Thumb指令

thumb指令集分為：分支指令、數據傳送指令、單寄存器加載和存儲指令以及多寄存器加載和存儲指令。thumb指令集沒有協處理器指令、信號量（semaphore）指令以及訪問cpsr或spsr的指令。

1.存儲器訪問指令

（1）dr和str--立即數偏移 　加載寄存器和存儲寄存器。存儲器的地址以一個寄存器的立即數偏移（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：為dr或str。

h：指明無符號半字傳送的參數。

b：指明無符號字節傳送的參數。

rd：加載和存儲寄存器。rd 必須在r0～r7範圍內。

rn：基址寄存器。rn 必須在r0～r7範圍內。 　immed_5×n：偏移量。它是一個表達式，其取值（在彙編時）是n的倍數，在（0～31）*n範圍內，n=4、2、1。

str：用於存儲一個字、半字或字節到存儲器中。

dr：用於從存儲器加載一個字、半字或字節。

rn：rn中的基址加上偏移形成操作數的地址。

立即數偏移的半字和字節加載是無符號的。數據加載到rd的最低有效字或字節，rd 的其餘位補0。

字傳送的地址必須可被4整除，半字傳送的地址必須可被2整除。

指令示例：

dr r3,5,#0] 　strb r0,3,#31] 　strh r7,3,#16] 　drb r2,4,#1abe-{pc}

（2）dr和str--寄存器偏移 　加載寄存器和存儲寄存器。用一個寄存器的基於寄存器偏移指明存儲器地址。 　指令格式：

op rd,n,rm]

其中，op 是下列情況之一：

dr：加載寄存器，4字節字。

str：存儲寄存器，4字節字。

drh：加載寄存器，2字節無符號半字。

drsh：加載寄存器，2字節帶符號半字。

strh：存儲寄存器，2字節半字。

drb：加載寄存器，無符號字節。

drsb：加載寄存器，帶符號字節。

strb：存儲寄存器，字節。

rm：內含偏移量的寄存器，rm必須在r0～r7範圍內。

帶符號和無符號存儲指令沒有區別。

str指令將rd中的一個字、半字或字節存儲到存儲器。

dr指令從存儲器中將一個字、半字或字節加載到rd。

rn中的基址加上偏移量形成存儲器的地址。

寄存器偏移的半字和字節加載可以是帶符號或無符號的。數據加載到rd的最低有效字或字節。對於無符號加載，rd的其餘位補0；或對於帶符號加載，rd的其餘位複製符號位。字傳送地址必須可被4整除，半字傳送地址必須可被2整除。

指令示例：

dr r2,,r5] 　drsh r0,0,r6] 　strb r,7,r0]

（3）dr和str--pc或sp相對偏移 　加載寄存器和存儲寄存器。用pc或sp中值的立即數偏移指明存儲器中的地址。沒有pc相對偏移的str指令。

指令格式：

dr rd,c,#immed_8×4]

dr rd,be

dr rd,sp,#immed_8×4]

str rd, p,#immed_8×4]

其中：

immed_8×4：偏移量。它是一個表達式，取值（在彙編時）為4的整數倍，範圍在0～1020之間。

abe：程序相對偏移表達式。abe必須在當前指令之後且1kb範圍內。

str：將一個字存儲到存儲器。

dr：從存儲器中加載一個字。

pc或sp的基址加上偏移量形成存儲器地址。pc的位]被忽略，這確保了地址是字對準的。字或半字傳送的地址必須是4的整數倍。

指令示例：

dr r2,c,#1016] dr r5,ocadata 　dr r0,p,#920] 　str r,p,#20]

（4）push和pop 　低寄存器和可選的r進棧以及低寄存器和可選的pc出棧。

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。 　括號是指令格式的一部分，它們不代表指令列表可選。列表中至少有1個寄存器。thumb堆棧是滿遞減堆棧，堆棧向下增長，且sp指向堆棧的最後入口。寄存器以數字順序存儲在堆棧中。最低數字的寄存器存儲在最低地址處。

pop {regist，pc}這條指令引起處理器轉移到從堆棧彈出給pc的地址，這通常是從子程序返回，其中r在子程序開頭壓進堆棧。這些指令不影響條件碼標誌。

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 　加載和存儲多個寄存器。

指令格式：

op rn!，{regist}

其中：

op為dmia或stmia。

regist為低寄存器或低寄存器範圍的、用逗號隔開的列表。括號是指令格式的一部分，它們不代表指令列表可選，列表中至少應有1個寄存器。寄存器以數字順序加載或存儲，最低數字的寄存器在rn的初始地址中。

rn的值以regist中寄存器個數的4 倍增加。若rn在寄存器列表中，則：

對於dmia指令，rn的最終值是加載的值，不是增加後的地址。

對於stmia指令，rn存儲的值有兩種情況：

若rn是寄存器列表中最低數字的寄存器，則rn存儲的值為rn的初值；其他情況則不可預知，當然，regist中最好不包括rn。

指令示例： 　dmia r3!,{r0,r4} 　dmia r5!,{r0～r7} 　stmia r0!,{r6，r7} 　stmia r3!,{r3,r5,r7}

2. 數據處理指令

（1）add和sub--低寄存器 　加法和減法。對於低寄存器操作，這2條指令各有如下3種形式：

兩個寄存器的內容相加或相減，結果放到第3個寄存器中。

寄存器中的值加上或減去一個小整數，結果放到另一個不同的寄存器中。

寄存器中的值加上或減去一個大整數，結果放回同一個寄存器中。

指令格式：

op rd,rn,rm

op rd,rn,#expr3

op rd,#expr8

其中：

op為add或sub。

rd：目的寄存器。它也用做“op rd，#expr8”的第1個操作數。

rn：第一操作數寄存器。

rm：第二操作數寄存器。

expr3：表達式，為取值在-7～+7範圍內的整數（3位立即數）。

expr8：表達式，為取值在-255～+255範圍內的整數（8位立即數）。

“op rd，rn，rm”執行rn+rm或rn-rm操作，結果放在rd中。

“op rd，rn，#expr3”執行rn+expr3或rn-expr3操作，結果放在rd中。

“op rd，#expr8”執行rd+expr8或rd－expr8操作，結果放在rd中。

expr3或expr8為負值的add指令彙編成相對應的帶正數常量的sub指令。expr3或expr8為負值的sub指令彙編成相對應的帶正數常量的add指令。

rd、rn和rm必須是低寄存器（r0～r7）。

這些指令更新標誌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 　將寄存器中值相加，結果送回到第一操作數寄存器。

指令格式：

add rd,rm

其中：

rd：目的寄存器，也是第一操作數寄存器。

rm：第二操作數寄存器。

這條指令將rd和rm中的值相加，結果放在rd中。

當rd和rm都是低寄存器時，指令“add rd，rm”彙編成指令“add rd，rd，rm”。若rd和rm是低寄存器，則更新條件碼標誌n、z、c 和v；其他情況下這些標誌不受影響。

指令示例： 　add r12,r4

（3）add和sub--sp 　sp加上或減去立即數常量。

指令格式：

add sp，#expr

sub sp，#expr

其中：

expr為表達式，取值（在彙編時）為在-508～+508範圍內的4的整倍數。

該指令把expr的值加到sp 的值上或用sp的值減去expr的值，結果放到sp中。

expr為負值的add指令彙編成相對應的帶正數常量的sub指令。expr為負值的sub指令彙編成相對應的帶正數常量的add指令。

這條指令不影響條件碼標誌。

指令示例： 　add sp,#32 　sub sp,#96

（4）add--pc或sp相對偏移 　sp或pc值加一立即數常量，結果放入低寄存器。

指令格式： 　add rd，rp，#expr

其中：

rd：目的寄存器。rd必須在r0～r7範圍內。

rp：sp 或pc。 　expr：表達式，取值（彙編時）為在0～1020範圍內的4的整倍數。

這條指令把expr加到rp的值中，結果放入rd。

若rp是pc，則使用值是（當前指令地址+4）and &ffffffc，即忽略地址的低2位。

這條指令不影響條件碼標誌。

指令示例： 　add r6,sp,#64 　add r2,pc,#980

（5）adc、sbc和mu 　帶進位的加法、帶進位的減法和乘法。

指令格式：

op rd，rm

其中：

op為adc、sbc或mu。

rd：目的寄存器，也是第一操作數寄存器。

rm：第二操作數寄存器，rd、rm必須是低寄存器。

adc 將帶進位標誌的rd和rm的值相加，結果放在rd中，用這條指令可組合成多字加法。

sbc考慮進位標誌，從rd值中減去rm的值，結果放入rd中，用這條指令可組合成多字減法。

mu進行rd和rm值的乘法，結果放入rd 中。

rd和rm必須是低寄存器（r0～r7）。

adc和sbc更新標誌n、z、c和v。mu更新標誌n和z。

在armv4及以前版本中，mu會使標誌c和v不可靠。在armv5及以後版本中，mu不影響標誌c和v。

指令示例： 　adc r2,r4 　sbc r0,r1 　mu r7,r6

（6）按位邏輯操作and、orr、eor和bic

指令格式： 　op rd,rm

其中：

op為and、orr、eor或bic。

rd：目的寄存器，它也包含第一操作數，rd必須在r0～r7範圍內。

rm：第二操作數寄存器，rm 必須在r0～r7範圍內。

這些指令用於對rd和rm中的值進行按位邏輯操作，結果放在rd 中，操作如下：

and：進行邏輯“與”操作。

orr：進行邏輯“或”操作。

eor：進行邏輯“異或”操作。

bic：進行“rd and not rm”操作。

這些指令根據結果更新標誌n和z。

程序示例： 　and r1,r2 　orr　r0,r1 　eor　r5,r6 　bic　r7,r6

（7）移位和循環移位操作asr、s、sr和ror 　thumb指令集中，移位和循環移位操作作為獨立的指令使用，這些指令可使用寄存器中的值或立即數移位量。

指令格式：

op rd,rs

op rd,rm,#expr

其中：

op是下列其中之一：

asr：算術右移，將寄存器中的內容看做補碼形式的帶符號整數。將符號位複製到空出位。

s：邏輯左移，空出位填零。

sr：邏輯右移，空出位填零。

ror：循環右移，將寄存器右端移出的位循環移回到左端。ror僅能與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必須在r0～r7範圍內。

rs：包含移位量的寄存器，rs必須在r0～r7範圍內。

rm：立即數移位的源寄存器，rm必須在r0～r7範圍內。

expr：立即數移位量，它是一個取值（在彙編時）為整數的表達式。整數的範圍為：若op是s，則為0～31；其他情況則為1～32。

對於除ror以外的所有指令：

若移位量為32，則rd清零，最後移出的位保留在標誌c中。

若移位量大於32，則rd和標誌c均被清零。

這些指令根據結果更新標誌n和z，且不影響標誌v。對於標誌c，若移位量是零，則不受影響。其他情況下，它包含源寄存器的最後移出位。

指令示例： 　asr r3,r5 　sr r0,r2,#16　；將r2的內容邏輯右移16次後，結果放入r0中 　sr r5,r5,av

（8）比較指令cmp 和cmn

指令格式：

cmp rn,#expr

cmp rn,rm

cmn rn,rm

其中：

rn：第一操作數寄存器。

expr：表達式，其值（在彙編時）為在0～255 範圍內的整數。

rm：第二操作數寄存器。

cmp指令從rn的值中減去expr或rm的值，cmn指令將rm和rn的值相加，這些指令根據結果更新標誌n、z、c和v，但不往寄存器中存放結果。

對於“cmp rn，#expr”和cmn指令，rn和rm必須在r0～r7範圍內。

對於“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）傳送、傳送非和取負（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：表達式，其取值為在0～255範圍內的整數。

rm：源寄存器。

mov指令將#expr或rm的值放入rd。mvn指令從rm中取值，然後對該值進行按位邏輯“非”操作，結果放入rd。neg指令取rm的值再乘以-1，結果放入rd。

對於“mov rd，#expr”、mvn和neg指令，rd和rm必須在r0～r7範圍內。

對於“mov rd，rm”指令，rd和rm可以是寄存器r0～r15中的任意一個。

“mov rd，#expr”和mvn 指令更新標誌n和z，對標誌c或v無影響。neg指令更新標誌n、z、c 和v。“mov rd，rm”指令中，若rd或rm是高寄存器（r8～r18），則標誌不受影響；若rd 和rm 都是低寄存器（r0～r7），則更新標誌n和z，且清除標誌c和v。

指令示例： 　mov r3,#0 　mov r0,r12 　mvn r7,r1 　neg r2,r2

（10）測試位tst

指令格式：

tst rn,rm

其中：

rn：第一操作數寄存器。

rm：第二操作數寄存器。

tst對rm和rn中的值進行按位“與”操作。但不把結果放入寄存器。該指令根據結果更新標誌n和z，標誌c和v不受影響。rn和rm必須在r0～r7範圍內。

指令示例： 　tst r2,r4

3. 分支指令

（1）分支b指令 　這是thumb指令集中唯一的有條件指令。

指令格式：

b{cond} abe

其中：

abe是程序相對偏移表達式，通常是在同一代碼塊內的標號。若使用cond，則abe必須在當前指令的－256～+256字節範圍內。若指令是無條件的，則abe必須在±2kb範圍內。若cond滿足或不使用cond，則b指令引起處理器轉移到abe。

abe必須在指定限制內。arm鏈接器不能增加代碼來產生更長的轉移。

指令示例： 　b doop 　beg sectb

（2）帶鏈接的長分支b指令

指令格式：

b abe

其中，1abe為程序相對轉移表達式。b指令將下一條指令的地址複製到r14（鏈接寄存器），並引起處理器轉移到1abe。

b指令不能轉移到當前指令±4mb以外的地址。必要時，arm鏈接器插入代碼以允許更長的轉移。

指令示例： 　b extract

（3）分支，並可選地切換指令集bx

指令格式：

bx 　rm

其中：

rm裝有分支目的地址的arm寄存器。rm的位]不用於地址部分。若rm 的位]清零，則位]也必須清零，指令清除cpsr中的標誌t，目的地址的代碼被解釋為arm代碼，bx指令引起處理器轉移到rm存儲的地址。若rm的位]置位，則指令集切換到thumb狀態。

指令示例： 　bx 　r5

（4）帶鏈接分支，並可選地交換指令集bx 　指令格式： 　bx　 rm 　bx 　abe 　其中，rm 裝有分支目的地址的arm寄存器。rm的位]不用於地址部分。若rm 的位]清零，則位]必須也清零，指令清除cpsr中的標誌t，目的地址的代碼被解釋為arm代碼。abe為程序相對偏移表達式，“bx abe”始終引起處理器切換到arm狀態。 　bx指令可用於： 　複製下一條指令的地址到r14。 　引起處理器轉移到abe或rm存儲的地址。 　如果rm的位]清零，或使用“bx abe”形式，則指令集切換到arm狀態。 　指令不能轉移到當前指令±4mb範圍以外的地址。必要時，arm鏈接器插入代碼以允許更長的轉移。 　指令示例： 　bx 　r6 　bx　 armsub

4. 中斷和斷點指令

（1）軟件中斷swi指令

指令格式：

swi immed_8

其中，immed_8為數字表達式，其取值為0～255範圍內的整數。 　swi指令引起swi異常。這意味着處理器狀態切換到arm態；處理器模式切換到管理模式，cpsr保存到管理模式的spsr中，執行轉移到swi向量地址。處理器忽略immed_8，但immed_8出現在指令操作碼的位：0]中，而異常處理程序用它來確定正在請求何種服務，這條指令不影響條件碼標誌。

指令示例： 　swi 12

（2）斷點bkpt指令

指令格式：

bkpt immed_8

其中，immed_8為數字表達式，取值為0～255範圍內的整數。

bkpt指令引起處理器進入調試模式。調試工具利用這一點來調查到達特定地址的指令時的系統狀態。儘管immed_8出現在指令操作碼的位:0]中，處理器忽略immed_8。調試器用它來保存有關斷點的附加信息。

指令示例： 　bkpt 67

1、thumb指令繼承了arm指令集的許多特點 　thumb指令也是採用load/store結構，有數據處理、數據傳送及流控制指令等。

2、thumb指令集丟棄了arm指令集一些特性 　大多數thumb指令是無條件執行的（除了轉移指令b），而所有arm指令都是條件執行的。許多thumb數據處理指令採用2地址格式，即目的寄存器與一個源寄存器相同，而大多數arm數據處理指令採用的是3地址格式（除了64位乘法指令外）。

3、thumb異常時表現的一些特點 　所有異常都會使微處理器返回到arm模式狀態，並在arm的編程模式中處理。由於arm微處理器字傳送地址必須可被4整除（即字對準），半字傳送地址必須可被2整除（即半字對準）。而thumb指令是2個字節長，而不是4個字節，所以，由thumb執行狀態進入異常時其自然偏移與arm不同。

1、在任何時刻，cpsr的第5位（位t）決定了arm微處理器執行的是arm指令流還是thumb指令流。當t置1，則認為是16位的thumb指令流；當t置0，則認為是32位的arm指令流。

2、進入thumb模式

3、進入thumb指令模式有兩種方法：一種是執行一條交換轉移指令bx，另一種方法是利用異常返回，也可以把微處理器從arm模式轉換為thumb模式。

4、 退出thumb模式 　退出thumb指令模式也有兩種方法：一種是執行thumb指令中的交換轉移bx指令可以顯式的返回到arm指令流。另一種是利用異常進入arm指令流 。

thumb數據處理指令包括一組高度優化且相當複雜的指令，範圍涵蓋編譯器通常需要的大多數操作。arm指令支持在單條指令中完成一個操作數的移位及一個alu操作，但thumb指令集將移位操作和alu操作分離為不同的指令。本部分從以下幾個方面介紹： 　數據處理指令的二進制編碼 　數據處理指令的分類 　arm指令與thumb指令比較 　數據處理指令的二進制編碼如下所示：

按照數據處理指令的功能，可以將其分為以下幾類：

add與sub—低寄存器加法和減法

add—高或低寄存器

add與sub—sp

add—pc或sp相對偏移

adc，sbc和mul

arm指令與thumb指令低寄存器比較：

arm指令與thumb指令高寄存器比較：