Thumb指令集之： Thumb指令的特点及实现

在ARM体系结构中，ARM指令集中的指令是32位指令，其执行效率很高。对于存储系统数据总线为16位的应用系统，ARM体系提供了Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，它比ARM指令集有更高的代码密度（一个可执行的程序在内存中所占的空间）。在存储系统受限的嵌入式系统中，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。在ARM体系的T变种（T variable）的版本中，同时支持ARM指令集和Thumb指令集，而且遵循一定的调用规则时，Thumb子程序和ARM子程序可以相互调用。

11.1  Thumb指令的特点及实现

Thumb指令集把32位ARM指令集的一个子集编码为一个16位的指令集。在16位外部数据总线宽度下，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。Thumb指令集并没有改变ARM系统底层的程序设计模型，只是在该模型上增加了一些限制条件。Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位，指令寻址地址也是32位的。

代码密度是Thumb指令集的一个主要优势。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。下面的例子代码，使用ARM指令和Thumb指令实现相同的除法操作。从例子中可以看出，虽然Thumb指令的实现使用了更多的指令，但是它占用的总的存储空间却比较小。

【例11.1】使用ARM指令实现除法运算

      MOV  r3，＃0

loop 

      SUB  r0，r0，r1

      ADDGE  r3，r3，＃1

      BGE  loop

      ADD  r2，r0，r1

【例11.1】中r0为被除数，r1存放除数，r2和r3分别存放余数和商。完成整个除法运算使用了5条指令，每一条指令所占的字节数为4，所以实现一个除法运算，ARM指令所占有的字节数为20。

【例11.2】使用Thumb指令实现除法运算

      MOV  r3，＃0

loop 

      ADD  r3，＃1

      SUB  r0，r1

      BGE  loop

      SUB  r3，＃1

      ADD  r2，r0，r1

【例11.2】使用Thumb指令完成了和【例11.1】完全相同的功能。Thumb指令虽然使用了6条指令，但其每条指令占用2个字节，所以总的字节数为6×2=12，小于ARM指令所占用的20个字节。

Thumb指令是ARM指令的一个受限子集，在Thumb状态下，不能直接访问所有的处理器寄存器，只有r0～r7是可以被任意访问的，在Thumb状态下使用该8个寄存器和在ARM状态下使用没有区别。寄存器r8～r12只能通过MOV、ADD或CMP指令访问。CMP指令和所有操作r0～r7的数据处理指令都会影响CPSR中的条件标志位。一些Thumb指令还使用到了程序计数器PC（r15），链接地址寄存器LR（r14）和堆栈指针寄存器SP（r13）。在Thumb状态下，读取r15寄存器时，bit[0]值为0，bit [31∶1]包含了PC的值。当对r15进行写入时，bit[0]被忽略，bit[31∶1]被设置成当前程序计数器的值。

表11.1列出了Thumb状态下，各寄存器的使用情况。

表11.1 Thumb寄存器的使用

从表11.1可以看出，Thumb状态下不能直接访问CPSR和SPSR。也就是没有和MSR和MRS等价的指令。为了改变CPSR和SPSR的值，必须使处理器状态切换到ARM状态，再使用指令MSR和MRS来实现。同样，在Thumb状态下也没有协处理器访问指令，要访问协处理器寄存器来配置cache和进行内存管理，也必须使处理器切换到ARM状态。