到目前为止，本书主要关注 RISC-V 对通用计算的支持：我们引入的所有指令都在用 户模式（应用程序的代码在此模式下运行）下可用。本章介绍两种新的权限模式：运行最 可信的代码的机器模式（machine mode），以及为 Linux，FreeBSD 和 Windows 等操作系统 提供支持的监管者模式（supervisor mode）。这两种新模式都比用和模式有着更高的权限， 这也是本章标题的来源。有更多权限的模式通常可以使用权限较低的模式的所用功能，并 且它们还有一些低权限模式下不可用的额外功能，例如处理中断和执行 I/O 的功能。处理 器通常大部分时间都运行在权限最低的模式下，处理中断和异常时会将控制权移交到更高 权限的模式。 嵌入式系统运行时（runtime）和操作系统用这些新模式的功能来响应外部事件，如网 络数据包的到达；支持多任务处理和任务间保护；抽象和虚拟化硬件功能等。鉴于这些主 题的广度，为此而编撰的全面的程序员指南会是另外一本完整的书。但我们的这一章节旨 在强调 RISC-V 这部分功能的亮点。
机器模式
机器模式（缩写为 M 模式，M-mode）是 RISC-V 中 hart（hardware thread，硬件线 程）可以执行的最高权限模式。在 M 模式下运行的 hart 对内存，I/O 和一些对于启动和配 置系统来说必要的底层功能有着完全的使用权。因此它是唯一所有标准 RISC-V 处理器都 必须实现的权限模式。实际上简单的 RISC-V 微控制器仅支持 M 模式。这类系统是本节的 重点。
机器模式最重要的特性是拦截和处理异常（不寻常的运行时事件）的能力。RISC-V 将 异常分为两类。
一类是同步异常，这类异常在指令执行期间产生，如访问了无效的存储器 地址或执行了具有无效操作码的指令时。
另一类是中断，它是与指令流异步的外部事件， 比如鼠标的单击。RISC-V 中实现精确例外：保证异常之前的所有指令都完整地执行了，而 后续的指令都没有开始执行（或等同于没有执行）。
图 10.3 列出了触发标准例外的原因。
在 M 模式运行期间可能发生的同步例外有五种：
⚫ 访问错误异常 当物理内存的地址不支持访问类型时发生（例如尝试写入 ROM）。
⚫ 断点异常 在执行 ebreak 指令，或者地址或数据与调试触发器匹配时发生。 ⚫ 环境调用异常 在执行 ecall 指令时发生。
⚫ 非法指令异常 在译码阶段发现无效操作码时发生。
⚫ 非对齐地址异常 在有效地址不能被访问大小整除时发生，例如地址为 0x12 的 amoadd.w
有三种标准的中断源：软件、时钟和外部来源。软件中断通过向内存映射寄存器中存 数来触发，并通常用于由一个 hart 中断另一个 hart（在其他架构中称为处理器间中断机 制）。当实时计数器 mtime 大于 hart 的时间比较器（一个名为 mtimecmp 的内存映射寄存 器）时，会触发时钟中断。外部中断由平台级中断控制器（大多数外部设备连接到这个中 断控制器）引发。
监管者模式
更复杂的 RISC-V 处理器用和几乎所有通用架构相同的方式处理这些问题：使用基于 页面的虚拟内存。这个功能构成了监管者模式（S 模式）的核心，这是一种可选的权限模 式，旨在支持现代类 Unix 操作系统，如 Linux，FreeBSD 和 Windows。S 模式比 U 模式权 限更高，但比 M 模式低。与 U 模式一样，S 模式下运行的软件不能使用 M 模式的 CSR 和 指令，并且受到 PMP 的限制。本届介绍 S 模式的中断和异常，下一节将详细介绍 S 模式 下的虚拟内存系统。 默认情况下，发生所有异常（不论在什么权限模式下）的时候，控制权都会被移交到 M 模式的异常处理程序。但是 Unix 系统中的大多数例外都应该进行 S 模式下的系统调 用。M 模式的异常处理程序可以将异常重新导向 S 模式，但这些额外的操作会减慢大多数 异常的处理速度。因此，RISC-V 提供了一种异常委托机制。通过该机制可以选择性地将中 断和同步异常交给 S 模式处理，而完全绕过 M 模式。
S 模式提供了一种传统的虚拟内存系统，它将内存划分为固定大小的页来进行地址转 换和对内存内容的保护。启用分页的时候，大多数地址（包括 load 和 store 的有效地址和 PC 中的地址）都是虚拟地址。要访问物理内存，它们必须被转换为真正的物理地址，这通 过遍历一种称为页表的高基数树实现。页表中的叶节点指示虚地址是否已经被映射到了真 正的物理页面，如果是，则指示了哪些权限模式和通过哪种类型的访问可以操作这个页。
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