ARM与嵌入式技术培训课件第6章.ppt

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：BX RnARM状态下的切换指令：BX Rn其中，Rn可以为R0R15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.,BX Rn,当前状态是Thumb时,BXcond Rn,当前状态是ARM时,Rn,31,0,ARM/Thumb选择位0-ARM1-Thumb,PC,BX,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32 MB；Thumb状态下，无条件B和BL指令的寻址空间为4 MB；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.,CODE 32；指示下面的指令为ARM指令 ADR R0,Into_thumb+1；产生目标地址，并且设置目标地址的状；态为Thumb状态BX R0.CODE 16；指示下面的指令为Thumb指令Into_thumb.ADR R5,Back_to_arm；产生目标地址，并且设置目标地址的状；态为ARM状态BX R5.CODE 32；指示下面的指令为ARM指令Back_to_ arm,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。,AREA ThumbSub,CODE,READONLY；定义一个代码段 ENTRY；程序入口 CODE32；下面的指令为arm指令header ADR R0,start+1；处理器处于ARM状态 BX R0；ARM指令头后，调用Thumb主程序 CODE16；下面指令为Thumb指令start MOV R0,#10；设置参数 MOV R1,#3 BL doadd；调用子程序stop MOV R0,#0 x18；执行中止 LDR R1,=0 x20026 SWI 0 xabdoadd ADD R0,R0,R1；子程序代码 MOV PC,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MOV lr,pc保存返回地址。,AREA ThumbAdd,CODE,READONLY;定义一个代码段ENTRYstart MOV r0,#2;寄存器赋值 MOV r1,#3 ADR r4,ThumbSub+1;生成分支地址并置最低位为1 MOV lr,pc;存储返回地址 BX r4;分支并切换到ThumbSubStop MOV r0,#0 x18 LDR r1,=0 x20026 SWI 0 x123456 CODE16;后面代码为Thumb代码ThumbSub ADD r0,r0,r1;r0r0r1 BX LR;返回到ARM调用程序 END,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BX lr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.,AREA ArmAdd,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 ADR R2,ThumbProg+1 BX R2 CODE16;下面指令为Thumb指令ThumbProg MOV R0,#2;寄存器赋值 MOV R1,#3 ADR R4,ARMSubroutine;分支目的地址放入R4中，且bit0为0 BL _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 MOV r0,#0 x18 LDR r1,=0 x20026 SWI 0 xAB _call_via_R4;Thumb代码段 BX R4;分支并切换 CODE32;下面指令为ARM指令ARMSubroutine ADD R0,R0,R1;R0R0r1 BX LR;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,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_Data DATADCB 1,3,4,.注意:DATA伪指令必须和标号位于同一行内。,6.3 ARM v5T扩展,ARM的体系结构大致可以分为5个主要的版本:ARM v1T、ARM v2T、ARM v3T、ARM v4T、ARM v5T.前面介绍的ARM7TDMI-S处理器内核使用的是ARM v4T 版本.ARM v5T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:BLX Rn;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.,6.3 ARM v5T扩展,ARM的体系结构大致可以分为5个主要的版本:ARM v1T、ARM v2T、ARM v3T、ARM v4T、ARM v5T.前面介绍的ARM7TDMI-S处理器内核使用的是ARM v4T 版本.ARM v5T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(ARM and Thumb Proccdure Call Standards),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BX LR指令而非MOV PC,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：AREA ARM,CODE,READONLYIMPORT THUMBSubENTRYCODE32ARMPROGMOV R0,#1BL THUMBSubADD R1,R1,R0END,thumb.s源文件：AREA THUMB,CODE,READONLYEXPORT THUMBSubENTRY CODE16THUMBSub MOV R1,#2BX LREND,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：armasm arm.sarmasm thumb.s apcs/interworkarmlink arm.o thumb.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。,6.4 交互子程序和Veneer,Veneer 所谓Veneer是由连接器自动生成并插入到汇编程序的一小段代码。通常在下面两种情况下，连接器会生成Veneer：（1）被调用程序包含状态切换；（2）被调用程序的地址超出了调用指令的寻址范围。连接时，连接器先找到veneer，再连接需调用的程序。根据被调用程序的状态，以及其与调用者间距离的远近，Veneer包含三种状态：长、短以及内嵌。由此可见，Veneer的使用会增加代码的长度。如果调用者在距离相距不远的空间内多次调用相同的程序，则连接器会尽量使用相同的Veneer，而非生成新的Veneer，从而在一定程度上减小了代码量。为了使Veneer尽量的减少占用空间，我们可以采取以下两种措施：（1）尽量使关联的程序的存储空间靠近；（2）较少状态切换。,6.4 交互子程序和Veneer,利用Veneer，在满足下列规则的条件下，可以方便的进行C和C+以及汇编语言程序间的交互工作：1）调用者程序的编写可不考虑交互工作的问题，对于汇编语言编写的程序使用BL指令进行程序调用。2）若被调用程序为C语言程序，使用-apcs/interwork选项进行编译；若被调用程序为汇编语言程序，设置其INTERWORK属性并用BX lr返回。在Embest IDE集成开发环境中，对于交互工作的编译设置起来更为简单，只需根据情况，在属性设置界面的assembler对话框中选中“make the assembled code as supporting interworking”或在complier对话框中选中“ARM interworking”或“Thumb interworking”即可。,