Thumb指令集之： Thumb跳轉指令

Thumb指令集中的跳轉指令分以下6種類型。

①無條件跳轉，其跳轉空間為±2KB。

②條件跳轉，其跳轉空間為±256B。

③帶返回的跳轉指令，其跳轉空間為±4MB。

④帶狀態(tài)切換的跳轉指令（是否進行狀態(tài)切換可以在程序中設定選擇）。

⑤帶返回和狀態(tài)切換的跳轉指令（是否進行狀態(tài)切換可以在程序中設定選擇）。

⑥第二種形式的帶返回和狀態(tài)切換的跳轉指令。

下面詳細介紹各指令的特點及用途。

Thumb中有兩個分支跳轉指令的變體，第一個變體與ARM版本指令相似，可條件執(zhí)行，跳轉被限制在有符號8位立即數(shù)所表示的范圍內，或者是±256B。第二個變體不可條件執(zhí)行（沒有條件碼部分），但擴展了有效跳轉范圍，跳轉范圍為有符號11位立即數(shù)表示的范圍，即±2048B。

條件分支指令是Thumb指令中惟一可以條件執(zhí)行的指令。

首先來介紹可條件執(zhí)行的跳轉指令B（1）。

（1）編碼格式

可條件執(zhí)行的跳轉指令的編碼格式如圖11.1所示。

圖11.1B（1）指令編碼格式

（2）指令的語法格式

B<cond><target_address>

①<cond>

指定指令的執(zhí)行條件。條件助記符與ARM中相同。

②<target_address>

指定程序跳轉的目標地址。指令通過下面的方法計算目標地址。

·將指令中包含的8位有符號數(shù)左移一位。

·將結果符號擴展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉的目標地址。

有條件的跳轉指令可以實現(xiàn)±256B范圍的程序跳轉。

（3）指令操作的偽代碼

ifConditionPass{cond}then

PC=PC+{SignExtend(Signed_immed_8)<<1}

（4）指令的使用

為了得到正確的signed_immed_8，匯編器需要執(zhí)行以下的操作步驟。

①首先形成跳轉的基地址。該跳轉的基地址是跳轉指令地址加4。也就是說，跳轉指令的基地址即當前程序指針寄存器的值。

②從跳轉的目標地址中減去基地址形成跳轉偏移量。該偏移量應為偶數(shù)（因為Thumb指令為半字對齊）。

③如果跳轉偏移量超出-256～+254B范圍，匯編器產生一個錯誤。

④將產生的跳轉偏移量除以2放入指令編碼中的signed_immed_8域。

注意

如果該指令的條件域為AL，即指令編碼條件域為0b1110時，程序產生未定義指令異常。當指令的條件域為NV，即指令編碼條件域為0b1111時，指令等價于SWI指令。

（5）ARM指令集中的跳轉指令

該指令與ARM指令集中B<cond><target_address>基本相似，所不同的是ARM指令集中，偏移量左移兩位而Thumb指令集中偏移量左移一位。另外，處理器在ARM和Thumb狀態(tài)下所讀取的PC值也是不同的。

下面介紹無條件跳轉指令B（2）。

（1）編碼格式

無條件執(zhí)行的跳轉指令的編碼格式如圖11.1所示。

圖11.2B（2）指令編碼格式

（2）指令的語法格式

B<target_address>

<target_address>

指定程序跳轉的目標地址。指令通過下面的方法計算目標地址。

·將指令中包含的11位有符號數(shù)左移一位。

·將結果符號擴展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉的目標地址。

有條件的跳轉指令可以實現(xiàn)±2048B范圍的程序跳轉。

（3）指令操作的偽代碼

PC=PC+{SignExtend(Signed_immed_8)<<1}

（4）指令的使用

為了得到正確的signed_immed_11，匯編器需要執(zhí)行以下的操作步驟。

①首先形成跳轉的基地址。該跳轉的基地址是跳轉指令地址加4。也就是說，跳轉指令的基地址即當前程序指針寄存器的值。

②從跳轉的目標地址中減去基地址形成跳轉偏移量。該偏移量應為偶數(shù)（因為Thumb指令為半字對齊）。

③如果跳轉偏移量超出-2048～+2046B范圍，匯編器產生一個錯誤。

④將產生的跳轉偏移量除以2放入指令編碼中的signed_immed_11域。

（5）ARM指令集中的跳轉指令

該指令與ARM指令集中B<target_address>基本相似，所不同的是ARM指令集中偏移量左移兩位，而Thumb指令集中偏移量左移一位。另外，處理器在ARM和Thumb狀態(tài)下所讀取的PC值也是不同的。

（1）編碼格式

帶返回的無條件跳轉指令的編碼格式如圖11.3所示。

圖11.3BL指令編碼格式

帶返回的跳轉指令BL提供了一種在Thumb狀態(tài)下程序間相互調用的方法，當從子程序返回時，通常使用下面的方式之一：

·MOVPC，LR

·BXLR

·POP{pc}

BL指令不可條件執(zhí)行，可以實現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內跳轉，實現(xiàn)方法是將一條BL指令編譯成兩條16位的Thumb指令，從而實現(xiàn)上述跳轉。對編譯后的兩條指令說明如下：

①H=10的BL指令。該跳轉包含跳轉偏移量的高位部分。

②H=11的BL指令。該跳轉包含跳轉偏移量的低位部分。

（2）指令的語法格式

BL<target_address>

<target_address>

指定程序跳轉的目標地址。指令通過下面的方法計算目標地址。

·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。

·將結果符號擴展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中。

·與H=11的BL指令的offset_11域相加。

因此BL指令可以實現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內跳轉。

（3）指令操作的偽代碼

ifH==10then

LR=PC+(SignExtend(offset_11)<<12)

ElseifH==11then

PC=LR+(offset_11<<11)

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0xFFFFFFFC

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0Xfffffffc

LR=(addressofnextinstruction)|1

TFlag=0

（4）指令的使用

為了能夠正確產生兩條Thumb跳轉指令，匯編器按照如下步驟產生跳轉偏移量。

①形成跳轉基地址。此基地址為H=10時的BL指令地址加上4，即執(zhí)行該條指令的PC值。

②從目標地址中減去基地址，形成跳轉偏移量。

根據(jù)以上步驟所產生的結果是−222～+222−2之間的一個偶數(shù)，如果結果超出此范圍，匯編器將報錯。

③如果產生的結果在給定范圍內，匯編器將產生下面兩條BL指令：

·H=10，offset_11=offset[22：12]

·H=11，offset_11=offset[11：1]

注意

當H=00時，該指令為無條件跳轉指令。

（5）ARM指令集中的BL指令

如果調用Thumb子程序，該指令類似于BLX<target_addr>；如果程序調用ARM子程序，該指令類似于BL<target_addr>。

（1）編碼格式

帶返回的無條件跳轉指令的編碼格式如圖11.4所示。

圖11.4BLX（1）指令編碼格式

帶返回鏈接的跳轉指令BLX（1）提供了一種在Thumb狀態(tài)下無條件調用ARM子程序的方法，當從子程序返回時，通常使用下面的方式之一：

·BXLR;

·加載PC的LDR或LDM指令。

BLX指令不可條件執(zhí)行，可以實現(xiàn)在大約±4MB的地址空間范圍內跳轉，實現(xiàn)方法是將一條BLX指令編譯成兩條16位的Thumb指令，從而實現(xiàn)上述跳轉。對編譯后的兩條指令說明如下：

①H=10的跳轉指令。該跳轉包含跳轉偏移量的高位部分。

②H=01的跳轉指令。該跳轉包含跳轉偏移量的低位部分。

（2）指令的語法格式

BLX<target_address>

①<target_address>

指定程序跳轉的目標地址。指令通過下面的方法計算目標地址。

·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。

·將結果符號擴展為32位。

·將得到的值加到PC寄存器中。

·與H=11的BL指令的offset_11域相加。

BL指令可以實現(xiàn)在±4MB的地址空間范圍內跳轉。

（3）指令操作的偽代碼

ifH==10then

LR=PC+(SignExtend(offset_11)<<12)

ElseifH==11then

PC=LR+(offset_11<<11)

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0xFFFFFFFC

LR=(addressofnextinstruction)|1

ElseifH==01then

PC=(LR+(offset_11<<1))AND0Xfffffffc

LR=(addressofnextinstruction)|1

TFlag=0

（4）指令的使用

為了能夠正確產生兩條Thumb的跳轉指令，匯編器按照如下步驟產生跳轉偏移量。

①形成跳轉基地址。此地址為H=10時地址加上4，即執(zhí)行該條指令的PC值。

②使基址地址的bit[1]等于目標地址的bit[1]（保證ARM狀態(tài)的字地址對齊）。

③從目標地址中減去基地址，形成跳轉偏移量。

根據(jù)以上步驟所產生的結果是−222～+222−2之間的一個偶數(shù)，如果結果超出此范圍，匯編器將報錯。

④如果產生的結果在給定范圍內，匯編器將產生下面兩條BL指令：

·H==10，offset_11=offset[22∶12]

·H==01，offset_11=offset[11∶1]

（5）等效ARM指令

該指令類似于ARM指令集的BL<target_addr>。

（1）編碼格式

帶狀態(tài)切換的跳轉指令BX的編碼格式如圖11.5所示。

圖11.5BX指令的編碼格式

BX指令用于ARM和Thumb程序之間的調用。

（2）指令的語法格式

BX<Rm>

其中<Rm>為目標地址寄存器，包含程序的跳轉地址。BX指令的目標地址寄存器可以是r0～r15中的任意寄存器。

注意

如果Rm[1：0]=0b10，不滿足ARM指令的內存對齊方式。指令的執(zhí)行結果不可預知。如果該指令使用r15作為目標寄存器，其操作方式和使用其他寄存器相同。

（3）指令操作的偽代碼

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31：1]<<1

（4）ARM指令集中的BX指令

ARM指令集中的BX指令和Thumb指令集中的BX指令相差較大，它們分別為不同方向的跳轉。當r15作為目的寄存器使用時，要特別注意該指令在兩個指令集中的區(qū)別。

（1）編碼格式

帶返回鏈接的無條件跳轉指令BLX（2）的編碼格式如圖11.6所示。

圖11.6BLX（2）指令的編碼格式

該BLX（2）指令用于ARM和Thumb子程序間的相互調用。程序狀態(tài)字的T標志位根據(jù)目的寄存器的bit[0]位而改變。

（2）指令的語法格式

BLX<Rm>

其中<Rm>為目標地址寄存器，r0～r14寄存器均可以做為目標地址寄存器。

注意

如果在此指令中使用r15作為目的寄存器，指令的執(zhí)行結果不可預知。

此指令只在ARMv5版本以上指令集中被支持。

（3）指令操作的偽代碼

LR=(addressoftheinstructionafterthisBLX)|1

TFlag=Rm[0]

PC=Rm[31:1]<<1

下面的例子程序綜合使用了各種跳轉指令，通過該例可以對Thumb狀態(tài)下程序的非連續(xù)執(zhí)行有更深入的了解。

Blabel ;無條件跳轉到Label地址

BCClabel ;如果進位標志為0，則跳轉

BEQlabel ;如果零標準位置1，則跳轉

BLfunc ;子程序調用

Func

…

… ;子程序體

MOVPC，LR ;子程序返回

BXr12 ;跳轉到r12寄存器中保存的地址

在執(zhí)行此例中的BXr12時，如果r12的bit[0]=0，則處理器進入ARM狀態(tài)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行Thumb代碼。