ARM指令集与Thumb指令集--区别关联--汇编指令 BX LR ; 跳转回LR地址处,既可以是ARM模式也可以是Thumb模式

BX        LR    ; 跳转回LR地址处,既可以是ARM模式也可以是Thumb模式

A

一、现在先区分下ARM指令集与Thumb指令集
       Thumb 指令可以看作是 ARM 指令压缩形式的子集,是针对代码密度的问题而提出的,它具有 16 位的代码密度但是它不如ARM指令的效率高 .Thumb 不是一个完整的体系结构,不能指望处理只执行Thumb 指令而不支持 ARM 指令集.因此,Thumb 指令只需要支持通用功能,必要时可以借助于完善的 ARM 指令集,比如,所有异常自动进入 ARM 状态.在编写 Thumb 指令时,先要使用伪指令 CODE16 声明,而且在 ARM 指令中要使用 BX指令跳转到 Thumb 指令,以切换处理器状态.编写 ARM 指令时,则可使用伪指令 CODE32声明.

流水线处理：
不同于微编码的处理器，ARM (保持它的 RISC 性)是完全硬布线的。

为了加速 ARM 2 和 3 的执行使用 3 阶段流水线。第一阶段持有从内存中取回的指令。第二阶段开始解码，而第三阶段实际执行它。故此，程序计数器总是超出当前执行的指令两个指令。(在为分支指令计算偏移量时必须计算在内)。

因为有这个流水线，在分支时丢失 2 个指令周期(因为要重新添满流水线)。所以最好利用条件执行指令来避免浪费周期。例如:

...
CMP R0,#0
BEQ over
MOV R1,#1
MOV R2,#2
over
...

可以写为更有效的:
...
CMP R0,#0
MOVNE R1,#1
MOVNE R2,#2

二、Thumb 指令集与 ARM 指令集的区别
Thumb 指令集没有协处理器指令,信号量指令以及访问 CPSR 或 SPSR 的指令,没有乘加指令及 64 位乘法指令等,且指令的第二操作数受到限制;除了跳转指令 B 有条件执行功能外,其它指令均为无条件执行;大多数 Thumb 数据处理指令采用 2 地址格式.Thumb指令集与 ARM 指令的区别一般有如下几点:
      跳转指令
程序相对转移,特别是条件跳转与 ARM 代码下的跳转相比,在范围上有更多的限制,转向子程序是无条件的转移.
      数据处理指令
数据处理指令是对通用寄存器进行操作,在大多数情况下,操作的结果须放入其中一个操作数寄存器中,而不是第 3 个寄存器中.数据处理操作比 ARM 状态的更少,访问寄存器 R8~R15 受到一定限制.除 MOV 和 ADD 指令访问器 R8~R15 外,其它数据处理指令总是更新 CPSR 中的 ALU 状态标志.访问寄存器 R8~R15 的 Thumb 数据处理指令不能更新 CPSR 中的 ALU 状态标志.
      单寄存器加载和存储指令
在 Thumb 状态下,单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器 R0~R7
      批量寄存器加载和存储指令
LDM 和 STM 指令可以将任何范围为 R0~R7 的寄存器子集加载或存储. PUSH 和 POP 指令使用堆栈指令 R13 作为基址实现满递减堆栈.除 R0~R7 外,PUSH 指令还可以存储链接寄存器 R14,并且 POP 指令可以加载程序指令PC

ARM指令分为以下几种：

一、ARM 存储器访问指令
助记符                       说明                                        操作                                                  条件码位置
LDR    Rd,addressing      加载字数据                            Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}
LDRB   Rd,addressing    加载无符字节数据                  Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}B
LDRT   Rd，addressing    以用户模式加载字数据        Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}T
LDRBT Rd，addressing    以用户模式加载无符号字数据 Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}BT
LDRH   Rd，addressing    加载无符半字数据              Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}H
LDRSB Rd，addressing    加载有符字节数据        Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}SB
LDRSH Rd，addressing    加载有符半字数据     Rd←[addressing],addressing 索引 LDR{cond}SH
STR    Rd，addressing    存储字数据                        [addressing]←Rd,addressing 索引 STR{cond}
STRB   Rd，addressing    存储字节数据       [addressing]←Rd,addressing 索引 STR{cond}B
STRT   Rd，addressing    以用户模式存储字数据    [addressing]←Rd,addressing 索引 STR{cond}T
SRTBT Rd，addressing    以用户模式存储字节数据   [addressing]←Rd,addressing 索引 STR{cond}BT
STRH   Rd，addressing    存储半字数据          [addressing]←Rd,addressing 索引 STR{cond}H
LDM{mode} Rn{!},reglist   批量(寄存器)加载       reglist←［Rn…],Rn 回存等          LDM{cond}{more}
STM{mode} Rn{!},rtglist   批量(寄存器)存储           [Rn…]← reglist,Rn 回存等         STM{cond}{more}
SWP     Rd,Rm,Rn          寄存器和存储器字数据交换 Rd←[Rd],[Rn]←[Rm](Rn≠Rd 或 Rm) SWP{cond}
SWPB    Rd,Rm,Rn        寄存器和存储器字节数据交换 Rd←[Rd],[Rn]←[Rm](Rn≠Rd 或 Rm) SWP{cond}B

二、ARM 数据处理指令
助记符号                                   说明                                   操作               条件码位置
MOV Rd ,operand2   数据转送                           Rd←operand2               MOV {cond}{S}
MVN Rd ,operand2   数据非转送                        Rd←(operand2)             MVN {cond}{S}
ADD Rd,Rn operand2 加法运算指令                  Rd←Rn+operand2            ADD {cond}{S}
SUB Rd,Rn operand2 减法运算指令                  Rd←Rn-operand2            SUB {cond}{S}
RSB Rd,Rn operand2 逆向减法指令                  Rd←operand2-Rn            RSB {cond}{S}
ADC Rd,Rn operand2 带进位加法                     Rd←Rn+operand2+carry      ADC {cond}{S}
SBC Rd,Rn operand2 带进位减法指令            Rd←Rn-operand2-(NOT)Carry SBC {cond}{S}
RSC Rd,Rn operand2 带进位逆向减法指令       Rd←operand2-Rn-(NOT)Carry RSC {cond}{S}
AND Rd,Rn operand2 逻辑与操作指令              Rd←Rn&operand2            AND {cond}{S}
ORR Rd,Rn operand2 逻辑或操作指令             Rd←Rn|operand2            ORR {cond}{S}
EOR Rd,Rn operand2 逻辑异或操作指令          Rd←Rn＾operand2            EOR {cond}{S}
BIC Rd,Rn operand2 位清除指令                      Rd←Rn&(～operand2)         BIC {cond}{S}
CMP Rn,operand2    比较指令                       标志 N、Z、C、V←Rn-operand2 CMP {cond}
CMN Rn,operand2    负数比较指令               标志 N、Z、C、V←Rn＋operand2 CMN {cond}
TST Rn,operand2    位测试指令                    标志 N、Z、C、V←Rn＆operand2 TST {cond}
TEQ Rn,operand2    相等测试指令                标志 N、Z、C、V←Rn＾operand2 TEQ {cond}

三、乘法指令
      具有 32×32 乘法指令,32×32 乘加指令,32×32 结果为 64 位的乘/乘法指令.
助记符                                               说明                        操作              条件码位置
MUL   Rd,Rm,Rs        32 位乘法指令    Rd←Rm*Rs           (Rd≠Rm)    MUL{cond}{S}
MLA   Rd,Rm,Rs,Rn     32 位乘加指令    Rd←Rm*Rs+Rn        (Rd≠Rm)    MLA{cond}{S}
UMULL RdLo,RdHi,Rm,Rs 64 位无符号乘法指令 (RdLo,RdHi)←Rm*Rs             UMULL{cond}{S}
UMLAL RdLo,RdHi,Rm,Rs 64 位无符号乘加指令 (RdLo,RdHi)←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) UMLAL{cond}{S}
SMULL RdLo,RdHi,Rm,Rs 64 位有符号乘法指令 (RdLo,RdHi)←Rm*Rs             SMULL{cond}{S}
SMLAL RdLo,RdHi,Rm,Rs 64 位有符号乘加指令 (RdLo,RdHi)←Rm*Rs+(RdLo,RdHi) SMLAL{cond}{S}

四、跳转指令
在 ARM 中有两种方式可以实现程序的跳转,一种是使用跳转指令直接跳转,另一种则是直接向 PC 寄存器赋值实现跳转.
          
助记符           说明                            操作                    条件码位置
B label 跳转指令                             Pc←label                 B{cond}
BL label 带链接的跳转指令             LR←PC-4, PC←label BL{cond}
BX Rm    带状态切换的跳转指令    PC←label,切换处理状态 BX{cond}

五、ARM协处理器指令
ARM 支持协处理器操作,协处理器的控制要通过协处理器命令实现.
助记符                                                            说明                           操作             条件码位置
CDP
coproc,opcodel,CRd,CRn,CRm{,opcode2}     协处理器数据操作指令       取决于协处理器   CDP{cond}
LDC{L} coproc,CRd〈地址〉                  协处理器数据读取指令      取决于协处理器   LDC{cond}{L}
STC{L} coproc,CRd,〈地址〉                 协处理器数据写入指令      取决于协处理器   STC{cond}{L}
                                                                    ARM 寄存器到协处理器
MCR coproc, opcodel,Rd,CRn,{,opcode2}   寄存器的数据传送指令       取决于协处理器 MCR{cond}
                                                                     协处理器寄存器到 ARM
MRC coproc, opcodel,Rd,CRn,{,opcode2}   寄存器到数据传送指令        取决于协处理器MCR{cond}

五、ARM 杂项指令
助记符                                                说明                            操作                               条件码位置
SWI immed_24                软中断指令               产生软中断，处理器进入管理模式       SWI{cond}
MRS Rd,psr                  读状态寄存器指令 Rd←psr,psr 为 CPSR 或 SPSR                  MRS{cond}
MSR psr_fields,Rd/#immed_8r 写状态寄存器指令 psr_fields←Rd/#immed_8r,psr 为 CPSR 或 SPSR MSR{cond}

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B

由于Thumb指令在某些特殊情况下可能比ARM指令更有效，所以它在很多方面得到了广泛的应用。但是Thumb知识ARM指令集的一个子集，它不能独立组成一个应用系统，所以在很多情况下应用程序需要二者的混合编程，这就必然存在ARM与Thumb状态之间函数调用的问题。下面将分别详细介绍。      状态切换的实现ARM/Thumb之间的状态切换是通过一条专用的转移交换指令BX来实现的。BX指令以通用寄存器位操作数，通过拷贝Rn到PC来实现4GB空间范围内的一个绝对跳转。BX利用Rn寄存器中目的地址值的最后一位来判断跳转后的状态。当最后一位为0时，表示转移到ARM状态；当最后一位为1时，表示转移到Thumb状态。如图所示无论是ARM还是Thumb，其指令在存储器中都是边界对齐的。（2字节或者4字节对齐，最低位不起作用！）因此，在执行跳转过程中，PC寄存器中的最低位被舍弃，不起作用。在BX指令的执行过程中，最低位正好被用作状态判断的标志，不会造成存储器访问不对齐的错误。下面是一段直接进入状态切换的例程：                                                                     ；从ARM状态开始  CODE32                                                         ；表明一下是ARM指令         ADR       R0，Into_Thumb+1                    ；得到目标地址，末位置1，表示转移到Thumb         BX         R0                                             ；转向Thumb                …  CODE16                                                         ；表明以下是Thumb指令Into_Thumb         …         ADR       R5,Back_to_ARM                       ；得到目标地址，末位缺省为0 ，转移到ARM         BX         R5                                             ；转向ARM         …  CODE32         Back_to_ARM                                          ；ARM代码段起始地址举例:从ARM态进入thumb态① 将在Makefile中将.c文件编译指定为thumb态参考：https://www.cnblogs.com/QuLory/archive/2012/10/23/2735226.html%.o:%.c    arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $^ -fno-builtin    %.o:%.S    arm-linux-gcc -c -o $@ $^.S文件直接在文件中修改来实现态的转化② 修改.S文件从arm转化到thumb态.text.global _start.code 32_start:    /* 怎样从arm_state -> thumb_state */    adr r0,thumb_func    add r0,r0,#1    bx r0    .code 16thumb_func:        bl sdram_init    //bl sdram_init2 //用到有初始值的数组，不是位置无关码        bl copy2sdram        bl clean_bss     //bl main //使用BL命令相对跳转，程序仍然在Nor/sram执行    ldr r0,=main //绝对跳转，跳到SDRAM    mov pc,r0halt:    b halt-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------问题：①：start.S: Assembler messages:start.S:60: Error: lo register required -- `ldr pc,=main'Makefile:11: recipe for target 'start.o' failedthumb不像arm态那样，不能直接将标号赋值给pc，需要通过寄存器转化：ldr r0,=mainmov pc,r0②：init.o(.text+0x58): In function `sdram_init2':: undefined reference to `memcpy'thumb中自动给我们将数组中的值通过memcpy复制到了数组,我们可以通过static来解决这个问题：参考Getting GCC to compile without inserting call to memcpy：https://stackoverflow.com/questions/6410595/getting-gcc-to-compile-without-inserting-call-to-memcpyunsigned int arr[]  = {0x02000000,     //BWSCON0x00000700,     //BANKCON00x00000700,     //BANKCON10x00000700,     //BANKCON20x00000700,     //BANKCON3  0x00000700,     //BANKCON40x00000700,     //BANKCON50x00018001,     //BANKCON60x00018005,     //BANKCON70x008404f5,     //REFRESH 0x000000b1,     //BANKSIZE0x00000020,     //MRSRB60x00000020,     //MRSRB7};//把那些值全部放在数组里面 ->>>>>>const static unsigned int arr[]  = {0x02000000,     //BWSCON0x00000700,     //BANKCON00x00000700,     //BANKCON10x00000700,     //BANKCON20x00000700,     //BANKCON3  0x00000700,     //BANKCON40x00000700,     //BANKCON50x00018001,     //BANKCON60x00018005,     //BANKCON70x008404f5,     //REFRESH 0x000000b1,     //BANKSIZE0x00000020,     //MRSRB60x00000020,     //MRSRB7};//把那些值全部放在数组里面③：warning: conflicting types for built-in function解决：在编译的时候加上-fno-builtin不使用内建函数arm-linux-gcc -mthumb -c -o $@ $^ -fno-builtin
 

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C

1 thumb指令集概述
为兼容数据总线宽度为16位的应用系统，ARM体系结构除了支持执行效率很高的32位ARM指令集以外，同时支持16位的Thumb指令集。
Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，是针对代码密度问题而提出的，它具有16位的代码宽度。与等价的32位代码相比较，Thumb指令集在保留32位代码优势的同时，大大的节省了系统的存储空间。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。
当处理器在执行ARM程序段时，称ARM处理器处于ARM工作状态，当处理器在执行Thumb程序段时，称ARM处理器处于Thumb工作状态（CPSR的T=0：arm，T=1：thumb）。Thumb指令集并没有改变ARM体系底层的编程模型，只是在该模型上增加了一些限制条件，只要遵循一定的调用规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用。
与ARM指令集相比较，Thumb指令集中的数据处理指令的操作数仍然是32位，指令地址也为32位，但Thumb指令集为实现16位的指令长度，舍弃了ARM指令集的一些特性，相比之下从指令集上看thumb和arm主要有以下不同：
l 跳转指令。条件跳转在范围上有更多的限制，转向子程序只具有无条件转移。
l 数据处理指令。对通用寄存器进行操作，操作结果需放入其中一个操作数寄存器，而不是第三个寄存器。
l 单寄存器加载和存储指令。Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0～R7。
l 批量寄存器加载和存储指令。LDM和STM指令可以将任何范围为R0～R7的寄存器子集加载或存储，PUSH和POP指令使用堆栈指针R13作为基址实现满递减堆栈，除R0～R7外，PUSH指令还可以存储链接寄存器R14，并且POP指令可以加载程序指令PC。
Thumb指令集没有包含进行异常处理时需要的一些指令，因此，在异常中断时还是需要使用ARM指令。这种限制决定了Thumb指令不能单独使用需要与ARM指令配合使用。
 2 thumb寄存器和arm寄存器的关系
 
1）、Thumb 状态寄存器集是ARM 状态寄存器集的子集
    程序员可直接访问8 个通用寄存器R0～R7、PC、堆栈指针SP、链接寄存器LR和CPSR。每个特权模式都有分组的SP、LR和SPSR。
2）、Thumb状态寄存器与ARM 状态寄存器的关系
         Thumb状态寄存器与ARM状态寄存器有如下关系：
l Thumb状态R0～R7与ARM状态R0～R7相同。
l Thumb状态CPSR和SPSR与ARM状态CPSR和SPSR 相同。
l Thumb状态SP映射到ARM状态R13。
l Thumb状态LR映射到ARM状态R14。
l Thumb状态PC映射到ARM状态PC（R15）。
3）、在Thumb状态中访问高寄存器
    在Thumb状态中高寄存器（寄存器R0～R7为低寄存器，寄存器R8～R15为高寄存器）不是标准寄存器集的一部分，汇编语言程序员对它们的访问受到限制，但可以将它们用于快速暂存。
    可以使用MOV指令的特殊变量将一个值从低寄存器R0～R7转移到高寄存器R8～R15，或者从高寄存器到低寄存器。CMP指令可用于比较高寄存器和低寄存器的值。ADD 指令可用于将高寄存器的值与低寄存器的值相加。

在编写Thumb指令时，先要使用伪指令CODE16声明，编写ARM指令时，则可使用CODE32伪指令声明。   
1、Thumb指令集没有协处理器指令、信号量指令、以及访问CPSR或SPSR的指令，没有乘加指令及64位乘法指令等，且指令的第二操作数受到限制；
2、大多数的Thumb数据处理指令采用2地址格式； 
3、除了跳转指令B有条件执行功能之外，其他指令均为无条件执行，而且分支指令的跳转范围有更多限制； 
4、数据处理指令是对通用寄存器进行操作，在大多数情况下，操作的结果放入其中一个操作数寄存器中，而不是放入第3个寄存器中；访问寄存器R8~R15受到一定的限制，除MOV、ADD指令访问R8~R15外，其他数据处理指令总是更新CPSR中ALU状态标志，访问寄存器R8~R15的Thumb数据处理指令不能更新CPSR中的ALU状态指示。 
5、Thumb状态下，单寄存器加载和存储指令只能访问寄存器R0~R7； 
6、LDM、STM指令可以将任何范围为R0~R7的寄存器子集加载或存储； 
7、PUSH、POP指令使用栈寄存器R13作为基址堆栈操作。 
    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）。
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。
16位Thumb指令集是从32位ARM指令集提取指令格式的，每条Thumb指令有相同处理器模型所对应的32位ARM指令。
只要遵循ATPCS调用规则，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相调用