ARM与Thumb指令集详解：代码密度与性能对比

"这篇北航嵌入式系统课件主要介绍了ARM指令集，特别是Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一个16位子集，设计用于优化代码密度，适用于16位总线存储器系统，大约占用ARM指令65%的空间。它包括两种执行状态，其中核处于Thumb状态时执行16位指令。ARM和Thumb状态间的切换通过BX指令完成。Thumb指令集的特点包括：无条件执行、源和目的寄存器相同、仅使用低寄存器、常数大小有限制以及不支持在线移位器。此外，ARM7TDMI处理器支持32位ARM指令和16位Thumb指令，以及字节、半字和字三种数据类型。处理器遵循Load-store架构，对存储器的操作需通过load/store指令，且数据必须按特定边界对齐。ARM指令集具备条件执行，而Thumb指令集中只有极少数指令支持条件执行。ARM和Thumb程序可以相互调用，状态切换开销小。ARM处理器的寻址方式包括9种基本类型，如寄存器寻址、立即寻址、寄存器移位寻址等。" 在深入探讨之前，先理解ARM指令集的基本概念。ARM处理器采用精简指令集计算机（RISC）设计理念，其32位指令集效率高但代码密度较低。而Thumb指令集则作为其补充，通过16位指令实现了更高的代码密度，同时保持了大部分的性能优势。 Thumb指令集的主要特点如下： 1. **16位指令**: Thumb指令集使用16位编码，相比于32位ARM指令，节省了存储空间，更适合资源受限的系统。 2. **代码密度优化**: 由于指令长度更短，Thumb指令集通常能减少代码大小，这对于存储器有限的嵌入式系统尤其重要。 3. **执行状态**: 存在专门的Thumb状态，使得处理器可以高效执行16位指令。 4. **指令切换**: 使用BX指令可以在ARM和Thumb状态间切换，这允许混合使用两种指令集，实现灵活的编程策略。 5. **限制条件执行**: 与ARM指令集不同，大多数Thumb指令是无条件执行的，只有极少数指令支持条件执行。 6. **寄存器限制**: Thumb指令通常限制源和目的寄存器必须相同，且仅使用低寄存器，这样简化了指令集并提高了执行速度。 7. **常数和移位**: Thumb指令集对常数大小有限制，不支持在线移位器，这可能会影响某些复杂计算。 ARM7TDMI(-S)处理器支持3种数据类型：字节（8位）、半字（16位）和字（32位），并且所有数据必须按照特定边界对齐。这种处理器采用Load-store架构，意味着所有数据的读取和写入都通过load和store指令进行，且仅处理寄存器中的数据。 寻址方式是ARM处理器访问操作数的关键部分，它包括9种基本方式： 1. **寄存器寻址**: 直接使用寄存器中的值作为操作数。 2. **立即寻址**: 指令中包含操作数的值。 3. **寄存器移位寻址**: 操作数是寄存器值经过移位得到的。 4. **寄存器间接寻址**: 通过寄存器中的地址访问内存中的数据。 5. **基址寻址**: 使用基址寄存器加上偏移量得到实际地址。 6. **多寄存器寻址**: 一次操作多个连续的寄存器。 7. **堆栈寻址**: 利用堆栈指针访问堆栈中的数据。 8. **块拷贝寻址**: 用于批量复制内存块。 9. **相对寻址**: 用于分支或跳转指令，基于当前指令地址计算目标地址。 这些寻址方式提供了多样化的数据访问手段，适应不同类型的计算任务。通过熟练掌握这些寻址方式和理解Thumb指令集的特点，开发者可以更有效地编写高效、紧凑的嵌入式系统代码。