四、Thumb指令

3.4 Thumb指令集Thumb指令集可以看做ARM指令集的一个子集，其用于支持存储系统数据总线为16位的应用系统。

Thumb指令长度为16位，这样，与32位的ARM指令集相比，有效地节省了系统的存储空间。

但Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位的，指令寻址地址也是32位的。

在实际应用中，若对系统的性能有较高要求，则选arm指令集和32位的memory；若对系统的功耗有较高要求时，则选Thumb指令集和16位的memory；一般将两者混合使用，根据系统不同部分的不同需求，选用合适的指令，发挥两者的优势。

Thumb指令集由数据处理指令、跳转指令、Load/Store指令和软件中断指令4大类构成。

数据处理指令格式功能MOV Rd,imm_8; Rd＝imm_8；Rd为R0~R7，imm_8为8位立即数MOV Rd,Rn; Rd＝Rn；Rd、Rn为R0~R15MVN Rd,Rn; Rd＝~Rn；Rd、Rn为R0~R7NEG Rd,Rn; Rd＝-Rn；Rd、Rn为R0~R7ADD Rd,Rn,imm; Rd＝Rn+imm；Rd为R0~R7，Rn为R0~R7或PC或SP；Rn为PC或SP时，imm为10位立即数；否则，imm为3位立即数ADD Rd,Rn,Rm; Rd＝Rn+Rm；Rd、Rn、Rm为R0~R7ADD Rd,imm; Rd＝Rd+imm；Rd为R0~R7或SPRd为SP时，imm为-508~+508间的4整数倍的数否则，imm为8位立即数ADD Rd,Rn; Rd＝Rd+Rn；Rd、Rn为R0~R15ADC Rd,Rn; Rd＝Rd+Rn+carry；Rd、Rn为R0~R7，carry为进位标志值SUB Rd,Rn,imm_3; Rd＝Rn-imm_3；Rd、Rn为R0~R7，imm_3为3位立即数SUB Rd,Rn,Rm; Rd＝Rn-Rm；Rd、Rn、Rm为R0~R7，SUB Rd,imm; Rd＝Rd-imm；Rd为R0~R7或SPRd为SP时，imm为-508~+508间的4整数倍的数否则，imm为8位立即数SBC Rd,Rn; Rd＝Rd-Rn-!carry；Rd、Rn为R0~R7，carry为进位标志值MUL Rd,Rn; Rd＝Rd×Rn；Rd、Rn为R0~R7AND Rd,Rn; Rd＝Rd&Rn；Rd、Rn为R0~R7ORR Rd,Rn; Rd＝Rd|Rn；Rd、Rn为R0~R7EOR Rd,Rn; Rd＝Rd^Rn；Rd、Rn为R0~R7BIC Rd,Rn; Rd＝Rd&(~Rn)；Rd、Rn为R0~R7ASR Rd,Rn; Rd＝Rd算术右移Rn位；Rd、Rn为R0~R7ASR Rd,Rn,imm_5; Rd＝Rn算术右移imm_5位；Rd、Rn为R0~R7，imm_5为1~32间的数值LSL Rd,Rn; Rd＝Rd逻辑左移Rn位；Rd、Rn为R0~R7 LSL Rd,Rn,imm_5; Rd＝Rn逻辑左移imm_5位；Rd、Rn为R0~R7 LSR Rd,Rn; Rd＝Rd逻辑右移Rn位；Rd、Rn为R0~R7 LSR Rd,Rn,imm_5; Rd＝Rn逻辑右移imm_5位；Rd、Rn为R0~R7 ROR Rd,Rn; Rd＝Rd循环右移Rn位；Rd、Rn为R0~R7CMP Rn,Rm; 根据Rn-Rm的值，修改CPSR的状态标志位；Rn、Rm为R0~R7CMP Rn,imm_8; 根据Rn-imm_8的值，修改CPSR的状态标志位；Rn为R0~R7CMN Rn,Rm; 根据Rn+Rm的值，修改CPSR的状态标志位；Rn、Rm为R0~R7TST Rn,Rm; 根据Rn&Rm的值，修改CPSR的状态标志位；Rn、Rm为R0~R7跳转指令格式功能B{cond} label PC＝label；若有cond，则label必须在当前指令的-256~+256字节范围内；否则，label必须在当前指令的-2KB~+2KB范围内BL label R14＝PC+4，PC＝label；label必须在当前指令的-4MB~+4MB范围内BX Rn PC＝Rn，且切换处理器状态Load/Store指令格式功能LDR Rd,[Rn,imm]; Rd＝地址（Rn+imm）中的字数据；Rd为R0~R7，Rn为R0~R7或SP 或PC；若Rn为PC或SP，imm为5位立即数，否则imm为8位立即数LDR Rd,[Rn,Rm]; Rd＝地址（Rn+Rm）中的字数据；Rd、Rn、Rm为R0~R7LDRH Rd,[Rn,imm_5]; Rd＝地址（Rn+imm_5）中的无符号半字数据；Rd、Rn为R0~R7，imm_5为5位立即数LDRH Rd,[Rn,Rm]; Rd＝地址（Rn+Rm）中的无符号半字数据；Rd，Rn，Rm为R0~R7 LDRB Rd,[Rn,imm_5]; Rd＝地址（Rn+imm_5）中的无符号字节数据；Rd、Rn为R0~R7 LDRB Rd,[Rn,Rm]; Rd＝地址（Rn+Rm）中的无符号字节数据；Rd，Rn，Rm为R0~R7 LDRSH Rd,[Rn,Rm]; Rd＝地址（Rn+Rm）中的有符号半字数据；Rd，Rn，Rm为R0~R7 LDRSB Rd,[Rn,Rm]; Rd＝地址（Rn+Rm）中的有符号字节数据；Rd，Rn，Rm为R0~R7 LDR Rd,label; Rd＝地址（label）中的字数据；Rd为R0~R7STR Rd,[Rn,imm]; 地址（Rn+imm）处的字数据＝Rd；Rd为R0~R7，Rn为R0~R7或SP 或PC；若Rn为PC或SP，imm为5位立即数，否则imm为8位立即数软件中断指令格式功能SWI 8位立即数8位立即数为中断号。

实践-Thumb指令实践指导实践指导1:ARM与Thumb的混合编程1.实验⽬的●使⽤Thumb汇编语⾔，体会ARM与Thumb的区别。

●使⽤伪指令，加深对伪操作的理解。

2.实验设备●硬件：PC机。

●软件：ADS集成开发环境，Windows2000/XP/2003。

3.实验原理ARM与Thumb的混合编程所有的ARM指令都是可以条件执⾏的，⽽Thumb指令仅有⼀条指令（B指令）具备条件执⾏功能。

所以很多应⽤程序需要两者的混合编程，因此存在ARM与Thumb状态之间相互切换，⽽且相互之间的状态切换的开销⼏乎为零。

由于ARM处理器总是从ARM状态开始执⾏，故Thumb指令的执⾏必须由ARM状态转向Thumb状态，通常BX指令完成。

另外在Thumb指令前必须有CODE16伪指令指⽰汇编器以下指令为Thumb指令。

4.实验内容下⾯是⼀段直接进⾏状态切换的代码。

AREA AddReg,CODE,READONL YENTRYCODE32;程序从ARM状态开始ADR R0,ThumbProg+1;跳转到ThumbProg。

这⾥为什么要加1呢?因为BX指令;跳转到指定的地址执⾏程序时，若(BX{cond}Rm)Rm;的位[0]为1,则跳转时⾃动将CPSR中的标志T置位即把;⽬标代码解释为Thunb代码。

BX R0;程序切换到Thumb状态CODE16;CODE16指⽰编译器后⾯为Thumb指令ThumbProg MOV R2,#2MOV R3,#3ADD R2,R2,R3ADR R0,ARMProgBX R0;跳转到ARMProg，程序切换到ARM状态CODE32;CODE32指⽰编译器后⾯为ARM指令ARMProg MOV R4,#4MOV R5,#5ADD R4,R4,R5Stop MOV R0,#0x18;软中断参数设置LDR R1,=0x20026;软中断参数设置SWI0x123456;将CPU的控制权交给调试器END5.操作步骤Step1建⽴⼯程⽂件，输⼊程序代码。

Thumb 指令集之：Thumb 编程模型
11.2Thumb编程模型所有的Thumb指令都是16位的。

它们都是ARM指
令重新编码得到的，所以继承了ARM指令集的许多特点。

①有数据处理、数据传送和流控制的指令结构。

②支持8位字节、16位半字和32位字数据类型，半字以两字节边界对齐，
字以4字节边界对齐。

③32位的无分段存储器（unsegmentedmemory）。

Thumb指令集除了继承了ARM指令集的一些特点外，与ARM指令集存在
以下一些差异。

①大多数Thumb指令为无条件执行指令（所有ARM指令都是条件执行的）。

②许多Thumb数据处理指令采用了2地址格式（目的寄存器与源寄存器相同）。

而ARM指令中除64位乘法指令外，其余指令均采用3地址模式。

③Thumb指令格式减少了很多ARM指令格式的限制，使Thumb指令编写的代码密度大大提高。

无论处理器处于什么状态，所有的异常都使处理器返回到ARM状态，并完
成异常处理。

但异常发生时，CPSR状态寄存器在进入异常时被保存到相应的SPSR中，当异常处理结束后，处理器将恢复到异常发生前的状态，并按照发
生异常时处理器的状态继续执行ARM或Thumb指令。

应该注意的是，ARM异常返回指令需要根据ARM流水线的行为对返回地址
进行调整。

由于Thumb指令是2字节长，而ARM指令是4字节长，所以由Thumb执行状态进入异常时其自然偏移量应与ARM不同（ARM状态下，拷
贝到链接寄存器的值PC－4）。

为了减少编程的复杂性，ARM体系结构中设置。

thumb指令集乘法指令在计算机体系结构中，thumb指令集是一种精简指令集（RISC）指令集体系结构，由ARM Holdings开发。

Thumb指令集的主要目标是提供更高的代码密度和较低的功耗，使得Thumb指令集在嵌入式系统和移动设备中得到广泛应用。

Thumb指令集中包含了一系列乘法指令，这些指令可以对寄存器中的值进行乘法操作，并将结果存储在其他寄存器中。

下面是一些常见的Thumb指令集中的乘法指令：1. MUL（Multiply）指令：MUL指令用于执行两个32位的有符号整数的乘法操作。

它的语法如下：```MUL Rd, Rm, Rs```其中Rd是目标寄存器，Rm和Rs是源寄存器。

该指令将寄存器Rm和Rs中的值相乘，并将结果存储在目标寄存器Rd中。

2. MLA（Multiply Accumulate）指令：MLA指令用于执行两个32位的有符号整数的乘法操作，并将结果与第三个寄存器中的值相加。

它的语法如下：```MLA Rd, Rm, Rs, Rt```其中Rd是目标寄存器，Rm和Rs是源寄存器，Rt是要与乘法结果相加的寄存器。

该指令将寄存器Rm和Rs中的值相乘，并将结果与寄存器Rt中的值相加，最后将结果存储在目标寄存器Rd中。

3. UMULL（Unsigned Multiply Long）指令：UMULL指令用于执行两个32位的无符号整数的乘法操作，并产生64位的结果。

该指令的语法如下：```UMULL RdLo, RdHi, Rm, Rs```其中RdLo和RdHi是目标寄存器，Rm和Rs是源寄存器。

该指令将寄存器Rm和Rs中的值相乘，并将结果的低32位存储在目标寄存器RdLo中，高32位存储在目标寄存器RdHi中。

这些乘法指令可以在Thumb指令集的上下文中使用，与其他指令结合使用，以执行复杂的计算操作。

由于Thumb指令集的特点是代码密度高，因此在嵌入式系统和移动设备的应用中，乘法指令的优化和性能对于提高系统性能和功耗效率非常重要。

4.2 Thumb指令集Thumb指令集可以看作ARM指令压缩形式的一个子集，用于支持存储系统数据总线为16位的应用系统。

Thumb指令长度为16位，与等价的32位代码相比较，Thumb指令集在保留32位代码优势的同时，有效地节省了系统的存储空间。

但Thumb指令集中的数据处理指令操作数仍然是32位的，指令寻址地址也是32位的。

Thumb指令集可分为以下5类：●数据处理指令；●存储器访问指令；●跳转指令；●软件中断指令；●伪指令。

4.2.1 Thumb指令集与ARM指令集的区别Thumb指令体系不完整，只支持通用功能。

必要时仍需要使用ARM指令，如进入异常时。

所有的Thumb指令都有对应的ARM指令，Thumb编程模型也对应于ARM编程模型。

在应用程序的编写过程中，只要遵循一定的调用规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用。

当处理器在执行ARM程序段时，称ARM处理器处于ARM工作状态，当处理器在执行Thumb程序段时，称ARM处理器处于Thumb工作状态。

Thumb指令集较ARM指令集有如下限制：●只有B指令可以条件执行，其他指令都不能条件执行；●分支指令的跳转范围有更多限制；●数据处理指令的操作结果必须放入其中一个；●单寄存器访问指令，只能操作R0～R7；●LDM和STM指令可以对R0～R7的任何子集进行操作；4.2.2 Thumb数据处理指令Thumb数据处理指令涵盖了编译器需要的大多数操作。

大部分的Thumb数据处理指令采用2地址格式，不能在单指令中同时完成一个操作数的移位及一个ALU操作。

数据处理操作比ARM状态的更少，并且访问寄存器R8～R15受到限制。

数据处理指令分为数据传送指令和算术逻辑运算指令两类。

数据传送指令如表4-1所示。

表4-1 数据传送指令助记符操作影响标志MOV Rd, #expr Rd←expr，Rd为R0～R7 影响N、ZMOV Rd, Rm Rd←Rm，Rd、Rm均可为R0～R15 Rd和Rm均为R0～R7时，影响N、Z，清零C、V MVN Rd, Rm Rd←（~Rm），Rd、Rm均为R0～R7影响N、ZNEG Rd, Rm Rd←（-Rm），Rd、Rm均为R0～R7影响N、Z、C、V89。

第4章Thumb 指令集●Thumb 寄存器的使用●ARM-Thumb 交互●其它分支指令●数据处理指令●单寄存器load-store指令●多寄存器load-store 指令●堆栈指令●软件中断指令●总结本章介绍Thumb指令集。

Thumb把32位ARM指令集的一个子集进行编码，成为一个16位的指令集。

在16位外部数据总线宽度下，在ARM处理器上使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令的性能更好;而在32位外部数据总线宽度下，使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令的性能差。

因此,Thumb指令多用于存储器受限的一些系统中。

相对于ARM指令集，使用Thumb指令集可获得更高的代码密度—一个可执行的程序在内存中所占的空间。

在存储器受限的嵌人式系统中，比如移动电话、PDA等，代码密度是非常重要的;同时，成本压力也会限制存储器的大小、数据宽度和速度。

平均而言，对于同一个程序，使用Thumb指令实现所需的存储空间，要比等效的ARM 指令实现少30%左右，图4. 1显示了对于实现同样的除法运算，使用ARM指令和使用Thumb 指令的汇编代码。

虽然Thumb指令的实现使用了更多的指令，但是它所占的总的存储空间却比较小。

代码密度是Thumb指令集的一个主要优势。

由于Thumb指令集的设计是面向编译器的，而不是针对手写汇编的，所以推荐使用高级语言如C或者C++语言来编程，然后用编译器生成Thumb指令的目标代码。

图4.1 代码密度每一条Thump指令都和一条32位的ARM指令相关。

图4. 2显示了一条Thumb加法指令ADD译码成等效的ARM加法指令，表4. 1给出了在ARMv5TE架构，F的THUMBv2中所有的Thumb指令。

在ThumbISA 中，只有分支指令可被条件执行;同时由于16位空间的限制，桶形移位操作如ASR,LSL,LSR 和RQR，也变成单独的指令。

表4.1 Thumb指令集续表 4.14.1 Thumb 寄存器的使用在Thumb状态下，不能直接访问所有的寄存器，只有寄存器r0~r7是可以被任意访问的，如表4.2所列。

thumb指令集thumb指令集分为：分支指令、数据传送指令、单寄存器加载和存储指令以及多寄存器加载和存储指令。

thumb指令集没有协处理器指令、信号量（semaphore）指令以及访问cpsr或spsr的指令。

1. 存储器访问指令（1）dr和str--立即数偏移加载寄存器和存储寄存器。

存储器的地址以一个寄存器的立即数偏移（immediate offset）指明。

指令格式： op rd, n，#immed_5×4] oph rd, n，#immed_5×2] opb rd, n，#immed_5×1] 其中： op：为dr或str。

h：指明无符号半字传送的参数。

b：指明无符号字节传送的参数。

rd：加载和存储寄存器。

rd 必须在r0～r7范围内。

rn：基址寄存器。

rn 必须在r0～r7范围内。

immed_5×n：偏移量。

它是一个表达式，其取值（在汇编时）是n的倍数，在（0～31）*n范围内，n=4、2、1。

str：用于存储一个字、半字或字节到存储器中。

dr：用于从存储器加载一个字、半字或字节。

rn：rn中的基址加上偏移形成操作数的地址。

立即数偏移的半字和字节加载是无符号的。

数据加载到rd的最低有效字或字节，rd 的其余位补0。

字传送的地址必须可被4整除，半字传送的地址必须可被2整除。

指令示例：dr r3,5,#0] strb r0,3,#31] strh r7,3,#16] drb r2,4,#1abe-{pc}]（2）dr和str--寄存器偏移加载寄存器和存储寄存器。

用一个寄存器的基于寄存器偏移指明存储器地址。

指令格式： op rd,n,rm] 其中，op 是下列情况之一： dr：加载寄存器，4字节字。

str：存储寄存器，4字节字。

drh：加载寄存器，2字节无符号半字。

drsh：加载寄存器，2字节带符号半字。

strh：存储寄存器，2字节半字。

drb：加载寄存器，无符号字节。