本章的1.1节将简单介绍RISC-V的诞生和发展历史，其后将介绍和讨论RISC-V体系结构的各个方面，如1.2节介绍汇编语言、1.3节讨论机器状态、1.4节分析中断和中断处理机制、1.5节讨论分页机制。最后，在1.6节介绍PKE实验涉及的工具软件，以及它们的使用方法。值得注意的是，RISC-V的体系结构本身就是一个庞大的知识体系，实际上是很难用一章的内容完全讲清楚的（我们鼓励对该体系结构感兴趣的读者延申阅读参考文献[开源指令集的指南]以及[RISC-V instruction set manual]）。然而，不懂体系结构又无法理解操作系统和开展PKE的实验，所以本章将重点阐述和讨论与操作系统设计有关的知识内容，力求精简和突出重点。
### 目录
- [1.1 RISC-V发展历史](#history)
- [1.2 RISC-V汇编语言](#assembly)
- [1.3 机器的特权状态](#machinestates)
- [1.4 中断和中断处理](#traps)
- [1.5 页式虚存管理](#paging)
- [1.6 什么是代理内核](#proxykernel)
- [1.7 相关工具软件](#toolsoftware)
本章的1.1节将简单介绍RISC-V的诞生和发展历史，其后将介绍和讨论RISC-V体系结构的各个方面，如1.2节介绍汇编语言、1.3节讨论机器状态、1.4节分析中断和中断处理机制、1.5节讨论分页机制。最后，在1.6节介绍PKE实验涉及的工具软件，以及它们的使用方法。值得注意的是，RISC-V的体系结构本身就是一个庞大的知识体系，实际上是很难用一章的内容完全讲清楚的（我们鼓励对该体系结构感兴趣的读者延申阅读参考文献[开源指令集的指南](#references)以及[RISC-V instruction set manual](#references)）。然而，不懂体系结构又无法理解操作系统和开展PKE的实验，所以本章将重点阐述和讨论与操作系统设计有关的知识内容，力求精简和突出重点。
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### 1.1 RISC-V发展历史
RISC-V（读做“risk-five”）是一种典型的精简（Reduced Instruction Set Computer，简写为RISC）指令集（Instruction Set Architecture，简写为ISA），它是加利福尼亚大学伯克利分校的David Patterson教授与Krste Asanovic教授研究团队于2010年提出的一个开放指令集架构。名称中的“V”指的是该ISA的第五个版本，有时“V”也被解读为向量（Vector）扩展。与之前的诸多商用指令集（如x86、ARM，以及MIPS等）不同的是，RISC-V是一个开放指令集，它的提出受到了全球工业界和学术界的广泛关注。在我国，RISC-V的发展、研究和应用同样得到了广泛关注，在网信办、工信部、中科院等多个国家部委支持和指导下，中国开放指令生态（RISC-V）联盟于2018年11月8日浙江乌镇举行的第五届互联网大会上正式宣布成立。
RISC-V为每一种特权模式定义了一组寄存器，用于控制机器的状态（status）以及实现状态的转换。对于操作系统而言，比较重要的是机器模式和监管模式的一组寄存器（Control and Status Registers，简写为CSRs），下面我们将分别讨论这两种模式下的CSR，以及状态转换的实现。需要说明的是，关于RISC-V机器的特权状态，[RISC-V instruction set manual]是一个比较好的文档，这里我们将重点讨论与操作系统相关的内容。
RISC-V为每一种特权模式定义了一组寄存器，用于控制机器的状态（status）以及实现状态的转换。对于操作系统而言，比较重要的是机器模式和监管模式的一组寄存器（Control and Status Registers，简写为CSRs），下面我们将分别讨论这两种模式下的CSR，以及状态转换的实现。需要说明的是，关于RISC-V机器的特权状态，[RISC-V instruction set manual](#refenences)是一个比较好的文档，这里我们将重点讨论与操作系统相关的内容。
**1.3.1 机器模式下的CSR**
@ -405,8 +417,8 @@ SUM（permit Supervisor User Memory access）位用于控制S模式下的虚拟
实际上除了Sv39和Sv48外，系统在未来的扩展中还可能支持更多的扩展，如Sv57以及Sv64（见[RISC-V instruction set manual]）。从39、48以及57这几个数字，我们可以发现的规律是，它们之间两两的差是9！结合图1.9中的地址翻译过程，我们就很容易理解什么是Sv48了：它在Sv39的基础上，用上了虚地址中的39~47这9个位（一共用了虚地址中的48个位），作为第四级虚页号VPN[3]。这样做的结果是：在进行地址翻译的时候新增了一级地址翻译。显然，Sv48提供了比Sv39更大的虚拟地址空间（2^48B=256TB>512GB），从而能够支撑更大的应用程序的执行，那么选择Sv48是不是比选择Sv39更具优势呢？答案是：取决于是否真的有必要支撑超过512GB虚地址空间的应用，如果不需要，则Sv39是更合理的选择。从图1.9中的地址翻译过程，我们还可以看到，一次虚地址va到实地址pa的转换涉及到4次（根目录+页目录+页表+pa所在的页）访问内存操作！而相比于处理器内部进行的运算而言，访存显然是更为耗时的操作。可以想象，如果采用Sv48，这个转换所需要的访存操作是（5次）比Sv39更多的。
实际上除了Sv39和Sv48外，系统在未来的扩展中还可能支持更多的扩展，如Sv57以及Sv64（见[RISC-V instruction set manual](#refenences)）。从39、48以及57这几个数字，我们可以发现的规律是，它们之间两两的差是9！结合图1.9中的地址翻译过程，我们就很容易理解什么是Sv48了：它在Sv39的基础上，用上了虚地址中的39~47这9个位（一共用了虚地址中的48个位），作为第四级虚页号VPN[3]。这样做的结果是：在进行地址翻译的时候新增了一级地址翻译。显然，Sv48提供了比Sv39更大的虚拟地址空间（2^48B=256TB>512GB），从而能够支撑更大的应用程序的执行，那么选择Sv48是不是比选择Sv39更具优势呢？答案是：取决于是否真的有必要支撑超过512GB虚地址空间的应用，如果不需要，则Sv39是更合理的选择。从图1.9中的地址翻译过程，我们还可以看到，一次虚地址va到实地址pa的转换涉及到4次（根目录+页目录+页表+pa所在的页）访问内存操作！而相比于处理器内部进行的运算而言，访存显然是更为耗时的操作。可以想象，如果采用Sv48，这个转换所需要的访存操作是（5次）比Sv39更多的。
为了加快虚地址到实地址的转换，今天的处理器（RISC-V处理器也不例外，但取决于具体的设计）一般都内置了TLB（Translation Lookaside Buffer）单元，其速度接近寄存器。在进行地址转换时，将常用的PDE/PTE存储在TLB中以加速虚实地址的转换速度。然而，这又带来一个新的问题，即当发生进程切换时，TLB中很有可能还保留了上一个进程的地址变换所涉及的PDE/PTE！这时，我们就需要借助satp寄存器中的ASID（Application Specific ID）字段来判断是否发生了进程切换，如果发生了，操作系统就需要调用SFENCE.VMA指令来将TLB中的内容刷新。
当clone完成，你就会有本地的工作目录，进入该目录，每个文件都有两种状态：tracked or untracked。已跟踪的文件是指那些被纳入了版本控制的文件，在上一次快照中有它们的记录，在工作一段时间后，它们的状态可能是未修改，已修改或已放入暂存区。简而言之，已跟踪的文件就是 git 已经知道的文件。其状态转换如图：
代理内核方案避免了完整内核方案以上的很多缺点，因为代理内核的存在“天生”就是为在硬件（模拟器）上支撑应用，而设计的最小化的操作系统内核。**它可以根据应用的复杂度的不同，调整自身的复杂度**：例如，如果只是为了支撑Hello world！程序，它就只需要加载、系统调用支持即可，无需进程调度、设备、文件，甚至虚拟存储等等内容。当然，如果所支撑的应用非常复杂（例如，一个多线程的网络媒体服务器），代理内核将约等于一个完整的操作系统内核！**从学习操作系统知识的角度来看，代理内核的这些特点更有利于读者站在应用的角度来审视操作系统对硬件的包装和为应用所做的支撑，从而更好地理解从原理课程所学到的知识**。也正是代理内核的这些优点，驱使我们在RISC-V Proxy Kernel and Boot Loader这个开源项目[ProxyKernel]的基础上，开发并设计了本书的一组操作系统实验。为了与开源项目进行区分，在本书中，我们将称我们开发和设计的代理内核为PKE（Proxy Kernel for Education）。
代理内核方案避免了完整内核方案以上的很多缺点，因为代理内核的存在“天生”就是为在硬件（模拟器）上支撑应用，而设计的最小化的操作系统内核。**它可以根据应用的复杂度的不同，调整自身的复杂度**：例如，如果只是为了支撑Hello world！程序，它就只需要加载、系统调用支持即可，无需进程调度、设备、文件，甚至虚拟存储等等内容。当然，如果所支撑的应用非常复杂（例如，一个多线程的网络媒体服务器），代理内核将约等于一个完整的操作系统内核！**从学习操作系统知识的角度来看，代理内核的这些特点更有利于读者站在应用的角度来审视操作系统对硬件的包装和为应用所做的支撑，从而更好地理解从原理课程所学到的知识**。也正是代理内核的这些优点，驱使我们在RISC-V Proxy Kernel and Boot Loader这个开源项目[ProxyKernel](#references)的基础上，开发并设计了本书的一组操作系统实验。为了与开源项目进行区分，在本书中，我们将称我们开发和设计的代理内核为PKE（Proxy Kernel for Education）。
Zhiyuan Shao
4 years ago