Thumb指令集概述

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ARM开发工具完全支持Thumb指令，应用程序可灵活的将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，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。编写ARM指令时，则可使用伪指令CODE32声明。与ARM指令集相比，Thumb指令集有如下特点：

采用16位二进制编码，而ARM指令是32位的。

由于是压缩的指令，在ARM指令流水线中实现Thumb指令时，先动态解压缩，然后作为标准的ARM指令来执行。

如何区分指令流取决于CPSR的第5位。若T置位，则认为是16位的Thumb指令，若T置0，则认为是32位的ARM指令。

由ARM模式进入Thumb模式时，是显式的的进入。所谓的“隐式的进入”就是说不执行交换转移指令，直接进入另一种模式。例如在异常状态下，由于Thumb指令不能处理异常，所以处理器自动转到ARM模式下执行。而“显式的进入”就是指使用交换转移指令来实现处理器模式的转换。

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或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，其他指令均为无条件执行。

大多数Thumb数据处理指令采用2地址格式。

1.
Thumb指令集编码

Thumb指令集编码如图

2.
Thumb状态切换

支持Thumb指令的ARM微处理器都可执行标准的32位ARM指令集。在任何时刻，CPSR的第5位决定了ARM微处理器执行的是ARM指令流还是Thumb指令流。若T置1，则认为是16位的Thumb指令流；若T置0，则认为是32位的ARM指令流。

（1）
进入Thumb模式

当系统复位后，ARM启动并执行ARM指令。进入Thumb指令模式有2种方法。一种是执行一条交换转移指令BX，将指令中的目标地址寄存器的最低位置置1，并将其他位的值放入程序计数器PC，则可进入Thumb指令。在此过程中由于指令引起了转移，这将刷新流水线，对已在流水线上的指令予以抛弃，不去执行它。例如：

BX         R0                 ;若R0内容最低位为1，则转入Thumb状态

另一种方法是利用异常返回，也可把微处理器从ARM模式转换为Thumb模式。在这个过程中，ARM提供了2种机制；当返回地址保存在当前异常模式的R14时，采用传送指令；当返回地址保存在堆栈时，使用多寄存器加载/存储指令。值得注意的是，这两条指令用于返回到进入异常前所执行的指令流，而不是特地用于转换到Thumb模式。显然，这两条指令也改变程序计数器，并因此而刷新指令流水线。例如：

MOV             PC,R14                               ；用于子程序的返回

STMFD          SP!{<resisters>，LR}          ；进入异常后将R14入栈，假设异常前执行的是

；Thumb指令，且PC保存与R14中

LDMFD         SP!{<resisters>，PC}          ；与以上指令相匹配的返回指令

（2）
退出Thumb模式

退出Thumb指令模式也有2种方法：一种是执行Thumb指令中交换指令BX指令可以显式地返回ARM指令流；另一种是利用异常进入ARM指令流，因为异常总是在ARM模式下进行，所以，任何时候发生异常都能隐式的返回到ARM指令流。

3.
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。其编程模型如图所示

Thumb指令集对低8位通用寄存器R0~R7具有全部访问权限，对寄存器R13~R15进行扩展作为特殊应用。

—R13用作堆栈指针SP；

—R14用作链接寄存器LR;

—R15用作程序计数器PC。

CPSR的条件标志位由算数和逻辑操作设置并控制转移。

图中有阴影的寄存器访问受到限制。除MOV或ADD指令访问寄存器R8~R15外，数据处理指令总是更新CPSR中的ALU状态标志。除CMP指令外，访问寄存器R8~R15的Thumb数据处理指令不能更新标志。

作为堆栈指针的R13在ARM代码中是纯粹的软约定，而在Thumb代码是某种硬件连接。

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