第二講 Thumb技術(shù)介紹

第二講

Thumb技術(shù)介紹Thumb技術(shù)介紹Thumb技術(shù)產(chǎn)生的原因Thumb的技術(shù)概述Thumb的技術(shù)實(shí)現(xiàn)Thumb技術(shù)的特點(diǎn)Thumb技術(shù)產(chǎn)生的原因在ARM技術(shù)發(fā)展的歷程中，尤其是ARM7體系結(jié)構(gòu)被廣泛接受和使用時(shí)，嵌入式控制器的市場(chǎng)仍然大都由8位、16位的處理器占領(lǐng)。而這些產(chǎn)品卻不能滿足高端應(yīng)用如移動(dòng)電話、磁盤驅(qū)動(dòng)器、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備對(duì)處理器性能的要求。這些高端消費(fèi)類產(chǎn)品需要32位RISC處理器性能和更優(yōu)于16位的CISC處理器的代碼密度。這就要求要以更低的成本取得更好的性能和更優(yōu)于16位的CISC處理器的代碼密度。Thumb技術(shù)產(chǎn)生的原因?yàn)榱藵M足嵌入式技術(shù)不斷發(fā)展的要求，ARM的RISC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中已經(jīng)提供了低功耗、小體積、高性能的方案。而為了解決代碼長(zhǎng)度的問題，ARM體系結(jié)構(gòu)又增加了Ｔ變種，開發(fā)了一種新的指令體系，這就是Thumb指令集。Thumb技術(shù)是ARM技術(shù)的一大特色，本節(jié)以第一個(gè)支持Thumb的核－ARM7TDMI為例對(duì)Thumb技術(shù)進(jìn)行介紹。Thumb的技術(shù)概述Thumb是ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。它有從標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集抽出來的36條指令格式，可以重新編成16位的操作碼。這能帶來很高的代碼密度，因?yàn)門humb指令的寬度只有ARM指令寬度的一半。在運(yùn)行時(shí)，這些16位的Thumb指令又由處理器解壓成32位的ARM指令。Thumb的技術(shù)概述ARM7TDMI是第一個(gè)支持Thumb的核，支持Thumb的核僅僅是ARM體系結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展的擴(kuò)展；所以編譯器既可以編譯Thumb代碼，又可以編譯ARM代碼；更高性能的未來的ARM核，也都能夠支持Thumb。

Thumb的技術(shù)概述支持Thumb的ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器狀態(tài)可以方便的切換、運(yùn)行到Thumb狀態(tài)，在該狀態(tài)下指令集是16位的Thumb指令集。Thumb可以滿足它們的要求，它在當(dāng)時(shí)的要求16位和未來需要的32位系統(tǒng)之間搭起了一座橋梁。更優(yōu)越的性能，而不需要付出額外的代價(jià)，這點(diǎn)對(duì)那些目前使用著8或16位處理器，卻一直在尋找著更優(yōu)越的性能的用戶來說，提供了解決方案。

Thumb的技術(shù)實(shí)現(xiàn)ARM7TDMI正是利用了這個(gè)特點(diǎn)，考慮流水線各級(jí)間的平衡，利用譯碼階段的一個(gè)未用的時(shí)鐘相位，將Thumb指令解壓還原為32位相應(yīng)的ARM指令來完成對(duì)Thumb指令的解壓縮。這些16位的Thumb指令可以由處理器在譯碼級(jí)解壓成32位的ARM指令，在ARM核里運(yùn)行。這樣，不需要再附加時(shí)間費(fèi)用和單獨(dú)的解碼周期，就可以維持指令的執(zhí)行。圖2-1為ARM7TDMI中ARM7和ARM7T取指令、解壓縮與執(zhí)行的過程。

Thumb的技術(shù)實(shí)現(xiàn)Thumb的技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖2-2為Thumb指令的解壓縮和解碼過程：從流水的取指令階段得到的ARM指令，經(jīng)過ARM譯碼，并且激活主副操作碼控制信號(hào)。主操作碼描述了要執(zhí)行指令的類型，副操作碼說明了指令的細(xì)節(jié)，諸如存儲(chǔ)器、操作數(shù)等。在Thumb狀態(tài)，多路復(fù)用器指導(dǎo)指令經(jīng)過Thumb解壓縮邏輯，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ARM指令，然后執(zhí)行。Thumb技術(shù)的特點(diǎn)支持Thumb的核有2套獨(dú)立的指令集，它使設(shè)計(jì)者得到ARM32位指令的性能，又能享有Thumb指令集產(chǎn)生的代碼方面的優(yōu)勢(shì)?？梢栽谛阅芎痛a大小之間取得平衡，在需要較低的存儲(chǔ)代碼時(shí)采用Thumb指令系統(tǒng)，但有比純粹的16位系統(tǒng)有較高的實(shí)現(xiàn)性能，因?yàn)閷?shí)際執(zhí)行的是32位指令，用Thumb指令編寫最小代碼量的程序，卻取得以ARM代碼執(zhí)行的最好性能。

Thumb技術(shù)的特點(diǎn)與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，因此在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合ARM指令集更為適合；Thumb指令集沒有包含進(jìn)行異常處理時(shí)需要的一些指令，因此在異常中斷時(shí)，還是需要使用ARM指令，這種限制決定了Thumb指令需要和ARM指令配合使用。Thumb技術(shù)的特點(diǎn)獨(dú)立的兩套指令集也使得解碼邏輯極其的簡(jiǎn)單，從而維持了較小的硅片面積，保證了領(lǐng)先的“低功耗、高性能、小體積”的技術(shù)要求，滿足了對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

ARM與THUMBTHUMB指令是ARM指令的子集可以相互調(diào)用，只要遵循一定的調(diào)用規(guī)則Thumb指令與ARM指令的時(shí)間效率和空間效率關(guān)系為:存儲(chǔ)空間約為ARM代碼的60％～70％指令數(shù)比ARM代碼多約30