ARM与嵌入式技术培训课件第6章

第6章ARM-Thumb交互工作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：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。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。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-----ThumbPCBX6.1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。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：CODE16CODE32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。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_arm6.2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。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,=0x20026SWI0xabdoaddADDR0,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。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。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。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,#0x18LDRr1,=0x20026SWI0x123456CODE16;后面代码为Thumb代码ThumbSubADDr0,r0,r1;r0＝r0＋r1BXLR;返回到ARM调用程序END6.2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.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+1BXR2CODE16;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,#0x18LDRr1,=0x20026SWI0xAB__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END6.2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。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.1.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.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.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。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,READONLYIMPORTTHUMBSubENTRYCODE32ARMPROGMOVR0,#1BLTHUMBSubADDR1,R1,R0ENDthumb.s源文件：AREATHUMB,CODE,READONLYEXPORTTHUMBSubENTRYCODE16THUMBSubMOVR1,#2BXLREND6.4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：arma