Fix a bug that broke -freorder-functions
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blob7f2eda83b49a2b26d6a3ba2c8884ca6cbcc97da8
1                 Arm / Thumb Interworking
2                 ========================
4 The Cygnus GNU Pro Toolkit for the ARM7T processor supports function
5 calls between code compiled for the ARM instruction set and code
6 compiled for the Thumb instruction set and vice versa.  This document
7 describes how that interworking support operates and explains the
8 command line switches that should be used in order to produce working
9 programs.
11 Note:  The Cygnus GNU Pro Toolkit does not support switching between
12 compiling for the ARM instruction set and the Thumb instruction set
13 on anything other than a per file basis.  There are in fact two
14 completely separate compilers, one that produces ARM assembler
15 instructions and one that produces Thumb assembler instructions.  The
16 two compilers share the same assembler, linker and so on.
19 1. Explicit interworking support for C and C++ files
20 ====================================================
22 By default if a file is compiled without any special command line
23 switches then the code produced will not support interworking.
24 Provided that a program is made up entirely from object files and
25 libraries produced in this way and which contain either exclusively
26 ARM instructions or exclusively Thumb instructions then this will not
27 matter and a working executable will be created.  If an attempt is
28 made to link together mixed ARM and Thumb object files and libraries,
29 then warning messages will be produced by the linker and a non-working
30 executable will be created.
32 In order to produce code which does support interworking it should be
33 compiled with the
35         -mthumb-interwork
37 command line option.  Provided that a program is made up entirely from
38 object files and libraries built with this command line switch a
39 working executable will be produced, even if both ARM and Thumb
40 instructions are used by the various components of the program.  (No
41 warning messages will be produced by the linker either).
43 Note that specifying -mthumb-interwork does result in slightly larger,
44 slower code being produced.  This is why interworking support must be
45 specifically enabled by a switch.
48 2. Explicit interworking support for assembler files
49 ====================================================
51 If assembler files are to be included into an interworking program
52 then the following rules must be obeyed:
54         * Any externally visible functions must return by using the BX
55         instruction.
57         * Normal function calls can just use the BL instruction.  The
58         linker will automatically insert code to switch between ARM
59         and Thumb modes as necessary.
61         * Calls via function pointers should use the BX instruction if
62         the call is made in ARM mode:
64                 .code 32
65                 mov lr, pc
66                 bx  rX
68         This code sequence will not work in Thumb mode however, since
69         the mov instruction will not set the bottom bit of the lr
70         register.  Instead a branch-and-link to the _call_via_rX
71         functions should be used instead:
73                 .code 16
74                 bl  _call_via_rX
76         where rX is replaced by the name of the register containing
77         the function address.
79         * All externally visible functions which should be entered in
80         Thumb mode must have the .thumb_func pseudo op specified just
81         before their entry point.  e.g.:
83                         .code 16
84                         .global function
85                         .thumb_func
86                 function:
87                         ...start of function....
89         * All assembler files must be assembled with the switch
90         -mthumb-interwork specified on the command line.  (If the file
91         is assembled by calling gcc it will automatically pass on the
92         -mthumb-interwork switch to the assembler, provided that it
93         was specified on the gcc command line in the first place.) 
96 3. Support for old, non-interworking aware code.
97 ================================================
99 If it is necessary to link together code produced by an older,
100 non-interworking aware compiler, or code produced by the new compiler
101 but without the -mthumb-interwork command line switch specified, then
102 there are two command line switches that can be used to support this.
104 The switch
106         -mcaller-super-interworking
108 will allow calls via function pointers in Thumb mode to work,
109 regardless of whether the function pointer points to old,
110 non-interworking aware code or not.  Specifying this switch does
111 produce slightly slower code however.
113 Note:  There is no switch to allow calls via function pointers in ARM
114 mode to be handled specially.  Calls via function pointers from
115 interworking aware ARM code to non-interworking aware ARM code work
116 without any special considerations by the compiler.  Calls via
117 function pointers from interworking aware ARM code to non-interworking
118 aware Thumb code however will not work.  (Actually under some
119 circumstances they may work, but there are no guarantees).  This is
120 because only the new compiler is able to produce Thumb code, and this
121 compiler already has a command line switch to produce interworking
122 aware code.
125 The switch
127         -mcallee-super-interworking
129 will allow non-interworking aware ARM or Thumb code to call Thumb
130 functions, either directly or via function pointers.  Specifying this
131 switch does produce slightly larger, slower code however.
133 Note:  There is no switch to allow non-interworking aware ARM or Thumb
134 code to call ARM functions.  There is no need for any special handling
135 of calls from non-interworking aware ARM code to interworking aware
136 ARM functions, they just work normally.  Calls from non-interworking
137 aware Thumb functions to ARM code however, will not work.  There is no
138 option to support this, since it is always possible to recompile the
139 Thumb code to be interworking aware.
141 As an alternative to the command line switch
142 -mcallee-super-interworking, which affects all externally visible
143 functions in a file, it is possible to specify an attribute or
144 declspec for individual functions, indicating that that particular
145 function should support being called by non-interworking aware code.
146 The function should be defined like this:
148         int __attribute__((interfacearm)) function 
149         {
150                 ... body of function ...
151         }
155         int __declspec(interfacearm) function
156         {
157                 ... body of function ...
158         }
162 4. Interworking support in dlltool
163 ==================================
165 It is possible to create DLLs containing mixed ARM and Thumb code.  It
166 is also possible to call Thumb code in a DLL from an ARM program and
167 vice versa.  It is even possible to call ARM DLLs that have been compiled
168 without interworking support (say by an older version of the compiler),
169 from Thumb programs and still have things work properly.
171    A version of the `dlltool' program which supports the `--interwork'
172 command line switch is needed, as well as the following special
173 considerations when building programs and DLLs:
175 *Use `-mthumb-interwork'*
176      When compiling files for a DLL or a program the `-mthumb-interwork'
177      command line switch should be specified if calling between ARM and
178      Thumb code can happen.  If a program is being compiled and the
179      mode of the DLLs that it uses is not known, then it should be
180      assumed that interworking might occur and the switch used.
182 *Use `-m thumb'*
183      If the exported functions from a DLL are all Thumb encoded then the
184      `-m thumb' command line switch should be given to dlltool when
185      building the stubs.  This will make dlltool create Thumb encoded
186      stubs, rather than its default of ARM encoded stubs.
188      If the DLL consists of both exported Thumb functions and exported
189      ARM functions then the `-m thumb' switch should not be used.
190      Instead the Thumb functions in the DLL should be compiled with the
191      `-mcallee-super-interworking' switch, or with the `interfacearm'
192      attribute specified on their prototypes.  In this way they will be
193      given ARM encoded prologues, which will work with the ARM encoded
194      stubs produced by dlltool.
196 *Use `-mcaller-super-interworking'*
197      If it is possible for Thumb functions in a DLL to call
198      non-interworking aware code via a function pointer, then the Thumb
199      code must be compiled with the `-mcaller-super-interworking'
200      command line switch.  This will force the function pointer calls
201      to use the _interwork_call_via_rX stub functions which will
202      correctly restore Thumb mode upon return from the called function.
204 *Link with `libgcc.a'*
205      When the dll is built it may have to be linked with the GCC
206      library (`libgcc.a') in order to extract the _call_via_rX functions
207      or the _interwork_call_via_rX functions.  This represents a partial
208      redundancy since the same functions *may* be present in the
209      application itself, but since they only take up 372 bytes this
210      should not be too much of a consideration.
212 *Use `--support-old-code'*
213      When linking a program with an old DLL which does not support
214      interworking, the `--support-old-code' command line switch to the
215      linker should be used.   This causes the linker to generate special
216      interworking stubs which can cope with old, non-interworking aware
217      ARM code, at the cost of generating bulkier code.  The linker will
218      still generate a warning message along the lines of:
219        "Warning: input file XXX does not support interworking, whereas YYY does."
220      but this can now be ignored because the --support-old-code switch
221      has been used.
225 5. How interworking support works
226 =================================
228 Switching between the ARM and Thumb instruction sets is accomplished
229 via the BX instruction which takes as an argument a register name.
230 Control is transfered to the address held in this register (with the
231 bottom bit masked out), and if the bottom bit is set, then Thumb
232 instruction processing is enabled, otherwise ARM instruction
233 processing is enabled.
235 When the -mthumb-interwork command line switch is specified, gcc
236 arranges for all functions to return to their caller by using the BX
237 instruction.  Thus provided that the return address has the bottom bit
238 correctly initialized to indicate the instruction set of the caller,
239 correct operation will ensue.
241 When a function is called explicitly (rather than via a function
242 pointer), the compiler generates a BL instruction to do this.  The
243 Thumb version of the BL instruction has the special property of
244 setting the bottom bit of the LR register after it has stored the
245 return address into it, so that a future BX instruction will correctly
246 return the instruction after the BL instruction, in Thumb mode.
248 The BL instruction does not change modes itself however, so if an ARM
249 function is calling a Thumb function, or vice versa, it is necessary
250 to generate some extra instructions to handle this.  This is done in
251 the linker when it is storing the address of the referenced function
252 into the BL instruction.  If the BL instruction is an ARM style BL
253 instruction, but the referenced function is a Thumb function, then the
254 linker automatically generates a calling stub that converts from ARM
255 mode to Thumb mode, puts the address of this stub into the BL
256 instruction, and puts the address of the referenced function into the
257 stub.  Similarly if the BL instruction is a Thumb BL instruction, and
258 the referenced function is an ARM function, the linker generates a
259 stub which converts from Thumb to ARM mode, puts the address of this
260 stub into the BL instruction, and the address of the referenced
261 function into the stub.
263 This is why it is necessary to mark Thumb functions with the
264 .thumb_func pseudo op when creating assembler files.  This pseudo op
265 allows the assembler to distinguish between ARM functions and Thumb
266 functions.  (The Thumb version of GCC automatically generates these
267 pseudo ops for any Thumb functions that it generates).
269 Calls via function pointers work differently.  Whenever the address of
270 a function is taken, the linker examines the type of the function
271 being referenced.  If the function is a Thumb function, then it sets
272 the bottom bit of the address.  Technically this makes the address
273 incorrect, since it is now one byte into the start of the function,
274 but this is never a problem because:
276         a. with interworking enabled all calls via function pointer
277            are done using the BX instruction and this ignores the
278            bottom bit when computing where to go to.
280         b. the linker will always set the bottom bit when the address
281            of the function is taken, so it is never possible to take
282            the address of the function in two different places and
283            then compare them and find that they are not equal.
285 As already mentioned any call via a function pointer will use the BX
286 instruction (provided that interworking is enabled).  The only problem
287 with this is computing the return address for the return from the
288 called function.  For ARM code this can easily be done by the code
289 sequence:
291         mov     lr, pc
292         bx      rX
294 (where rX is the name of the register containing the function
295 pointer).  This code does not work for the Thumb instruction set,
296 since the MOV instruction will not set the bottom bit of the LR
297 register, so that when the called function returns, it will return in
298 ARM mode not Thumb mode.  Instead the compiler generates this
299 sequence:
301         bl      _call_via_rX
303 (again where rX is the name if the register containing the function
304 pointer).  The special call_via_rX functions look like this:
306         .thumb_func
307 _call_via_r0:
308         bx      r0
309         nop
311 The BL instruction ensures that the correct return address is stored
312 in the LR register and then the BX instruction jumps to the address
313 stored in the function pointer, switch modes if necessary.
316 6. How caller-super-interworking support works
317 ==============================================
319 When the -mcaller-super-interworking command line switch is specified
320 it changes the code produced by the Thumb compiler so that all calls
321 via function pointers (including virtual function calls) now go via a
322 different stub function.  The code to call via a function pointer now
323 looks like this:
325         bl _interwork_call_via_r0
327 Note: The compiler does not insist that r0 be used to hold the
328 function address.  Any register will do, and there are a suite of stub
329 functions, one for each possible register.  The stub functions look
330 like this:
332         .code 16
333         .thumb_func
334 _interwork_call_via_r0
335         bx      pc
336         nop
337         
338         .code 32
339         tst     r0, #1
340         stmeqdb r13!, {lr}
341         adreq   lr, _arm_return
342         bx      r0
344 The stub first switches to ARM mode, since it is a lot easier to
345 perform the necessary operations using ARM instructions.  It then
346 tests the bottom bit of the register containing the address of the
347 function to be called.  If this bottom bit is set then the function
348 being called uses Thumb instructions and the BX instruction to come
349 will switch back into Thumb mode before calling this function.  (Note
350 that it does not matter how this called function chooses to return to
351 its caller, since the both the caller and callee are Thumb functions,
352 and mode switching is necessary).  If the function being called is an
353 ARM mode function however, the stub pushes the return address (with
354 its bottom bit set) onto the stack, replaces the return address with
355 the address of the a piece of code called '_arm_return' and then
356 performs a BX instruction to call the function.
358 The '_arm_return' code looks like this:
360         .code 32
361 _arm_return:            
362         ldmia   r13!, {r12}
363         bx      r12
364         .code 16
367 It simply retrieves the return address from the stack, and then
368 performs a BX operation to return to the caller and switch back into
369 Thumb mode.
372 7. How callee-super-interworking support works
373 ==============================================
375 When -mcallee-super-interworking is specified on the command line the
376 Thumb compiler behaves as if every externally visible function that it
377 compiles has had the (interfacearm) attribute specified for it.  What
378 this attribute does is to put a special, ARM mode header onto the
379 function which forces a switch into Thumb mode:
381   without __attribute__((interfacearm)):
383                 .code 16
384                 .thumb_func
385         function:
386                 ... start of function ...
388   with __attribute__((interfacearm)):
390                 .code 32
391         function:
392                 orr     r12, pc, #1
393                 bx      r12
395                 .code 16
396                 .thumb_func
397         .real_start_of_function:
399                 ... start of function ...
401 Note that since the function now expects to be entered in ARM mode, it
402 no longer has the .thumb_func pseudo op specified for its name.
403 Instead the pseudo op is attached to a new label .real_start_of_<name>
404 (where <name> is the name of the function) which indicates the start
405 of the Thumb code.  This does have the interesting side effect in that
406 if this function is now called from a Thumb mode piece of code
407 outside of the current file, the linker will generate a calling stub
408 to switch from Thumb mode into ARM mode, and then this is immediately
409 overridden by the function's header which switches back into Thumb
410 mode. 
412 In addition the (interfacearm) attribute also forces the function to
413 return by using the BX instruction, even if has not been compiled with
414 the -mthumb-interwork command line flag, so that the correct mode will
415 be restored upon exit from the function.
418 8. Some examples
419 ================
421    Given these two test files:
423              int arm (void) { return 1 + thumb (); }
425              int thumb (void) { return 2 + arm (); }
427    The following pieces of assembler are produced by the ARM and Thumb
428 version of GCC depending upon the command line options used:
430    `-O2':
431              .code 32                               .code 16
432              .global _arm                           .global _thumb
433                                                     .thumb_func
434      _arm:                                    _thumb:
435              mov     ip, sp
436              stmfd   sp!, {fp, ip, lr, pc}          push    {lr}
437              sub     fp, ip, #4
438              bl      _thumb                          bl      _arm
439              add     r0, r0, #1                      add     r0, r0, #2
440              ldmea   fp, {fp, sp, pc}                pop     {pc}
442    Note how the functions return without using the BX instruction.  If
443 these files were assembled and linked together they would fail to work
444 because they do not change mode when returning to their caller.
446    `-O2 -mthumb-interwork':
448              .code 32                               .code 16
449              .global _arm                           .global _thumb
450                                                     .thumb_func
451      _arm:                                    _thumb:
452              mov     ip, sp
453              stmfd   sp!, {fp, ip, lr, pc}          push    {lr}
454              sub     fp, ip, #4
455              bl      _thumb                         bl       _arm
456              add     r0, r0, #1                     add      r0, r0, #2
457              ldmea   fp, {fp, sp, lr}               pop      {r1}
458              bx      lr                             bx       r1
460    Now the functions use BX to return their caller.  They have grown by
461 4 and 2 bytes respectively, but they can now successfully be linked
462 together and be expect to work.  The linker will replace the
463 destinations of the two BL instructions with the addresses of calling
464 stubs which convert to the correct mode before jumping to the called
465 function.
467    `-O2 -mcallee-super-interworking':
469              .code 32                               .code 32
470              .global _arm                           .global _thumb
471      _arm:                                    _thumb:
472                                                     orr      r12, pc, #1
473                                                     bx       r12
474              mov     ip, sp                         .code 16
475              stmfd   sp!, {fp, ip, lr, pc}          push     {lr}
476              sub     fp, ip, #4
477              bl      _thumb                         bl       _arm
478              add     r0, r0, #1                     add      r0, r0, #2
479              ldmea   fp, {fp, sp, lr}               pop      {r1}
480              bx      lr                             bx       r1
482    The thumb function now has an ARM encoded prologue, and it no longer
483 has the `.thumb-func' pseudo op attached to it.  The linker will not
484 generate a calling stub for the call from arm() to thumb(), but it will
485 still have to generate a stub for the call from thumb() to arm().  Also
486 note how specifying `--mcallee-super-interworking' automatically
487 implies `-mthumb-interworking'.
490 9. Some Function Pointer Examples
491 =================================
493    Given this test file:
495         int func (void) { return 1; }
496      
497         int call (int (* ptr)(void)) { return ptr (); }
499    The following varying pieces of assembler are produced by the Thumb
500 version of GCC depending upon the command line options used:
502    `-O2':
503                 .code   16
504                 .globl  _func
505                 .thumb_func
506         _func:
507                 mov     r0, #1
508                 bx      lr
509      
510                 .globl  _call
511                 .thumb_func
512         _call:
513                 push    {lr}
514                 bl      __call_via_r0
515                 pop     {pc}
517    Note how the two functions have different exit sequences.  In
518 particular call() uses pop {pc} to return, which would not work if the
519 caller was in ARM mode.  func() however, uses the BX instruction, even
520 though `-mthumb-interwork' has not been specified, as this is the most
521 efficient way to exit a function when the return address is held in the
522 link register.
524    `-O2 -mthumb-interwork':
526                 .code   16
527                 .globl  _func
528                 .thumb_func
529         _func:
530                 mov     r0, #1
531                 bx      lr
532      
533                 .globl  _call
534                 .thumb_func
535         _call:
536                 push    {lr}
537                 bl      __call_via_r0
538                 pop     {r1}
539                 bx      r1
541    This time both functions return by using the BX instruction.  This
542 means that call() is now two bytes longer and several cycles slower
543 than the previous version.
545    `-O2 -mcaller-super-interworking':
546                 .code   16
547                 .globl  _func
548                 .thumb_func
549         _func:
550                 mov     r0, #1
551                 bx      lr
552      
553                 .globl  _call
554                 .thumb_func
555         _call:
556                 push    {lr}
557                 bl      __interwork_call_via_r0
558                 pop     {pc}
560    Very similar to the first (non-interworking) version, except that a
561 different stub is used to call via the function pointer.  This new stub
562 will work even if the called function is not interworking aware, and
563 tries to return to call() in ARM mode.  Note that the assembly code for
564 call() is still not interworking aware itself, and so should not be
565 called from ARM code.
567    `-O2 -mcallee-super-interworking':
569                 .code   32
570                 .globl  _func
571         _func:
572                 orr     r12, pc, #1
573                 bx      r12
574      
575                 .code   16
576                 .globl .real_start_of_func
577                 .thumb_func
578         .real_start_of_func:
579                 mov     r0, #1
580                 bx      lr
581      
582                 .code   32
583                 .globl  _call
584         _call:
585                 orr     r12, pc, #1
586                 bx      r12
587      
588                 .code   16
589                 .globl .real_start_of_call
590                 .thumb_func
591         .real_start_of_call:
592                 push    {lr}
593                 bl      __call_via_r0
594                 pop     {r1}
595                 bx      r1
597    Now both functions have an ARM coded prologue, and both functions
598 return by using the BX instruction.  These functions are interworking
599 aware therefore and can safely be called from ARM code.  The code for
600 the call() function is now 10 bytes longer than the original, non
601 interworking aware version, an increase of over 200%.
603    If a prototype for call() is added to the source code, and this
604 prototype includes the `interfacearm' attribute:
606         int __attribute__((interfacearm)) call (int (* ptr)(void));
608    then this code is produced (with only -O2 specified on the command
609 line):
611                 .code   16
612                 .globl  _func
613                 .thumb_func
614         _func:
615                 mov     r0, #1
616                 bx      lr
617      
618                 .globl  _call
619                 .code   32
620         _call:
621                 orr     r12, pc, #1
622                 bx      r12
623      
624                 .code   16
625                 .globl .real_start_of_call
626                 .thumb_func
627         .real_start_of_call:
628                 push    {lr}
629                 bl      __call_via_r0
630                 pop     {r1}
631                 bx      r1
633    So now both call() and func() can be safely called via
634 non-interworking aware ARM code.  If, when such a file is assembled,
635 the assembler detects the fact that call() is being called by another
636 function in the same file, it will automatically adjust the target of
637 the BL instruction to point to .real_start_of_call.  In this way there
638 is no need for the linker to generate a Thumb-to-ARM calling stub so
639 that call can be entered in ARM mode.
642 10. How to use dlltool to build ARM/Thumb DLLs
643 ==============================================
644    Given a program (`prog.c') like this:
646              extern int func_in_dll (void);
647      
648              int main (void) { return func_in_dll(); }
650    And a DLL source file (`dll.c') like this:
652              int func_in_dll (void) { return 1; }
654    Here is how to build the DLL and the program for a purely ARM based
655 environment:
657 *Step One
658      Build a `.def' file describing the DLL:
660              ; example.def
661              ; This file describes the contents of the DLL
662              LIBRARY     example
663              HEAPSIZE    0x40000, 0x2000
664              EXPORTS
665                           func_in_dll  1
667 *Step Two
668      Compile the DLL source code:
670             arm-pe-gcc -O2 -c dll.c
672 *Step Three
673      Use `dlltool' to create an exports file and a library file:
675             dlltool --def example.def --output-exp example.o --output-lib example.a
677 *Step Four
678      Link together the complete DLL:
680             arm-pe-ld dll.o example.o -o example.dll
682 *Step Five
683      Compile the program's source code:
685             arm-pe-gcc -O2 -c prog.c
687 *Step Six
688      Link together the program and the DLL's library file:
690             arm-pe-gcc prog.o example.a -o prog
692    If instead this was a Thumb DLL being called from an ARM program, the
693 steps would look like this.  (To save space only those steps that are
694 different from the previous version are shown):
696 *Step Two
697      Compile the DLL source code (using the Thumb compiler):
699             thumb-pe-gcc -O2 -c dll.c -mthumb-interwork
701 *Step Three
702      Build the exports and library files (and support interworking):
704             dlltool -d example.def -z example.o -l example.a --interwork -m thumb
706 *Step Five
707      Compile the program's source code (and support interworking):
709             arm-pe-gcc -O2 -c prog.c -mthumb-interwork
711    If instead, the DLL was an old, ARM DLL which does not support
712 interworking, and which cannot be rebuilt, then these steps would be
713 used.
715 *Step One
716      Skip.  If you do not have access to the sources of a DLL, there is
717      no point in building a `.def' file for it.
719 *Step Two
720      Skip.  With no DLL sources there is nothing to compile.
722 *Step Three
723      Skip.  Without a `.def' file you cannot use dlltool to build an
724      exports file or a library file.
726 *Step Four
727      Skip.  Without a set of DLL object files you cannot build the DLL.
728      Besides it has already been built for you by somebody else.
730 *Step Five
731      Compile the program's source code, this is the same as before:
733             arm-pe-gcc -O2 -c prog.c
735 *Step Six
736      Link together the program and the DLL's library file, passing the
737      `--support-old-code' option to the linker:
739             arm-pe-gcc prog.o example.a -Wl,--support-old-code -o prog
741      Ignore the warning message about the input file not supporting
742      interworking as the --support-old-code switch has taken care if this.
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