Thumb 指令集

文章目录

• Thumb 指令集
• • Thumb指令集概述
  • Thumb指令集特点
  • Thumb状态切换
  • 编程模型
  • 数据处理指令
  • 算术运算指令
  • 转移指令
  • 异常中断指令

Thumb指令集概述

ARM开发工具完全支持Thumb指令，应用程序可以灵活的将ARM和Thumb子程序混合编程以便在例程的基础上提高性能或代码密度。在编写Thumb指令时，先要用伪指令CODE16声明（ADS的编译环境下），而且在ARM指令中要使用BX指令跳转到Thumb指令，以切换处理器状态。

Thumb指令集特点

	采用16位二进制编码，而ARM指令是32位的。
	Thumb是压缩指令，先动态解压缩，然后作为标准的ARM指令执行。
	由CPSR的T位决定指令流。T置位，执行Thumb指令流，T清0，执行ARM指令流
	由ARM模式进入Thumb模式时，是显式或隐式的进入；由Thumb进入ARM模式时，也是显式或隐式的进入。
	Thumb指令集没有协处理器指令、信号量指令、乘加指令、64位乘法指令以及访问CPSR和SPSR的指令，而且指令的第2操作数受到限制。
	除了分支指令B有条件执行功能外，其他指令均无条件执行。
	大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式。

Thumb指令集编码如下：

Thumb状态切换

在任何时刻，CPSR的第5位（位T）决定了ARM微处理器执行的是ARM指令流还是Thumb指令流。当T置1，则认为是16位的Thumb指令流；当T清0，则认为是32位的ARM指令流。
• 进入Thumb模式
进入Thumb指令模式有两种方法：一种是执行一条交换转移指令BX，另一种方法是利用异常返回，也可以把微处理器从ARM模式转换为Thumb模式。
• 退出Thumb模式
退出Thumb指令模式也有两种方法：一种是执行Thumb指令中的交换转移BX指令可以显式的返回到ARM指令流。另一种是利用异常进入ARM指令流 。

编程模型

Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，并只能对限定的ARM寄存器进行操作。

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。

Thumb数据处理指令包括一组高度优化且相当复杂的指令，范围涵盖编译器通常需要的大多数操作。ARM指令支持在单条指令中完成一个操作数的移位及一个ALU操作，但Thumb指令集将移位操作和ALU操作分离为不同的指令。本部分从以下几个方面介绍：
• 数据处理指令的二进制编码
• 数据处理指令的分类
• ARM指令与Thumb指令比较

数据处理指令

按照数据处理指令的功能，可以将其分为以下几类：

	•	  算术运算指令，它又分为以下几类：
         	•	  ADD与SUB—低寄存器加法和减法
			•	  ADD—高或低寄存器
			•	  ADD与SUB—SP 
			•	  ADD—PC或SP相对偏移 
			•	  ADC，SBC和MUL
	•	  移位和循环移位操作（ASR，LSL，LSR和ROR）
	•	  比较指令（CMP和CMN）
	•	  传送和取负指令（MOV，MVN和NEG）
	•	  测试指令（TST）

算术运算指令

ADD与SUB－－低寄存器加法和减法
句法：

op Rd,Rn,Rm
op Rd,Rn,#expr3
op Rd,#expr8

用法：
指令中Rd、Rn、Rm必须是低寄存器（R0~R7）。指令更新NZCV标志。

例子：

ADD R3,R1,R5	    	
ADD R9,R2,R6
SUB R0,R4,#5			
SUB R4,R5,#201

ADD－－高或低寄存器
句法：
ADD Rd,Rm
用法：

Rd←Rd+Rm
Rd和Rm是低寄存器时，更新标志NZCV

例子：

ADD R12,R4
ADD R10,R11
ADD R2,R4

ADD与SUB－－SP
句法：

ADD SP,#expr
SUB SP,#expr

用法：

SP←SP+expr
不影响条件标志码

例子：

ADD SP,#312

ADD－－PC或SP偏移量
句法：

ADD Rd,Rp,#expr
Rp：SP或PC

用法：

Rd←Rp+#expr
不影响条件标志码

例子：

ADD R6,SP,#64
ADD R2,PC,#980

ADC、SBC和MUL
（带进位位的加法、带进位位的减法、乘法）
句法：

op Rd,Rm

用法：

ADC：Rd←Rd+Rm+C
SBC： Rd ←Rd-Rm-（1-C）  借位
MUL：Rd ←Rd×Rm

限制：Rd和Rm必须是低寄存器（R0~R7）
ADC和SBC影响NZCV
MUL影响NZ

AND、ORR、EOR和BIC（按位逻辑操作）
句法：

op Rd,Rm

用法：

AND逻辑“与”操作
ORR逻辑“或”操作
EOR逻辑“异或”操作
BIC：Rd AND NOT Rm
必须是低寄存器，影响NZ标志

ASR、LSL、LSR和ROR（逻辑和循环位移）
句法：

op Rd,Rs
op Rd,Rm,#expr
Rd、Rs、Rm必须是R0~R7范围内的寄存器

例子：

ASR R3,R5
LSR R0,R2,#6
ROR R2,R7,#2
LSL R9,R1

CMP和CMN（比较和比较负值）
句法：

CMP Rn,#expr
CMP Rn,Rm
CMN Rn,Rm

用法：

只更新条件码标志，不存放结果
CMP：Rn-expr（或Rm）
CMN：Rm+Rn

其中：CMP Rn,Rm指令允许使用高寄存器
例子：

CMP R2,#255		CMP R9,#24
CMN R1,R5		CMN R0,R10

MOV、MVN和NEG（传送、传送非和取负）
句法：

MOV Rd,#expr
MOV Rd,Rm
MVN Rd,Rm
NEG Rd,Rm

用法：

MOV：Rd←#expr（或Rm）
MVN：Rd ←NOT Rm
NEG： Rd ←Rm×（－1）

TST（测试）
句法：

TST Rn,Rm

用法：

Rm AND Rn，丢弃结果，更新条件码标志NZ
Rn、Rm必须在R0～R7范围内

转移指令

转移指令的二进制编码如下：

转移指令分类如下：
• B－分支指令，Thumb指令集惟一可条件执行的指令。
• BL－带链接的长分支。
• BX－分支指令，并可选择地切换指令集。
• BLX－带链接分支，并可选地交换指令集。

B	<cond> <label>	    ；格式1	 目标为Thumb代码
B	<label>	            ；格式2	 目标为Thumb代码
BL	<label>	            ；格式3	 目标为Thumb代码
BLX	<label>	            ；格式3a	 目标为ARM代码
B{L}X  Rm		        ；格式4	 目标为ARM或Thumb代码

Thumb的数据存取指令又可以分为：
单寄存器数据存取指令（LDR和STR）
多寄存器数据存取指令 (LDM和STM)

汇编格式如下：

<op> Rd，[Rn，<#off5>]	；<op> = LDR|LDRB|STR|STRB
<op> Rd，[Rn，<#off5>]	；<op> = LDRH| STRH 
<op> Rd，[Rn，Rm]	;
<op> =LDR|LDRH|LDRSH|LDRB|LDRSB|STR|STRH|STRB
<op> Rd，[PC，<#off8>] 
<op> Rd，[SP，<#off8>]	；<op> = LDR| STR//该两条指令偏移量为8位

多寄存器数据存取指令

汇编格式如下：

LDMIA Rn!，{}
STMIA Rn!，{}
POP {{，PC}}
PUSH {{，LR}}

异常中断指令

Thumb软件中断指令

Thumb软件中断指令的二进制编码如下

Thumb软件中断指令的汇编格式如下：
SWI <8位立即数>；<8位立即数>为数字表达式，其取值为0~255范围内的整数。

Thumb断点指令

Thumb断点指令的二进制编码如下：

Thumb断点指令的汇编格式如下：
BKPT immed_8