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。

 

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

程序员可直接访问个通用寄存器R0R7PC、堆栈指针SP、链接寄存器LRCPSR

每个特权模式都有分组的SPLRSPSR

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R0R7ARM状态R0R7相同。

l       Thumb状态CPSRSPSRARM状态CPSRSPSR 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PCR15)。

3. Thumb状态中访问高寄存器

Thumb状态中高寄存器(寄存器R0R7为低寄存器,寄存器R8R15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R0R7转移到高寄存器R8R15,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CPSRSPSR的指令。

1. 存储器访问指令

1LDRSTR——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LDRSTR

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R0R7范围内。

l       Rn:基址寄存器。Rn 必须在R0R7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(031*N范围内,N421

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       RnRn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}]

2LDRSTR——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R0R7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]

3LDRSTR——PCSP相对偏移

加载寄存器和存储寄存器。用PCSP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01020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。

PCSP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]

4PUSHPOP

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 {reglistLR}

POP {reglistPC}

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 {reglistPC}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}

5LDMIASTMIA

加载和存储多个寄存器。

指令格式:

op Rn!{reglist}

其中,opLDMIASTMIA

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!,{R0R7}

STMIA R0!,{R6R7}

STMIA R3!,{R3,R5,R7}

2. 数据处理指令

1ADDSUB——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       opADDSUB

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 RdRnRm”执行Rn+RmRn-Rm操作,结果放在Rd中。

op RdRn#expr3”执行Rn+expr3Rn-expr3操作,结果放在Rd中。

op Rd#expr8”执行Rd+expr8Rdexpr8操作,结果放在Rd中。

expr3expr8为负值的ADD指令汇编成相对应的带正数常量的SUB指令。expr3expr8为负值的SUB指令汇编成相对应的带正数常量的ADD指令。

RdRnRm必须是低寄存器(R0R7)。

这些指令更新标志NZCV

指令示例:

ADD R3,Rl,R5

SUB R0,R4,#5

ADD R7,#201

2ADD——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RdRm中的值相加,结果放在Rd中。

RdRm都是低寄存器时,指令“ADD RdRm”汇编成指令“ADD RdRdRm”。若RdRm是低寄存器,则更新条件码标志NZV;其他情况下这些标志不受影响。

指令示例:

ADD R12,R4

3ADDSUB——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

4ADD——PCSP相对偏移

SPPC值加一立即数常量,结果放入低寄存器。

指令格式:

ADD RdRp#expr

其中:

l       Rd:目的寄存器。Rd必须在R0R7范围内。

l       RpSP PC

l       expr:表达式,取值(汇编时)为在01020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

RpPC,则使用值是(当前指令地址+4AND &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

5ADCSBCMUL

带进位的加法、带进位的减法和乘法。

指令格式:

op RdRm

其中:

l       opADCSBCMUL

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,RdRm必须是低寄存器。

ADC 将带进位标志的RdRm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RdRm值的乘法,结果放入Rd 中。

RdRm必须是低寄存器(R0R7)。

ADCSBC更新标志NZCVMUL更新标志NZ

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

指令示例:

ADC R2,R4

SBC R0,R1

MUL R7,R6

6)按位逻辑操作ANDORREORBIC

指令格式:

op Rd,Rm

其中:

l       opANDORREORBIC

l       Rd:目的寄存器,它也包含第一操作数,Rd必须在R0R7范围内。

l       Rm:第二操作数寄存器,Rm 必须在R0R7范围内。

这些指令用于对RdRm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NZ,      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ASRLSLLSRROR

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R0R7范围内。

l       Rs:包含移位量的寄存器,Rs必须在R0R7范围内。

l       Rm:立即数移位的源寄存器,Rm必须在R0R7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opLSL,则为031;其他情况则为132

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NZ,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

LSR R5,R5,av 

8)比较指令CMP 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0255 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exprRm的值,CMN指令将RmRn的值相加,这些指令根据结果更新标志NZCV,但不往寄存器中存放结果。

对于“CMP Rn#expr”和CMN指令,RnRm必须在R0R7范围内。

对于“CMP RnRm”指令,RnRm可以是R0R15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(MOVMVNNEG

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0255范围内的整数。

l       Rm:源寄存器。

MOV指令将#exprRm的值放入RdMVN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RdNEG指令取Rm的值再乘以-1,结果放入Rd

对于“MOV Rd#expr”、MVNNEG指令,RdRm必须在R0R7范围内。

对于“MOV RdRm”指令,RdRm可以是寄存器R0R15中的任意一个。

MOV Rd#expr”和MVN 指令更新标志NZ,对标志CV无影响。NEG指令更新标志NZV。“MOV RdRm”指令中,若RdRm是高寄存器(R8R18),则标志不受影响;若Rd Rm 都是低寄存器(R0R7),则更新标志NZ,且清除标志CV

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。

TSTRmRn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NZ,标志CV不受影响。RnRm必须在R0R7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labelRm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0255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[70]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0255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