这两天写的两篇文章《浅谈ARM处理器》和《浅谈RISC CPU(精简指令集处理器)》，大家比较关注，有读者说能不能再深入一点，今天我就再试着深入的聊一聊。

在前面的文章，我们说到ARM微处理器支持两种指令集，即ARM指令集和THUMB指令集。

今天我们来聊一聊这两种指令集。


ARM处理器的工作状态

两种指令集的更深一步含义，是指ARM处理器会有两种工作状态，即ARM指令集对应的ARM状态，和THUMB指令集对应的THUMB状态。这两种状态，可以通过相应的指令，进行转换。

ARM指令集和THUMB指令集的关系

THUMB指令集是ARM指令集的子集，所有的Thumb指令都有相对应的ARM指令。

Thumb的体系结构还不是很完整，所以不能要求处理器，只支持Thumb代码，却不支持ARM指令集。Thumb代码对通用功能支持较好，对于一些非通用功能，则可以借用ARM指令集。所以应用程序可以混合使用ARM指令和Thumb程序，以达到提升性能和代码密度的目的。同时可以降低功耗、节约成本。

对指令集来讲，用户最关心的是，指令的数量和运行效率，下面我们来做一个比较。

  • THUMB存储空间约为ARM代码的60％～70％。
  • THUMB指令数比ARM代码多约30％～40％。
  • 存储器为32位时，ARM代码比Thumb代码快约40％。
  • 存储器为16位时，Thumb比ARM代码快约40～50％。
  • 使用Thumb代码，存储器的功耗会降低约30％。


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ARM和THUMB工作状态切换方法

ARM指令集和Thumb指令集中，均有切换处理器工作状态的指令(BX)，可以在两种工作状态之间相互切换。ARM处理器在初始化(开始)执行代码时，处于ARM状态。

  • 进入Thumb状态

对于“BX Rm”指令，当操作数寄存器的状态位即Rm[0]为1时， 可以采用执行“BX Rm”指令的方法，使微处理器从ARM状态切换到Thumb状态(执行该指令能够将Rm[0]位传送给CPSR[T]位)。

例如：BX Rm指令的Rm[0]值为1，执行其实现ARM处理器从ARM状态切换到Thumb状态(即使得CPSR[T]位置1)。

当处理器处于Thumb状态时发生异常(如IRQ、FIQ、Undef、Abort、SWI等)，则异常处理返回时，自动切换到Thumb状态。

  • 切换到ARM状态

对于“BX Rm”指令，当操作数寄存器的状态位即Rm[0]为0时，执行“BX Rm”指令时可以使ARM微处理器从Thumb状态切换到ARM状态。

例如：BX Rm指令的Rm的位[0]值为0，执行其实现ARM处理器从Thumb状态切换到ARM状态(即使得CPSR[T]位置0)。

在处理器进行异常处理时，把PC指针放入异常模式寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到ARM状态。


小结

THUMB指令集和ARM指令集相互补充，相互配合的特点，让使用者可以进行更高效，低成本的编程，达到提升性能和代码密度的目的，所以我们很有必要对两种指令集，进行更深入的学习和更细致的比较。