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ARM指令集与Thumb指令集

1、Thumb指令集来源

ARM的RISC体系结构的发展中已经提供了低功耗、⼩体积、⾼性能的⽅案。⽽为了解决代码长度的问题，ARM体系结构⼜开发了⼀种新

的指令体系，就是Thumb指令集，称之为T变种。

Thumb是ARM体系结构的扩展（thumb不是⼀个完整的体系结构，不能指望处理器只执⾏thumb指令集⽽不⽀持arm指令集）。它从标准

32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，重新编成16位的操作码。这能带来很⾼的代码密度，例如：在1K的存储空间中，可以放32条

ARM指令，就可以放64条Thumb指令，因此Thunb指令代码密度⾼。

2、Thumb指令集和ARM指令的时间复杂度和空间复杂度对⽐

在ARM处理器中，内核同时⽀持32位的ARM指令和16位的Thumb令。

当⽤户使⽤C程序来处理应⽤时，如果编译为Thumb指令，Thumb代码使⽤的指令数要⽐ARM代码多约30%~40%，但最终⽣成的⽬

标代码所需的存储空间约为ARM代码的60%~70%（因为每条指令所占空间是arm指令的⼀半）。

使⽤32位存储器，ARM代码⽐Thumb代码快约40%；使⽤16位存储器，Thumb代码⽐ARM指令快约40%~50%。具体解释如下：

在存储器是32位的情况下，ARM性能较好，这时因为同样的代码编译的结果Thumb指令将会⽐ARM多，Thumb指令仍旧花费指令

周期来从32-bit块内存预取。在16-bit内存上，即使有⽐ARM多的代码，这时Thumb性能也较好，因为Thumb每⼀条指令预取需要

⼀个周期⽽每条ARM指令需要两个周期。

另外在16-bit内存上，Thumb的性能降低了；这是因为数据去操作和特殊的堆栈操作，即使在Thumb下，堆栈操作仍是32-bit操

作，导致低的性能在16-bit内存架构上。⼀个改进的⽅法是提供32-bit的内存来放置堆栈。在这种情况下的性能提⾼到了32-bit内存

架构的⽔平。主要的差别是因为使⽤的整型的(32-bit)全局数据将仍被存储在16-bit内存上。

与ARM代码相⽐较，使⽤Thumb代码，存储器的功耗会降低约30%。

3、Thumb指令集和ARM指令的混合编程

若两者结合使⽤，充分发挥其各⾃的优点，会取得更好的效果。Thumb以其较⾼的代码密度和在窄存储器上的性能，使得它在很多系统中

得到⼴泛应⽤。但在很多情况下，还是不得不使⽤ARM指令，这是因为：

①ARM处理器的⼀些特定功能必须由ARM指令实现，其中包括PSR指令（不能直接访问CPSR和SPSR，必须先切换到ARM状态下，再

使⽤MSR和MRS来实现）、协处理器指令；

②异常发⽣时，处理器⾃动进⼊ARM状态，即在异常中断处理程序⼊⼝的⼀些指令是ARM指令（ARM程序头ARMasmblerheader），

然后根据需要程序可以切换到Thumb状态，在异常中断处理程序返回前，程序再切换到ARM状态。如果异常处理程序需要使⽤Thumb指

令也必须通⽤⼀个。

③ARM处理器总是从ARM状态开始执⾏，如果要在调试器中运⾏Thumb程序，必须为该Thumb程序添加⼀个ARM程序头，然后再切换到

Thumb状态，调⽤该Thumb程序。

基于以上原因，即使程序需要由Thumb代码实现，也必须通过ARM-Thumb互交（ARM-Thumbinterworking）进⼊Thumb状态。

ARM-Thumb互交是指对汇编语⾔和C/C++语⾔的ARM和Thumb代码进⾏连接的⽅法，它进⾏两种状态（ARM和Thumb状态）间的切

换。在进⾏这种切换时，有时需使⽤额外的代码，这些代码被称为Veneer。AAPCS定义了ARM和Thumb过程调⽤的标准。

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