Thumb指令集.docx

1、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

2、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

3、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6070。 Thumb代码使用的指令数比ARM代码多约3040。 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4050。 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

4、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R0R7。 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R0R7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R0R7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

5、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R0R7、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R0R7与ARM

6、状态R0R7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

7、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_54opH Rd, Rn，#immed_52opB Rd, Rn，#immed_51其中： op：为LDR或STR。 H：指明无符号半字

8、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R0R7范围内。 Rn：基址寄存器。Rn 必须在R0R7范围内。 immed_5N：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，N4、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：LDR R3,R5,#0STRB R0,R

9、3,#31STRH R7,R3,#16LDRB 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： 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R0R7范围内。带符号和无符号存储指

10、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,R5LDRSH R0,R0,R6STRB Rl,R7,R0（3）LDR和STRPC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

11、令格式：LDR Rd,PC,#immed_84LDR Rd,labelLDR Rd,SP,#immed_84STR Rd, SP,#immed_84其中： immed_84：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。 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：LDR R2,PC,#1016LDR R5,localdataLDR R0,S

12、P,#920STR 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 reglistPOP reglistPUSH reglist，LRPOP 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

13、进堆栈。这些指令不影响条件码标志。指令示例：PUSH R0,R3,R5PUSH R1,R4-R7PUSH R0,LRPOP R2,R5POP 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： 对于LDMIA指令，Rn的最终值是加载的值

14、，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：LDMIA R3!,R0,R4LDMIA R5!,R0R7STMIA R0!,R6，R7STMIA R3!,R3,R5,R72. 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

15、存器中。指令格式：op Rd,Rn,Rmop Rd,Rn,#expr3op Rd,#expr8其中： op为ADD或SUB。 Rd：目的寄存器。它也用做“op Rd，#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）。“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+exp

16、r8或Rdexpr8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（R0R7）。这些指令更新标志N、Z、C和V。指令示例：ADD R3,Rl,R5SUB R0,R4,#5ADD 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： 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

17、，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SUBSPSP加上或减去立即数常量。指令格式：ADD SP，#exprSUB 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

18、码标志。指令示例：ADD SP,#32SUB SP,#96（4）ADDPC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： Rd：目的寄存器。Rd必须在R0R7范围内。 Rp：SP 或PC。 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。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,#64ADD R2,PC,#980（5）ADC、SBC和MUL带进位的加法、带进位的减法和

19、乘法。指令格式：op Rd，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（R0R7）。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：A

20、DC R2,R4 SBC R0,R1MUL R7,R6（6）按位逻辑操作AND、ORR、EOR和BIC指令格式：op Rd,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R0R7范围内。 Rm：第二操作数寄存器，Rm 必须在R0R7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“Rd AND NOT Rm”操作。这些指令根据结果更新标志N和Z。程序示例：AND R1,R2ORRR0,R1EORR5,

21、R6BICR7,R6（7）移位和循环移位操作ASR、LSL、LSR和RORThumb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,Rsop Rd,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R0R7范围内。 Rs：包含移位量的寄存

22、器，Rs必须在R0R7范围内。 Rm：立即数移位的源寄存器，Rm必须在R0R7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031；其他情况则为132。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：ASR R3,R5LSR 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）

23、比较指令CMP 和CMN指令格式：CMP Rn,#exprCMP Rn,RmCMN Rn,Rm其中： Rn：第一操作数寄存器。 expr：表达式，其值（在汇编时）为在0255 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“CMP Rn，#expr”和CMN指令，Rn和Rm必须在R0R7范围内。对于“CMP Rn，Rm”指令，Rn和Rm可以是R0R15中的任何寄存器。指令示例：CMP R2,#255CMP R7,R12CMN Rl,R5（9）传送、传送非和

24、取负（MOV、MVN和NEG）指令格式：MOV Rd,#exprMOV Rd,RmMVN Rd,RmNEG Rd,Rm其中： Rd：目的寄存器。 expr：表达式，其取值为在0255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“MOV Rd，#expr”、MVN和NEG指令，Rd和Rm必须在R0R7范围内。对于“MOV Rd，Rm”指令，Rd和Rm可以是寄存器R0R15中的任意一个。“MOV Rd，#expr”和MVN 指令更新标志N和Z，对标

25、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（R8R18），则标志不受影响；若Rd 和Rm 都是低寄存器（R0R7），则更新标志N和Z，且清除标志C和V。指令示例：MOV R3,#0MOV R0,R12MVN R7,R1NEG R2,R2（10）测试位TST指令格式：TST Rn,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R0R7范围内。指令示例：TST R2,R43. 分支指令（1）

26、分支B指令这是Thumb指令集中唯一的有条件指令。指令格式：Bcond 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 dloopBEG 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

27、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 RmBLX label其中，Rm 装有分支目的地址的ARM寄存器。

28、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： 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“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 R6BLX armsub4. 中断和断点指令（1）软件中断SWI指令指令格式：SWI immed_8其

29、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