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2019年12月17日 | ARM指令集 VS Thumb指令集
2019-12-17 来源：eefocus
1 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（CPSR的T=0：arm，T=1：thumb）。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，相比之下从指令集上看thumb和arm主要有以下不同：
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。
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。
2 thumb寄存器和arm寄存器的关系
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。
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在编写Thumb指令时，先要使用伪指令CODE16声明，编写ARM指令时，则可使用CODE32伪指令声明。
1、Thumb指令集没有协处理器指令、信号量指令、以及访问CPSR或SPSR的指令，没有乘加指令及64位乘法指令等，且指令的第二操作数受到限制；
2、大多数的Thumb数据处理指令采用2地址格式；
3、除了跳转指令B有条件执行功能之外，其他指令均为无条件执行，而且分支指令的跳转范围有更多限制；
4、数据处理指令是对通用寄存器进行操作，在大多数情况下，操作的结果放入其中一个操作数寄存器中，而不是放入第3个寄存器中；访问寄存器R8~R15受到一定的限制，除MOV、ADD指令访问R8~R15外，其他数据处理指令总是更新CPSR中ALU状态标志，访问寄存器R8~R15的Thumb数据处理指令不能更新CPSR中的ALU状态指示。
5、Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0~R7；
6、LDM、STM指令可以将任何范围为R0~R7的寄存器子集加载或存储；
7、PUSH、POP指令使用栈寄存器R13作为基址堆栈操作。
大多数ARM数据处理指令采用的是3地址格式（除了64位乘法指令外）。
所有异常都会使微处理器返回到ARM模式状态，并在ARM的编程模式中处理。由于ARM微处理器字传送地址必须可被4整除（即字对准），半字传送地址必须可被2整除（即半字对准）。而Thumb指令是2个字节长，而不是4个字节，所以，由Thumb执行状态进入异常时其自然偏移与ARM不同。
16位Thumb指令集是从32位ARM指令集提取指令格式的，每条Thumb指令有相同处理器模型所对应的32位ARM指令。
只要遵循ATPCS调用规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用。
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史海拾趣
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