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（immediate offset）指明。

　　指令格式：

　　op Rd, [Rn，#immed_5×4]

　　opH Rd, [Rn，#immed_5×2]

　　opB Rd, [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：

　　DR R3,[R5,#0]

　　STRB R0,[R3,#31]

　　STRH R7,[R3,#16]

　　DRB R2,[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：

　　op Rd,[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：

　　DR R2,[R,R5]

　　DRSH R0,[R0,R6]

　　STRB R,[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：

　　DR Rd,[PC,#immed_8×4]

　　DR Rd,[abe

　　DR Rd,[[SP,#immed_8×4]

　　STR Rd, [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：

　　DR R2,[PC,#1016]

　　DR R5,ocadata

　　DR R0,[SP,#920]

　　STR R,[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指向堆栈的入口。寄存器以数字顺序存储在堆栈中。数字的寄存器存储在地址处。

　　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：

　　op Rn!，{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，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中不包括Rn。

　　指令示例：

　　DMIA R3!,{R0,R4}

　　DMIA R5!,{R0～R7}

　　STMIA R0!,{R6，R7}

　　STMIA R3!,{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：

　　op Rd,Rn,Rm

　　op Rd,Rn,#expr3

　　op Rd,#expr8

　　其中：

　　op为ADD或SUB。

　　Rd：目的寄存器。它也用做“op Rd，#expr8”的第1个操作数。

　　Rn：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）。

　　“op Rd，Rn，Rm”执行Rn+Rm或Rn-Rm操作，结果放在Rd中。

　　“op Rd，Rn，#expr3”执行Rn+expr3或Rn-expr3操作，结果放在Rd中。

　　“op Rd，#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：

　　ADD R3,R,R5

　　SUB R0,R4,#5

　　ADD R7,#201

　　（2）ADD--高或低寄存器

　　将寄存器中值相加，结果送回到操作数寄存器。

　　指令格式：

　　ADD Rd,Rm

　　其中：

　　Rd：目的寄存器，也是操作数寄存器。

　　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“ADD Rd，Rm”汇编成指令“ADD Rd，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：

　　ADD R12,R4

　　（3）ADD和SUB--SP

　　SP加上或减去立即数常量。

　　指令格式：

　　ADD SP，#expr

　　SUB SP，#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：

　　ADD SP,#32

　　SUB SP,#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：

　　ADD Rd，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：

　　ADD R6,SP,#64

　　ADD R2,PC,#980

　　（5）ADC、SBC和MU

　　带进位的加法、带进位的减法和乘法。

　　指令格式：

　　op Rd，Rm

　　其中：

　　op为ADC、SBC或MU。

　　Rd：目的寄存器，也是操作数寄存器。

　　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：

　　ADC R2,R4

　　SBC R0,R1

　　MU R7,R6

　　（6）按位逻辑操作AND、ORR、EOR和BIC

　　指令格式：

　　op Rd,Rm

　　其中：

　　op为AND、ORR、EOR或BIC。

　　Rd：目的寄存器，它也包含操作数，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“Rd AND NOT Rm”操作。

　　这些指令根据结果更新标志N和Z。

　　程序示例：

　　AND R1,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：

　　op Rd,Rs

　　op Rd,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，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，它包含源寄存器的移出位。

　　指令示例：

　　ASR R3,R5

　　SR R0,R2,#16　；将R2的内容逻辑右移16次后，结果放入R0中

　　SR R5,R5,av

　　（8）比较指令CMP 和CMN

　　指令格式：

　　CMP Rn,#expr

　　CMP Rn,Rm

　　CMN Rn,Rm

　　其中：

　　Rn：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“CMP Rn，#expr”和CMN指令，Rn和Rm必须在R0～R7范围内。

　　对于“CMP Rn，Rm”指令，Rn和Rm可以是R0～R15中的任何寄存器。

　　指令示例：

　　CMP R2,#255

　　CMP R7,R12

　　CMN R,R5

　　（9）传送、传送非和取负（MOV、MVN和NEG）

　　指令格式：

　　MOV Rd,#expr

　　MOV Rd,Rm

　　MVN Rd,Rm

　　NEG Rd,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“MOV Rd，#expr”、MVN和NEG指令，Rd和Rm必须在R0～R7范围内。

　　对于“MOV Rd，Rm”指令，Rd和Rm可以是寄存器R0～R15中的任意一个。

　　“MOV Rd，#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。“MOV Rd，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：

　　MOV R3,#0

　　MOV R0,R12

　　MVN R7,R1

　　NEG R2,R2

　　（10）测试位TST

　　指令格式：

　　TST Rn,Rm

　　其中：

　　Rn：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：

　　TST R2,R4

　　3. 分支指令

　　（1）分支B指令

　　这是Thumb指令集中的有条件指令。

　　指令格式：

　　B{cond} 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：

　　B doop

　　BEG sectB

　　（2）带链接的长分支B指令

　　指令格式：

　　B abe

　　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：

　　B extract

　　（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，“BX  abe”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“BX  abe”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：

　　SWI immed_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：

　　SWI 12

　　（2）断点BKPT指令

　　指令格式：

　　BKPT immed_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：

　　BKPT 67

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：

　　按照数据处理指令的功能，可以将其分为以下几类：

　　ADD与SUB—低寄存器加法和减法

　　ADD—高或低寄存器

　　ADD与SUB—SP

　　ADD—PC或SP相对偏移

　　ADC，SBC和MUL

　　ARM指令与Thumb指令低寄存器比较：

　　ARM指令与Thumb指令高寄存器比较：