Thumb指令集之： ARM和Thumb的混合编程

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：

①ARM代码比Thumb代码有更快的执行速度；

②ARM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（ARMassemblerheader）。

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-Thumbinterworking）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：

BXRn；

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“helloworld”并输出。

AREAHello,CODE,READONLY

SWI_WriteCEQU&0 ;软中断调用参数

SWI_ExitEQU&11 ;程序退出软中断调用参数

ENTRY

STARTADRr1,TEXT ;取字符串地址

LOOPLDRBr0,[r1],#1 ;取下一字节内容

CMPr0,#0 ;判断是否为字符串尾

SWINESWI_WriteC ;软中断调用打印字符

BENLOOP ;循环

SWISWI_Exit ;软中断调用退出程序执行

TEXT=“HelloWorld”,&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。

AREAHelloW_Thumb,CODE,READONLY

SWI_WriteCEQU&0 ;软中断调用参数

SWI_ExitEQU&11 ;程序退出软中断调用参数

ENTRY ;程序入口点

CODE32进入ARM状态

ADRr0,START+1 ;取得Thumb代码入口地址

BXr0 ;进入Thumb代码

CODE16 ;Thumb代码入口点

STARTADRr1,TEXT ;r1->"HelloWorld"

LOOPLDRBr0,[r1] ;取下一字节内容

ADDr1,r1,#1 ;地址指针加1**T

CMPr0,#0 ;判断是否为字符串尾

BEQDONE ;完成?**T

SWISWI_WriteC ;如果不是字符串尾

BLOOP ;继续循环

DONESWISWI_Exit ;程序退出

ALIGN ;字对齐

TEXTDATA

"HelloWorld",&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“BXLR”指令来实现的。需要注意的是，在使用“BXLR”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。

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:CannotcallARMsymbol'arm_function'innon-interworkingobject

armsub.ofromTHUMBcodeinthumbmain.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。

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（BranchandeXchange）

·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

下面简单介绍用于状态切换的指令和伪操作，更详细的信息请分别参见相关章节。

（1）BX指令

ARM状态下的BX指令，使程序跳转到指令中指定的参数Rm指定的地址执行程序，Rm的第0位拷贝到CPSR中T位，位[31∶1]移入PC。若Rm的bit[0]为1，则跳转时自动将CPSR中的标志位T置位，即把目标地址的代码解释为Thumb代码；若Rm的位bit[0]为0，则跳转时自动将CPSR中的标志位T复位，即把目标地址代码解释为ARM代码。指令的语法格式如下。

BX{<cond>}<Rm>

①<cond>

为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当<cond>忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。

②<Rm>

包含跳转指令的目标地址。如果Rm的bit[0]=0，目标地址处指令为ARM指令；如果Rm的bit[0]=1，目标地址处指令为Thumb指令。

指令操作的伪代码。

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

IfconditionPassed{cond}then

TFlag=Rm[0]

PC=RmAND0xfffffffe

Thumb状态下的BX指令，用于ARM和Thumb代码间的相互调用。

指令的语法格式。

BX<Rm>

其中<Rm>为目标地址寄存器，包含程序的跳转地址。BX指令的目标地址寄存器可以是r0～r15中的任意寄存器。

注意

如果Rm[1：0]=0b10，不满足ARM指令的内存对齐方式。指令的执行结果不可预知。如果该指令使用r15作为目标寄存器，其操作方式和使用其他寄存器相同。

指令操作的伪代码如下所示。

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31：1]<<1

ARM指令集中的BX指令和Thumb指令集中的BX指令相差较大，它们分别为不同方向的跳转。当r15作为目的寄存器使用时，要特别注意该指令在两个指令集中的区别。

（2）BLX指令

ARM状态下的BLX指令使用一个寄存器中的绝对地址或标号，用于使程序跳转到Thumb状态或从Thumb状态返回，该指令用分支寄存器的最低位来更新CPSR中的T位，并将返回地址写入到连接寄存器LR中。

指令的语法格式如下所示：

①BLX<target_addr>

②BLX{<cond>}<Rm>

第一种格式中，转移目标按下述方法计算。将指令中指定的24位偏移量进行符号扩展，左移两位形成字偏移量，然后将其累加进程序计数器PC中。这时，程序计数器的内容为BX指令地址加8字节。位H（bit[24]）也加到结果地址的第一位（bit[1]），使目标地址为半字地址，以执行接下来的Thumb指令。计算偏移量的工作一般由ARM汇编器来完成。这种形式的跳转指令只能实现±32MB空间的跳转。

第二种格式中，寄存器Rm指定转移目标，Rm的第0位拷贝到CPSR中的T位，bit[31：0]移入PC。

·如果Rm的bit[0]=1，则跳转时自动将CPSR中的标志位T置位，即把目标地址的代码解释为Thumb代码。

·如果Rm的bit[0]=0，则跳转时自动将CPSR中的标志位T复位，即把目标地址的代码解释为ARM代码。

指令操作的伪代码如下面程序段所示。

第一种格式BLX指令。

LR=addressoftheinstructionaftertheBLXinstruction

TFlag=1

PC=PC+PC=PC+(SignExtend(signed_immed_24)<<2)+(H<<1)

第二种格式BLX指令。

IfConditionPass{cond}then

LR=addressoftheinstructionafterthebranchinstruftion

TFlag=Rm[0]

PC=RmAND0xfffffffe

Thumb状态下带返回链接的跳转指令BLX（1）提供了一种在Thumb状态下无条件调用ARM子程序的方法，当从子程序返回时，通常使用下面的方式之一：

·BXLR

·加载PC的LDR或LDM指令。

BLX指令不可条件执行，可以实现在大约±4MB的地址空间范围内跳转，实现方法是将一条BLX指令编译成两条16位的Thumb指令，从而实现上述跳转。对编译后的两条指令说明如下。

①H=10的跳转指令。该跳转包含跳转偏移量的高位部分。

②H=01的跳转指令。该跳转包含跳转偏移量的低位部分。

指令的语法格式

BL<target_address>

<target_address>

指定程序跳转的目标地址。指令通过下面的方法计算目标地址。

·将H=10的BL指令的offset_11域左移12位。

·将结果符号扩展为32位。

·将得到的值加到PC寄存器中。

·与H=11的BL指令的offset_11域相加。

因此BL指令可以实现在大约±4MB的地址空间范围内跳转。

指令操作的伪代码为：

ifH==10then

LR=PC+(SignExtend(offset_11)<<12)

ElseifH==11then

PC=LR+(offset_11<<11)

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0xFFFFFFFC

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0Xfffffffc

LR=(addressofnextinstruction)|1

TFlag=0

另外Thumb状态下包含另一种格式的BLX指令，该BLX（2）指令用于ARM和Thumb子程序间的相互调用。程序状态字的T标志位根据目的寄存器的bit[0]位而改变。

指令的语法格式为：

BLX<Rm>

其中<Rm>为目标地址寄存器，r0～r14寄存器均可以作为目标地址寄存器。

注意

如果在此指令中使用r15作为目的寄存器，指令的执行结果不可预知。

此指令只在ARMv5版本以上指令集中被支持。

指令操作的伪代码为：

LR=(addressoftheinstructionafterthisBLX)|1

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31:1]<<1

（3）汇编伪指令

汇编编译器可以产生ARM代码也可以产生Thumb代码。使用--thumb或--16选项指示编译器产生Thumb代码。由于所有支持Thumb代码的ARM处理器都从ARM状态开始执行，所以必须人为地使用BX或BLX指令，使处理器状态切换到Thumb状态并使用下面的伪操作使编译器产生Thumb代码。

·CODE16

·CODE32

CODE32伪操作指示汇编器后面的指令为32位的ARM指令。

ARM和CODE32伪操作的意义相同。

当汇编器对源程序进行编译时，如果需要，将会在程序中插入空指令，以保证内存单元字对齐。

语法格式如下。

ARM

CODE32

使用在同时包含ARM指令和Thumb指令的源文件中。当需要从ARM指令序列切换到Thumb指令序列时，使用伪操作ARM（或CODE32）；当需要从Thumb指令序列切换到ARM指令序列时使用Thumb伪操作。ARM（或CODE32）伪操作只是指示汇编器后面的指令类型是ARM指令。该伪操作本身并不进行程序状态的切换，要进行状态切换，可以使用BX指令操作。

CODE16伪指令通知编译器，其后的指令序列为16位的Thumb指令。

语法格式如下。

CODE16

若在汇编源程序中同时包含ARM指令和Thumb指令时，可用CODE16伪指令通知编译器其后的指令序列为16位的Thumb指令。

（4）编程实例

PRESERVE8

AREAAddReg,CODE,READONLY ;段名为AddReg，属性为READONLY

ENTRY ;程序入口

;SECTION1

main

ADRr0,ThumbProg+1 ;确定跳转地址

;并将bit[0]置1

;使程序切换到thumb状态

BXr0 ;程序跳转并执行状态切换

;SECTION2

CODE16 ;Thumb代码指示伪操作

ThumbProg

MOVr2,#2 ;r2=2

MOVr3,#3 ;r2=3

ADDr2,r2,r3 ;r2=r2+r3

ADRr0,ARMProg

BXr0 ;程序跳转并执行状态切换

;SECTION3

CODE32 ;ARM代码指示伪操作

ARMProg

MOVr4,#4

MOVr5,#5

ADDr4,r4,r5

;SECTION4

stopMOVr0,#0x18 ;设置semihosting软中断号

LDRr1,=0x20026 ;ADP_Stopped_ApplicationExit

SWI0x123456 ;ARMsemihostingSWI软中断调用

END ;文件结束

上面的例子分为4部分，通过下面的步骤编译和运行。

①使用文本编辑器，如notepad，输入上面的代码，并保存成文件addreg.s；

②在命令行中键入汇编命令armasm–gaddreg.s；

③在命令行中键入链接命令armlinkaddreg.o-oaddreg；

④使用调试器（Debugger）（如，RealViewDebuggerorAXD）运行映像文件。可以使用单步执行，观察代码在Thumb状态下的执行。

注意

Thumb代码的地址标号如果用伪操作export声明为“外部的”，则连接器会自动调整该地址标号使其bit[0]等于1；如果该地址标号没有被声明为“外部的”，则使用者必须手动地对标号进行调整，如上例中的ThumProg+1。

（5）ARMv5架构下的状态切换

在ARMv5体系结构的指令集中，增加了下面两条指令用于ARM和Thumb代码互交。

·BLXaddress

该指令跳转到指令中指定的地址处执行程序并进行程序状态切换，该地址是“PC相关的”，地址范围为±32MB（ARM状态）或±4MB（Thumb状态）。

·BLXregister

在该中格式的跳转指令中寄存器Rm指定转移目标，Rm的第0位拷贝到CPSR中的T位，bit[31：0]移入PC。

使用上面两条指令，在执行程序跳转之前，处理器自动将返回连接寄存器LR的bit[0]位更新为CPSR寄存器的T位，所以无论处理器状态是否发生变化，程序都能正确返回。

当使用LDR、LDM及POP指令向PC寄存器中赋值时，寄存器CPSR中的Thumb位将被设置成PC寄存器的bit[0]，这时就实现了程序状态的切换。这种方法在子程序的返回时非常有效，同样的指令可以根据需要返回到ARM状态或Thumb状态。

连接器在对目标代码进行连续时，将代码中的地址标号分为3类。

·ARM指令地址标号。

·Thumb指令地址标号。

·数据（Data）地址标号。

当连接器重定位Thumb代码中的地址标号时，地址标号的bit[0]位将被自动设置为1。这就意味着跳转指令（这些指令包括BX、BLX和LDR）可以根据目标地址正确的进行状态切换。

注意

上面提到的连接器自动设置目的地址的行为，只有在ARMv5及其以上版本中支持。

对于不同的C和C++源程序，可以有些程序中包含ARM指令，有些程序中包含Thumb指令，这些程序可以相互调用，只是在编译这些程序时指定--apcs/interwork选项。当使用了--apcs/interwork选项，编译器会自动进行一些相应处理；连接器在检测到程序中存在互交工作时，会生成一些用于程序状态切换的代码。

（1）代码编译

可以使用下面的指令，将C或C++程序编译为可以执行互交的目标代码。

armcc--c90--thumb--apcs/interwork

armcc--c90--arm--apcs/interwork

armcc--cpp--thumb--apcs/interwork

armcc--cpp--arm--apcs/interwork

注意

--cpp是C++文件（文件后缀为.cpp）默认的编译选项。

使用--apcs/interwork选项对文件进行编译时，编译器会进行如下处理。

·对于叶子程序（leaffunction，即程序中没有其他子程序调用的程序），编译器将程序中的“MOVPC，LR”指令替换成“BXLR”指令，因为“MOVPC”指令不能进行状态切换。

·对于非叶子程序，要进行一系列的指令替换，如：

POP{r4,r5,pc}

替换为：

POP{r4,r5}

POP{r3}

BXr3

下面的例子显示了一段带子程序调用的C语言程序，使用--apcs/interwork选项进行编译时，对代码产生的影响。

C语言源程序。

Voidfunc(void)

{

….

Sub()

..

}

使用armcc--apcs/interwork选项进行编译产生结果如下。

Func

STMFDsp!,{r4-r7,lr}

….

BLsub

….

LDMFDsp!,{r4-r7,lr}

BXlr

使用tcc--apcs/interwork选项进行编译产生结果如下。

PUSH{r4-r7,lr}

….

BLsub

….

POP{r4-r7}

POP{r3}

BX

（2）C语言的互交实例

下面的例子显示了一个Thumb状态下的代码通过互交调用ARM子程序；而后又在ARM子程序中调用Thumb指令集的库函数printf（）。

/*********************

*thumbmain.c*

**********************/

#include<stdio.h>

externvoidarm_function(void);

intmain(void)

{

printf("HellofromThumbWorld\n");

arm_function();

printf("AndgoodbyefromThumbWorld\n");

return(0);

}

/*********************

*armsub.c*

**********************/

#include<stdio.h>

voidarm_function(void)

{

printf("HelloandGoodbyefromARMworld\n");

}

使用下面的命令对程序进行编译连接。

①编译生成带互交的Thumb代码。

armcc--thumb-c-g--apcs/interwork-othumbmain.othumbmain.c

②编译生成带互交的ARM代码。

armcc-c-g--apcs/interwork-oarmsub.oarmsub.c

③连接目标文件。

armlinkthumbmain.oarmsub.o-othumbtoarm.axf

另外，可以使用--info选项使连接器输出由于互交所增加的代码大小。

armlinkarmsub.othumbmain.o-othumbtoarm.axf--infoveneers

输出信息如下所示。

AddingVeneerstotheimage

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'arm_function'fromthumbmain.o(.text).

AddingATveneer(8bytes,Inline)forcallto'__0printf'fromarmsub.o(.text).

AddingATveneer(8bytes,Inline)forcallto'__rt_lib_init'fromkernel.o(.text).

AddingATveneer(12bytes,Long)forcallto'__rt_lib_shutdown'fromkernel.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'__rt_memclr_w'fromstdio.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'__rt_raise'fromstdio.o(.text).

AddingTAveneer(8bytes,Short)forcallto'__rt_exit'fromexit.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'__user_libspace'fromfree.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'_fp_init'fromlib_init.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'__heap_extend'frommalloc.o(.text).

AddingATveneer(8bytes,Inline)forcallto'__raise'fromrt_raise.o(.text).

AddingTAveneer(4bytes,Inline)forcallto'__rt_errno_addr'fromftell.o(.text).

12Veneer(s)(total72bytes)addedtotheimage.

（3）Thumb状态下的功能指针

任何指向Thumb函数（由Thumb指令完成的功能函数并且其返回状态也为Thumb状态）的指针，其最低有效位（LSB）必为1。

当重定位Thumb代码中的地址标号时，连接器将自动设置地址的最低有效位。如果在程序中使用绝对地址，连接器将无法完成该设置。因此，如果在Thumb代码中使用绝对地址时，必须手工设置为其地址加1。

下面的例子显示了Thumb代码的功能指针的使用。

typedefint(*FN)();

myfunc(){

FNfnptrs[]={

(FN)(0x8084+1), //有效的Thumb地址

(FN)(0x8074) //无效的Thumb地址

};

FN*myfunctions=fnptrs;

myfunctions[0](); //调用成功

myfunctions[1](); //调用失败

}