Thumb、ARM指令 狀態(tài)切換 收藏
 與ARM指令集相比較，Thumb指令集中的數(shù)據(jù)處理指令的操作數(shù)仍然是32位，指令地址也為32位，但Thumb指令集為實現(xiàn)16位的指令長度，舍棄了ARM指令集的一些特性，如大多數(shù)的Thumb指令是無條件執(zhí)行的，而幾乎所有的ARM指令都是有條件執(zhí)行的；大多數(shù)的Thumb數(shù)據(jù)處理指令的目的寄存器與其中一個源寄存器相同。

 

 由于Thumb指令的長度為16位，即只用ARM指令一半的位數(shù)來實現(xiàn)同樣的功能，所以，要實現(xiàn)特定的程序功能，所需的Thumb指令的條數(shù)較ARM指令多。在一般的情況下，Thumb指令與ARM指令的時間效率和空間效率關系為：

—       Thumb代碼所需的存儲空間約為ARM代碼的60％～70％

—       Thumb代碼使用的指令數(shù)比ARM代碼多約30％～40％

—       若使用32位的存儲器，ARM代碼比Thumb代碼快約40％

—       若使用16位的存儲器，Thumb代碼比ARM代碼快約40％～50％

—       與ARM代碼相比較，使用Thumb代碼，存儲器的功耗會降低約30％

 

 顯然，ARM指令集和Thumb指令集各有其優(yōu)點，若對系統(tǒng)的性能有較高要求，應使用32位的存儲系統(tǒng)和ARM指令集，若對系統(tǒng)的成本及功耗有較高要求，則應使用16位的存儲系統(tǒng)和Thumb指令集。當然，若兩者結(jié)合使用，充分發(fā)揮其各自的優(yōu)點，會取得更好的效果。
 

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Thumb指令集（16bit）
 
        Thumb指令集可以看作是ARM指令壓縮形式的子集，它是為減小代碼量而提出，具有16bit的代碼密度。Thumb指令體系并不完整，只支持通用功能，必要時仍需要使用ARM指令，如進入異常時。其指令的格式與使用方式與ARM指令集類似，而且使用并不頻繁，Thumb指令集作一般了解。

        在編寫Thumb指令時，先要使用偽指令CODE16聲明，編寫ARM指令時，則可使用CODE32偽指令聲明。

    1、Thumb指令集沒有協(xié)處理器指令、信號量指令、以及訪問CPSR或SPSR的指令，沒有乘加指令及64位乘法指令等，且指令的第二操作數(shù)受到限制；
  
    2、大多數(shù)的Thumb數(shù)據(jù)處理指令采用2地址格式；

    3、除了跳轉(zhuǎn)指令B有條件執(zhí)行功能之外，其他指令均為無條件執(zhí)行，而且分支指令的跳轉(zhuǎn)范圍有更多限制；

    4、數(shù)據(jù)處理指令是對通用寄存器進行操作，在大多數(shù)情況下，操作的結(jié)果放入其中一個操作數(shù)寄存器中，而不是放入第3個寄存器中；訪問寄存器R8~R15受到一定的限制，除MOV、ADD指令訪問R8~R15外，其他數(shù)據(jù)處理指令總是更新CPSR中ALU狀態(tài)標志，訪問寄存器R8~R15的Thumb數(shù)據(jù)處理指令不能更新CPSR中的ALU狀態(tài)指示。

    5、Thumb狀態(tài)下，單寄存器加載和存儲指令只能訪問寄存器R0~R7；

    6、LDM、STM指令可以將任何范圍為R0~R7的寄存器子集加載或存儲；

    7、PUSH、POP指令使用棧寄存器R13作為基址堆棧操作。

    8、The Thumb instruction set format:
 
 
 

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大多數(shù)ARM數(shù)據(jù)處理指令采用的是3地址格式（除了64位乘法指令外）。

 所有異常都會使微處理器返回到ARM模式狀態(tài)，并在ARM的編程模式中處理。由于ARM微處理器字傳送地址必須可被4整除（即字對準），半字傳送地址必須可被2整除（即半字對準）。而Thumb指令是2個字節(jié)長，而不是4個字節(jié)，所以，由Thumb執(zhí)行狀態(tài)進入異常時其自然偏移與ARM不同。

 16位Thumb指令集是從32位ARM指令集提取指令格式的，每條Thumb指令有相同處理器模型所對應的32位ARM指令。

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 只要遵循ATPCS調(diào)用規(guī)則，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相調(diào)用。在這種嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中，為了增強系統(tǒng)的靈活性以及提高系統(tǒng)的整體性能經(jīng)常需要使用16位的Thumb指令。如何有效、準確地使用ARM/Thumb狀態(tài)切換（Interworking）是關系到整個系統(tǒng)成敗的關鍵環(huán)節(jié)，也是在具體項目開發(fā)過程中相對比較難掌握的內(nèi)容。本文主要介紹ARM體系結(jié)構(gòu)中的ARM/Thumb狀態(tài)切換（Interworking）。

1．  ARM/Thumb 指令的性能比較

在ARM處理器中，內(nèi)核同時支持32位的ARM指令和16位的Thumb令。對于ARM指令來說，所有的指令長度都是32位，并且執(zhí)行周期大多為單周期，指令都是有條件執(zhí)行的。而THUMB指令的特點如下：

指令執(zhí)行條件經(jīng)常不會使用；
源寄存器與目標寄存器經(jīng)常是相同的；
使用的寄存器數(shù)量比較少；
常數(shù)的值比較??；
內(nèi)核中的桶式移位器（barrel shifter）經(jīng)常是不使用的；
 也就是說16位的Thumb指令一般可以完成和32位ARM相同的任務。當用戶使用C程序來處理應用時，如果編譯為Thumb指令，那么它的目標代碼大小只有編譯為ARM指令時的65%左右，這樣就增加了指令密度。從另一方面來看，處理器在這兩種狀態(tài)下的性能是依賴于指令執(zhí)行的存儲器的寬度的。下面的圖一具體說明二者的性能比較?？梢钥闯觯诖鎯ζ魇?2位的情況下，ARM性能較好，這時因為同樣的代碼編譯的結(jié)果Thumb指令將會比ARM多，Thumb指令仍舊花費指令周期來從32-bit塊內(nèi)存預取。在16-bit內(nèi)存上，即使有比ARM多的代碼，這時Thumb性能也較好，因為Thumb每一條指令預取需要一個周期而每條ARM指令需要兩個周期。另外在16-bit內(nèi)存上，Thumb的性能降低了；這是因為數(shù)據(jù)去操作和特殊的堆棧操作，即使在Thumb下，堆棧操作仍是32-bit操作，導致低的性能在16-bit內(nèi)存架構(gòu)上。一個改進的方法是提供32-bit的內(nèi)存來放置堆棧。在這種情況下的性能提高到了32-bit內(nèi)存架構(gòu)的水平。主要的差別是因為使用的整型的(32-bit)全局數(shù)據(jù)將仍被存儲在16-bit內(nèi)存上。

 另外，與ARM代碼相比較，使用Thumb代碼，存儲器的功耗會降低約30%。

 

  圖一

 顯然，ARM指令集和Thumb指令集各有其優(yōu)點，若對系統(tǒng)的執(zhí)行效率有較高的要求，應使用32位的存儲系統(tǒng)和ARM指令集，若對系統(tǒng)的成本及功耗有較高的要求，則應使用16為的存儲系統(tǒng)和Thumb指令集。當然，若兩者結(jié)合使用，充分發(fā)揮其各自的優(yōu)點，會取得更好的效果。

2．切換（Interwoking）的基本概念及切換時的子函數(shù)調(diào)用

 在我們的實際系統(tǒng)應用中，因為ARM/Thumb指令具有不同的特點，所以不同的場合開發(fā)人員會有不同的選擇。Thumb指令低密度及在窄存儲器時性能高的特點使得它在大多數(shù)基于C代碼的系統(tǒng)中有非常廣泛的應用，但是有些場合中系統(tǒng)只能使用ARM指令，比如：

如果對于速度有比較高的要求，ARM指令在寬存儲器中會提供更高的性能；
某些功能只能由ARM指令來實現(xiàn)，比如：訪問CPSR寄存器來使能/禁止中斷或者改變處理器工作模式；訪問協(xié)處理器CP15；執(zhí)行C代碼不支持的DSP算術指令；
異常中斷(Exception)處理。在進入異常中斷后，內(nèi)核自動切換到ARM狀態(tài)。即在異常中斷處理程序入口的一些指令是ARM指令，然后根據(jù)需要程序可以切換到Thumb狀態(tài)，在異常中斷處理程序返回前，程序再切換到ARM狀態(tài)。
ARM處理器總是從ARM狀態(tài)開始執(zhí)行。因而，如果要在調(diào)試器中運行Thumb程序，必須為該Thumb程序添加一個ARM程序頭，然后再切換到Thumb狀態(tài)，調(diào)用該Thumb程序。
 所以在實際系統(tǒng)中，內(nèi)核狀態(tài)需要經(jīng)常的切換（Interworking）來滿足系統(tǒng)性能需求。具體的切換是通過Branch Exchange—即BX 指令來實現(xiàn)的。指令格式為：

 Thumb狀態(tài) BX Rn

 ARM狀態(tài) BX<condition> Rn

其中Rn可以是寄存器R0—R15中的任意一個。指令可以通過將寄存器Rn的內(nèi)容拷貝到程序計數(shù)器PC來完成在4Gbyte地址空間中的絕對跳轉(zhuǎn)，而狀態(tài)切換是由寄存器Rn的最低位來指定的，如果操作數(shù)寄存器的狀態(tài)位Bit0=0，則進入ARM狀態(tài)，如果Bit0=1，則進入Thumb狀態(tài)，圖二給出了具體得切換過程。

 

圖二

下面是某系統(tǒng)中使用的程序切換實例。

 CODE32 //ARM狀態(tài)下的代碼

 LDR R0, =Into_Thumb+1

 //產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)地址并且設置最低位

 BX R0

 //Branch Exchange 進入Thumb狀態(tài)

 …

 

 CODE16 //Thumb狀態(tài)下的子函數(shù)

 …

 LDR R3, =Back_to_ARM

 //產(chǎn)生字對齊的跳轉(zhuǎn)地址，最低位被清除

 BX R3

 //Branch Exchange 返回到ARM狀態(tài)

 

 CODE32 //ARM狀態(tài)下的子函數(shù)

 Bach_to_ARM

 …

在上面的程序中，CODE16/CODE32偽指令告訴匯編編譯器后面的指令序列分別為Thumb/ARM指令。

 在非Interworking函數(shù)調(diào)用中，調(diào)用函數(shù)使用BL（Branch with Link）指令，即將返回地址保存在連接寄存器LR中，同時跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用的子函數(shù)程序入口。從子函數(shù)返回時執(zhí)行指令 MOV PC, LR(當然也可能是其他形式的指令，如出棧指令)將LR值直接放入PC中，從而返回到調(diào)用函數(shù)中的下一條指令的地址，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。

 在Interworking函數(shù)的調(diào)用中，需要在編譯時對此函數(shù)所在的源程序指定編譯開關選項：-apcs / interwork ，即保證程序遵守ARM/Thumb程序混合使用的ATPCS規(guī)則。一般來說，這時生成的目標代碼會增加2%左右。這樣在編譯器(compiler)處理這個函數(shù)時就會用BX 指令取代MOV PC,LR指令，而且連接器（linker）會自動的產(chǎn)生一小段代碼（veneers）來改變處理器狀態(tài)(ARM/Thumb)，具體過程如圖3所示。

 

圖三

編譯/連接命令為：

 armcc -apcs/interwork arm_code.c –o arm_code.o

 tcc -apcs/interwork thumb_code.c –o thumb_code.o

 armlink arm_code.o thumb_code.o

對于C/C++程序來說，當編譯時如果增加 –apcs/interwork 選項，那就是告訴連接器自動增加一小段代碼（veneer）來實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用時ARM/Thumb的狀態(tài)切換。但是對于使用C程序中的Interwork選項，需要注意的是：

對于一個C /C++源程序中不能同時包含ARM/Thumb指令；
如果C/C++程序間接的調(diào)用另一種指令系統(tǒng)下的子程序，編譯該程序時需要增加-apcs/interwork選項；
如果調(diào)用程序和被調(diào)用程序是不同的指令，而被調(diào)用程序是Non-Interworking代碼，這時不要使用函數(shù)指針來調(diào)用該被調(diào)用程序。
下面的圖四顯示了C/C++程序在增加編譯選項-apcs/interwork時將代碼分別編譯為ARM/THUMB指令時的情況。由于在Thumb狀態(tài)下不能直接使用POP LR，所以使用了暫時寄存器R3。

對于匯編程序來說，如果本代碼是被調(diào)用的函數(shù)，則需按照以下步驟處理：

增加 –apcs/interwork 選項；
用BX來返回；
EXPORT本函數(shù)名；
如果本代碼是調(diào)用函數(shù)，那就只需要用BL指令來實現(xiàn)子函數(shù)的調(diào)用即可，也就是正常的處理。當然，用戶也可以自己來編寫這些狀態(tài)切換程序，這樣執(zhí)行代碼的效率會更高些。

對于C/C++程序和匯編程序的相互調(diào)用同樣需要遵守以上的規(guī)則。另外，在實際應用中，如果要在ARM/Thumb狀態(tài)間來切換程序，最好的辦法是所有的函數(shù)在編譯時都增加 –apcs/interwork選項。

 

圖四

其中Thumb狀態(tài)下因為不能直接使用POP 、LR指令，所以使用了暫時存儲器r3。

3．V5TE架構(gòu)中的擴展

 前面所提到的內(nèi)容是針對ARM微處理器內(nèi)核為V4T架構(gòu)時的切換情況，而對于V5TE架構(gòu)的ARM內(nèi)核，除了完全支持V4T架構(gòu)的代碼（具有veneers）外，代碼在連接時不再增加veneers，而是使用新的指令BLX（Branch and Link with Exchang）來實現(xiàn)狀態(tài)切換。這條指令完成完成的任務是：在跳轉(zhuǎn)時將返回的指令地址保存在LR寄存器中，同時將PC中的最低位的值拷貝到CPSR寄存器中的T位，從而改變處理器狀態(tài)（Exchange）。一般來說，對于調(diào)用函數(shù)使用BLX指令即可，被調(diào)用函數(shù)則與V4T架構(gòu)相同，也是使用BX指令來返回。

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ARM/Thumb交互工作
源：http://blog.csdn.net/denlee/archive/2008/05/14/2444318.aspx

在使用T版本的ARM內(nèi)核的處理器時，經(jīng)常要使用ARM/Thum交互工作，總結(jié)了一些需要注意的問題：編寫匯編被調(diào)過程、編譯時應該注意的問題、ARM/Thumb間的相互調(diào)用。

一.編寫匯編被調(diào)過程
如果需要交互工作，則所編寫的函數(shù)應該遵循ATPCS標準。
1.葉函數(shù)（函數(shù)內(nèi)不包括函數(shù)的調(diào)用）
 使用BX LR返回。
2.非葉函數(shù)
 （1）在入口處保護返回地址（lr）以及寄存器（r0-r7,r8-r12（ARM））
 （2）返回前恢復保護的寄存器
 （3）使用BX返回

二.編譯時應該注意的問題
1.編譯用于交互工作的ARM匯編代碼： armasm -32 -apcs /interwork
2.編譯用戶交互工作的Thumb匯編代碼： armasm -16 -apcs /interwork

***說明：
（1）關于匯編代碼，也可在程序中使用CODE32或CODE16命令明確告知匯編程序下面的代碼是ARM代碼還是Thumb代碼，這樣在匯編時則無需使用-32、-16選項
（2）當然也可在單個匯編原文件中混合使用ARM以及Thumb代碼，這是需要使用CODE32以及CODE16命令，并且需要注意狀態(tài)的切換，使用BX Rn，根據(jù)Rn的Bit[0]來確定目標是ARM代碼還是Thumb代碼

3.編譯用于交互工作的ARM C代碼： armcc -apcs /interwork
4.編譯用于交互工作的Thumb C代碼： tcc -apcs /interwork

***說明：基于ADS1.2

三.ARM/Thumb之間的相互調(diào)用
交互的調(diào)用遵循以下原則：

本文來自CSDN博客，轉(zhuǎn)載請標明出處：http://blog.csdn.net/jamestaosh/archive/2009/07/13/4345548.aspx