Thumb指令集之： Thumb指令應(yīng)用

對3級流水線的ARM處理器來說，做相對較小的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)Thumb指令集（5級流水線的實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜些）。為實(shí)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(yù)取的Thumb指令轉(zhuǎn)換成等價(jià)的ARM指令。圖11.66顯示了Thumb指令的擴(kuò)展邏輯組織。

從圖11.66可以看出，Thumb指令增加了解碼擴(kuò)展邏輯（Decompressor）與指令譯碼器串連，但這并不會(huì)增加指令的譯碼時(shí)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(kuò)展邏輯安排在這里而不會(huì)影響周期時(shí)間或增加流水線延時(shí)。

Thumb指令解碼擴(kuò)展邏輯將16位的Thumb指令靜態(tài)地轉(zhuǎn)換為等價(jià)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(kuò)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(yīng)的ARM指令“ADDRd，Rd，＃8”的映射如圖11.67所示。

圖11.66Thumb指令的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)Thumb指令到ARM指令映射時(shí)遵循以下規(guī)則：

①ARM指令的條件域（cond，bits[31：28]）默認(rèn)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(gè)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(yīng)該修改CPSR中的條件標(biāo)志位，在ARM指令中要明確指定。

③通過重復(fù)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(kuò)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(kuò)展邏輯構(gòu)成復(fù)雜、速度低并且功耗大，那么Thumb指令就沒有什么價(jià)值了。

Thumb指令把32位的ARM指令集的一個(gè)子集進(jìn)行編碼，成為一個(gè)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)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(biāo)碼。

下面的例子分別使用ARM指令和Thumb指令實(shí)現(xiàn)了同樣的除法運(yùn)算。雖然Thumb指令的實(shí)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(shí)現(xiàn)了同樣的除法運(yùn)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(jié)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(shí)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(dāng)程序在選擇使用ARM指令或Thumb指令時(shí)，要注意參考以下Thumb指令的特點(diǎn)。

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(yīng)使用32位存儲器并運(yùn)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(gè)工程中，將兩者結(jié)合使用，會(huì)在兩方面取得最好的結(jié)果：在高端的32位ARM系統(tǒng)可以使用Thumb代碼實(shí)現(xiàn)特定的非關(guān)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(yùn)行ARM代碼的關(guān)鍵程序，所有非關(guān)鍵程序使用片外Thumb代碼。