ARM和嵌入式技术培训

会计学1ARM和嵌入式技术培训6.1交互工作原理T版本的ARM体系结构支持ARM程序和THUMB程序混合编程，所谓交互工作就是程序执行过程中，可以根据需要进行ARM状态和THUMB状态的切换。交互工作的必要性

为一个Thumb兼容的ARM处理器编写代码时，ARM指令的程序和THUMB指令的程序各有自己的优势，对于8位和16位的存储系统来说，Thumb指令可以提供更好的代码密度和性能，对于32位的存储系统来说，ARM指令则占有速度和性能上的优势。除此之外，在许多场合，也使得arm和thumb之间的切换变得必要。例如：第1页/共23页6.1交互工作原理（1）速度：某些强调速度的场合下，应考虑在系统中包含一个32位的存储器，从而利用arm代码提供更好的性能，满足设计要求。（2）功能：Thumb指令没有ARM灵活，另外某些操作，例如直接读取PSR的值、使无效或有效中断以及改变工作模式、对协处理器的操作等等，只能通过ARM指令实现。（3）异常处理：当进入异常中断处理程序时，处理器会自动进入ARM状态，这就意味着异常处理程序的起始部分必须用ARM指令编写，若中断处理程序需要Thumb指令来完成，则需要在中断处理程序中切换到Thumb指令状态，在处理结束时，还必须切换回ARM状态来完成程序的返回。（4）单独的Thumb程序：Thumb兼容的ARM处理器总是从ARM状态开始执行指令的，因此即使对于简单的Thumb汇编语言程序，也必须在程序的开头添加一个ARM指令的程序头，使其从ARM状态切换到Thumb状态执行。第2页/共23页6.1交互工作原理交互工作的切换指令使用分支跳转指令BX即可完成处理器Thumb状态和ARM状态的切换。语法格式如下：Thumb状态下的切换指令： BXRnARM状态下的切换指令： BX{<cond>}Rn其中，Rn可以为R0~R15中的任何一个寄存器，其值为分支地址。由于ARM指令都是字对齐的，在执行过程中，地址的最低两位忽略。Thumb指令是半字对齐的，在执行过程中，地址的最低位忽略。因此，可以根据BX指令分支到的地址的最低位确定处理器的状态是ARM状态还是Thumb状态：当最低位为0时，表示切换到ARM状态；为1时，表示切换到Thumb状态。Cond为条件码，只有ARM状态下的BX指令才允许条件执行。第3页/共23页6.1交互工作原理交互工作的切换指令

ARM/Thumb之间的状态切换是通过一条专用的转移交换指令BX来实现的.BXRn当前状态是Thumb时BX{cond}Rn当前状态是ARM时Rn310ARM/Thumb选择位0----ARM1-----ThumbPCBX第4页/共23页6.1交互工作原理交互工作的切换指令绝对地址在4GB空间内的Thumb或ARM程序都可以通过这条指令完成跳转和状态的切换。注意:当不需要状态切换时也可以使用BX作为分支指令，尤其是当B和BL指令不能使用的情况下，因为BX指令可以寻址32位的存储空间，而B和BL指令则有如下限制：•ARM状态下，B和BL指令的寻址空间为32MB；•Thumb状态下，无条件B和BL指令的寻址空间为4MB；•Thumb状态下，有条件B指令的寻址空间为-128到+127个指令。第5页/共23页6.1交互工作原理

与状态切换有关的伪指令

与状态切换有关的伪指令的有下面两条。指令形式： CODE16 CODE32注意:CODE16和CODE32只是告知汇编器后面指令的形式是Thumb指令还是ARM指令，本身并不能进行程序状态的切换。当T版本的ARM处理器程序通过BX指令切换到Thumb状态时，同时需要在Thumb指令编写的代码段前用CODE16伪指令告知汇编器处理的是Thumb代码。由此可知，ARM和Thumb间的交互工作必须：（1）通过BX指令切换处理器的状态；（2）通过伪指令CODE32和CODE16指示汇编器根据处理器的状态生成合适的代码。第6页/共23页6.2交互程序

下例为一个从ARM代码段跳转到Thumb代码段，又回到ARM代码段的简单的交互程序设计的示例.CODE32 ；指示下面的指令为ARM指令

ADRR0,Into_thumb+1 ；产生目标地址，并且设置目标地址的状；态为Thumb状态

BXR0 ... CODE16 ；指示下面的指令为Thumb指令Into_thumb ... ADRR5,Back_to_arm ；产生目标地址，并且设置目标地址的状；态为ARM状态

BXR5 ... CODE32 ；指示下面的指令为ARM指令Back_to_arm第7页/共23页6.2交互程序

ARM指令头的例子

由于ARM处理器及汇编器总是从ARM状态开始执行和汇编指令的，因此对于单独的Thumb指令程序也必须添加一个ARM指令头。ARM指令的程序头主要完成如下两步操作：（1）通过ADR指令装载分支地址，并且设置地址最低位为1；（2）通过BX指令完成分支跳转并切换到Thumb状态。第8页/共23页AREAThumbSub,CODE,READONLY ；定义一个代码段

ENTRY ；程序入口

CODE32 ；下面的指令为arm指令headerADRR0,start+1 ；处理器处于ARM状态

BXR0 ；ARM指令头后，调用Thumb主程序

CODE16 ；下面指令为Thumb指令startMOVR0,#10 ；设置参数

MOVR1,#3BLdoadd ；调用子程序stopMOVR0,#0x18 ；执行中止

LDRR1,=0x20026 SWI0xab doaddADDR0,R0,R1 ；子程序代码

MOVPC,LR ；子程序返回

END ；程序结束程序主体以CODE16伪指令开始，通过ARM指令头中start+1，将分支目标地址的最低位置为1，然后通过BX指令切换处理器状态，start处的指令为Thumb指令。第9页/共23页6.2交互程序

交互子程序调用执行一个简单的汇编语言程序的调用，通常需要做两个工作：（1）存储返回地址到连接寄存器；（2）分支跳转到被调用的子程序。

对于非交互的子程序调用，可以通过一条BL指令完成。交互工作的子程序调用则应使用BX指令，跳转的同时进行状态切换，同时注意返回时需要将状态切换回来。与BL指令不同，BX指令不能将返回地址存入连接寄存器中，因此在使用BX指令之前，必须先将返回地址写入连接寄存器。如果调用是从Thumb状态到ARM状态，还必须将连接寄存器的最低位置1，以保证从调用程序返回时工作在Thumb状态下。第10页/共23页6.2交互程序

从ARM状态调用Thumb子程序

当执行ARM到Thumb的调用时，由于返回时的状态为ARM状态，所以不需要设置连接寄存器的最低位，因此可以简单的在BX指令前通过MOVlr,pc保存返回地址。第11页/共23页AREAThumbAdd,CODE,READONLY ;定义一个代码段ENTRYstartMOVr0,#2 ;寄存器赋值

MOVr1,#3ADRr4,ThumbSub+1 ;生成分支地址并置最低位为1MOVlr,pc ;存储返回地址

BXr4 ;分支并切换到ThumbSubStopMOVr0,#0x18 LDRr1,=0x20026 SWI0x123456 CODE16 ;后面代码为Thumb代码ThumbSubADDr0,r0,r1 ;r0＝r0＋r1BXLR ;返回到ARM调用程序

END

第12页/共23页6.2交互程序

从Thumb状态调用ARM子程序

最简单的执行Thumb到ARM程序调用的方法是采用一个间接调用的方式，先通过BL调用一个Thumb代码段，此段完成BX分支并切换的工作。这样，在BX指令执行之前，BL就把返回地址装入连接寄存器中了，另外Thumb下的BL指令同时保证了返回地址的最低位为1。这样当执行BXlr指令时，就可以正确地返回并进行状态切换。如果始终使用同一个寄存器存储ARM子程序的地址，则此间接调用的代码段可以通用. 第13页/共23页AREAArmAdd,CODE,READONLY;定义一个代码段ENTRY ;程序入口，汇编器处于ARM模式start ;ARM指令头

ADRR2,ThumbProg+1 BXR2 CODE16 ;下面指令为Thumb指令ThumbProgMOVR0,#2 ;寄存器赋值

MOVR1,#3ADRR4,ARMSubroutine;分支目的地址放入R4中，且bit0为0BL__call_via_R4 ;间接调用的代码段，保存返回地址到

;LR寄存器,且目的地址的最低位为1Stop ;执行中止

MOVr0,#0x18 LDRr1,=0x20026 SWI0xAB __call_via_R4 ;Thumb代码段

BXR4 ;分支并切换

CODE32 ;下面指令为ARM指令ARMSubroutineADDR0,R0,R1 ;R0＝R0＋r1BXLR ;返回到Thumb调用程序处

;LR的bit0已经被Thumb状态下的BL指令置为1了END 第14页/共23页6.2交互程序

Thumb代码段中的数据

在Thumb代码段中定义数据时必须使用DATA伪指令，原因如下:当连接器定位Thumb指令程序中的标号时，它会假设标号为Thumb代码段的地址，因此会将标号的最低位置1，这样当使用BX指令进行程序调用时，处理器就会切换到Thumb状态，并寻址到正确的地址，但连接器区分不了数据和指令，若标号为数据区标号，连接器就会错误的将标号处的数据加1。DATA伪指令就是告知连接器此标号为数据标号，此时连接器不会将其增1。例如：Thumb_DataDATADCB1,3,4,...注意:DATA伪指令必须和标号位于同一行内。第15页/共23页6.3ARMv5T扩展ARM的体系结构大致可以分为5个主要的版本:ARMv1T、ARMv2T、ARMv3T、ARMv4T、ARMv5T.前面介绍的ARM7TDMI-S处理器内核使用的是ARMv4T版本.ARMv5T版本的ARM体系结构中增加了额外的对交互工作的支持,除BX指令外,增加了BLX指令,另外LDR,LDM及POP指令也可以进行程序状态的切换.BLX指令指令形式:BLXRn;只能从ARM状态切换到Thumb状态,通过Rn的最低位决定目标地址的状态.与BX相比,BLX指令在进行跳转和状态切换的同时,还将PC寄存器的内容复制到了LR寄存器中.第16页/共23页6.3ARMv5T扩展ARM的体系结构大致可以分为5个主要的版本:ARMv1T、ARMv2T、ARMv3T、ARMv4T、ARMv5T.前面介绍的ARM7TDMI-S处理器内核使用的是ARMv4T版本.ARMv5T版本的ARM体系结构中增加了额外的对交互工作的支持,除BX指令外,增加了BLX指令,另外LDR,LDM及POP指令也可以进行程序状态的切换.2.LDR,LDM,POP通过LDR,LDM及POP指令向PC寄存器赋值,完成程序的跳转,同时寄存器CPSR中的Thumb位被设置成PC寄存器的最低位bit0,由此决定目标地址处程序的状态.第17页/共23页6.4

交互子程序和Veneer

前面介绍的交互工作中，调用者程序和被调用程序均在一个源程序中,如若两种状态下的程序位于不同的文件中,能否进行交互工作呢?答案是肯定的,只要程序编写过程中遵守ARM和Thumb过程调用标准ATPCS(ARMandThumbProccdureCallStandards),程序间就可以进行交互工作.此时需要设置相应的编译选项,使编译器按照ATPCS规则编译程序，ARM连接器在检测到ARM和Thumb混和编程的时候，会自动产生并插入一个称为伪装（veneer）的小代码段，用来根据程序需要完成ARM-Thumb状态的切换。

第18页/共23页6.4

交互子程序和Veneer交互编译选项这个编译选项就是-apcs/interwork。通过使用-apcs/interwork编译项，可以强制在子程序返回时使用BXLR指令而非MOVPC,LR指令。例：两个处于不同状态的汇编程序间的交互工作。arm.s源文件：

AREAARM,CODE,READONLY IMPORTTHUMBSub ENTRY CODE32ARMPROG MOVR0,#1 BLTHUMBSub ADDR1,R1,R0 ENDthumb.s源文件：

AREATHUMB,CODE,READONLY EXPORTTHUMBSub ENTRY CODE16THUMBSub MOVR1,#2 BXLR END第19页/共23页6.4

交互子程序和Veneer我们可以通过下面的操作完成两文件间的交互工作：armasmarm.sarmasmthumb.s–apcs/interworkarmlinkarm.othumb.o通常在编译程序时，我们应尽量选用-apcs/interwork选项。-apcs/interwork编译器选项可以保证所有的ARM和Thumb、C或C++编译器编译的模块能够在各种处理器状态间相互调用：tcc-apcs/interworkarmcc-apcs/interworktcpp-apcs/interworkarmcpp-apcs/interwork在interwork选项下编译的代码模块会比原Thumb或ARM代码模块大一些，例如对Thumb程序，典型的会增加约2%的容量。因此没有必要对所有的程序进行交互编译，只对那些包含交互子程序调用的程序进行交互编译即可。第20页/共23页6.4

交互子程序和Ve