Thumb指令集概述

haidaowang · 发表于 2020-10-13 16:54

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Thumb指令集概述
为兼容数据总线宽度为16位的应用系统，ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集以外，同时支持16位的Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，是针对代码密度问题而提出的，它具有16位的代码宽度。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，大大的节省了系统的存储空间。Thumb不是一个完整的体系结构，不能指望处理器只执行Thumb指令集而不支持ARM指令集。

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指令集并没有改变ARM体系底层的编程模型，只是在该模型上增加了一些限制条件，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。

与ARM指令集相比较，Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位，指令地址也为32位，但Thumb指令集为实现16位的指令长度，舍弃了ARM指令集的一些特性，如大多数的Thumb指令是无条件执行的，而几乎所有的ARM指令都是有条件执行的，大多数的Thumb数据处理指令采用2地址格式。由于Thumb指令的长度为16位，即只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以，要实现特定的程序功能，所需的Thumb指令的条数较ARM指令多。在一般的情况下，Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为：

l    Thumb代码所需的存储空间约为ARM代码的60％～70％。

l    Thumb代码使用的指令数比ARM代码多约30％～40％。

l    若使用32位的存储器，ARM代码比Thumb代码快约40％。

l    若使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快约40％～50％。

l    与ARM代码相比较，使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％。

显然，ARM指令集和Thumb指令集各有其优点，若对系统的性能有较高要求，应使用32位的存储系统和ARM指令集，若对系统的成本及功耗有较高要求，则应使用16位的存储系统和Thumb指令集。当然，若两者结合使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。

Thumb指令集与ARM指令集在以下几个方面有区别：

l    跳转指令。条件跳转在范围上有更多的限制，转向子程序只具有无条件转移。

l    数据处理指令。对通用寄存器进行操作，操作结果需放入其中一个操作数寄存器，而不是第三个寄存器。

l    单寄存器加载和存储指令。Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0～R7。

l    批量寄存器加载和存储指令。LDM和STM指令可以将任何范围为R0～R7的寄存器子集加载或存储，PUSH和POP指令使用堆栈指针R13作为基址实现满递减堆栈，除R0～R7外，PUSH指令还可以存储链接寄存器R14，并且POP指令可以加载程序指令PC。

l    Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此，在异常中断时还是需要使用ARM指令。这种限制决定了Thumb指令不能单独使用需要与ARM指令配合使用。

Thumb 寄存器和ARM寄存器之间的关系
Thumb寄存器在ARM寄存器上的映射如图3.6所示。

图3.6  Thumb寄存器在ARM寄存器上的映射

1. Thumb 状态寄存器集是ARM 状态寄存器集的子集
程序员可直接访问8 个通用寄存器R0～R7、PC、堆栈指针SP、链接寄存器LR和CPSR。

每个特权模式都有分组的SP、LR和SPSR。

2. Thumb状态寄存器与ARM 状态寄存器的关系
Thumb状态寄存器与ARM状态寄存器有如下关系：

l    Thumb状态R0～R7与ARM状态R0～R7相同。

l    Thumb状态CPSR和SPSR与ARM状态CPSR和SPSR 相同。

l    Thumb状态SP映射到ARM状态R13。

l    Thumb状态LR映射到ARM状态R14。

l    Thumb状态PC映射到ARM状态PC（R15）。

3. 在Thumb状态中访问高寄存器
在Thumb状态中高寄存器（寄存器R0～R7为低寄存器，寄存器R8～R15为高寄存器）不是标准寄存器集的一部分，汇编语言程序员对它们的访问受到限制，但可以将它们用于快速暂存。

可以使用MOV指令的特殊变量将一个值从低寄存器R0～R7转移到高寄存器R8～R15，或者从高寄存器到低寄存器。CMP指令可用于比较高寄存器和低寄存器的值。ADD 指令可用于将高寄存器的值与低寄存器的值相加。

3.4.3  Thumb指令分类介绍
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）LDR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, [Rn，#immed_5×4]

opH Rd, [Rn，#immed_5×2]

opB Rd, [Rn，#immed_5×1]

其中：

l    op：为LDR或STR。

l    H：指明无符号半字传送的参数。

l    B：指明无符号字节传送的参数。

l    Rd：加载和存储寄存器。Rd 必须在R0～R7范围内。

l    Rn：基址寄存器。Rn 必须在R0～R7范围内。

l    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。

l    STR：用于存储一个字、半字或字节到存储器中。

l    LDR：用于从存储器加载一个字、半字或字节。

l    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：

LDR R3,[R5,#0]

STRB R0,[R3,#31]

STRH R7,[R3,#16]

LDRB R2,[R4,#1abel-{PC}]

（2）LDR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,[Rn,Rm]

其中，op 是下列情况之一：

l    LDR：加载寄存器，4字节字。

l    STR：存储寄存器，4字节字。

l    LDRH：加载寄存器，2字节无符号半字。

l    LDRSH：加载寄存器，2字节带符号半字。

l    STRH：存储寄存器，2字节半字。

l    LDRB：加载寄存器，无符号字节。

l    LDRSB：加载寄存器，带符号字节。

l    STRB：存储寄存器，字节。

l    Rm：内含偏移量的寄存器，Rm必须在R0～R7范围内。

带符号和无符号存储指令没有区别。

STR指令将Rd中的一个字、半字或字节存储到存储器。

LDR指令从存储器中将一个字、半字或字节加载到Rd。

Rn中的基址加上偏移量形成存储器的地址。

寄存器偏移的半字和字节加载可以是带符号或无符号的。数据加载到Rd的最低有效字或字节。对于无符号加载，Rd的其余位补0；或对于带符号加载，Rd的其余位复制符号位。字传送地址必须可被4整除，半字传送地址必须可被2整除。

指令示例：

LDR R2,[Rl,R5]

LDRSH R0,[R0,R6]

STRB Rl,[R7,R0]

（3）LDR和STR——PC或SP相对偏移

加载寄存器和存储寄存器。用PC或SP中值的立即数偏移指明存储器中的地址。没有PC相对偏移的STR指令。

指令格式：

LDR Rd,[PC,#immed_8×4]

LDR Rd,[label

LDR Rd,[[SP,#immed_8×4]

STR Rd, [SP,#immed_8×4]

其中：

l    immed_8×4：偏移量。它是一个表达式，取值（在汇编时）为4的整数倍，范围在0～1020之间。

l    label：程序相对偏移表达式。label必须在当前指令之后且1KB范围内。

l    STR：将一个字存储到存储器。

l    LDR：从存储器中加载一个字。

PC或SP的基址加上偏移量形成存储器地址。PC的位[1]被忽略，这确保了地址是字对准的。字或半字传送的地址必须是4的整数倍。

指令示例：

LDR R2,[PC,#1016]

LDR R5,localdata

LDR R0,[SP,#920]

STR Rl,[SP,#20]

（4）PUSH和POP

低寄存器和可选的LR进栈以及低寄存器和可选的PC出栈。

指令格式：

PUSH {reglist}

POP {reglist}

PUSH {reglist，LR}

POP {reglist，PC}

其中：

l    reglist：低寄存器的全部或其子集。

括号是指令格式的一部分，它们不代表指令列表可选。列表中至少有1个寄存器。Thumb堆栈是满递减堆栈，堆栈向下增长，且SP指向堆栈的最后入口。寄存器以数字顺序存储在堆栈中。最低数字的寄存器存储在最低地址处。

POP {reglist，PC}这条指令引起处理器转移到从堆栈弹出给PC的地址，这通常是从子程序返回，其中LR在子程序开头压进堆栈。这些指令不影响条件码标志。

指令示例：

PUSH {R0,R3,R5}

PUSH {R1,R4-R7}

PUSH {R0,LR}

POP {R2,R5}

POP {R0-R7,PC}

（5）LDMIA和STMIA

加载和存储多个寄存器。

指令格式：

op Rn!，{reglist}

其中，op为LDMIA或STMIA。

reglist为低寄存器或低寄存器范围的、用逗号隔开的列表。括号是指令格式的一部分，它们不代表指令列表可选，列表中至少应有1个寄存器。寄存器以数字顺序加载或存储，最低数字的寄存器在Rn的初始地址中。

Rn的值以reglist中寄存器个数的4 倍增加。若Rn在寄存器列表中，则：

l    对于LDMIA指令，Rn的最终值是加载的值，不是增加后的地址。

l    对于STMIA指令，Rn存储的值有两种情况：若Rn是寄存器列表中最低数字的寄存器，则Rn存储的值为Rn的初值；其他情况则不可预知，当然，reglist中最好不包括Rn。

指令示例：

LDMIA R3!,{R0,R4}

LDMIA R5!,{R0～R7}

STMIA R0!,{R6，R7}

STMIA R3!,{R3,R5,R7}

2. 数据处理指令
（1）ADD和SUB——低寄存器

加法和减法。对于低寄存器操作，这2条指令各有如下3种形式：

l    两个寄存器的内容相加或相减，结果放到第3个寄存器中。

l    寄存器中的值加上或减去一个小整数，结果放到另一个不同的寄存器中。

l    寄存器中的值加上或减去一个大整数，结果放回同一个寄存器中。

指令格式：

op Rd,Rn,Rm

op Rd,Rn,#expr3

op Rd,#expr8

其中：

l    op为ADD或SUB。

l    Rd：目的寄存器。它也用做“op Rd，#expr8”的第1个操作数。

l    Rn：第一操作数寄存器。

l    Rm：第二操作数寄存器。

l    expr3：表达式，为取值在-7～+7范围内的整数（3位立即数）。

l    expr8：表达式，为取值在-255～+255范围内的整数（8位立即数）。

“op Rd，Rn，Rm”执行Rn+Rm或Rn-Rm操作，结果放在Rd中。

“op Rd，Rn，#expr3”执行Rn+expr3或Rn-expr3操作，结果放在Rd中。

“op Rd，#expr8”执行Rd+expr8或Rd－expr8操作，结果放在Rd中。

expr3或expr8为负值的ADD指令汇编成相对应的带正数常量的SUB指令。expr3或expr8为负值的SUB指令汇编成相对应的带正数常量的ADD指令。

Rd、Rn和Rm必须是低寄存器（R0～R7）。

这些指令更新标志N、Z、C和V。

指令示例：

ADD R3,Rl,R5

SUB R0,R4,#5

ADD R7,#201

（2）ADD——高或低寄存器

将寄存器中值相加，结果送回到第一操作数寄存器。

指令格式：

ADD Rd,Rm

其中：

l    Rd：目的寄存器，也是第一操作数寄存器。

l    Rm：第二操作数寄存器。

这条指令将Rd和Rm中的值相加，结果放在Rd中。

当Rd和Rm都是低寄存器时，指令“ADD Rd，Rm”汇编成指令“ADD Rd，Rd，Rm”。若Rd和Rm是低寄存器，则更新条件码标志N、Z、C 和V；其他情况下这些标志不受影响。

指令示例：

ADD R12,R4

（3）ADD和SUB——SP

SP加上或减去立即数常量。

指令格式：

ADD SP，#expr

SUB SP，#expr

其中：expr为表达式，取值（在汇编时）为在-508～+508范围内的4的整倍数。

该指令把expr的值加到SP 的值上或用SP的值减去expr的值，结果放到SP中。

expr为负值的ADD指令汇编成相对应的带正数常量的SUB指令。expr为负值的SUB指令汇编成相对应的带正数常量的ADD指令。

这条指令不影响条件码标志。

指令示例：

ADD SP,#32

SUB SP,#96

（4）ADD——PC或SP相对偏移

SP或PC值加一立即数常量，结果放入低寄存器。

指令格式：

ADD Rd，Rp，#expr

其中：

l    Rd：目的寄存器。Rd必须在R0～R7范围内。

l    Rp：SP 或PC。

l    expr：表达式，取值（汇编时）为在0～1020范围内的4的整倍数。

这条指令把expr加到Rp的值中，结果放入Rd。

若Rp是PC，则使用值是（当前指令地址+4）AND &FFFFFFC，即忽略地址的低2位。

这条指令不影响条件码标志。

指令示例：

ADD R6,SP,#64

ADD R2,PC,#980

（5）ADC、SBC和MUL

带进位的加法、带进位的减法和乘法。

指令格式：

op Rd，Rm

其中：

l    op为ADC、SBC或MUL。

l    Rd：目的寄存器，也是第一操作数寄存器。

l    Rm：第二操作数寄存器，Rd、Rm必须是低寄存器。

ADC 将带进位标志的Rd和Rm的值相加，结果放在Rd中，用这条指令可组合成多字加法。

SBC考虑进位标志，从Rd值中减去Rm的值，结果放入Rd中，用这条指令可组合成多字减法。

MUL进行Rd和Rm值的乘法，结果放入Rd 中。

Rd和Rm必须是低寄存器（R0～R7）。

ADC和SBC更新标志N、Z、C和V。MUL更新标志N和Z。

在ARMv4及以前版本中，MUL会使标志C和V不可靠。在ARMv5及以后版本中，MUL不影响标志C和V。

指令示例：

ADC R2,R4

SBC R0,R1

MUL R7,R6

（6）按位逻辑操作AND、ORR、EOR和BIC

指令格式：

op Rd,Rm

其中：

l    op为AND、ORR、EOR或BIC。

l    Rd：目的寄存器，它也包含第一操作数，Rd必须在R0～R7范围内。

l    Rm：第二操作数寄存器，Rm 必须在R0～R7范围内。

这些指令用于对Rd和Rm中的值进行按位逻辑操作，结果放在Rd 中，操作如下：

l    AND：进行逻辑“与”操作。

l    ORR：进行逻辑“或”操作。

l    EOR：进行逻辑“异或”操作。

l    BIC：进行“Rd AND NOT Rm”操作。

这些指令根据结果更新标志N和Z,    C.V不受影响。

程序示例：

AND R1,R2

ORR　R0,R1

EOR　R5,R6

BIC　R7,R6

（7）移位和循环移位操作ASR、LSL、LSR和ROR

Thumb指令集中，移位和循环移位操作作为独立的指令使用，这些指令可使用寄存器中的值或立即数移位量。

指令格式：

op Rd,Rs

op Rd,Rm,#expr

其中：

l    op是下列其中之一：

l    ASR：算术右移，将寄存器中的内容看做补码形式的带符号整数。将符号位复制到空出位。

l    LSL：逻辑左移，空出位填零。

l    LSR：逻辑右移，空出位填零。

l    ROR：循环右移，将寄存器右端移出的位循环移回到左端。ROR仅能与寄存器控制的移位一起使用。

l    Rd：目的寄存器，它也是寄存器控制移位的源寄存器。Rd必须在R0～R7范围内。

l    Rs：包含移位量的寄存器，Rs必须在R0～R7范围内。

l    Rm：立即数移位的源寄存器，Rm必须在R0～R7范围内。

l    expr：立即数移位量，它是一个取值（在汇编时）为整数的表达式。整数的范围为：若op是LSL，则为0～31；其他情况则为1～32。

对于除ROR以外的所有指令：

l    若移位量为32，则Rd清零，最后移出的位保留在标志C中。

l    若移位量大于32，则Rd和标志C均被清零。

这些指令根据结果更新标志N和Z，且不影响标志V。对于标志C，若移位量是零，则不受影响。其他情况下，它包含源寄存器的最后移出位。

指令示例：

ASR R3,R5

LSR R0,R2,#16　；将R2的内容逻辑右移16次后，结果放入R0中

LSR R5,R5,av　

（8）比较指令CMP 和CMN

指令格式：

CMP Rn,#expr

CMP Rn,Rm

CMN Rn,Rm

其中：

l    Rn：第一操作数寄存器。

l    expr：表达式，其值（在汇编时）为在0～255 范围内的整数。

l    Rm：第二操作数寄存器。

CMP指令从Rn的值中减去expr或Rm的值，CMN指令将Rm和Rn的值相加，这些指令根据结果更新标志N、Z、C和V，但不往寄存器中存放结果。

对于“CMP Rn，#expr”和CMN指令，Rn和Rm必须在R0～R7范围内。

对于“CMP Rn，Rm”指令，Rn和Rm可以是R0～R15中的任何寄存器。

指令示例：

CMP R2,#255

CMP R7,R12

CMN Rl,R5

（9）传送、传送非和取负（MOV、MVN和NEG）

指令格式：

MOV Rd,#expr

MOV Rd,Rm

MVN Rd,Rm

NEG Rd,Rm

其中：

l    Rd：目的寄存器。

l    expr：表达式，其取值为在0～255范围内的整数。

l    Rm：源寄存器。

MOV指令将#expr或Rm的值放入Rd。MVN指令从Rm中取值，然后对该值进行按位逻辑“非”操作，结果放入Rd。NEG指令取Rm的值再乘以-1，结果放入Rd。

对于“MOV Rd，#expr”、MVN和NEG指令，Rd和Rm必须在R0～R7范围内。

对于“MOV Rd，Rm”指令，Rd和Rm可以是寄存器R0～R15中的任意一个。

“MOV Rd，#expr”和MVN 指令更新标志N和Z，对标志C或V无影响。NEG指令更新标志N、Z、C 和V。“MOV Rd，Rm”指令中，若Rd或Rm是高寄存器（R8～R18），则标志不受影响；若Rd 和Rm 都是低寄存器（R0～R7），则更新标志N和Z，且清除标志C和V。

指令示例：

MOV R3,#0

MOV R0,R12

MVN R7,R1

NEG R2,R2

（10）测试位TST

指令格式：

TST Rn,Rm

其中：

l    Rn：第一操作数寄存器。

l    Rm：第二操作数寄存器。

TST对Rm和Rn中的值进行按位“与”操作。但不把结果放入寄存器。该指令根据结果更新标志N和Z，标志C和V不受影响。Rn和Rm必须在R0～R7范围内。

指令示例：

TST R2,R4

3. 分支指令
（1）分支B指令

这是Thumb指令集中唯一的有条件指令。

指令格式：

B{cond} label

其中，label是程序相对偏移表达式，通常是在同一代码块内的标号。若使用cond，则label必须在当前指令的－256～+256字节范围内。若指令是无条件的，则label必须在±2KB范围内。若cond满足或不使用cond，则B指令引起处理器转移到label。

label必须在指定限制内。ARM链接器不能增加代码来产生更长的转移。

指令示例：

B dloop

BEG sectB

（2）带链接的长分支BL指令

指令格式：

BL label

其中，1abel为程序相对转移表达式。BL指令将下一条指令的地址复制到R14（链接寄存器），并引起处理器转移到1abel。

BL指令不能转移到当前指令±4MB以外的地址。必要时，ARM链接器插入代码以允许更长的转移。

指令示例：

BL extract

（3）分支，并可选地切换指令集BX

指令格式：

BX 　Rm

其中，Rm装有分支目的地址的ARM寄存器。Rm的位[0]不用于地址部分。若Rm 的位[0]清零，则位[1]也必须清零，指令清除CPSR中的标志T，目的地址的代码被解释为ARM代码，BX指令引起处理器转移到Rm存储的地址。若Rm的位[0]置位，则指令集切换到Thumb状态。

指令示例：

BX 　R5

（4）带链接分支，并可选地交换指令集BLX

指令格式：

BLX　 Rm

BLX 　label

其中，Rm 装有分支目的地址的ARM寄存器。Rm的位[0]不用于地址部分。若Rm 的位[0]清零，则位[1]必须也清零，指令清除CPSR中的标志T，目的地址的代码被解释为ARM代码。Label为程序相对偏移表达式，“BLX  label”始终引起处理器切换到ARM状态。

BLX指令可用于：

l    复制下一条指令的地址到R14。

l    引起处理器转移到label或Rm存储的地址。

l    如果Rm的位[0]清零，或使用“BLX  label”形式，则指令集切换到ARM状态。

指令不能转移到当前指令±4Mb范围以外的地址。必要时，ARM链接器插入代码以允许更长的转移。

指令示例：

BLX 　R6

BLX　 armsub

4. 中断和断点指令
（1）软件中断SWI指令

指令格式：

SWI immed_8

其中，immed_8为数字表达式，其取值为0～255范围内的整数。

SWI指令引起SWI异常。这意味着处理器状态切换到ARM态；处理器模式切换到管理模式，CPSR保存到管理模式的SPSR中，执行转移到SWI向量地址。处理器忽略immed_8，但immed_8出现在指令操作码的位[7：0]中，而异常处理程序用它来确定正在请求何种服务，这条指令不影响条件码标志。

指令示例：

SWI 12

（2）断点BKPT指令

指令格式：

BKPT immed_8

其中，immed_8为数字表达式，取值为0～255范围内的整数。

BKPT指令引起处理器进入调试模式。调试工具利用这一点来调查到达特定地址的指令时的系统状态。尽管immed_8出现在指令操作码的位[7:0]中，处理器忽略immed_8。调试器用它来保存有关断点的附加信息。

指令示例：

BKPT 67

NNNei256 · 发表于 2020-10-13 17:44

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