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摘要
：主要介绍了在ARM处理器中，ARM/Thumb状态切换的原因和方法。在基于ARM处理器的嵌入式开发 中，为了增强系统的灵活性以及提高系统的整体性能经常需要使用16位的Thumb指令，所以需要在ARM和Thumb状态之间来切换
（Interworking）微处理器状态，这部分内容也是实际项目设计中需要重点考虑的内容。
关键字
：Interworking，ARM/THUMB，Venee
引言
近年来，32位RISC芯片性价比快速提高，使得基于32位处理器（特别是ARM）的嵌入式应用迅猛地上升。在32位控制器领域，ARM架构的芯片 占据了60%--70%的市场。在ARM体系中有一些特定功能称为ARM体系的变种（
variant）,其中支持Thumb指令集，称为T变种。这样ARM微处理器就有两种工作状态ARM/Thumb，并可在两种状态之间切换。只要遵循 ATPCS调用规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用。在这种嵌入式系统软件开发中，为了增强系统的灵活性以及提高系统的整体性能经常需要
使用16位的Thumb指令。如何有效、准确地使用ARM/Thumb状态切换（Interworking）是关系到整个系统成败的关键环节，也是在具体 项目开发过程中相对比较难掌握的内容。本文主要介绍ARM体系结构中的ARM/Thumb状态切换（Interworking）。
1． ARM/Thumb 指令的性能比较
在ARM处理器中，内核同时支持32位的ARM指令和16位的Thumb令。对于ARM指令来说，所有的指令长度都是32位，并且执行周期大多为单周期，指令都是有条件执行的。而THUMB指令的特点如下：
- 指令执行条件经常不会使用；
- 源寄存器与目标寄存器经常是相同的；
- 使用的寄存器数量比较少；
- 常数的值比较小；
- 内核中的桶式移位器（barrel
shifter）经常是不使用的；
也就是说16位的Thumb指令一般可以完成和32位ARM相同的任务。当用户使用C程序来处理应用时，如果编译为Thumb指令，那么它的目标代 码大小只有编译为ARM指令时的65%左右，这样就增加了指令密度。从另一方面来看，处理器在这两种状态下的性能是依赖于指令执行的存储器的宽度的。下面
的图一具体说明二者的性能比较。可以看出，在存储器是32位的情况下，ARM性能较好，这时因为同样的代码编译的结果Thumb指令将会比ARM 多，Thumb指令仍旧花费指令周期来从32-bit块内存预取。在16-bit内存上，即使有比ARM多的代码，这时Thumb性能也较好，因为
Thumb每一条指令预取需要一个周期而每条ARM指令需要两个周期。
另外在16-bit内存上，Thumb的性能降低了；这是因为数据去操作和特殊的堆
栈操作，即使在Thumb下，堆栈操作仍是32-bit操作，导致低的性能在16-bit内存架构上。一个改进的方法是提供32-bit的内存来放置堆 栈。在这种情况下的性能提高到了32-bit内存架构的水平。主要的差别是因为使用的整型的(32-bit)全局数据将仍被存储在16-bit内存上。
另外，与ARM代码相比较，使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30%。
图一
显然，ARM指令集和Thumb指令集各有其优点，若对系统的执行效率有较高的要求，应使用32位的存储系统和ARM指令集，若对系统的成本及功耗 有较高的要求，则应使用16为的存储系统和Thumb指令集。当然，若两者结合使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。
2．切换（Interwoking）的基本概念及切换时的子函数调用
在我们的实际系统应用中，因为ARM/Thumb指令具有不同的特点，所以不同的场合开发人员会有不同的选择。Thumb指令低密度及在窄存储器时性能高的特点使得它在大多数基于C代码的系统中有非常广泛的应用，但是有些场合中系统只能使用ARM指令
，比如：
- 如果对于速度有比较高的要求，ARM指令在宽存储器中会提供更高的性能；
- 某些功能只能由ARM指令来实现
，比如：访问CPSR寄存器来使能/禁止中断或者改变处理器工作模式；访问协处理器CP15；执行C代码不支持的DSP算术指令；
- 异常中断(Exception)处理。在进入异常中断后，内核自动切换到ARM状态。
即在异常中断处理程序入口的一些指令是ARM指令，然后根据需要程序可以切换到Thumb状态，在异常中断处理程序返回前，程序再切换到ARM状态。
- ARM处理器总是从ARM状态开始执行
。
因而，如果要在调试器中运行Thumb程序，必须为该Thumb程序添加一个ARM程序头，然后再切换到Thumb状态，调用该Thumb程序。
所以在实际系统中，内核状态需要经常的切换（Interworking）来满足系统性能需求。具体的切换是通过Branch
Exchange—即BX 指令
来实现的。指令格式为：
Thumb状态 BX Rn
ARM状态 BX<condition> Rn
其中Rn可以是寄存器R0—R15中的任意一个。指令可以通过将寄存器Rn的内容
拷贝到程序计数器PC来完成在4Gbyte地址空间中的绝对跳转，而状态切换是由寄存器Rn的最低位来指定的，如果操作数寄存器的状态位Bit0=0，则进入ARM状态，如果Bit0=1，则进入Thumb状态，
图二给出了具体得切换过程。
图二
下面是某系统中使用的程序切换实例。
CODE32 //ARM状态下的代码
LDR R0, =Into_Thumb+1
//产生跳转地址并且设置最低位
BX R0
//Branch Exchange 进入Thumb状态
…
CODE16 //Thumb状态下的子函数
…
LDR R3, =Back_to_ARM
//产生字对齐的跳转地址，最低位被清除
BX R3
//Branch Exchange 返回到ARM状态
CODE32 //ARM状态下的子函数
Bach_to_ARM
…
在上面的程序中，CODE16/CODE32伪指令告诉汇编编译器后面的指令序列分别为Thumb/ARM指令。
在非Interworking函数调用中，调用函数使用BL（Branch
with Link）指令，
即将返回地址保存在连接寄存器LR中，同时跳转到被调用的子函数程序入口。从子函数返回时执行指令
MOV PC, LR(当然也可能是其他形式的指令，如出栈指令)将LR值直接放入PC中，从而返回到调用函数中的下一条指令的地址，然后继续执行程序。
在Interworking函数的调用中，需要在编译时对此函数所在的源程序指定编译开关选项：-apcs / interwork
，即保证程序遵守ARM/Thumb程序混合使用的ATPCS规则。一般来说，这时生成的目标代码会增加2%左右。这样在编译器(compiler)处理
这个函数时就会用BX 指令取代MOV PC,LR指令，而且连接器（linker）会自动的产生一小段代码（veneers）来改变处理器状态(ARM/Thumb)，具体过程如图3所示。
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图三
编译/连接命令为：
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
对于C/C++程序来说，当编译时如果增加 –apcs/interwork 选项，那就是告诉连接器自动增加一小段代码（veneer）来实现函数调用时ARM/Thumb的状态切换。但是对于使用C程序中的Interwork选项，需要注意的是：
- 对于一个C /C++源程序中不能同时包含ARM/Thumb指令
；
- 如果C/C++程序间接的调用另一种指令系统下的子程序，编译该程序时需要增加-apcs/interwork选项；
- 如果调用程序和被调用程序是不同的指令，而被调用程序是Non-Interworking代码，这时不要使用函数指针来调用该被调用程序。
下面的图四显示了C/C++程序在增加编译选项-apcs/interwork时将代码分别编译为ARM/THUMB指令时的情况。由于在Thumb状态下不能直接使用POP LR，所以使用了暂时寄存器R3。
对于汇编程序来说，
如果本代码是被调用的函数，
则需按照以下步骤处理：
- 增加
–apcs/interwork 选项；
- 用BX来返回；
- EXPORT本函数名；
如果本代码是调用函数
，那就只需要用BL指令来实现子函数的调用即可，也就是正常的处理。当然，用户也可以自己来编写这些状态切换程序，这样执行代码的效率会更高些。
对于C/C++程序和汇编程序的相互调用同样需要遵守以上的规则。另外，在实际应用中，如果要在ARM/Thumb状态间来切换程序，最好的办法是所有的函数在编译时都增加
–apcs/interwork选项。
图四
其中Thumb状态下因为不能直接使用POP 、LR指令，所以使用了暂时存储器r3。
3．V5TE架构中的扩展
前面所提到的内容是针对ARM微处理器内核为V4T架构时的切换情况，而对于V5TE架构的ARM内核，除了完全支持V4T架构的代码（具有 veneers）外，代码在连接时不再增加veneers，而是使用新的指令BLX（Branch
and Link with Exchang）来实现状态切换。这条指令完成完成的任务是：在跳转时将返回的指令地址保存在LR寄存器中，同时将PC中的最低位的值拷贝到CPSR寄存
器中的T位，从而改变处理器状态（Exchange）。一般来说，对于调用函数使用BLX指令即可，被调用函数则与V4T架构相同，也是使用BX指令来返 回。
结束语：
虽然ARM状态有其无可比拟的优点，但是对于实时性、复杂程度要求越来越高的嵌入式系统应用，应用Thumb状态是不可避免的。而且，如何有效地提 高系统的性能是开发人员必须面对的一个任务，灵活地使用ARM处理器的ARM/Thumb指令则是一种比较有效的方法。总的来说，在切换中程序需要遵守支
持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。故如何在ARM/THUMB状态间切换是一个开发过程中的关键环节，需要开发人员有比较深刻的理解， 本文也正是从这个角度出发来阐述这方面的基本知识的。
参考文献：
1、ARM体系结构与编程 杜春雷 2003 清华大学出版社
2、ARM应用系统开发详解 李驹光 聂雪媛等 2003清华大学出版社