Thumb指令集之ARM和Thumb的混合編程

?　11.10 ARM和Thumb的混合編程
　　11.10.1 互交工作基礎(chǔ)
　　Thumb以其較高的代碼密度和在窄存儲器上的性能，使得它在很多系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但在很多情況下，還是不得不使用ARM指令，這是因為：
　?、?ARM代碼比Thumb代碼有更快的執(zhí)行速度；
　　② ARM處理器的一些特定功能必須由ARM指令實(shí)現(xiàn)，其中包括PSR指令、協(xié)處理器指令；
　?、?異常發(fā)生時，處理器自動進(jìn)入ARM狀態(tài)，如果異常處理程序需要使用Thumb指令也必須通用一個ARM程序頭（ARM assembler header）。
　　基于以上原因，即使程序需要由Thumb代碼實(shí)現(xiàn)，也必須通過ARM-Thumb互交（ARM-Thumb interworking）進(jìn)入Thumb狀態(tài)。
　　ARM-Thumb互交是指對匯編語言和C/C++語言的ARM和Thumb代碼進(jìn)行連接的方法，它進(jìn)行兩種狀態(tài)（ARM和Thumb狀態(tài)）間的切換。在進(jìn)行這種切換時，有時需使用額外的代碼，這些代碼被稱為Veneer。AAPCS定義了ARM和Thumb過程調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)。
　　從一個ARM例程調(diào)用一個Thumb例程，內(nèi)核必須進(jìn)行狀態(tài)切換。狀態(tài)的變化由CPSR的T位來顯示。在跳轉(zhuǎn)到一個例程時BX指令可用于ARM和Thumb狀態(tài)切換，具體用法如下。
　　在Thumb狀態(tài)調(diào)用ARM例程時，采用：
　　BX Rn；
　　在ARM狀態(tài)調(diào)用Thumb例程時，采用：
　　BX{cond} Rn;
　　其中，Rn可以是r0～r15中的任意寄存器。
　　這種帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令BX，將寄存器Rn的內(nèi)容拷貝到程序計數(shù)器寄存器PC，因此可以實(shí)現(xiàn)4G空間的跳轉(zhuǎn)。指令根據(jù)寄存器Rn的bit［0］來決定處理器是否進(jìn)行狀態(tài)切換，詳細(xì)內(nèi)容參見ARM指令一節(jié)。
　　下面是一段ARM程序，該程序調(diào)用虛擬的SWI_writeC子程序從存儲器的固定地址取出字符串“hello world”并輸出。
　　AREA Hello，CODE，READONLY
　　SWI_WriteC EQU &0 ;軟中斷調(diào)用參數(shù)
　　SWI_Exit EQU &11 ;程序退出軟中斷調(diào)用參數(shù)
　　ENTRY
　　START ADR r1，TEXT ;取字符串地址
　　LOOP LDRB r0，［r1］，#1 ;取下一字節(jié)內(nèi)容
　　CMP r0，#0 ;判斷是否為字符串尾
　　SWINE SWI_WriteC ;軟中斷調(diào)用打印字符
　　BEN LOOP ;循環(huán)
　　SWI SWI_Exit ;軟中斷調(diào)用退出程序執(zhí)行
　　TEXT = “Hello World”，&0a，&0d，0
　　END
　　下面的代碼將上面的ARM代碼轉(zhuǎn)換成等價的Thumb代碼。
　　AREA HelloW_Thumb，CODE，READONLY
　　SWI_WriteC EQU &0 ;軟中斷調(diào)用參數(shù)
　　SWI_Exit EQU &11 ;程序退出軟中斷調(diào)用參數(shù)
　　ENTRY ;程序入口點(diǎn)
　　CODE32 進(jìn)入ARM狀態(tài)
　　ADR r0， START+1 ;取得Thumb代碼入口地址
　　BX r0 ;進(jìn)入Thumb代碼
　　CODE16 ;Thumb代碼入口點(diǎn)
　　START ADR r1， TEXT ;r1 -》 “Hello World”
　　LOOP LDRB r0， ［r1］ ;取下一字節(jié)內(nèi)容
　　ADD r1， r1， #1 ;地址指針加1 **T
　　CMP r0， #0 ;判斷是否為字符串尾
　　BEQ DONE ;完成？ **T
　　SWI SWI_WriteC ;如果不是字符串尾
　　B LOOP ;繼續(xù)循環(huán)
　　DONE SWI SWI_Exit ;程序退出
　　ALIGN ;字對齊
　　TEXT DATA
　　“Hello World”，&0a，&0d，&00
　　END
　　上例中，ARM代碼到Thumb代碼轉(zhuǎn)換過程中新增加的指令用“**T”標(biāo)注。
　　在實(shí)現(xiàn)ARM代碼和Thumb代碼轉(zhuǎn)換時，大部分的ARM指令有等價的Thumb指令，只有少數(shù)指令沒有。如加載字節(jié)指令（LDR）不支持自動變址，軟中斷指令不能條件執(zhí)行。
　　在編寫Thumb代碼時要注意以下幾點(diǎn)。
　　① 匯編器需要知道什么時候產(chǎn)生ARM代碼、什么時候產(chǎn)生Thumb代碼，程序中使用CODE32和CODE16偽操作提供給編譯器這些信息。
　　② 由于處理器上電執(zhí)行是在ARM狀態(tài)下完成的，所以要使用Thumb指令必須由ARM指令調(diào)用Thumb指令，這一過程是通過“BX LR”指令來實(shí)現(xiàn)的。需要注意的是，在使用“BX LR”指令前，要對寄存器LR做正確的初始化。
　?、?在ARM和Thumb混合編程時，常使用ALIGN偽操作保證內(nèi)存地址對齊。
　　11.10.2 互交子程序
　　編寫ARM/Thumb互交代碼時，下面兩點(diǎn)需要注意。
　?、?對于C/C++子程序而言，只要在編譯時指定--apcs/interwork選項，匯編器會生成合適的返回代碼，使得程序返回到和調(diào)用程序相同的狀態(tài)。
　　② 在匯編語言子程序中，用戶必須自己編寫相應(yīng)的返回代碼，使得程序返回到和調(diào)用程序相同的狀態(tài)。
　　如果目標(biāo)代碼包含以下內(nèi)容，應(yīng)該在編譯或匯編時使用--apcs/interwork選項使處理器能夠在ARM和Thumb代碼間進(jìn)行正確的切換，這種情況包含以下4種。
　?、?需要返回到ARM狀態(tài)的Thumb子程序。
　?、?需要返回到Thumb狀態(tài)的ARM子程序。
　?、?間接調(diào)用ARM子程序的Thumb子程序。
　?、?間接調(diào)用Thumb子程序的ARM子程序。
　　如果在程序連接階段，連接器發(fā)現(xiàn)ARM子程序和Thumb子程序間存在相互調(diào)用，而源文件在編譯時沒有使用--apcs/interwork選項，則連接器將報告以下錯誤。
　　Error： L6239E： Cannot call ARM symbol ‘a(chǎn)rm_function’ in non-interworking object
　　armsub.o from THUMB code in thumbmain.o（.text）
　　其中，“arm_function”為需要進(jìn)行狀態(tài)切換的子程序名。
　　在這種情況下，用戶必須使用--apcs/interwork選項重新對源文件進(jìn)行編譯。
　　但在下面兩種情況下，不必指定--apcs/interwork選項。
　　① 在Thumb狀態(tài)下，發(fā)生異常中斷時，處理器自動切換到ARM狀態(tài)，這時不需要添加狀態(tài)切換代碼。
　?、?當(dāng)異常發(fā)生在Thumb狀態(tài)時，從異常返回不需要添加狀態(tài)切換的Veneer代碼。
　　1．使用匯編語言實(shí)現(xiàn)互交
　　對于匯編程序來說，可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn)程序狀態(tài)的切換。第一種方法是利用連接器提供的交互子程序Veneer來實(shí)現(xiàn)程序狀態(tài)的切換，這時用戶可以使用指令BL來調(diào)用子程序；另一種方法是用戶自己編寫狀態(tài)切換的程序。
　　在ARMv4版本及其以前的版本中，可以使用BX指令實(shí)現(xiàn)程序狀態(tài)的切換。
　　從ARMv5版本開始，下面的指令也可以用來實(shí)現(xiàn)程序的狀態(tài)切換。
　　· BX（Branch and eXchange）
　　· BLX、LDR、LDM和POP
　　下面的兩個偽操作用來區(qū)分源程序中的ARM代碼和Thumb代碼。
　　· CODE16
　　· CODE32