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RISC-V用户与特权级(machinesupervisor)隔离

共计 30 章节

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学习目标 · 核心概念 · 整体框架

课程导入学习目标

RISC-V特权级架构概述

特权级定义 · 模式切换 · CSR寄存器基础

RISC-V特权级架构概述

用户态（U-mode）特性

用户态可用的指令与资源限制 · 以及用户态程序的基本执行环境

U-mode用户态

监督态（S-mode）特性

监督态职责 · 中断与异常处理入口 · 以及操作系统内核运行的基础

S-mode监督态

机器态（M-mode）特性

机器态的最高权限 · 固件与引导加载程序的作用 · 以及M-mode的CSR访问

M-mode机器态

特权级切换机制

ecall/ebreak指令 · mret/sret指令 · 以及切换时的状态保存与恢复

特权级切换机制ecall/ebreak

CSR寄存器与权限控制

mstatus · sstatus · mepc

地址空间与内存隔离

虚拟内存 · 页表（satp） · 物理内存保护（PMP）在隔离中的角色

地址空间内存隔离

物理内存保护（PMP）

PMP配置 · 地址匹配规则 · 以及如何限制S/U模式访问物理内存

PMP物理内存保护

虚拟内存与页表机制

页表项格式 · 地址转换流程 · 以及S-mode如何管理U-mode…

虚拟内存页表机制

中断与异常隔离

不同特权级的中断委托（medeleg… · 异常处理流程与权限检查

异常隔离medeleg

系统调用（ecall）实现

用户态发起系统调用 · 陷入S-mode或M-mode的完整…

ecall系统调用

用户态与内核态切换实战

编写一个简单的系统调用示例 · 观察特权级切换与CSR变化

用户态内核态切换实战

S-mode与M-mode交互

S-mode调用M-mode固件（如… · 以及服务接口（如ecall）

RISC-V SBI规范

SBI的功能 · 调用约定 · 以及如何通过SBI实现控制台输出和定…

隔离的硬件支持

RISC-V对隔离的硬件特性（如PM… · 虚拟化扩展）总结与对比

隔离的硬件支持RISC-V

常见隔离漏洞与攻击面

用户态提权 · 侧信道 · 错误配置PMP等风险分析

常见隔离漏洞攻击面

配置PMP实现内存隔离

通过QEMU或硬件平台配置PMP · 限制S/U模式访问特定内存区域

使用QEMU模拟RISC-V环境

搭建QEMU+Linux或裸机环境 · 验证特权级隔离行为

编写裸机程序体验特权级切换

在M-mode初始化 · 切换到S-mode · 再切换到U-mode的完整代码

编写裸机程序体验…M-mode

实现一个简单的用户态库

在U-mode下使用系统调用接口 · 理解用户态编程约束

实现一个简单的用…U-mode

操作系统中的隔离实践

以Linux或RTOS为例 · 分析内核如何利用S-mode和U-m…

操作系统隔离实践

异常处理与上下文切换

编写异常处理程序 · 保存/恢复上下文 · 确保隔离不被破坏

异常处理上下文切换

中断委托配置实战

配置medeleg/mideleg · 将部分中断委托给S-mode处理 · 观察效果

断委托配置实战medeleg/mide…

多特权级协作案例

设计一个M-mode固件+S-mod…

多特权级协作案例M-mode

调试与排查隔离问题

使用GDB · OpenOCD · 日志等工具定位特权级违规或CSR错误

调试排查隔离问题

性能与隔离的权衡

隔离带来的开销 · 优化方法（如快速系统调用 · 减少模式切换）

性能隔离的权衡

RISC-V虚拟化扩展（H-mode）

H扩展对隔离的增强 · 以及Type-1/Type-2虚拟化…

构建一个支持用户态程序运行的最小内核 · 实现系统调用 · 内存隔离和中断处理

综合项目构建一个支持用户…

课程总结与进阶方向

回顾核心知识点 · 推荐学习资源 · 探讨RISC-V隔离在安全

课程总结进阶方向