Thumb技术介绍

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Thumb技术介绍

CISC复杂指令系统的核已到达了其性能极限，它需要大量的晶体管，体积大，功耗高，又比较难以集成，导致整个系统要付出高昂的代价。RISC精简指令系统的核虽然为这些问题提供了很有潜力的解决方案，但由于RISC代码密度低的问题，在RISC处理器的发展初期，RISC处理器的性能还是要逊色于CISC处理器，成本、价格上也不占优势。

在ARM技术发展的历程中，尤其是ARM7体系结构被广泛接受和使用时，嵌入式控制器的市场仍然大都由8位、16位的处理器占领。然而，这些产品却不能满足告高端应用如移动电话、磁盘驱动器、调制解调器等设备对处理器性能的要求。这些高端消费类产品需要32位的RISC处理器的性能和更优于16位的CISC处理器的代码密度。这就要求以更低的成本取得更好的性能，以及更优于16位的CISC处理器的代码密度。

为了满足嵌入式技术不断发展的要求，ARM的RISC体系结构的发展中已提供了低功耗、小体积、高性能的方案、而为了解决代码长度的问题，ARM体系结构又增加了T变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集。Thumb技术是ARM技术的一大特色。

Thumb的技术概述

Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，可重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度，因为Thumb指令的宽度只有ARM指令宽度的一半。在运行时，这些16位的Thumb指令又由处理器解压成32位的ARM指令。

ARM7TDMI是第一个支持Thumb的核，支持Thumb的核仅仅是ARM体系结构的一种拓展，所以编译器既可编译Thumb代码，又可编译ARM代码。更优越性能的未来的ARM核，也能够支持Thumb。

支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可方便地切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。Thumb可满足它们的要求，它在当时要求的16位和未来需要的32位系统之间搭起了一座桥梁。具有更优越的性能，而不需要付出额外的代价，这一点对那些目前正在使用8位或16位处理器，却一直寻找着更优越的性能的用户来说，正好提供了解决方案。

Thumb的技术实现

在早期的ARM7TDMI的3级流水线的体系结构中，为了支持Thumb指令集，ARM指令体系需要增加Thumb解压缩器。ARM7TDMI是第一个应用此技术的核。ARM7和ARM7T核完成单周期的执行都是需要3个阶段：取指令、译码、执行。指令经过各个阶段是由时钟相位的高低来控制的。ARM7TDMI正是利用了这个特点，考虑流水线各级间的平衡，利用译码器的一个未用的时钟相位，将Thumb指令解压还原为32位相应的ARM指令来完成对Thumb指令的解压缩。这些16位的Thumb指令可由处理器在译码级解压成32位的ARM指令，在ARM核里运行。这样，无须再附加时间费用和单独的解码周期，就可维持指令的执行。

Thumb的技术特点

支持Thumb即可执行这些标准的ARM指令，又可执行Thumb指令。Thumb不仅仅是另一个混合指令集的概念，因为支持Thumb的核有2套独立的指令集，它使设计者得到ARM32位指令的性能，又能享有Thumb指令集产生的代码方面的优势，可在性能和代码大小之间取得平衡。在需要较低的存储代码时，采用Thumb指令系统，但有比纯粹的16位系统有较高的实现性能，因为实际执行的32位指令，用Thumb指令编写最小代码量的程序，却取得以ARM代码执行的最好性能。

与ARM指令集相比，Thumb指令集具有以下局限：

完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合，ARM指令集更为合适；

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指令需要与ARM指令配合使用。‘

一般统计发现，同样的程序运行在16位Thumb状态下运行比在ARM下代码的60%-70%，也就是说，同样的程序在Thumb状态下运行比在ARM状态下运行少了30%-40%的代码。与使用32位ARM代码比较，使用16位Thumb代码，系统存储器功耗约降低30%。

独立的2套指令集也使得解码逻辑及其简单，从而维持了较小的硅片面积，保证了领先的“低功耗、高性能、小体积”的技术要求，满足了对嵌入式系统的设计需求。

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