4.1 RISC-V陷入机制

每个RISC-V CPU都有一组控制寄存器，内核通过向这些寄存器写入内容来告诉CPU如何处理陷阱，内核可以读取这些寄存器来明确已经发生的陷阱。RISC-V文档包含了完整的内容。riscv.h(kernel/riscv.h:1)包含在xv6中使用到的内容的定义。以下是最重要的一些寄存器概述：

• stvec：内核在这里写入其陷阱处理程序的地址；RISC-V跳转到这里处理陷阱。
• sepc：当发生陷阱时，RISC-V会在这里保存程序计数器pc（因为pc会被stvec覆盖）。sret（从陷阱返回）指令会将sepc复制到pc。内核可以写入sepc来控制sret的去向。
• scause： RISC-V在这里放置一个描述陷阱原因的数字。
• sscratch：内核在这里放置了一个值，这个值在陷阱处理程序一开始就会派上用场。
• sstatus：其中的SIE位控制设备中断是否启用。如果内核清空SIE，RISC-V将推迟设备中断，直到内核重新设置SIE。SPP位指示陷阱是来自用户模式还是管理模式，并控制sret返回的模式。

上述寄存器都用于在管理模式下处理陷阱，在用户模式下不能读取或写入。在机器模式下处理陷阱有一组等效的控制寄存器，xv6仅在计时器中断的特殊情况下使用它们。

多核芯片上的每个CPU都有自己的这些寄存器集，并且在任何给定时间都可能有多个CPU在处理陷阱。

当需要强制执行陷阱时，RISC-V硬件对所有陷阱类型（计时器中断除外）执行以下操作：

1. 如果陷阱是设备中断，并且状态SIE位被清空，则不执行以下任何操作。
2. 清除SIE以禁用中断。
3. 将pc复制到sepc。
4. 将当前模式（用户或管理）保存在状态的SPP位中。
5. 设置scause以反映产生陷阱的原因。
6. 将模式设置为管理模式。
7. 将stvec复制到pc。
8. 在新的pc上开始执行。

请注意，CPU不会切换到内核页表，不会切换到内核栈，也不会保存除pc之外的任何寄存器。内核软件必须执行这些任务。CPU在陷阱期间执行尽可能少量工作的一个原因是为软件提供灵活性；例如，一些操作系统在某些情况下不需要页表切换，这可以提高性能。

你可能想知道CPU硬件的陷阱处理顺序是否可以进一步简化。例如，假设CPU不切换程序计数器。那么陷阱可以在仍然运行用户指令的情况下切换到管理模式。但因此这些用户指令可以打破用户/内核的隔离机制，例如通过修改satp寄存器来指向允许访问所有物理内存的页表。因此，CPU使用专门的寄存器切换到内核指定的指令地址，即stvec，是很重要的。