Thumb指令集之： Thumb指令的特點及實現(xiàn)

在ARM體系結(jié)構(gòu)中，ARM指令集中的指令是32位指令，其執(zhí)行效率很高。對于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位的應(yīng)用系統(tǒng)，ARM體系提供了Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一個子集，它比ARM指令集有更高的代碼密度（一個可執(zhí)行的程序在內(nèi)存中所占的空間）。在存儲系統(tǒng)受限的嵌入式系統(tǒng)中，比如移動電話、PDA等，代碼密度是非常重要的，同時，成本壓力也會限制存儲器的大小、數(shù)據(jù)寬度和速度。在ARM體系的T變種（T variable）的版本中，同時支持ARM指令集和Thumb指令集，而且遵循一定的調(diào)用規(guī)則時，Thumb子程序和ARM子程序可以相互調(diào)用。

11.1  Thumb指令的特點及實現(xiàn)

Thumb指令集把32位ARM指令集的一個子集編碼為一個16位的指令集。在16位外部數(shù)據(jù)總線寬度下，ARM處理器上使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令的性能更好；而在32位外部數(shù)據(jù)總線寬度下，使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令的性能差。因此，Thumb指令多用于存儲器受限的一些系統(tǒng)中。Thumb指令集并沒有改變ARM系統(tǒng)底層的程序設(shè)計模型，只是在該模型上增加了一些限制條件。Thumb指令集中的數(shù)據(jù)處理指令的操作數(shù)仍然是32位，指令尋址地址也是32位的。

代碼密度是Thumb指令集的一個主要優(yōu)勢。平均而言，對于同一個程序，使用Thumb指令實現(xiàn)所需的存儲空間，要比等效的ARM指令實現(xiàn)少30％左右。下面的例子代碼，使用ARM指令和Thumb指令實現(xiàn)相同的除法操作。從例子中可以看出，雖然Thumb指令的實現(xiàn)使用了更多的指令，但是它占用的總的存儲空間卻比較小。

【例11.1】使用ARM指令實現(xiàn)除法運算

      MOV  r3，＃0

loop 

      SUB  r0，r0，r1

      ADDGE  r3，r3，＃1

      BGE  loop

      ADD  r2，r0，r1

【例11.1】中r0為被除數(shù)，r1存放除數(shù)，r2和r3分別存放余數(shù)和商。完成整個除法運算使用了5條指令，每一條指令所占的字節(jié)數(shù)為4，所以實現(xiàn)一個除法運算，ARM指令所占有的字節(jié)數(shù)為20。

【例11.2】使用Thumb指令實現(xiàn)除法運算

      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指令雖然使用了6條指令，但其每條指令占用2個字節(jié)，所以總的字節(jié)數(shù)為6×2=12，小于ARM指令所占用的20個字節(jié)。

Thumb指令是ARM指令的一個受限子集，在Thumb狀態(tài)下，不能直接訪問所有的處理器寄存器，只有r0～r7是可以被任意訪問的，在Thumb狀態(tài)下使用該8個寄存器和在ARM狀態(tài)下使用沒有區(qū)別。寄存器r8～r12只能通過MOV、ADD或CMP指令訪問。CMP指令和所有操作r0～r7的數(shù)據(jù)處理指令都會影響CPSR中的條件標(biāo)志位。一些Thumb指令還使用到了程序計數(shù)器PC（r15），鏈接地址寄存器LR（r14）和堆棧指針寄存器SP（r13）。在Thumb狀態(tài)下，讀取r15寄存器時，bit[0]值為0，bit [31∶1]包含了PC的值。當(dāng)對r15進行寫入時，bit[0]被忽略，bit[31∶1]被設(shè)置成當(dāng)前程序計數(shù)器的值。

表11.1列出了Thumb狀態(tài)下，各寄存器的使用情況。

表11.1 Thumb寄存器的使用

從表11.1可以看出，Thumb狀態(tài)下不能直接訪問CPSR和SPSR。也就是沒有和MSR和MRS等價的指令。為了改變CPSR和SPSR的值，必須使處理器狀態(tài)切換到ARM狀態(tài)，再使用指令MSR和MRS來實現(xiàn)。同樣，在Thumb狀態(tài)下也沒有協(xié)處理器訪問指令，要訪問協(xié)處理器寄存器來配置cache和進行內(nèi)存管理，也必須使處理器切換到ARM狀態(tài)。