Thumb指令分类 Thumb指令特点

今天小编要和大家分享的是Thumb指令分类 Thumb指令特点，接下来我将从Thumb指令分类，Thumb指令特点，Thumb状态切换，Thumb数据处理指令，这几个方面来介绍。

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。

Thumb指令分类

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）DR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DR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。

DR：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：

DRR3,[R5,#0]

STRBR0,[R3,#31]

STRHR7,[R3,#16]

DRBR2,[R4,#1abe-{pC}]

（2）DR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：

DR：加载寄存器，4字节字。

STR：存储寄存器，4字节字。

DRH：加载寄存器，2字节无符号半字。

DRSH：加载寄存器，2字节带符号半字。

STRH：存储寄存器，2字节半字。

DRB：加载寄存器，无符号字节。

DRSB：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。

DR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：

DRR2,[R,R5]

DRSHR0,[R0,R6]

STRBR,[R7,R0]

（3）DR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：

DRRd,[pC,#immed_8×4]

DRRd,[abe

DRRd,[[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。

abe：程序相对偏移表达式。abe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。

DR：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：

DRR2,[pC,#1016]

DRR5,ocadata

DRR0,[Sp,#920]

STRR,[Sp,#20]

（4）pUSH和pOp

低寄存器和可选的R进栈以及低寄存器和可选的pC出栈。

指令格式：

pUSH{regist}

pOp{regist}

pUSH{regist，R}

pOp{regist，pC}

其中：

regist：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{regist，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R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,R}

pOp{R2,R5}

pOp{R0-R7,pC}

（5）DMIA和STMIA

加载和存储多个寄存器。

指令格式：

opRn!，{regist}

其中，op为DMIA或STMIA。

regist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regist中寄存器个数的4倍增加。若Rn在寄存器列表中，则：

对于DMIA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，regist中最好不包括Rn。

指令示例：

DMIAR3!,{R0,R4}

DMIAR5!,{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,R,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）、SBC和MU

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MU。

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。

MU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。MU更新标志N和Z。

在ARMv4及以前版本中，MU会使标志C和V不可靠。在ARMv5及以后版本中，MU不影响标志C和V。

指令示例：

ADCR2,R4

SBCR0,R1

MUR7,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、S、SR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。

S：逻辑左移，空出位填零。

SR：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S，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

SRR0,R2,#16　；将R2的内容逻辑右移16次后，结果放入R0中

SRR5,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

CMNR,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{cd}abe

其中，abe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abe必须在当前指令的－256～+256字节范围内。若指令是无条件的，则abe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abe。

abe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：

Bdoop

BEGsectB

（2）带链接的长分支B指令

指令格式：

Babe

其中，1abe为程序相对转移表达式。B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1abe。

B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：

Bextract

（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BX

指令格式：

BX　Rm

BX　abe

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。abe为程序相对偏移表达式，“BXabe”始终引起处理器切换到ARM状态。

BX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abe或Rm存储的地址。

如果Rm的位[0]清零，或使用“BXabe”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：

BX　R6

BX　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

Thumb指令特点

1、Thumb指令继承了ARM指令集的许多特点

Thumb指令也是采用Load/Store结构，有数据处理、数据传送及流控制指令等。

2、Thumb指令集丢弃了ARM指令集一些特性

大多数Thumb指令是无条件执行的（除了转移指令B），而所有ARM指令都是条件执行的。许多Thumb数据处理指令采用2地址格式，即目的寄存器与一个源寄存器相同，而大多数ARM数据处理指令采用的是3地址格式（除了64位乘法指令外）。

3、Thumb异常时表现的一些特点

所有异常都会使微处理器返回到ARM模式状态，并在ARM的编程模式中处理。由于ARM微处理器字传送地址必须可被4整除（即字对准），半字传送地址必须可被2整除（即半字对准）。而Thumb指令是2个字节长，而不是4个字节，所以，由Thumb执行状态进入异常时其自然偏移与ARM不同。

Thumb状态切换

1、在任何时刻，CpSR的第5位（位T）决定了ARM微处理器执行的是ARM指令流还是Thumb指令流。当T置1，则认为是16位的Thumb指令流；当T置0，则认为是32位的ARM指令流。

2、进入Thumb模式

3、进入Thumb指令模式有两种方法：一种是执行一条交换转移指令BX，另一种方法是利用异常返回，也可以把微处理器从ARM模式转换为Thumb模式。

4、退出Thumb模式

退出Thumb指令模式也有两种方法：一种是执行Thumb指令中的交换转移BX指令可以显式的返回到ARM指令流。另一种是利用异常进入ARM指令流。

Thumb数据处理指令

Thumb数据处理指令包括一组高度优化且相当复杂的指令，范围涵盖编译器通常需要的大多数操作。ARM指令支持在单条指令中完成一个操作数的移位及一个ALU操作，但Thumb指令集将移位操作和ALU操作分离为不同的指令。本部分从以下几个方面介绍：

数据处理指令的二进制编码

数据处理指令的分类

ARM指令与Thumb指令比较

数据处理指令的二进制编码如下图：