ARM Thumb指令集是什么？

Question

在《ARM11 技术参考手册》的第1-34节中，关于“Thumb指令集”写道：

“Thumb指令集是最常用的32位ARM指令的子集。Thumb指令长度为16位，并且有一个相应的32位ARM指令，在处理器模型上具有相同的效果。”

能否有人进一步解释这一点，特别是第二句话，并说明处理器如何执行它？

- Soroush

Answer 1

ARM处理器有两种指令集：传统的ARM指令集，其中所有指令都是32位长，以及更加紧凑的Thumb指令集，其中大多数常见指令是16位长（部分为32位长）。可以由开发人员选择要运行哪个指令集，并且只能激活一个集合（即一旦处理器切换到Thumb模式，所有指令都将被解码为使用Thumb而非ARM）。

虽然它们是不同的指令集，但它们具有类似的功能，并且可以使用相同的汇编语言表示。例如，指令

ADDS  R0, R1, R2

该指令可以编译为ARM（E0910002/11100000100100010000000000000010）或Thumb（1888/0001100010001000）。当然，即使它们具有不同的编码，它们执行相同的功能（将r1和r2相加并将结果存储到r0中）。这就是“Thumb指令长度为16位，并且有一个对应的32位ARM指令，其对处理器模型产生相同效果”的含义。

在Thumb编码中，每个指令也都有一个对应的ARM编码，这是“子集”句子所表示的含义。

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*：严格来说并不完全准确，ARM中没有“IT”指令，尽管ARM不需要“IT”指令（汇编程序会忽略它）。

- kennytm

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原始的Thumb指令集只包含16位指令。Thumb2引入了混合的16/32位指令。Thumb(1)只是ARM指令集的压缩版本。在取指令时，CPU会启用“解压器”，因此最终CPU仍会处理ARM指令。对于ARM来说，这很可能是一种快速而优雅的方法，可以减少代码大小和ICache利用率，而实际内核的变化很小。Thumb2增加了许多新功能，比如提到的“IT*”指令和一些32位指令。 - Nico Erfurth

据我所知，“16位ARM处理器”不存在。如果你的目标是armv7或更高版本，请使用Thumb。 - kennytm

@Rajesh：具有独立的16位和32位模式的机器通常以大约相同的每指令速度执行两种类型的指令，但许多任务所需的32位指令数量将小于16位操作的数量。因此，对速度至关重要的代码部分通常受益于使用32位模式，而不需要该功能的部分则可以使用16位模式更加紧凑。 - supercat

@Rajesh。不要谈论16位和32位模式。指令的长度与处理器寄存器的长度无关。80386可以在数据上处于16位模式，地址长度为32位模式或反之亦然，而指令是相同的。ARM不能处于16位数据模式！在英特尔出现之前，x位处理器只意味着具有x位宽数据路径的处理器。英特尔至少包含4个单独的指令来将寄存器A移动到寄存器B，它们的长度不相同。Groetjes Albert - Albert van der Horst

@pmor 这里的“压缩”并不是指zip压缩。而是通过去除一些灵活性和做出一些假设来实现原始指令集。然后在CPU流水线前面放置了一个固定的解压器，它只实现了一个固定的Thumb-2-Arm转换。在那里，指令被扩展为完整的ARM指令。然后CPU将执行ARM指令。例如，请参见https://scienceprog.com/compressed-thumb-instructions-of-arm-mcu/。 - Nico Erfurth