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引言 在前面的文章中提到過,很多情況下應用程序需要在ARM跟Thumb狀態之間相互切換,這部分就討論交互工作的實現方法和一些注意問題。 1 需要交互的原因 前面提到過,Thumb指令在某些特殊情況下具有比ARM指令更為出色的表現,主要是在代碼長度和窄帶寬存儲器系統性能兩方面。正是因為Thumb指令在特定環境下的優勢,它在很多方面得到了廣泛應用。但是因為下面一些原因,Thumb又不可能獨立地組成一個應用系統。 ◇ Thumb指令集在功能上只是ARM指令集的一個子 集,某些功能只能在ARM狀態下執行,如CPSR和 協處理器的訪問。 ◇ 進行異常響應時,處理器會自動進入ARM狀態。 ◇ 從系統優化考慮,在寬帶存儲器上不應該放置 Thumb代碼,很多窄帶系統具有寬帶的內部存儲器。 ◇ 即使是一個單純的Thumb應用系統,也必須加一 個匯編的交互頭程序,因為系統總是自動從ARM 開始啟動。 所以,不可避免地會產生ARM與Thumb之間交互的問題。 2 狀態切換的實現 處理器在 ARM/Thumb之間的狀態切換是通過一條專用的跳轉交換指令BX來實現的。BX指令以通用寄存器（R0~R15）為操作數,通過拷貝Rn到PC來實現 4GB空間范圍內的一個絕對跳轉。BX利用Rn寄存器中存儲的目標地址值的最后一位來判斷跳轉后的狀態。如圖1所示,是用BX指令實現狀態切換。 
無論ARM還是Thumb,其指令存儲在存儲器中都是邊界對齊的（4字節或2字節對齊）。因此,在執行跳轉過程中,PC寄存器中的最低位肯定被舍棄,不起作用。在BX指令的執行過程中,最低位正好被用作狀態判斷的標識,不會造成存儲器訪問不對齊的錯誤。 圖 2 中是一段直接進行狀態切換的例程：
下面是一段直接進行狀態切換的例程。 ;從ARM狀態開始 CODE32 ;匯編關鍵字 ADR R0, Into_Thumb+1 ;得到目標地址,末位置1, ;轉向Thumb BX R0 ;執行 ? ;其它代碼 CODE16 ;匯編關鍵字 Into_Thumb ;Thumb代碼段起始地址 … ;Thumb代碼 ADR R5, Back_to_ARM ;得到目標地址,末位缺 ;省為0,轉向ARM BX R5 ;執行 … ;其它代碼 CODE32 ;匯編關鍵字 Back_to_ARM ;ARM代碼段起始地址 我們知道,在ARM的狀態寄存器CPSR 中,bit-5是狀態控制位T-bit,決定當前處理器的運行狀態。如果直接修改CPSR的狀態位,也能夠達到改變處理器運行狀態的目的。但是這樣會帶來一個問題,因為ARM采用多級流水線的結構,所以在程序執行過程中,指令流水線上會存在幾條預取指令（具體數目視流水線級數而不同）。當修改CPSR的 T-bit后,狀態的轉變會造成流水線上預取指令的執行錯誤。而如果用BX指令,則執行后會進行流水線的刷新動作,清除流水線上的殘余指令,在新的狀態下重新開始指令預取,從而保證狀態轉變時指令流的正確銜接。 3 ARM/Thumb之間的函數調用 在無交互的子程序調用中,其過程比較簡單。實現調用通常只需要一條指令： BL function 實現返回也只需要從LR恢復PC即可： MOV PC, LR 函數的調用過程如圖3所示。
如果子函數和父函數不在同一種狀態下執行,因為狀態切換,需要對函數調用作更多的考慮。 ① BL不能完成狀態切換,需要由BX來切換狀態。 ② BX不能自動保存返回地址到LR,需要在BX之前先保存好LR。 ③ 用“BX LR”來返回,不能使用“MOV PC, LR”,因為這條指令同樣不能實現狀態切換。返回時要仔細考慮保存在LR中最低位的內容是否正確。 假如用戶直接使用匯編語言進行狀態交互跳轉,上述的幾個問題都需要用手工編碼加以處理。如果用戶使用高級語言進行開發,不需要為ARM/Thumb之間的相互調用增加額外編碼,但是最好要對其調用過程加以了解。下面以ARM ADS中的編譯工具為例進行說明,如圖4所示。
① 兩個函數func1（）和func2（）被編譯成不同的指令集（ARM或Thumb）。 注意：func1（）和 func2（）在這里位于二個不同的源文件中。 ② 編譯時必須告訴編譯器和鏈接器足夠的信息,一方面讓編譯器能夠使用正確的指令碼進行編譯,另一方面,當在不同的狀態之間發生函數調用時,鏈接器將插入一段鏈接代碼（veneers）來實現狀態轉換。 上述過程中的一個特點是：func1（）還是使用通常的BL指令來進行子程序調用,而 func2（）返回時則直接使用“BX LR”,沒有對LR進行判斷和最低位的設置。這是因為當執行BL指令對LR進行保存時,其最低位會被自動設置,以滿足返回時狀態切換的需要,可直接使用 “BX LR”。 在上面的例子中,為了讓編譯器在編譯函數func2（）時使用BX而不是BL進行返回,必須告訴編譯器要按照滿足交互工作要求的方式進行編譯。在ARM的編譯器選項設置中,應選擇“-apcs /interwork”。這樣,函數的返回指令會被正確設置,并且當鏈接器進行目標代碼的鏈接時,能夠在需要的地方插入正確的鏈接代碼實現狀態切換。 當然,插入了鏈接代碼會相應地增加代碼長度,通常一段veneer包含3條指令,即12B字節長度。可以用“-info veneers”選項使鏈接器輸出所有veneers的位置和長度信息。 4 交互程序之間的兼容性 因為在指定交互選項后,編譯及鏈接后的輸出代碼跟在無交互情況下不同,所以當多個源文件如果使用了不同的設置進行編譯,相互之間的調用可能產生兼容性問題。圖5說明了這些關系。
在一個使用交互工作的項目工程管理中,對此要加以仔細考慮。 5 V5架構的擴展 ARM在V5版本的架構中,對ARM/Thumb的交互增加了新的支持。針對前面第3節中提到的函數調用和返回問題,V5版本中專門對指令做了擴展。 ① 增加了新指令BLX,解決了原來BX和BL指令各自的欠缺。使交互的函數調用可以由一條指令實現,省去了跳轉代碼的開銷。 ② 擴展了以PC為目標地址的數據傳輸指令功能。PC加載值的最低位將被自動送到狀態寄存器CPSR的T狀態位。也就是說,通過給PC賦值的方法也能實現狀態的切換,這樣就使習慣的函數返回方法——從堆棧中恢復寄存器,也能實現交互調用函數的正確返回了。 所以,V5架構以后的代碼,不再需要額外的鏈接代碼,縮小了代碼長度,提高了狀態切換時的執行效率。當然,在V5及以后的架構中,繼續保持了對以前代碼的良好兼容性。 6 Thumb-2 ARM和Thumb因為其各自的優勢,都得到了極為廣泛的應用。在一個應用程序中,用戶要根據系統的具體情況靈活分配,使用不同的編譯器,把不同的代碼編譯成ARM或Thumb,以希望得到最優的代碼長度和性能平衡。這樣做能夠達到系統優化的目的,但是也給設計人員帶來了額外的交互處理工作。最近,ARM公司公布了一項新的發明——Thumb-2指令集,該指令集同時包含32位和16位指令,在代碼長度和性能之間作了最佳的平衡。這樣,以后用戶就可以用一個統一的Thumb-2編譯器來解決現在面臨的很多問題了。 如圖6所示,是Thumb-2指令集跟ARM和Thumb之間的比較。
引證文獻 1. 楊志強 嵌入式系統設計與發展 [期刊論文] -青海師范大學學報（自然科學版）2005(03) 2. 劉志勇 基于ARM的無線視頻傳輸硬件系統的初步研究與開發 [學位論文] 碩士2005 3. 李晶 基于 LINUX的無線局域網芯片驅動程序的設計與開發 [學位論文] 碩士2005 作 者：ARM中國 費浙平 來 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（12） |
