，sstatus寄存器，这一部分寄存器应当在恢复上下文时完成，需要特别关注sstatus的SPIE位以及SPP位，这为初始化PCB时的设计给出了提示。具体实现可通过阅读手册中对于sret指令的说明得到一些提示。

• URET

指令 URET 用于从用户态陷入状态中返回。URET 将 UPIE 复制回 UIE，然后将 UPIE 置位，最后将?uepc?拷贝至?pc。

在 UPIE/UIE 栈弹出后置位 UPIE 是为了启用中断，以及帮助发现代码中的错误。

• WFI

WFI (Wait For Interrupt）指令是 RISC-V 架构定义的专门用于休眠的指令。

当处理器执行到 WFI 指令之后，将会停止执行当前的指令流，进入一种空闲状态。

这种空闲状态可以被称为“休眠”状态，直到处理器接收到中断（中断局部开关必须被打开，由 mie 寄存器控制），处理器便被唤醒 。

处理器被唤醒后，如果中断被全局打开 （mstatus 寄存器的MIE域控制），则进入中断异常服务程序开始执行；如果中断被全局关闭，则继续顺序执行之前停止的指令流。
wfi 通知处理器目前没有任何有用的工作，所有它应该进入低功耗模式， 直到任何使能有效的中断等待处理，即mie&mip ≠ 0。RISC-V 处理器以多种方式实现 该指令，包括到中断待处理之前都停止时钟。有的时候只把这条指令当作 nop 来执 行。因此，wfi 通常在循环内使用。

补充说明：wfi 不论全局中断使能有效与否都有用 如果在全局中断使能有效（mstatus.MIE = 1）时执行 wfi，然后有一个使能有效的中断等 待执行，则处理器跳转到异常处理程序。另一方面，如果在全局禁用中断时执行 wfi，接着 一个使能有效的中断等待执行，那么处理器继续执行 wfi 之后的代码。这些代码通常会检 查控制状态寄存器 mip，以决定下一步该做什么。与跳转到异常处理程序相比，这个策略可 以减少中断延迟，因为不需要保存和恢复整数寄存器;

• SFENCE.VMA

处理器用地址转换缓存（通常称为 TLB，全称为 Translation Lookaside Buffer）来提高虚拟地址与物理地址转换性能。

为了 降低 TLB 缓存本身的开销，大多数处理器不会让它时刻与页表保持一致。这意味着如果操作系统修改了页表，那么这个缓存会变得陈旧而不可用。

RISC-V 的 S 模式添加了另一条 sfence.vma 指令来解决这个问题。这条指令会通知处理器，软件可能已经修改了页表，于是处理器可以相应地刷新 TLB 缓存。

它需要两个可选的参数，这样可以缩小缓存刷新的范围。一个位于 rs1，它指示了页表哪个虚址对应的转换被修改了；另一个位于 rs2，它给出了被修改页表的进程的地址空间标识符（ASID）。如果两者都是 x0，便会刷新整个转换缓存。

补充说明： 多处理器中的地址转换缓存一致性 sfence.vma 仅影响执行当前指令的 hart 的地址转换硬件。当 hart 更改了另一个 hart 正在使 用的页表时，前一个 hart 必须用处理器间中断来通知后一个 hart，他应该执行 sfence.vma 指令。这个过程通常被称为 TLB 击落；

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