Thumb指令集.docx
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Thumb指令集
Thumb指令集
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：
●Thumb代码所需的存储空间约为ARM代码的60％～70％。
●Thumb代码使用的指令数比ARM代码多约30％～40％。
●若使用32位的存储器，ARM代码比Thumb代码快约40％。
●若使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快约40％～50％。
●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：
●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。
●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。
●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。
●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。
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所示。
图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：
●Thumb状态R0～R7与ARM状态R0～R7相同。
●Thumb状态CPSR和SPSR与ARM状态CPSR和SPSR相同。
●Thumb状态SP映射到ARM状态R13。
●Thumb状态LR映射到ARM状态R14。
●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。
3.4.3Thumb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（immediateoffset）指明。
指令格式：
opRd,[Rn，#immed_5×4]
opHRd,[Rn，#immed_5×2]
opBRd,[Rn，#immed_5×1]
其中：
●op：
为LDR或STR。
●H：
指明无符号半字传送的参数。
●B：
指明无符号字节传送的参数。
●Rd：
加载和存储寄存器。
Rd必须在R0～R7范围内。
●Rn：
基址寄存器。
Rn必须在R0～R7范围内。
●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。
●STR：
用于存储一个字、半字或字节到存储器中。
●LDR：
用于从存储器加载一个字、半字或字节。
●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：
LDRR3,[R5,#0]
STRBR0,[R3,#31]
STRHR7,[R3,#16]
LDRBR2,[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：
opRd,[Rn,Rm]
其中，op是下列情况之一：
●LDR：
加载寄存器，4字节字。
●STR：
存储寄存器，4字节字。
●LDRH：
加载寄存器，2字节无符号半字。
●LDRSH：
加载寄存器，2字节带符号半字。
●STRH：
存储寄存器，2字节半字。
●LDRB：
加载寄存器，无符号字节。
●LDRSB：
加载寄存器，带符号字节。
●STRB：
存储寄存器，字节。
●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：
LDRR2,[Rl,R5]
LDRSHR0,[R0,R6]
STRBRl,[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：
LDRRd,[PC,#immed_8×4]
LDRRd,[label
LDRRd,[[SP,#immed_8×4]
STRRd,[SP,#immed_8×4]
其中：
●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。
●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。
●STR：
将一个字存储到存储器。
●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：
LDRR2,[PC,#1016]
LDRR5,localdata
LDRR0,[SP,#920]
STRRl,[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：
●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：
opRn!
，{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：
●对于LDMIA指令，Rn的最终值是加载的值，不是增加后的地址。
●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：
LDMIAR3!
{R0,R4}
LDMIAR5!
{R0～R7}
STMIAR0!
{R6，R7}
STMIAR3!
{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：
●两个寄存器的内容相加或相减，结果放到第3个寄存器中。
●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。
●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：
opRd,Rn,Rm
opRd,Rn,#expr3
opRd,#expr8
其中：
●op为ADD或SUB。
●Rd：
目的寄存器。
它也用做“opRd，#expr8”的第1个操作数。
●Rn：
第一操作数寄存器。
●Rm：
第二操作数寄存器。
●expr3：
表达式，为取值在-7～+7范围内的整数（3位立即数）。
●expr8：
表达式，为取值在-255～+255范围内的整数（8位立即数）。
“opRd，Rn，Rm”执行Rn+Rm或Rn-Rm操作，结果放在Rd中。
“opRd，Rn，#expr3”执行Rn+expr3或Rn-expr3操作，结果放在Rd中。
“opRd，#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：
ADDR3,Rl,R5
SUBR0,R4,#5
ADDR7,#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：
ADDRd,Rm
其中：
●Rd：
目的寄存器，也是第一操作数寄存器。
●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“ADDRd，Rm”汇编成指令“ADDRd，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：
ADDR12,R4
（3）ADD和SUB——SP
SP加上或减去立即数常量。
指令格式：
ADDSP，#expr
SUBSP，#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：
ADDSP,#32
SUBSP,#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：
ADDRd，Rp，#expr
其中：
●Rd：
目的寄存器。
Rd必须在R0～R7范围内。
●Rp：
SP或PC。
●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：
ADDR6,SP,#64
ADDR2,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：
opRd，Rm
其中：
●op为ADC、SBC或MUL。
●Rd：
目的寄存器，也是第一操作数寄存器。
●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：
ADCR2,R4
SBCR0,R1
MULR7,R6
（6）按位逻辑操作AND、ORR、EOR和BIC
指令格式：
opRd,Rm
其中：
●op为AND、ORR、EOR或BIC。
●Rd：
目的寄存器，它也包含第一操作数，Rd必须在R0～R7范围内。
●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：
●AND：
进行逻辑“与”操作。
●ORR：
进行逻辑“或”操作。
●EOR：
进行逻辑“异或”操作。
●BIC：
进行“RdANDNOTRm”操作。
这些指令根据结果更新标志N和Z。
程序示例：
ANDR1,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：
opRd,Rs
opRd,Rm,#expr
其中：
●op是下列其中之一：
●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。
●LSL：
逻辑左移，空出位填零。
●LSR：
逻辑右移，空出位填零。
●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。
●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。
●Rs：
包含移位量的寄存器，Rs必须在R0～R7范围内。
●Rm：
立即数移位的源寄存器，Rm必须在R0～R7范围内。
●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：
●若移位量为32，则Rd清零，最后移出的位保留在标志C中。
●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：
ASRR3,R5
LSRR0,R2,#16 ；将R2的内容逻辑右移16次后，结果放入R0中
LSRR5,R5,av
（8）比较指令CMP和CMN
指令格式：
CMPRn,#expr
CMPRn,Rm
CMNRn,Rm
其中：
●Rn：
第一操作数寄存器。
●expr：
表达式，其值（在汇编时）为在0～255范围内的整数。
●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“CMPRn，#expr”和CMN指令，Rn和Rm必须在R0～R7范围内。
对于“CMPRn，Rm”指令，Rn和Rm可以是R0～R15中的任何寄存器。
指令示例：
CMPR2,#255
CMPR7,R12
CMNRl,R5
（9）传送、传送非和取负（MOV、MVN和NEG）
指令格式：
MOVRd,#expr
MOVRd,Rm
MVNRd,Rm
NEGRd,Rm
其中：
●Rd：
目的寄存器。
●expr：
表达式，其取值为在0～255范围内的整数。
●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“MOVRd，#expr”、MVN和NEG指令，Rd和Rm必须在R0～R7范围内。
对于“MOVRd，Rm”指令，Rd和Rm可以是寄存器R0～R15中的任意一个。
“MOVRd，#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。
“MOVRd，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：
MOVR3,#0
MOVR0,R12
MVNR7,R1
NEGR2,R2
（10）测试位TST
指令格式：
TSTRn,Rm
其中：
●Rn：
第一操作数寄存器。
●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：
TSTR2,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：
Bdloop
BEGsectB
（2）带链接的长分支BL指令
指令格式：
BLlabel
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：
BLextract
（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，“BLXlabel”始终引起处理器切换到ARM状态。
BLX指令可用于：
●复制下一条指令的地址到R14。
●引起处理器转移到label或Rm存储的地址。
●如果Rm的位[0]清零，或使用“BLXlabel”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：
SWIimmed_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：
SWI12
（2）断点BKPT指令
指令格式：
BKPTimmed_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：
BKPT67
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