Thumb指令集

Thumb指令集概述Thumb指令詳細(xì)介紹

ARM與THUMBTHUMB指令是ARM指令的子集,可以相互調(diào)用，只要遵循一定的調(diào)用規(guī)則。Thumb指令與ARM指令的時間效率和空間效率關(guān)系為:存儲空間約為ARM代碼的60％～70％指令數(shù)比ARM代碼多約30％～40％存儲器為32位時ARM代碼比Thumb代碼快約40％存儲器為16位時Thumb比ARM代碼快約40～50％使用Thumb代碼，存儲器的功耗會降低約30％10.1Thumb指令集概述

Thumb指令集是針對代碼密度的問題而提出的?？梢钥醋魇茿RM指令集的子集。Thumb是一個不完整的體系結(jié)構(gòu)，不能指望處理器只執(zhí)行Thumb代碼而不支持ARM指令集。一般Thumb代碼只需支持通用功能，必要時可以借助ARM指令集.

應(yīng)用程序可以靈活的將ARM和Thumb子程序混合編程以便在例程的基礎(chǔ)上提高性能或代碼密度。ARM開發(fā)工具完全支持Thumb指令Thumb指令集概述本節(jié)可以分為以下幾個部分：

Thumb指令集編碼

Thumb狀態(tài)切換

Thumb對寄存器的操作

Thumb指令集特性10.1.1Thumb指令集編碼Thumb指令集編碼如下：10.1.2Thumb狀態(tài)切換在任何時刻，CPSR的第5位（位T）決定了ARM微處理器執(zhí)行的是ARM指令流還是Thumb指令流。當(dāng)T置1，則認(rèn)為是16位的Thumb指令流；當(dāng)T置0，則認(rèn)為是32位的ARM指令流。進(jìn)入Thumb模式進(jìn)入Thumb指令模式有兩種方法：一種是執(zhí)行一條交換轉(zhuǎn)移指令BX，將指令中的目標(biāo)地址寄存器的最低位置1；另一種方法是利用異常返回，也可以把微處理器從ARM模式轉(zhuǎn)換為Thumb模式。退出Thumb模式退出Thumb指令模式也有兩種方法：一種是執(zhí)行Thumb指令中的交換轉(zhuǎn)移BX指令可以顯式的返回到ARM指令流；另一種是利用異常進(jìn)入ARM指令流，因為異?？偸窃贏RM模式下進(jìn)行。10.1.3Thumb對寄存器的操作Thumb指令集是ARM指令集的一個子集，并只能對限定的ARM寄存器進(jìn)行操作對8個通用寄存器R0-R7具有全部訪問權(quán)限，對寄存器R13-R15進(jìn)行擴(kuò)展作為特殊應(yīng)用：R13用作堆棧指針SP；R14用作鏈接寄存器LR；R15用作程序計數(shù)器PC。CPSR的條件標(biāo)志由算術(shù)和邏輯操作設(shè)置并控制轉(zhuǎn)移。R8-R12訪問受到限制。除MOV或ADD指令訪問寄存器R8-R15外，數(shù)據(jù)處理指令總是更新CPSR中的ALU狀態(tài)標(biāo)志除CMP指令外，訪問寄存器R8-R15的Thumb數(shù)據(jù)處理指令不能更新標(biāo)志。10.1.4Thumb指令集特性Thumb指令采用16位二進(jìn)制編碼，而ARM指令是32位的。Thumb指令也是采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送及流控制指令等。大多數(shù)Thumb指令是無條件執(zhí)行的（除了轉(zhuǎn)移指令B），而所有ARM指令都是條件執(zhí)行的。許多Thumb數(shù)據(jù)處理指令采用2地址格式，即目的寄存器與一個源寄存器相同，而大多數(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）。Thumb指令集沒有協(xié)處理器指令、信號量（semaphore）指令、乘加指令、64位乘法指令以及訪問CPSR或SPSR的指令，而且指令的第二操作數(shù)受到限制。10.2Thumb指令集詳細(xì)介紹

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(yīng)的32位ARM指令。根據(jù)完成的功能Thumb指令可以分為4類：數(shù)據(jù)處理指令；轉(zhuǎn)移指令；

Load/Store指令；異常中斷指令。

10.2.1數(shù)據(jù)處理指令Thumb數(shù)據(jù)處理指令包括一組高度優(yōu)化且相當(dāng)復(fù)雜的指令，范圍涵蓋編譯器通常需要的大多數(shù)操作。ARM指令支持在單條指令中完成一個操作數(shù)的移位及一個ALU操作，但Thumb指令集將移位操作和ALU操作分離為不同的指令，所以在Thumb指令中存在移位操作。本部分從以下幾個方面介紹：數(shù)據(jù)處理指令的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)處理指令的分類

ARM指令與Thumb指令比較數(shù)據(jù)處理指令－二進(jìn)制編碼

數(shù)據(jù)處理指令的二進(jìn)制編碼如下圖：數(shù)據(jù)處理指令－指令格式

格式：opRd，Rn，RmopRd，Rn，#expr3opRd，#expr8其中：Rd目的寄存器。它也用做“opRd，#expr8”的第一個操作數(shù)。Rn第一操作數(shù)寄存器。Rm第二操作數(shù)寄存器。expr3表達(dá)式或3位立即數(shù)，為取值在-7-+7范圍內(nèi)的整數(shù)。expr8表達(dá)式或8位立即數(shù)，為取值在-255-+255范圍內(nèi)的整數(shù)。數(shù)據(jù)處理指令－分類按照數(shù)據(jù)處理指令的功能，可以將其分為以下幾類：算術(shù)運(yùn)算指令，它又分為以下幾類：移位和循環(huán)移位操作（ASR，LSL，LSR和ROR）比較指令（CMP和CMN）傳送和取負(fù)指令（MOV，MVN和NEG）測試指令（TST）

ADD與SUB—低寄存器加法和減法

ADD—高或低寄存器

ADD與SUB—SPADD—PC或SP相對偏移

ADC，SBC和MULARM指令與Thumb指令低寄存器比較：ARM指令Thumb指令MOVSRd，#<#imm8>

MOVRd，#<#imm8>

MVNSRd，Rm

MVNRd，Rm

CMPRN，#<#imm8>

CMPRn，#<#imm8>

CMPRn，Rm

CMPRn，Rm

CMNRn，Rm

CMNRn，Rm

TSTRn，Rm

TSTRn，Rm

ADDSRd，Rn，#<#imm3>ADDRd，Rn，#<#imm3>ADDSRd，Rn，#<#imm8>ADDRd，#<#imm8>

ADDSRd，Rn，RmADDRd，Rn，RmADCSRd，Rn，RmADCRd，Rm

SUBSRd，Rn，#<#imm3>SUBRd，Rn，#<#imm3>SUBSRd，

Rn，#<#imm8>SUBRd，#<#imm8>

SUBSRd，Rn，RmSUBRd，Rn，RmSBCSRd，Rn，RmSBCRd，Rm

RSBSRd，Rn，#0NEGRd，Rn

MOVSRd，Rm，LSL#<#sh>LSLRd，Rm，#<#sh>MOVSRd，Rd，LSLRsLSLRd，Rs

MOVSRd，Rm，LSR#<#sh>LSRRd，Rm，#<#sh>MOVSRd，Rd，LSRRsLSRRd，Rs

MOVSRd，Rm，ASR#<#sh>ASRRd，Rm，#<#sh>MOVSRd，Rd，RORRsASRRd，Rs

MOVSRd，Rd，RORRsRORRd，Rs

ANDSRd，Rd，RmANDRd，Rm

EORSRd，Rd，RmEORRd，Rm

ORRSRd，Rd，RmORRRd，Rm

BICSRd，Rd，RmBICRd，Rm

MULSRd，Rm，RdMULRd，Rm

ARM指令與Thumb指令高寄存器比較：ARM指令Thumb指令A(yù)DDRd，Rd，RmADDRd，Rm（1/2Hiregs）

CMPRn，Rm

CMPRn，Rm（1/2Hiregs）

ADDRd，PC，#<#imm8>ADDRd，PC，#<#imm8>ADDRd，SP，#<#imm8>ADDRd，SP，#<#imm8>ADDSP，

SP，#<#imm7>ADDSP，SP，#<#imm7>SUBSP，SP，#<#imm7>SUBSP，SP，#<#imm7>10.2.2Thumb轉(zhuǎn)移指令A(yù)RM指令有一個大的（24位）偏移域（offsetfield），這不可能在16位Thumb指令格式中表示。為此Thumb指令集有多種方法實現(xiàn)其子功能。本部分從以下幾個方面介紹：轉(zhuǎn)移指令的二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)移指令的匯編格式轉(zhuǎn)移指令的分類轉(zhuǎn)移指令－二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)移指令的二進(jìn)制編碼如下：轉(zhuǎn)移指令－匯編格式轉(zhuǎn)移指令的匯編格式如下：

轉(zhuǎn)移指令的典型用法如下:

1)短距離條件轉(zhuǎn)移指令可用于控制循環(huán)的退出。2)中等距離的無條件轉(zhuǎn)移指令用于實現(xiàn)goto功能。3)長距離子程序調(diào)用．B <cond><label> ；格式1 目標(biāo)為Thumb代碼B <label> ；格式2 目標(biāo)為Thumb代碼BL <label> ；格式3 目標(biāo)為Thumb代碼BLX <label> ；格式3a 目標(biāo)為ARM代碼B{L}X Rm ；格式4 目標(biāo)為ARM或Thumb代碼

1.B<label>指令格式：B{cond}lableBlable其中：lable是程序相對偏移表達(dá)式。通常是在同一代碼段內(nèi)的標(biāo)號。功能：分支指令。是Thumb指令集中唯一可以條件執(zhí)行的指令。舉例：Bloop;轉(zhuǎn)到loop處執(zhí)行。

BCSsectB；C置位跳轉(zhuǎn)。注意：若使用cond，則lable必須在當(dāng)前指令的-256--+256字節(jié)范圍內(nèi)；若指令是無條件的，則lable必須在±2KB范圍內(nèi)。2.BL<label>指令格式：BLlable其中：lable是程序相對轉(zhuǎn)移表達(dá)式。功能：BL指令將下一條指令的地址拷貝到R14（LR鏈接寄存器），并轉(zhuǎn)移到lable執(zhí)行。舉例：BLsubC;注意：BL指令不能轉(zhuǎn)移到當(dāng)前指令±4MB以外的地址。3．BX（分支指令）

格式：BXRm其中：Rm裝有分支目的地址的ARM寄存器。功能：BX指令轉(zhuǎn)移到Rm存儲的地址。若Rm的位[0]置位，則指令集切換到Thumb狀態(tài)。若Rm的位[0]置0，則指令切換到ARM狀態(tài)。舉例：MOVR7，to_Thumb+1BXR7;R7的位[0]被置為1，所以指令集切換到Thumb狀態(tài)。注意：指令有選擇的切換指令集。Rm的位[0]不用于地址部分，而是用于決定ARM微處理器的工作狀態(tài)：為0，切換到ARM狀態(tài)；為1，切換到Thumb狀態(tài)。4.BLX帶鏈接分支，并可有選擇地交換指令格式：BLXRmBLXlable其中：Rm裝有分支目的地址的ARM寄存器。功能：拷貝下一條指令的地址到R14；引起處理器轉(zhuǎn)移到lable或Rm存儲的地址；如果Rm的位[0]清0，或使用“BLXlable”形式，則指令集切換到ARM狀態(tài)。舉例：BLXR2BLXR0BLXarmsub注意：指令不能轉(zhuǎn)移到當(dāng)前指令±4MB范圍以外的地址。Rm的位[0]不用于地址部分，若Rm的位[0]清0，則位[1]也必須清0，指令清除CPSR中的標(biāo)志T，M目的地址代碼被解釋為ARM代碼。lable是程序相對偏移表達(dá)式?！癇LXlable“始終引起微控制器切換到ARM狀態(tài)。10.2.3Load/Store指令Thumb的Load/Store指令又可以分為：單寄存器數(shù)據(jù)存取指令（LDR和STR）多寄存器數(shù)據(jù)存取指令(LDM和STM)

單寄存器數(shù)據(jù)存取指令（LDR和STR）二進(jìn)制編碼如下：1.單寄存器數(shù)據(jù)存取指令（LDR和STR）匯編格式如下：<op>Rd，[Rn，#<#off5>] ；<op>=LDR|LDRB|STR|STRB<op>Rd，[Rn，#<#off5>] ；<op>=LDRH|STRH<op>Rd，[Rn，Rm] ；<op>=LDR|LDRH|LDRSH|LDRB|LDRSB|STR|STRH|STRB<op>Rd，[PC，#<#off8>]<op>Rd，[SP，#<#off8>] ；<op>=LDR|STR//該兩條指令偏移量為8位2.多寄存器數(shù)據(jù)存取指令二進(jìn)制編碼如下：多寄存器數(shù)據(jù)存取指令

匯編格式如下：LDMIA Rn!，{<reglist>}STMIA Rn!，{<reglist>}POP {<reglist>{，pc}}PUSH {<reglist>{，lr}}10.2.4異常中斷指令Thumb軟件中斷指令Thumb軟件中斷指令的二進(jìn)制編