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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。
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Thumb指令集(16bit)
Thumb指令集可以看作是ARM指令压缩形式的子集,它是为减小代码量而提出,具有16bit的代码密度。
Thumb指令体系并不完整,只支持通用功能,必要时仍需要使用ARM指令,如进入异常时。
其指令的格式与使用方式与ARM指令集类似,而且使用并不频繁,Thumb指令集作一般了解。
在编写Thumb指令时,先要使用伪指令CODE16声明,编写ARM指令时,则可使用CODE32伪指令声明。
1、Thumb指令集没有协处理器指令、信号量指令、以及访问CPSR或SPSR的指令,没有乘加指令及64位乘法指令等,且指令的第二操作数受到限制;
2、大多数的Thumb数据处理指令采用2地址格式;
3、除了跳转指令B有条件执行功能之外,其他指令均为无条件执行,而且分支指令的跳转范围有更多限制;
4、数据处理指令是对通用寄存器进行操作,在大多数情况下,操作的结果放入其中一个操作数寄存器中,而不是放入第3个寄存器中;
访问寄存器R8~R15受到一定的限制,除MOV、ADD指令访问R8~R15外,其他数据处理指令总是更新CPSR中ALU状态标志,访问寄存器R8~R15的Thumb数据处理指令不能更新CPSR中的ALU状态指示。
5、Thumb状态下,单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0~R7;
6、LDM、STM指令可以将任何范围为R0~R7的寄存器子集加载或存储;
7、PUSH、POP指令使用栈寄存器R13作为基址堆栈操作。
8、TheThumbinstructionsetformat:
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大多数ARM数据处理指令采用的是3地址格式(除了64位乘法指令外)。
所有异常都会使微处理器返回到ARM模式状态,并在ARM的编程模式中处理。
由于ARM微处理器字传送地址必须可被4整除(即字对准),半字传送地址必须可被2整除(即半字对准)。
而Thumb指令是2个字节长,而不是4个字节,所以,由Thumb执行状态进入异常时其自然偏移与ARM不同。
16位Thumb指令集是从32位ARM指令集提取指令格式的,每条Thumb指令有相同处理器模型所对应的32位ARM指令。
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(barrelshifter)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。
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BranchExchange—即BX指令来实现的。
指令格式为:
Thumb状态BXRn
ARM状态BX&
lt;
condition&
gt;
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
LDRR0,=Into_Thumb+1
//产生跳转地址并且设置最低位
BXR0
//BranchExchange进入Thumb状态
&
#8230;
CODE16//Thumb状态下的子函数
LDRR3,=Back_to_ARM
//产生字对齐的跳转地址,最低位被清除
BXR3
//BranchExchange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(BranchwithLink)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MOVPC,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MOVPC,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。
图三
编译/连接命令为:
armcc-apcs/interworkarm_code.c&
#8211;
oarm_code.o
tcc-apcs/interworkthumb_code.c&
othumb_code.o
armlinkarm_code.othumb_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POPLR,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