Thumb指令集之： Thumb指令应用

对3级流水线的ARM处理器来说，做相对较小的改动就可以实现Thumb指令集（5级流水线的实现要复杂些）。为实现Thumb指令集，在指令流水线中增加了Thumb指令解码逻辑，该解码逻辑将预取的Thumb指令转换成等价的ARM指令。图11.66显示了Thumb指令的扩展逻辑组织。

从图11.66可以看出，Thumb指令增加了解码扩展逻辑（Decompressor）与指令译码器串连，但这并不会增加指令的译码时间。在指令流水线译码周期的第一阶段只做了很少的工作，因此可以把扩展逻辑安排在这里而不会影响周期时间或增加流水线延时。

Thumb指令解码扩展逻辑将16位的Thumb指令静态地转换为等价的32位ARM指令。这主要包括主操作码和次操作码的查表转换，3位寄存器指示符（specifier）零扩展成4位寄存器指示符，以及所需要的其他域的映射。

例如，Thumb指令“ADDRd，＃imm8”与对应的ARM指令“ADDRd，Rd，＃8”的映射如图11.67所示。

图11.66Thumb指令的扩展逻辑组织

图11.67Thumb指令到ARM指令的映射

Thumb指令解码逻辑实现Thumb指令到ARM指令映射时遵循以下规则：

①ARM指令的条件域（cond，bits[31：28]）默认使用always。

注意

转移指令除外，转移指令是Thumb指令集中惟一一个条件执行的指令。

②在Thumb指令操作码中隐含地指定Thumb数据处理指令是否应该修改CPSR中的条件标志位，在ARM指令中要明确指定。

③通过重复寄存器指示符将Thumb指令的2地址指令格式转换为ARM的3地址指令格式。

Thumb指令解码扩展逻辑的简单性对Thumb指令集的效率是非常重要的。如果Thumb指令解码扩展逻辑构成复杂、速度低并且功耗大，那么Thumb指令就没有什么价值了。

Thumb指令把32位的ARM指令集的一个子集进行编码，成为一个16位的指令集。所以在16位的外部数据总线宽度下，在ARM处理器上使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令性能更好；而在32位外部数据总线宽度下，使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令的性能差。

16位的Thumb指令只用ARM指令一半的位数来实现同样的功能，所以Thumb指令比ARM指令语义内涵少，因而实现特定程序所需要的Thumb指令数比ARM指令多。一般情况下，Thumb代码所需要的空间为ARM代码的70％。

注意

代码密度是Thumb指令集的主要优势。由于Thumb指令集的设计是面向编译器的，而不是针对手写汇编的，所以推荐使用高级语言如C或C++语言来编程，然后用编译器生成Thumb指令的目标码。

下面的例子分别使用ARM指令和Thumb指令实现了同样的除法运算。虽然Thumb指令的实现使用了更多的指令，但是它所占的总的存储空间却比较少。

ARM代码：

MOVr0，＃10

MOVr1，＃4

MOVr3，＃0

LOOP

SUBSr0，r0，r1

ADDGEr3，r3，＃1

BGELOOP

ADDr2，r0，r1

Thumb代码：

MOVr0，＃10

MOVr1，＃4

MOVr3，＃0

LOOP

ADDr3，＃1

SUBr0，r1

BGELOOP

SUBr3，＃1

ADDr2，r0，r1

上面的ARM和Thumb代码分别实现了同样的除法运算。程序中分别使用r0和r1作为输入寄存器分别存放被除数和除数，而r2和r3用来存放指令的执行结果，分别为除法的余数和商。例子中ARM指令所占的存储空间为7×4=28字节，而Thumb指令所占存储空间为8×2=16字节。

从上例中不难看出，虽然实现特定程序所需要的Thumb指令数比ARM指令多，但Thumb指令所占用的内存空间要小于ARM指令。

当程序在选择使用ARM指令或Thumb指令时，要注意参考以下Thumb指令的特点。

①Thumb代码所需空间为ARM代码的70％。

②Thumb代码使用的指令数比ARM代码多40％。

③使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快40％。

④使用Thumb代码，外部存储器的功耗比ARM代码少30％。

因此，若性能更重要，则系统应使用32位存储器并运行ARM代码；如果成本及功耗更重要，则最好选择16位的Thumb代码。如果能在同一个工程中，将两者结合使用，会在两方面取得最好的结果：在高端的32位ARM系统可以使用Thumb代码实现特定的非关键程序，以节省功耗或降低对存储器的要求；低端的16位系统可以使用小规模的32位片上RAM运行ARM代码的关键程序，所有非关键程序使用片外Thumb代码。