Thumb指令集之ARM和Thumb的混合编程

 　11.10 ARM和Thumb的混合编程
　　11.10.1 互交工作基础
　　Thumb以其较高的代码密度和在窄存储器上的性能，使得它在很多系统中得到广泛应用。但在很多情况下，还是不得不使用ARM指令，这是因为：
　　① ARM代码比Thumb代码有更快的执行速度；
　　② ARM处理器的一些特定功能必须由ARM指令实现，其中包括PSR指令、协处理器指令；
　　③ 异常发生时，处理器自动进入ARM状态，如果异常处理程序需要使用Thumb指令也必须通用一个ARM程序头（ARM assembler header）。
　　基于以上原因，即使程序需要由Thumb代码实现，也必须通过ARM-Thumb互交（ARM-Thumb interworking）进入Thumb状态。
　　ARM-Thumb互交是指对汇编语言和C/C++语言的ARM和Thumb代码进行连接的方法，它进行两种状态（ARM和Thumb状态）间的切换。在进行这种切换时，有时需使用额外的代码，这些代码被称为Veneer。AAPCS定义了ARM和Thumb过程调用的标准。
　　从一个ARM例程调用一个Thumb例程，内核必须进行状态切换。状态的变化由CPSR的T位来显示。在跳转到一个例程时BX指令可用于ARM和Thumb状态切换，具体用法如下。
　　在Thumb状态调用ARM例程时，采用：
　　BX Rn；
　　在ARM状态调用Thumb例程时，采用：
　　BX{cond} Rn;
　　其中，Rn可以是r0～r15中的任意寄存器。
　　这种带状态切换的跳转指令BX，将寄存器Rn的内容拷贝到程序计数器寄存器PC，因此可以实现4G空间的跳转。指令根据寄存器Rn的bit［0］来决定处理器是否进行状态切换，详细内容参见ARM指令一节。
　　下面是一段ARM程序，该程序调用虚拟的SWI_writeC子程序从存储器的固定地址取出字符串“hello world”并输出。
　　AREA Hello，CODE，READONLY
　　SWI_WriteC EQU &0 ;软中断调用参数
　　SWI_Exit EQU &11 ;程序退出软中断调用参数
　　ENTRY
　　START ADR r1，TEXT ;取字符串地址
　　LOOP LDRB r0，［r1］，#1 ;取下一字节内容
　　CMP r0，#0 ;判断是否为字符串尾
　　SWINE SWI_WriteC ;软中断调用打印字符
　　BEN LOOP ;循环
　　SWI SWI_Exit ;软中断调用退出程序执行
　　TEXT = “Hello World”，&0a，&0d，0
　　END
　　下面的代码将上面的ARM代码转换成等价的Thumb代码。
　　AREA HelloW_Thumb，CODE，READONLY
　　SWI_WriteC EQU &0 ;软中断调用参数
　　SWI_Exit EQU &11 ;程序退出软中断调用参数
　　ENTRY ;程序入口点
　　CODE32 进入ARM状态
　　ADR r0， START+1 ;取得Thumb代码入口地址
　　BX r0 ;进入Thumb代码
　　CODE16 ;Thumb代码入口点
　　START ADR r1， TEXT ;r1 -》 “Hello World”
　　LOOP LDRB r0， ［r1］ ;取下一字节内容
　　ADD r1， r1， #1 ;地址指针加1 **T
　　CMP r0， #0 ;判断是否为字符串尾
　　BEQ DONE ;完成？ **T
　　SWI SWI_WriteC ;如果不是字符串尾
　　B LOOP ;继续循环
　　DONE SWI SWI_Exit ;程序退出
　　ALIGN ;字对齐
　　TEXT DATA
　　“Hello World”，&0a，&0d，&00
　　END
　　上例中，ARM代码到Thumb代码转换过程中新增加的指令用“**T”标注。
　　在实现ARM代码和Thumb代码转换时，大部分的ARM指令有等价的Thumb指令，只有少数指令没有。如加载字节指令（LDR）不支持自动变址，软中断指令不能条件执行。
　　在编写Thumb代码时要注意以下几点。
　　① 汇编器需要知道什么时候产生ARM代码、什么时候产生Thumb代码，程序中使用CODE32和CODE16伪操作提供给编译器这些信息。
　　② 由于处理器上电执行是在ARM状态下完成的，所以要使用Thumb指令必须由ARM指令调用Thumb指令，这一过程是通过“BX LR”指令来实现的。需要注意的是，在使用“BX LR”指令前，要对寄存器LR做正确的初始化。
　　③ 在ARM和Thumb混合编程时，常使用ALIGN伪操作保证内存地址对齐。
　　11.10.2 互交子程序
　　编写ARM/Thumb互交代码时，下面两点需要注意。
　　① 对于C/C++子程序而言，只要在编译时指定--apcs/interwork选项，汇编器会生成合适的返回代码，使得程序返回到和调用程序相同的状态。
　　② 在汇编语言子程序中，用户必须自己编写相应的返回代码，使得程序返回到和调用程序相同的状态。
　　如果目标代码包含以下内容，应该在编译或汇编时使用--apcs/interwork选项使处理器能够在ARM和Thumb代码间进行正确的切换，这种情况包含以下4种。
　　① 需要返回到ARM状态的Thumb子程序。
　　② 需要返回到Thumb状态的ARM子程序。
　　③ 间接调用ARM子程序的Thumb子程序。
　　④ 间接调用Thumb子程序的ARM子程序。
　　如果在程序连接阶段，连接器发现ARM子程序和Thumb子程序间存在相互调用，而源文件在编译时没有使用--apcs/interwork选项，则连接器将报告以下错误。
　　Error： L6239E： Cannot call ARM symbol ‘arm_function’ in non-interworking object
　　armsub.o from THUMB code in thumbmain.o（.text）
　　其中，“arm_function”为需要进行状态切换的子程序名。
　　在这种情况下，用户必须使用--apcs/interwork选项重新对源文件进行编译。
　　但在下面两种情况下，不必指定--apcs/interwork选项。
　　① 在Thumb状态下，发生异常中断时，处理器自动切换到ARM状态，这时不需要添加状态切换代码。
　　② 当异常发生在Thumb状态时，从异常返回不需要添加状态切换的Veneer代码。
　　1．使用汇编语言实现互交
　　对于汇编程序来说，可以有两种方法来实现程序状态的切换。第一种方法是利用连接器提供的交互子程序Veneer来实现程序状态的切换，这时用户可以使用指令BL来调用子程序；另一种方法是用户自己编写状态切换的程序。
　　在ARMv4版本及其以前的版本中，可以使用BX指令实现程序状态的切换。
　　从ARMv5版本开始，下面的指令也可以用来实现程序的状态切换。
　　· BX（Branch and eXchange）
　　· BLX、LDR、LDM和POP
　　下面的两个伪操作用来区分源程序中的ARM代码和Thumb代码。
　　· CODE16
　　· CODE32