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我对指令集有点困惑。有 Thumb、ARM 和 Thumb 2。根据我的阅读，Thumb 指令都是 16 位的，但在ARMv7M 用户手册（第 vi 页）中提到了 Thumb 16 位和 Thumb 32 位指令。

现在我必须克服这种困惑。据说 Thumb 2 支持 16 位和 32 位指令。那么 ARMv7M 实际上是否支持 Thumb 2 指令而不仅仅是 Thumb？

还有一件事。我可以说 Thumb（32 位）与同样是 32 位的 ARM 指令相同吗？

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哦，ARM 和他们愚蠢的命名......

这是一个常见的误解，但官方并没有“Thumb-2 指令集”之类的东西。

忽略 ARMv8（所有内容都被重命名并且 AArch64 使事情复杂化），从 ARMv4T 到 ARMv7-A 有两个指令集：ARM 和 Thumb。从某种意义上说，它们都是“32 位”，它们在具有 32 位地址的 32 位宽寄存器中操作高达 32 位宽的数据。事实上，它们重叠的地方代表完全相同的指令——只是指令编码不同，CPU实际上只有两个不同的解码前端到它的流水线，它可以在它们之间切换。为了清楚起见，我现在将故意避免使用“32 位”和“16 位”这两个术语……

ARM 指令具有固定宽度的 4 字节编码，需要 4 字节对齐。Thumb 指令具有可变长度（2 或 4 字节，现在称为“窄”和“宽”）编码，需要 2 字节对齐 - 大多数指令具有 2 字节编码，但bl始终blx具有 4 字节编码*. 真正令人困惑的是 ARMv6T2，它引入了“Thumb-2 技术”。Thumb-2 不仅包括向 Thumb 添加更多指令（主要使用 4 字节编码）以使其几乎与 ARM 相提并论，还包括扩展执行状态以允许有条件地执行大多数 Thumb 指令，最后引入了一个全新的汇编语法（UAL，“统一汇编语言”）取代了以前单独的 ARM 和 Thumb 语法，允许编写一次代码并将其汇编到任一指令集而无需修改。

Cortex-M 架构仅实现 Thumb 指令集 - ARMv7-M (Cortex-M3/M4/M7) 支持大部分“Thumb-2 技术”，包括 VFP 指令的条件执行和编码，而 ARMv6-M (Cortex- M0/M0+) 仅以少数 4 字节系统指令的形式使用 Thumb-2。

因此，新的 4 字节编码（以及后来在 ARMv7 修订版中添加的那些）仍然是Thumb 指令- 它们的“Thumb-2”方面是它们可以具有4 字节编码，并且它们可以（大部分）有条件地通过执行it（并且，我想，他们的 menmonics 只在 UAL 中定义）。

bl* 在 ARMv6T2 之前， （或blx）是作为 4 字节指令执行还是作为一对 2 字节指令执行，实际上是一个复杂的实现细节。架构定义是后者，但由于它们只能作为一对按顺序执行，因此出于性能原因将它们融合到一条指令中几乎没有损失（除了中途中断的能力）。ARMv6T2 只是在融合的单指令执行方面重新定义了事物

于 2015-02-23T09:40:57.780 回答
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除了Notlikethat's answer之外，正如它所暗示的那样，ARMv8 引入了一些新术语来尝试减少混淆（当然添加更多新术语）：

有 32 位执行状态（AArch32）和 64 位执行状态（AArch64）。

32 位执行状态支持两种不同的指令集：T32（“Thumb”）和 A32（“ARM”）。64 位执行状态只支持一种指令集——A64。

与所有 A32 一样，所有 A64 指令的大小都是 32 位（4 字节），需要 4 字节对齐。

许多/大多数 A64 指令可以在 32 位和 64 位寄存器上运行（或者可以说是同一底层 64 位寄存器的 32 位或 64 位视图）。

实现 AArch32 的所有 ARMv8 处理器（如所有 ARMv7 处理器）都支持 T32 指令集中的 Thumb-2 指令。

并非所有 ARMv8-A 处理器都实现 AAarch32，有些不实现 AArch64。一些处理器支持两者，但仅支持较低异常级别的 AArch32。

于 2015-02-23T16:07:32.127 回答
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请参考https://developer.arm.com/documentation/ddi0344/c/programmer-s-model/thumb-2-instruction-set 详细解释了Thumb2架构的增强。这同样隐含地涵盖了 ARM、Thumb 和 Thumb2 指令集描述。

于 2021-06-08T07:23:38.260 回答
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让我感到困惑的是具有 4 字节指令但不执行 ARM 指令的 Cortex M3。或者 CPU 能够具有 2 字节和 4 字节操作码，但也能够执行 ARM 指令。所以我读了一本关于 Arm 的书，现在我对它的理解稍微好一些。尽管如此，命名和重叠仍然让我感到困惑。我想先比较几个 CPU 然后再讨论 ISA 会很有趣。

比较几个 CPU 以及它们可以做什么以及它们如何重叠：

  • Cortex M0/M0+/M1/M23被认为是Thumb (Thumb-1)，可以执行与其他相比受限的2 字节操作码。但是，一些指令，例如mrs, msr, bl, dmb, dsb,isb来自 Thumb-2 并且是4-byte。Cortex M0/M0+/M1 是 ARMv6，而 Cortex M23 是 ARMv8。Thumb-1 指令在 ARMv7 中进行了扩展，因此可以说 ARMv8 Cortex M23 支持更完整的 Thumb-1（it指令除外），而 ARMv6 Cortex M0/M0+ 仅支持 ISA 的一个子集（特别缺少它们it，cbz并且cbnz指示）。我可能是错的（如果这不对，请纠正我），但注意到一些有趣的事情，只有我看到的完全支持 Thumb-1 的 CPU 是已经支持 Thumb-2 的 CPU，我不知道只有 Thumb-1 CPU 支持 100% 的 Thumb-1。我认为这是因为it可以将其视为 Thumb-2 操作码，它是 2 字节的，本质上是添加到 Thumb-1 中的。在 Thumb-1 CPU 上，4 字节操作码可以被视为两个 2 字节来表示 4 字节操作码。

  • Cortex M3/M4/M7/M33/M35P/M55可以执行2字节和4字节操作码，都是Thumb-1和Thumb-2，支持全套ISA。2 字节和 4 字节操作码混合更均匀，而上面的 Cortex M0/M0+/M1/M23 大部分时间都偏向于使用 2 字节操作码。Cortex M3/M4/M7 是 ARMv7，而 Cortex M33/M35P/M55 是 ARMv8。

  • Cortex A/R可以接受ARM 和 Thumb操作码，因此有2-byte 和 4-byte。为了在模式之间切换，PC 需要偏移一个字节（强制未对齐），这可以通过例如bx设置 的T位CPSR并根据地址的最低位切换模式的分支指令来完成。这很好用，例如，当调用子程序时，PC（及其模式）被保存，然后在子程序中它可以切换到 Thumb 模式，但是当从 Thumb 模式返回时，它将恢复 PC（及其 T 位）和毫无问题地切换回调用者（ARM 或 Thumb 模式）。

  • ARM7仅支持ARMv3 4 字节ISA

  • ARM7T支持Thumb-1 和 ARM ISA（2 字节和 4 字节）

  • ARM11（ARMv6、ARMv6T2、ARMv6Z、ARMv6K）支持Thumb-1、Thumb-2 和 ARM ISA

我参考的书指出，在 ARMv7和更新版本中，架构从冯诺依曼（数据和指令共享总线）切换到哈佛（专用总线）以获得更好的性能。然而，绝对术语“和更新”是不正确的，因为 ARMv8 更新，但 ARMv8 Cortex M23 是冯诺依曼。

ISA 是：

  • ARM有 16 个寄存器（R0-R12、SP、LR、PC），只有 4 字节操作码，对 ISA 进行了修订，但它们只有 4 字节操作码。

  • Thumb（又名 Thumb-1）将 16 个寄存器分为低位（R0-R7）和高位（R8-R12、SP、LR、PC），大多数指令只能访问低位集，而只有部分指令可以访问高位集。只有 2 字节的操作码。在具有 16 位总线（并且必须分两步进行 32 位字访问）的低端设备上，当它们执行与总线匹配的 2 字节操作码时，它们的性能会更好。命名让我感到困惑，Thumb 可以用作 Thumb-1 和 Thumb-2 的家族术语，或者有时 Thumb 只能用于 Thumb-1。我认为 Thumb-1 不是 Arm 的官方术语，只是我看到人们使用它来区分 ISA 的 Thumb 系列和第一个 Thumb ISA。ARM 中的指令可以有可选的s后缀来更新CPSR寄存器（例如ands, orrs, movs, adds,subs指令），而在 Thumb-1 中，s它始终处于打开状态，并且一直保存CPSR寄存器。s在一些较旧的工具链中不需要隐式，但是在统一汇编语言 (UAL) 的努力中，现在需要明确指定s即使没有选项不使用s.

  • Thumb-2是 Thumb 的扩展，可以像 ARM 一样访问所有寄存器，具有 4 字节操作码，与 ARM 相比存在一些差异。在程序集中，Thumb-1 2 字节窄操作码和 Thumb-2 4 字节宽操作码可以强制使用.n和.w后缀（示例orr.w）。ARM 和 Thumb-2 操作码格式/编码不同，它们的功能也不同。可以使用指令的条件执行，但仅当it(if-then) 指令/块被预先添加。这可以显式或隐含地完成（并由用户背后的工具链完成）。并且混淆实际上可能很好，因为 Arm（该公司）希望它们相似，很多努力都用于统一汇编语言 (UAL)，因此为 ARM 制作的汇编文件可以在 Thumb-2 上编译而无需更改。如果我理解正确，则不能 100% 保证，并且在 ARM 程序集无法编译为 Thumb-2 的情况下可能会出现一些边缘情况，这是另一个不完全正确的绝对陈述。例如 ARM7bl指令可以寻址 +-32MB，而在 Cortex M3 上它只能寻址 +-16MB。与 Thumb-1 相比，这种情况要好得多，在 Thumb-1 中，ARM 程序集更有可能被重写以针对 Thumb-1，而 ARM 到 Thumb-2 的重写不太可能发生。另一个区别是数据处理指令。ARM 和 Thumb-2 都支持 8 位立即数，而 ARM 只能向右旋转位并且只能旋转偶数位，而 Thumb 可以向左旋转以及偶数/奇数位，并且在此之上允许重复的字节模式比如0xXYXYXYXY，0x00XY00XY或0xXY00XY00。因为移位是旋转的，所以左右移位可以通过“溢出”来实现，向一个方向移动太多以至于实际上是向相反方向移动1 << (32 - n) == 1 >> n

所以总而言之，一些 Arm CPU 可以做到：

  • 只有纯 ARM ISA 的 4 字节操作码指令
  • 2 字节/4 字节 Thumb-1/Thumb-2 ISA，大部分时间专注于使用 2 字节，只有少数 4 字节操作码，这些通常被标记为 Thumb (Thumb-1) 2-字节操作码 CPU（有时不提及少数 4 字节操作码）
  • 2 字节/4 字节 Thumb-1/Thumb-2 ISA，在 2 字节和 4 字节操作码之间更均匀地混合，通常标记为 Thumb-2
  • 通过在 ARM/Thumb 模式之间切换的 2 字节/4 字节操作码

此信息的参考：ARM 汇编语言编程和架构 Muhammad Ali Mazidi 等人 2016。这本书是在公司名称从 ARM 更改为 Arm 之前编写的，因此有时在引用公司 Arm 和 ARM ISA 时会造成混淆。

于 2021-07-08T00:49:43.773 回答