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我正在研究具有 Thumb-2 指令集的 ARM Cortex-M3 控制器。

Thumb 模式用于将指令压缩为 16 位大小。所以代码的大小减少了。但是在正常的Thumb模式下，为什么说性能降低了？

在 Thumb-2 的情况下，据说根据这两个链接提高了性能：

在单个 16 位指令限制编译器可用功能的情况下提高性能。

Thumb-2 的一个既定目标是实现类似于 Thumb 的代码密度，其性能类似于 32 位内存上的 ARM 指令集。

这种表现究竟是什么？有人可以举一些与之相关的例子吗？

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与 ARM 32 位指令集相比，thumb 16 位指令集（还没有讨论 thumb2 扩展）占用的空间更少，因为指令大小只有一半，但通常会出现性能下降，因为它需要更多指令做与手臂相同的事情。指令集的功能较少，大多数指令仅在寄存器 r0-r7 上运行。Apples to Apples比较更多的指令来做同样的事情更慢。

现在 thumb2 扩展采用以前未定义的拇指指令并创建 32 位拇指指令。了解不止一组 thumb2 扩展。ARMv6m 可能会增加几十个。ARMv7m 向 thumb 指令集添加了 150 条指令，我不知道 ARMv8 或未来会发生什么。因此，假设 ARMv7m，他们已经弥合了您在 thumb 中可以做的事情和您在 ARM 中可以做的事情之间的差距。所以 thumb2 是一个精简的 ARM 指令集，就像 thumb 一样，但没有精简。因此，与 ARM 做同样的事情相比，在 thumb2（假设加上拇指）中做同样的事情可能仍然需要更多的指令。

这给出了问题的味道，手臂中的单个指令和拇指中的等效指令。

ARM

and r8,r9,r10

THUMB

push {r0,r1}
mov r0,r8
mov r1,r9
and r0,r1
mov r1,r10
and r0,r1
mov r8,r0
pop {r0,r1}

现在编译器不会这样做，编译器会知道它的目标是拇指，并通过选择其他寄存器来做不同的事情。每条指令仍然有更少的寄存器和更少的功能：

mov r0,r1
and r0,r2

仍然需要两个指令/执行周期和两个寄存器在一起，而不修改操作数，并将结果放在第三个寄存器中。Thumb2 有一个三个寄存器，因此您返回到使用 thumb2 扩展的单个指令。并且该 thumb2 指令允许在拇指限制为 r0-r7 的三个寄存器中的任何一个上使用 r0-r15。

查看 ARMv5 Architectural Reference Manual，在每个 thumb 指令下，它会显示等效的 ARM 指令。然后转到那个 ARM 指令并比较你可以用那个 arm 指令做什么，而你不能用 thumb 指令做。这是一条单向路径，拇指指令（不是拇指 2）与 ARM 指令具有一对一的关系。所有拇指指令都有一个等效的手臂指令。但并非所有手臂指令都有等效的拇指指令。您应该能够从这个练习中看到使用 thumb 指令集时对编译器的限制。然后拿到 ARMv7m Architectural Reference Manual 看指令集，对比一下“all thumb variant” 编码（包括 ARMv4T 的编码）和仅限于 ARMv6 和/或 v7 的编码，并查看 thumb 和 thumb2 之间的功能扩展以及没有 thumb 对应的仅 thumb2 指令。这应该阐明编译器必须在 thumb 和 thumb2 之间使用什么。然后，您可以将 thumb+thumb2 与完整的 ARM 指令进行比较（ARMv7 AR 就是它的名称？）。并且看到 thumb2 更接近于 ARM，但是你失去了例如每条指令的条件，所以 thumb2 中的条件执行变成了与代码分支的比较，在 ARM 中你有时可以有一个 if-then-else 没有分支.. . 这应该阐明编译器必须在 thumb 和 thumb2 之间使用什么。然后，您可以将 thumb+thumb2 与完整的 ARM 指令进行比较（ARMv7 AR 就是它的名称？）。并且看到 thumb2 更接近于 ARM，但是你失去了例如每条指令的条件，所以 thumb2 中的条件执行变成了与代码分支的比较，在 ARM 中你有时可以有一个 if-then-else 没有分支.. . 这应该阐明编译器必须在 thumb 和 thumb2 之间使用什么。然后，您可以将 thumb+thumb2 与完整的 ARM 指令进行比较（ARMv7 AR 就是它的名称？）。并且看到 thumb2 更接近于 ARM，但是你失去了例如每条指令的条件，所以 thumb2 中的条件执行变成了与代码分支的比较，在 ARM 中你有时可以有一个 if-then-else 没有分支.. .

于 2013-04-06T04:01:40.017 回答
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Thumb-2 在原始 Thumb 中引入了可变长度指令；现在指令可以是 16 位和 32 位的混合。这意味着您在日常代码中保留了原始 Thumb 的大小优势，但现在可以在更复杂的代码中访问几乎完整的 ARM 功能集，但没有以前 Thumb 产生的 ARM 互通开销。

除了上述从所有寄存器操作中访问完整寄存器集之外，Thumb-2 还以 IF-THEN (IT) 块的形式添加了无分支条件执行。最初的 Thumb 删除了几乎所有指令上条件执行的商标 ARM 特性；现在，这在 Thumb-2 中通过在 IT 指令前加上最多四个后续指令的条件来实现。

此外，指令集本身也得到了极大的扩展；例如，Cortex-M4F 实现了 DSP 扩展以及 FPv4-SP 浮点扩展。事实上，我相信即使是 NEON 也可以在 Thumb2 中编码。

于 2013-04-25T00:29:16.560 回答