Thumb指令集之： Thumb指令應用

對3級流水線的ARM處理器來說，做相對較小的改動就可以實現(xiàn)Thumb指令集（5級流水線的實現(xiàn)要復雜些）。為實現(xiàn)Thumb指令集，在指令流水線中增加了Thumb指令解碼邏輯，該解碼邏輯將預取的Thumb指令轉(zhuǎn)換成等價的ARM指令。圖11.66顯示了Thumb指令的擴展邏輯組織。

從圖11.66可以看出，Thumb指令增加了解碼擴展邏輯（Decompressor）與指令譯碼器串連，但這并不會增加指令的譯碼時間。在指令流水線譯碼周期的第一階段只做了很少的工作，因此可以把擴展邏輯安排在這里而不會影響周期時間或增加流水線延時。

Thumb指令解碼擴展邏輯將16位的Thumb指令靜態(tài)地轉(zhuǎn)換為等價的32位ARM指令。這主要包括主操作碼和次操作碼的查表轉(zhuǎn)換，3位寄存器指示符（specifier）零擴展成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”與對應的ARM指令“ADDRd，Rd，＃8”的映射如圖11.67所示。

圖11.66Thumb指令的擴展邏輯組織

圖11.67Thumb指令到ARM指令的映射

Thumb指令解碼邏輯實現(xiàn)Thumb指令到ARM指令映射時遵循以下規(guī)則：

①ARM指令的條件域（cond，bits[31：28]）默認使用always。

注意

轉(zhuǎn)移指令除外，轉(zhuǎn)移指令是Thumb指令集中惟一一個條件執(zhí)行的指令。

②在Thumb指令操作碼中隱含地指定Thumb數(shù)據(jù)處理指令是否應該修改CPSR中的條件標志位，在ARM指令中要明確指定。

③通過重復寄存器指示符將Thumb指令的2地址指令格式轉(zhuǎn)換為ARM的3地址指令格式。

Thumb指令解碼擴展邏輯的簡單性對Thumb指令集的效率是非常重要的。如果Thumb指令解碼擴展邏輯構成復雜、速度低并且功耗大，那么Thumb指令就沒有什么價值了。

Thumb指令把32位的ARM指令集的一個子集進行編碼，成為一個16位的指令集。所以在16位的外部數(shù)據(jù)總線寬度下，在ARM處理器上使用Thumb指令的性能要比使用ARM指令性能更好；而在32位外部數(shù)據(jù)總線寬度下，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指令一半的位數(shù)來實現(xiàn)同樣的功能，所以Thumb指令比ARM指令語義內(nèi)涵少，因而實現(xiàn)特定程序所需要的Thumb指令數(shù)比ARM指令多。一般情況下，Thumb代碼所需要的空間為ARM代碼的70％。

注意

代碼密度是Thumb指令集的主要優(yōu)勢。由于Thumb指令集的設計是面向編譯器的，而不是針對手寫匯編的，所以推薦使用高級語言如C或C++語言來編程，然后用編譯器生成Thumb指令的目標碼。

下面的例子分別使用ARM指令和Thumb指令實現(xiàn)了同樣的除法運算。雖然Thumb指令的實現(xiàn)使用了更多的指令，但是它所占的總的存儲空間卻比較少。

ARM代碼：

MOVr0，＃10

MOVr1，＃4

MOVr3，＃0

LOOP

SUBSr0，r0，r1

ADDGEr3，r3，＃1

BGELOOP

ADDr2，r0，r1

Thumb代碼：

MOVr0，＃10

MOVr1，＃4

MOVr3，＃0

LOOP

ADDr3，＃1

SUBr0，r1

BGELOOP

SUBr3，＃1

ADDr2，r0，r1

上面的ARM和Thumb代碼分別實現(xiàn)了同樣的除法運算。程序中分別使用r0和r1作為輸入寄存器分別存放被除數(shù)和除數(shù)，而r2和r3用來存放指令的執(zhí)行結果，分別為除法的余數(shù)和商。例子中ARM指令所占的存儲空間為7×4=28字節(jié)，而Thumb指令所占存儲空間為8×2=16字節(jié)。

從上例中不難看出，雖然實現(xiàn)特定程序所需要的Thumb指令數(shù)比ARM指令多，但Thumb指令所占用的內(nèi)存空間要小于ARM指令。

當程序在選擇使用ARM指令或Thumb指令時，要注意參考以下Thumb指令的特點。

①Thumb代碼所需空間為ARM代碼的70％。

②Thumb代碼使用的指令數(shù)比ARM代碼多40％。

③使用16位的存儲器，Thumb代碼比ARM代碼快40％。

④使用Thumb代碼，外部存儲器的功耗比ARM代碼少30％。

因此，若性能更重要，則系統(tǒng)應使用32位存儲器并運行ARM代碼；如果成本及功耗更重要，則最好選擇16位的Thumb代碼。如果能在同一個工程中，將兩者結合使用，會在兩方面取得最好的結果：在高端的32位ARM系統(tǒng)可以使用Thumb代碼實現(xiàn)特定的非關鍵程序，以節(jié)省功耗或降低對存儲器的要求；低端的16位系統(tǒng)可以使用小規(guī)模的32位片上RAM運行ARM代碼的關鍵程序，所有非關鍵程序使用片外Thumb代碼。