Thumb指令集之： Thumb跳轉(zhuǎn)指令

Thumb指令集中的跳轉(zhuǎn)指令分以下6種類型。

①無(wú)條件跳轉(zhuǎn)，其跳轉(zhuǎn)空間為±2KB。

②條件跳轉(zhuǎn)，其跳轉(zhuǎn)空間為±256B。

③帶返回的跳轉(zhuǎn)指令，其跳轉(zhuǎn)空間為±4MB。

④帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令（是否進(jìn)行狀態(tài)切換可以在程序中設(shè)定選擇）。

⑤帶返回和狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令（是否進(jìn)行狀態(tài)切換可以在程序中設(shè)定選擇）。

⑥第二種形式的帶返回和狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令。

下面詳細(xì)介紹各指令的特點(diǎn)及用途。

Thumb中有兩個(gè)分支跳轉(zhuǎn)指令的變體，第一個(gè)變體與ARM版本指令相似，可條件執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)被限制在有符號(hào)8位立即數(shù)所表示的范圍內(nèi)，或者是±256B。第二個(gè)變體不可條件執(zhí)行（沒(méi)有條件碼部分），但擴(kuò)展了有效跳轉(zhuǎn)范圍，跳轉(zhuǎn)范圍為有符號(hào)11位立即數(shù)表示的范圍，即±2048B。

條件分支指令是Thumb指令中惟一可以條件執(zhí)行的指令。

首先來(lái)介紹可條件執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令B（1）。

（1）編碼格式

可條件執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令的編碼格式如圖11.1所示。

圖11.1B（1）指令編碼格式

（2）指令的語(yǔ)法格式

B<cond><target_address>

①<cond>

指定指令的執(zhí)行條件。條件助記符與ARM中相同。

②<target_address>

指定程序跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過(guò)下面的方法計(jì)算目標(biāo)地址。

·將指令中包含的8位有符號(hào)數(shù)左移一位。

·將結(jié)果符號(hào)擴(kuò)展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。

有條件的跳轉(zhuǎn)指令可以實(shí)現(xiàn)±256B范圍的程序跳轉(zhuǎn)。

（3）指令操作的偽代碼

ifConditionPass{cond}then

PC=PC+{SignExtend(Signed_immed_8)<<1}

（4）指令的使用

為了得到正確的signed_immed_8，匯編器需要執(zhí)行以下的操作步驟。

①首先形成跳轉(zhuǎn)的基地址。該跳轉(zhuǎn)的基地址是跳轉(zhuǎn)指令地址加4。也就是說(shuō)，跳轉(zhuǎn)指令的基地址即當(dāng)前程序指針寄存器的值。

②從跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址中減去基地址形成跳轉(zhuǎn)偏移量。該偏移量應(yīng)為偶數(shù)（因?yàn)門humb指令為半字對(duì)齊）。

③如果跳轉(zhuǎn)偏移量超出-256～+254B范圍，匯編器產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。

④將產(chǎn)生的跳轉(zhuǎn)偏移量除以2放入指令編碼中的signed_immed_8域。

注意

如果該指令的條件域?yàn)锳L，即指令編碼條件域?yàn)?b1110時(shí)，程序產(chǎn)生未定義指令異常。當(dāng)指令的條件域?yàn)镹V，即指令編碼條件域?yàn)?b1111時(shí)，指令等價(jià)于SWI指令。

（5）ARM指令集中的跳轉(zhuǎn)指令

該指令與ARM指令集中B<cond><target_address>基本相似，所不同的是ARM指令集中，偏移量左移兩位而Thumb指令集中偏移量左移一位。另外，處理器在ARM和Thumb狀態(tài)下所讀取的PC值也是不同的。

下面介紹無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令B（2）。

（1）編碼格式

無(wú)條件執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令的編碼格式如圖11.1所示。

圖11.2B（2）指令編碼格式

（2）指令的語(yǔ)法格式

B<target_address>

<target_address>

指定程序跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過(guò)下面的方法計(jì)算目標(biāo)地址。

·將指令中包含的11位有符號(hào)數(shù)左移一位。

·將結(jié)果符號(hào)擴(kuò)展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。

有條件的跳轉(zhuǎn)指令可以實(shí)現(xiàn)±2048B范圍的程序跳轉(zhuǎn)。

（3）指令操作的偽代碼

PC=PC+{SignExtend(Signed_immed_8)<<1}

（4）指令的使用

為了得到正確的signed_immed_11，匯編器需要執(zhí)行以下的操作步驟。

①首先形成跳轉(zhuǎn)的基地址。該跳轉(zhuǎn)的基地址是跳轉(zhuǎn)指令地址加4。也就是說(shuō)，跳轉(zhuǎn)指令的基地址即當(dāng)前程序指針寄存器的值。

②從跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址中減去基地址形成跳轉(zhuǎn)偏移量。該偏移量應(yīng)為偶數(shù)（因?yàn)門humb指令為半字對(duì)齊）。

③如果跳轉(zhuǎn)偏移量超出-2048～+2046B范圍，匯編器產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。

④將產(chǎn)生的跳轉(zhuǎn)偏移量除以2放入指令編碼中的signed_immed_11域。

（5）ARM指令集中的跳轉(zhuǎn)指令

該指令與ARM指令集中B<target_address>基本相似，所不同的是ARM指令集中偏移量左移兩位，而Thumb指令集中偏移量左移一位。另外，處理器在ARM和Thumb狀態(tài)下所讀取的PC值也是不同的。

（1）編碼格式

帶返回的無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令的編碼格式如圖11.3所示。

圖11.3BL指令編碼格式

帶返回的跳轉(zhuǎn)指令BL提供了一種在Thumb狀態(tài)下程序間相互調(diào)用的方法，當(dāng)從子程序返回時(shí)，通常使用下面的方式之一：

·MOVPC，LR

·BXLR

·POP{pc}

BL指令不可條件執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方法是將一條BL指令編譯成兩條16位的Thumb指令，從而實(shí)現(xiàn)上述跳轉(zhuǎn)。對(duì)編譯后的兩條指令說(shuō)明如下：

①H=10的BL指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的高位部分。

②H=11的BL指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的低位部分。

（2）指令的語(yǔ)法格式

BL<target_address>

<target_address>

指定程序跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過(guò)下面的方法計(jì)算目標(biāo)地址。

·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。

·將結(jié)果符號(hào)擴(kuò)展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中。

·與H=11的BL指令的offset_11域相加。

因此BL指令可以實(shí)現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)。

（3）指令操作的偽代碼

ifH==10then

LR=PC+(SignExtend(offset_11)<<12)

ElseifH==11then

PC=LR+(offset_11<<11)

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0xFFFFFFFC

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0Xfffffffc

LR=(addressofnextinstruction)|1

TFlag=0

（4）指令的使用

為了能夠正確產(chǎn)生兩條Thumb跳轉(zhuǎn)指令，匯編器按照如下步驟產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)偏移量。

①形成跳轉(zhuǎn)基地址。此基地址為H=10時(shí)的BL指令地址加上4，即執(zhí)行該條指令的PC值。

②從目標(biāo)地址中減去基地址，形成跳轉(zhuǎn)偏移量。

根據(jù)以上步驟所產(chǎn)生的結(jié)果是−222～+222−2之間的一個(gè)偶數(shù)，如果結(jié)果超出此范圍，匯編器將報(bào)錯(cuò)。

③如果產(chǎn)生的結(jié)果在給定范圍內(nèi)，匯編器將產(chǎn)生下面兩條BL指令：

·H=10，offset_11=offset[22：12]

·H=11，offset_11=offset[11：1]

注意

當(dāng)H=00時(shí)，該指令為無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令。

（5）ARM指令集中的BL指令

如果調(diào)用Thumb子程序，該指令類似于BLX<target_addr>；如果程序調(diào)用ARM子程序，該指令類似于BL<target_addr>。

（1）編碼格式

帶返回的無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令的編碼格式如圖11.4所示。

圖11.4BLX（1）指令編碼格式

帶返回鏈接的跳轉(zhuǎn)指令BLX（1）提供了一種在Thumb狀態(tài)下無(wú)條件調(diào)用ARM子程序的方法，當(dāng)從子程序返回時(shí)，通常使用下面的方式之一：

·BXLR;

·加載PC的LDR或LDM指令。

BLX指令不可條件執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方法是將一條BLX指令編譯成兩條16位的Thumb指令，從而實(shí)現(xiàn)上述跳轉(zhuǎn)。對(duì)編譯后的兩條指令說(shuō)明如下：

①H=10的跳轉(zhuǎn)指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的高位部分。

②H=01的跳轉(zhuǎn)指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的低位部分。

（2）指令的語(yǔ)法格式

BLX<target_address>

①<target_address>

指定程序跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過(guò)下面的方法計(jì)算目標(biāo)地址。

·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。

·將結(jié)果符號(hào)擴(kuò)展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中。

·與H=11的BL指令的offset_11域相加。

BL指令可以實(shí)現(xiàn)在±4MB的地址空間范圍內(nèi)跳轉(zhuǎn)。

（3）指令操作的偽代碼

ifH==10then

LR=PC+(SignExtend(offset_11)<<12)

ElseifH==11then

PC=LR+(offset_11<<11)

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0xFFFFFFFC

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0Xfffffffc

LR=(addressofnextinstruction)|1

TFlag=0

（4）指令的使用

為了能夠正確產(chǎn)生兩條Thumb的跳轉(zhuǎn)指令，匯編器按照如下步驟產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)偏移量。

①形成跳轉(zhuǎn)基地址。此地址為H=10時(shí)地址加上4，即執(zhí)行該條指令的PC值。

②使基址地址的bit[1]等于目標(biāo)地址的bit[1]（保證ARM狀態(tài)的字地址對(duì)齊）。

③從目標(biāo)地址中減去基地址，形成跳轉(zhuǎn)偏移量。

根據(jù)以上步驟所產(chǎn)生的結(jié)果是−222～+222−2之間的一個(gè)偶數(shù)，如果結(jié)果超出此范圍，匯編器將報(bào)錯(cuò)。

④如果產(chǎn)生的結(jié)果在給定范圍內(nèi)，匯編器將產(chǎn)生下面兩條BL指令：

·H==10，offset_11=offset[22∶12]

·H==01，offset_11=offset[11∶1]

（5）等效ARM指令

該指令類似于ARM指令集的BL<target_addr>。

（1）編碼格式

帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令BX的編碼格式如圖11.5所示。

圖11.5BX指令的編碼格式

BX指令用于ARM和Thumb程序之間的調(diào)用。

（2）指令的語(yǔ)法格式

BX<Rm>

其中<Rm>為目標(biāo)地址寄存器，包含程序的跳轉(zhuǎn)地址。BX指令的目標(biāo)地址寄存器可以是r0～r15中的任意寄存器。

注意

如果Rm[1：0]=0b10，不滿足ARM指令的內(nèi)存對(duì)齊方式。指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。如果該指令使用r15作為目標(biāo)寄存器，其操作方式和使用其他寄存器相同。

（3）指令操作的偽代碼

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31：1]<<1

（4）ARM指令集中的BX指令

ARM指令集中的BX指令和Thumb指令集中的BX指令相差較大，它們分別為不同方向的跳轉(zhuǎn)。當(dāng)r15作為目的寄存器使用時(shí)，要特別注意該指令在兩個(gè)指令集中的區(qū)別。

（1）編碼格式

帶返回鏈接的無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令BLX（2）的編碼格式如圖11.6所示。

圖11.6BLX（2）指令的編碼格式

該BLX（2）指令用于ARM和Thumb子程序間的相互調(diào)用。程序狀態(tài)字的T標(biāo)志位根據(jù)目的寄存器的bit[0]位而改變。

（2）指令的語(yǔ)法格式

BLX<Rm>

其中<Rm>為目標(biāo)地址寄存器，r0～r14寄存器均可以做為目標(biāo)地址寄存器。

注意

如果在此指令中使用r15作為目的寄存器，指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。

此指令只在ARMv5版本以上指令集中被支持。

（3）指令操作的偽代碼

LR=(addressoftheinstructionafterthisBLX)|1

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31:1]<<1

下面的例子程序綜合使用了各種跳轉(zhuǎn)指令，通過(guò)該例可以對(duì)Thumb狀態(tài)下程序的非連續(xù)執(zhí)行有更深入的了解。

Blabel ;無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到Label地址

BCClabel ;如果進(jìn)位標(biāo)志為0，則跳轉(zhuǎn)

BEQlabel ;如果零標(biāo)準(zhǔn)位置1，則跳轉(zhuǎn)

BLfunc ;子程序調(diào)用

Func

…

… ;子程序體

MOVPC，LR ;子程序返回

BXr12 ;跳轉(zhuǎn)到r12寄存器中保存的地址

在執(zhí)行此例中的BXr12時(shí)，如果r12的bit[0]=0，則處理器進(jìn)入ARM狀態(tài)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行Thumb代碼。