全文 -- Chapter 5. “Smcsrind/Sscsrind“ Indirect CSR Access, Version 1.0 -- The RISC-V Inst Set Vol II

第5章 "Smcsrind/Sscsrind" 间接CSR访问，版本1.0

5.1. 引言

Smcsrind/Sscsrind是一个ISA扩展，它扩展了最初作为Smaia/Ssaia扩展一部分定义的间接CSR访问机制，旨在使其可供其他扩展使用，而不必对Smaia/Ssaia产生不必要的依赖。

此扩展带来两个好处：

1. 提供了一种通过CSR访问寄存器数组的方式，无需在有限的CSR地址空间中分配大块区域。

2. 使软件能够通过索引访问寄存器数组中的每一个寄存器，而无需为每个寄存器编写switch-case语句。

通过此扩展间接访问CSR时使用"选择值"(select values)，这与使用标准CSR编号直接访问的方式不同。可通过一种方法访问的CSR，不一定能通过另一种方法访问。选择值构成一个独立的地址空间，与CSR编号不同，也与Sdtrig扩展中的tselect值不同。如果一个CSR既可直接访问又可间接访问，则该CSR的选择值与其CSR编号无关。

此外，机器级( Machine-level )和监管级( Supervisor-level )的选择值彼此是独立的地址空间；但是，一个扩展可以定义具有相同选择值的机器级和监管级CSR彼此为部分或完全别名关系。这通常用于可以被从机器级委托到监管级的CSR。

机器级扩展Smcsrind包含了Hart在所有特权级别下新增的所有CSR以及所有行为修改。对于监管级环境，扩展Sscsrind本质上与Smcsrind相同，只是不包括机器级CSR以及监管级无法直接看到的行为。

5.2. 机器级CSR

注：miregCSR编号不连续，因为miph是CSR编号0x354。*

上表中列出的CSR提供了一个间接访问寄存器状态的窗口。miselect的值决定了在读取或写入每个机器间接别名CSR(mireg*)时访问哪个寄存器。miselect值的范围被分配给相关的扩展，这些扩展针对每个miselect值，规定可通过每个miregi寄存器访问的寄存器状态。miselect是一个WARL寄存器。

miselect寄存器实现的位数至少足以支持所有已实现的miselect值（对应已实现的使用miselect/mireg*间接访问寄存器状态的扩展）。如果没有已实现的扩展使用miselect，该寄存器可能为只读零。

最高有效位（第XLEN-1位）为1的miselect值仅用于自定义用途，可能是为了通过别名CSR访问自定义寄存器。最高有效位为0的miselect值仅用于标准用途，并在被分配给标准架构扩展之前处于保留状态。如果XLEN改变，miselect的最高有效位将移动到新的位置，并保留其之前的值。

实现不需要支持任何自定义的miselect值。

当miselect保存一个值，而该值在机器模式下未实现时（从M模式访问mireg*），其行为是未指定的(UNSPECIFIED)。

预计实现通常会对此类访问引发非法指令异常，以便将其识别为软件错误。平台规范、配置文件规范和/或特权ISA规范可能对此类访问的行为施加更多限制。

当miselect保存一个在已分配且已实现范围内的数字时，尝试访问mireg*会导致特定行为，该行为对于每个miselect和miregi的组合，由分配了该miselect值的扩展定义。

通常，每个miregi将访问寄存器状态、访问只读0状态或引发非法指令异常。

对于RV32，如果一个扩展将一个间接访问的寄存器定义为64位宽，建议通过mireg、mireg2或mireg3之一访问寄存器的低32位，同时分别通过mireg4、mireg5或mireg6访问高32位。

定义了六个*ireg*寄存器，以确保涵盖开发中扩展的需求，并留有一定的增长空间。例如，对于与计数器X相关联的siselect值，sireg/sireg2可用于访问mhpmcounterX/mhpmeventX，而sireg4/sireg5可访问mhpmcounterXh/mhpmeventXh。六个*ireg*寄存器允许每个索引值(*iselect)最多访问3个仅用于RV32的CSR数组，或者在不限于RV32的CSR时最多访问6个CSR数组。

5.3. 监管级CSR

如果实现了S模式，则需要上表中的CSR。

siselect寄存器至少支持0..0xFFF的值范围。未来的扩展可能定义超出此最小范围的值范围。只有当实现了这样的扩展时，才要求siselect支持更大的值。

要求siselect具有0–0xFFF的范围，即使该空间的大部分或全部可能被保留或不可访问，这允许M模式在此已实现范围内模拟间接访问的寄存器，包括未来可能标准化的寄存器。

最高有效位（第XLEN-1位）为1的siselect值仅用于自定义用途，可能是为了通过别名CSR访问自定义寄存器。最高有效位为0的siselect值仅用于标准用途，并在被分配给标准架构扩展之前处于保留状态。如果XLEN改变，siselect的最高有效位将移动到新的位置，并保留其之前的值。

当siselect保存一个在监管级未实现的值时，从M模式或S模式访问sireg*的行为是未指定的。

建议实现对此类访问引发非法指令异常，以便于（由M模式）对这些访问进行可能的模拟。

如果机器级已为S模式禁用了某个扩展，例如通过CSRmenvcfg中某些字段的设置，则认为该扩展在监管级未实现。

否则，当siselect保存一个在标准定义且已实现的范围内的数字时，从M模式或S模式尝试访问sireg*会导致特定行为，该行为对于每个siselect和siregi的组合，由分配了该siselect值的扩展定义。

通常，每个siregi将访问寄存器状态、访问只读0状态，或者（除非在虚拟机中执行，下一节将介绍）引发非法指令异常。

请注意，siselect和sireg*的宽度始终是当前的XLEN，而不是SXLEN。因此，例如，如果MXLEN = 64 且 SXLEN = 32，则这些寄存器在当前特权模式为M（运行RV64代码）时是64位，但在特权模式为S（RV32代码）时是32位。

5.4. 虚拟监管级CSR

如果实现了hypervisor扩展，则需要上表中的CSR。这些VS CSR都与监管级CSR相对应，并在虚拟机中（在VS模式或VU模式下）执行时替代那些监管级CSR。

vsiselect寄存器至少支持0..0xFFF的值范围。未来的扩展可能定义超出此最小范围的值范围。只有当实现了这样的扩展时，才要求vsiselect支持更大的值。

要求vsiselect具有0–0xFFF的范围，即使该空间的大部分或全部可能被保留或不可访问，这允许hypervisor在此已实现范围内模拟间接访问的寄存器，包括未来可能标准化的寄存器。

更一般地，建议vsiselect和siselect以相同的位数实现。这也避免了因vsiselect和siselect宽度之间的可观察差异而产生虚拟化漏洞。

最高有效位（第XLEN-1位）为1的vsiselect值仅用于自定义用途，可能是为了通过别名CSR访问自定义寄存器。最高有效位为0的vsiselect值仅用于标准用途，并在被分配给标准架构扩展之前处于保留状态。如果XLEN改变，vsiselect的最高有效位将移动到新的位置，并保留其之前的值。

对于别名CSRsireg*和vsireg*，hypervisor扩展中关于何时引发虚拟指令异常的常规规则（基于指令是否是HS限定的）不适用。取而代之的是本节中为sireg和vsireg给出的规则，除非被下一节中指定的要求所覆盖。当也实现了扩展Smstateen时，下一节的要求优先于本节。

对于从VS模式或VU模式尝试直接访问vsiselect或vsireg*，或从VU模式尝试访问siselect或sireg*，会引发虚拟指令异常。

当vsiselect保存一个在HS级未实现的值时，从M模式或HS模式访问vsireg*，或从VS模式访问sireg*（实际上是vsireg*），其行为是未指定的。

建议实现对此类访问引发非法指令异常，以便于（由M模式）对这些访问进行可能的模拟。

否则，当vsiselect保存一个在标准定义且已实现范围内的数字时，尝试从一个足够特权的模式访问vsireg*，或从VS模式访问sireg*（实际上是vsireg*），会导致特定行为，该行为对于每个vsiselect和vsiregi的组合，由分配了该vsiselect值的扩展定义。

通常，每个vsiregi将访问寄存器状态、访问只读0状态，或引发异常（非法指令异常，或者对于来自VS模式的特定访问，引发虚拟指令异常）。当vsiselect保存一个在HS级已实现但在VS级未实现的值时，从VS模式尝试访问sireg*（实际上是vsireg*）通常会引发虚拟指令异常。但可能存在特定于扩展的情况，不同的行为更合适。

与siselect和sireg*类似，vsiselect和vsireg*的宽度始终是当前的XLEN，而不是VSXLEN。因此，例如，如果HSXLEN = 64 且 VSXLEN = 32，则这些寄存器在HS模式下的hypervisor访问时（运行RV64代码）是64位，但对于VS模式下的客户操作系统（RV32代码）是32位。

5.5. 通过状态启用CSR进行访问控制

如果扩展Smstateen与Smcsrind一起实现，状态启用寄存器mstateen0的第60位控制对siselect、sireg*、vsiselect和vsireg*的访问。当mstateen0[60] = 0时，尝试从比特权低于M模式的模式访问这些CSR之一会导致非法指令异常。与往常一样，状态启用CSR不影响在M模式下对任何状态的访问性，只影响更低特权的模式。更多解释请参阅扩展Smstateen的文档。

其他扩展可能规定某些mstateen位控制通过siselect + sireg*和/或vsiselect + vsireg*间接访问的寄存器的访问。但是，无论任何其他mstateen位如何，如果mstateen0[60] = 1，则如上节所述，对于所有来自VS模式或VU模式直接访问vsiselect或vsireg*的尝试，以及所有来自VU模式访问siselect或sireg*的尝试，都会引发虚拟指令异常。

如果实现了hypervisor扩展，相同的位也在hypervisor CSRhstateen0中定义，但只控制对siselect和sireg*（实际上是vsiselect和vsireg*）的访问，这些是可能在VS或VU模式下执行的虚拟机可以访问的状态。当hstateen0[60]=0且mstateen0[60]=1时，无论vsiselect的值或任何其他mstateen位的值如何，所有来自VS或VU模式访问siselect或sireg*的尝试都会引发虚拟指令异常，而不是非法指令异常。

扩展Ssstateen被定义为Smstateen的监管级视图。因此，Sscsrind和Ssstateen的组合包含了上面为hstateen0定义的位，但不包括为mstateen0定义的位，因为机器级CSR对监管级不可见。

为未来可能的"Uscsrind"扩展保留了CSR地址空间，该扩展将间接CSR访问扩展到用户模式。