1 thumb指令集概述
為兼容數據總線寬度為16位的應用系統，ARM體系結構除了支持執行效率很高的32位ARM指令集以外，同時支持16位的Thumb指令集。
Thumb指令集是ARM指令集的一個子集，是針對代碼密度問題而提出的，它具有16位的代碼寬度。與等價的32位代碼相比較，Thumb指令集在保留32位代碼優勢的同時，大大的節省了系統的存儲空間。Thumb不是一個完整的體系結構，不能指望處理器只執行Thumb指令集而不支持ARM指令集。
當處理器在執行ARM程序段時，稱ARM處理器處於ARM工作狀態，當處理器在執行Thumb程序段時，稱ARM處理器處於Thumb工作狀態（CPSR的T=0：arm，T=1：thumb）。Thumb指令集並沒有改變ARM體系底層的編程模型，只是在該模型上增加了一些限制條件，只要遵循一定的調用規則，Thumb子程序和ARM子程序就可以互相調用。
與ARM指令集相比較，Thumb指令集中的數據處理指令的操作數仍然是32位，指令地址也為32位，但Thumb指令集為實現16位的指令長度，捨棄了ARM指令集的一些特性，相比之下從指令集上看thumb和arm主要有以下不同：
l 跳轉指令。條件跳轉在范圍上有更多的限制，轉向子程序只具有無條件轉移。
l 數據處理指令。對通用寄存器進行操作，操作結果需放入其中一個操作數寄存器，而不是第三個寄存器。
l 單寄存器加載和存儲指令。Thumb狀態下，單寄存器加載和存儲指令只能訪問寄存器R0～R7。
l 批量寄存器加載和存儲指令。LDM和STM指令可以將任何范圍為R0～R7的寄存器子集加載或存儲，PUSH和POP指令使用堆棧指針R13作為基址實現滿遞減堆棧，除R0～R7外，PUSH指令還可以存儲鏈接寄存器R14，並且POP指令可以加載程序指令PC。
Thumb指令集沒有包含進行異常處理時需要的一些指令，因此，在異常中斷時還是需要使用ARM指令。這種限制決定了Thumb指令不能單獨使用需要與ARM指令配合使用。
2 thumb寄存器和arm寄存器的關系
1）、Thumb 狀態寄存器集是ARM 狀態寄存器集的子集
程序員可直接訪問8 個通用寄存器R0～R7、PC、堆棧指針SP、鏈接寄存器LR和CPSR。每個特權模式都有分組的SP、LR和SPSR。
2）、Thumb狀態寄存器與ARM 狀態寄存器的關系
Thumb狀態寄存器與ARM狀態寄存器有如下關系：
l Thumb狀態R0～R7與ARM狀態R0～R7相同。
l Thumb狀態CPSR和SPSR與ARM狀態CPSR和SPSR 相同。
l Thumb狀態SP映射到ARM狀態R13。
l Thumb狀態LR映射到ARM狀態R14。
l Thumb狀態PC映射到ARM狀態PC（R15）。
3）、在Thumb狀態中訪問高寄存器
在Thumb狀態中高寄存器（寄存器R0～R7為低寄存器，寄存器R8～R15為高寄存器）不是標准寄存器集的一部分，匯編語言程序員對它們的訪問受到限制，但可以將它們用於快速暫存。
可以使用MOV指令的特殊變量將一個值從低寄存器R0～R7轉移到高寄存器R8～R15，或者從高寄存器到低寄存器。CMP指令可用於比較高寄存器和低寄存器的值。ADD 指令可用於將高寄存器的值與低寄存器的值相加。
3 thumb指令集與arm指令集效用分析
在ARM處理器中，內核同時支持32位的ARM指令和16位的Thumb令。對於ARM指令來說，所有的指令長度都是32位，並且執行周期大多為單周期，指令都是有條件執行的。而thumb指令的特點如下：
1、指令執行條件經常不會使用；
2、源寄存器與目標寄存器經常是相同的；
3、使用的寄存器數量比較少；
4、常數的值比較小；
5、內核中的桶式移位器（barrel shifter）經常是不使用的；
3.1 目標代碼大小（密度）
16位的Thumb指令一般可以完成和32位ARM相同的任務。
當用戶使用C程序來處理應用時，如果編譯為Thumb指令，那麼它的目標代碼大小只有編譯為ARM指令時的65%左右，這樣就增加了指令密度。一般認為：
Thumb代碼所需的存儲空間約為ARM代碼的60％～70％。
Thumb代碼使用的指令數比ARM代碼多約30％～40％。
3.2 性能處理器在這兩種狀態下的性能是依賴於指令執行的存儲器的寬度的。下面的圖2.2具體說明二者的性能比較。
可以看出：
1、在存儲器是32位的情況下，ARM性能略好
這是因為同樣的代碼編譯的結果Thumb指令將會比ARM多30%-40%，Thumb指令仍舊花費同樣指令周期來從32-bit塊內存預取。
2、在16-bit內存上，即使有比ARM多的代碼，這時Thumb性能也較好
這是因為Thumb每一條指令預取需要一個周期而每條ARM指令需要兩個周期，因此盡管thumb指令比arm指令要多，但是依然比arm要快。
另外，在16-bit內存上，Thumb的性能降低了；這是因為數據去操作和特殊的堆棧操作，即使在Thumb下，堆棧操作仍是32-bit操作，導致低的性能在 16-bit內存架構上。
一個改進的方法是提供32-bit的內存來放置堆棧。在這種情況下的性能提高到了32-bit內存架構的水平。主要的差別是因為使用的整型的(32-bit)全局數據將仍被存儲在16-bit內存上。
另外，與ARM代碼相比較，使用Thumb代碼，存儲器的功耗會降低約30%。
小結
本節回答解釋了第一章提出的問題1和2，即在一般的情況下，Thumb指令與ARM指令的時間效率和空間效率關系為：
l Thumb代碼所需的存儲空間約為ARM代碼的60％～70％。
l Thumb代碼使用的指令數比ARM代碼多約30％～40％。
l 若使用32位的存儲器，ARM代碼比Thumb代碼快約40％。
l 若使用16位的存儲器，Thumb代碼比ARM代碼快約40％～50％。
l 與ARM代碼相比較，使用Thumb代碼，存儲器的功耗會降低約30％。
顯然，ARM指令集和Thumb指令集各有其優點。
若對系統的性能有較高要求，應使用32位的存儲系統和ARM指令集；
若對系統的成本及功耗有較高要求，則應使用16位的存儲系統和Thumb指令集。
當然，若兩者結合使用，充分發揮其各自的優點，會取得更好的效果。
