第二讲 Thumb技术介绍

第二讲

Thumb技术介绍Thumb技术介绍Thumb技术产生的原因Thumb的技术概述Thumb的技术实现Thumb技术的特点Thumb技术产生的原因在ARM技术发展的历程中，尤其是ARM7体系结构被广泛接受和使用时，嵌入式控制器的市场仍然大都由8位、16位的处理器占领。而这些产品却不能满足高端应用如移动电话、磁盘驱动器、调制解调器等设备对处理器性能的要求。这些高端消费类产品需要32位RISC处理器性能和更优于16位的CISC处理器的代码密度。这就要求要以更低的成本取得更好的性能和更优于16位的CISC处理器的代码密度。Thumb技术产生的原因为了满足嵌入式技术不断发展的要求，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体系结构又增加了Ｔ变种，开发了一种新的指令体系，这就是Thumb指令集。Thumb技术是ARM技术的一大特色，本节以第一个支持Thumb的核－ARM7TDMI为例对Thumb技术进行介绍。Thumb的技术概述Thumb是ARM体系结构的扩展。它有从标准32位ARM指令集抽出来的36条指令格式，可以重新编成16位的操作码。这能带来很高的代码密度，因为Thumb指令的宽度只有ARM指令宽度的一半。在运行时，这些16位的Thumb指令又由处理器解压成32位的ARM指令。Thumb的技术概述ARM7TDMI是第一个支持Thumb的核，支持Thumb的核仅仅是ARM体系结构的一种发展的扩展；所以编译器既可以编译Thumb代码，又可以编译ARM代码；更高性能的未来的ARM核，也都能够支持Thumb。

Thumb的技术概述支持Thumb的ARM体系结构的处理器状态可以方便的切换、运行到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集。Thumb可以满足它们的要求，它在当时的要求16位和未来需要的32位系统之间搭起了一座桥梁。更优越的性能，而不需要付出额外的代价，这点对那些目前使用着8或16位处理器，却一直在寻找着更优越的性能的用户来说，提供了解决方案。

Thumb的技术实现ARM7TDMI正是利用了这个特点，考虑流水线各级间的平衡，利用译码阶段的一个未用的时钟相位，将Thumb指令解压还原为32位相应的ARM指令来完成对Thumb指令的解压缩。这些16位的Thumb指令可以由处理器在译码级解压成32位的ARM指令，在ARM核里运行。这样，不需要再附加时间费用和单独的解码周期，就可以维持指令的执行。图2-1为ARM7TDMI中ARM7和ARM7T取指令、解压缩与执行的过程。

Thumb的技术实现Thumb的技术实现图2-2为Thumb指令的解压缩和解码过程：从流水的取指令阶段得到的ARM指令，经过ARM译码，并且激活主副操作码控制信号。主操作码描述了要执行指令的类型，副操作码说明了指令的细节，诸如存储器、操作数等。在Thumb状态，多路复用器指导指令经过Thumb解压缩逻辑，转换为相应的ARM指令，然后执行。Thumb技术的特点支持Thumb的核有2套独立的指令集，它使设计者得到ARM32位指令的性能，又能享有Thumb指令集产生的代码方面的优势。可以在性能和代码大小之间取得平衡，在需要较低的存储代码时采用Thumb指令系统，但有比纯粹的16位系统有较高的实现性能，因为实际执行的是32位指令，用Thumb指令编写最小代码量的程序，却取得以ARM代码执行的最好性能。

Thumb技术的特点与ARM指令集相比,Thumb指令集具有以下局限：完成相同的操作，Thumb指令通常需要更多的指令，因此在对系统运行时间要求苛刻的应用场合ARM指令集更为适合；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指令需要和ARM指令配合使用。Thumb技术的特点独立的两套指令集也使得解码逻辑极其的简单，从而维持了较小的硅片面积，保证了领先的“低功耗、高性能、小体积”的技术要求，满足了对嵌入式系统的设计需求。

ARM与THUMBTHUMB指令是ARM指令的子集可以相互调用，只要遵循一定的调用规则Thumb指令与ARM指令的时间效率和空间效率关系为:存储空间约为ARM代码的60％～70％指令数比ARM代码多约30