Thumb指令集之： Thumb跳轉(zhuǎn)指令
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Thumb指令集中的跳轉(zhuǎn)指令分以下6種類型。
①無條件跳轉(zhuǎn)，其跳轉(zhuǎn)空間為±2KB。
②條件跳轉(zhuǎn)，其跳轉(zhuǎn)空間為±256B。
③帶返回的跳轉(zhuǎn)指令，其跳轉(zhuǎn)空間為±4MB。
④帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令（是否進(jìn)行狀態(tài)切換可以在程序中設(shè)定選擇）。
⑤帶返回和狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令（是否進(jìn)行狀態(tài)切換可以在程序中設(shè)定選擇）。
⑥第二種形式的帶返回和狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令。
下面詳細(xì)介紹各指令的特點及用途。
11.3.1跳轉(zhuǎn)指令BThumb中有兩個分支跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)被限制在有符號8位立即數(shù)所表示的范圍內(nèi)，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(kuò)展了有效跳轉(zhuǎn)范圍，跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)指令B（1）。
（1）編碼格式
可條件執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過下面的方法計算目標(biāo)地址。
·將指令中包含的8位有符號數(shù)左移一位。
·將結(jié)果符號擴(kuò)展為32位。
·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。
有條件的跳轉(zhuǎn)指令可以實現(xiàn)±256B范圍的程序跳轉(zhuǎn)。
（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(zhuǎn)的基地址。該跳轉(zhuǎn)的基地址是跳轉(zhuǎn)指令地址加4。也就是說，跳轉(zhuǎn)指令的基地址即當(dāng)前程序指針寄存器的值。
②從跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址中減去基地址形成跳轉(zhuǎn)偏移量。該偏移量應(yīng)為偶數(shù)（因為Thumb指令為半字對齊）。
③如果跳轉(zhuǎn)偏移量超出-256～+254B范圍，匯編器產(chǎn)生一個錯誤。
④將產(chǎn)生的跳轉(zhuǎn)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(chǎn)生未定義指令異常。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)指令B（2）。
（1）編碼格式
無條件執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過下面的方法計算目標(biāo)地址。
·將指令中包含的11位有符號數(shù)左移一位。
·將結(jié)果符號擴(kuò)展為32位。
·將得到的值加到PC寄存器中，即得到跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址。
有條件的跳轉(zhuǎn)指令可以實現(xiàn)±2048B范圍的程序跳轉(zhuǎn)。
（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(zhuǎn)的基地址。該跳轉(zhuǎn)的基地址是跳轉(zhuǎn)指令地址加4。也就是說，跳轉(zhuǎn)指令的基地址即當(dāng)前程序指針寄存器的值。
②從跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址中減去基地址形成跳轉(zhuǎn)偏移量。該偏移量應(yīng)為偶數(shù)（因為Thumb指令為半字對齊）。
③如果跳轉(zhuǎn)偏移量超出-2048～+2046B范圍，匯編器產(chǎn)生一個錯誤。
④將產(chǎn)生的跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。
11.3.2帶返回的無條件跳轉(zhuǎn)指令BL（1）編碼格式
帶返回的無條件跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)指令BL提供了一種在Thumb狀態(tài)下程序間相互調(diào)用的方法，當(dāng)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(nèi)跳轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)。對編譯后的兩條指令說明如下：
①H=10的BL指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的高位部分。
②H=11的BL指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過下面的方法計算目標(biāo)地址。
·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。
·將結(jié)果符號擴(kuò)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(nèi)跳轉(zhuǎn)。
（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(chǎn)生兩條Thumb跳轉(zhuǎn)指令，匯編器按照如下步驟產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)偏移量。
①形成跳轉(zhuǎn)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(biāo)地址中減去基地址，形成跳轉(zhuǎn)偏移量。
根據(jù)以上步驟所產(chǎn)生的結(jié)果是−222～+222−2之間的一個偶數(shù)，如果結(jié)果超出此范圍，匯編器將報錯。
③如果產(chǎn)生的結(jié)果在給定范圍內(nèi)，匯編器將產(chǎn)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(dāng)H=00時，該指令為無條件跳轉(zhuǎn)指令。
（5）ARM指令集中的BL指令
如果調(diào)用Thumb子程序，該指令類似于BLX<target_addr>；如果程序調(diào)用ARM子程序，該指令類似于BL<target_addr>。
11.3.3帶返回鏈接的無條件跳轉(zhuǎn)指令BLX（1）（1）編碼格式
帶返回的無條件跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)指令BLX（1）提供了一種在Thumb狀態(tài)下無條件調(diào)用ARM子程序的方法，當(dāng)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(nèi)跳轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)。對編譯后的兩條指令說明如下：
①H=10的跳轉(zhuǎn)指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)偏移量的高位部分。
②H=01的跳轉(zhuǎn)指令。該跳轉(zhuǎn)包含跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的目標(biāo)地址。指令通過下面的方法計算目標(biāo)地址。
·將H=10的BL指令的offset_11域左移12位。
·將結(jié)果符號擴(kuò)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(nèi)跳轉(zhuǎn)。
（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(chǎn)生兩條Thumb的跳轉(zhuǎn)指令，匯編器按照如下步驟產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)偏移量。
①形成跳轉(zhuǎn)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(biāo)地址的bit[1]（保證ARM狀態(tài)的字地址對齊）。
③從目標(biāo)地址中減去基地址，形成跳轉(zhuǎn)偏移量。
根據(jù)以上步驟所產(chǎn)生的結(jié)果是−222～+222−2之間的一個偶數(shù)，如果結(jié)果超出此范圍，匯編器將報錯。
④如果產(chǎn)生的結(jié)果在給定范圍內(nèi)，匯編器將產(chǎn)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>。
11.3.4帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)指令BX（1）編碼格式
帶狀態(tài)切換的跳轉(zhuǎn)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(diào)用。
（2）指令的語法格式
BX<Rm>
其中<Rm>為目標(biāo)地址寄存器，包含程序的跳轉(zhuǎn)地址。BX指令的目標(biāo)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(nèi)存對齊方式。指令的執(zhí)行結(jié)果不可預(yù)知。如果該指令使用r15作為目標(biāo)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(zhuǎn)。當(dāng)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。
11.3.5帶返回鏈接的無條件跳轉(zhuǎn)指令BLX（2）（1）編碼格式
帶返回鏈接的無條件跳轉(zhuǎn)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(diào)用。程序狀態(tài)字的T標(biāo)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(biāo)地址寄存器，r0～r14寄存器均可以做為目標(biāo)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(jié)果不可預(yù)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
11.3.6Thumb指令集中跳轉(zhuǎn)指令舉例下面的例子程序綜合使用了各種跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到Label地址
BCClabel ;如果進(jìn)位標(biāo)志為0，則跳轉(zhuǎn)
BEQlabel ;如果零標(biāo)準(zhǔn)位置1，則跳轉(zhuǎn)
BLfunc ;子程序調(diào)用
Func
…
… ;子程序體
MOVPC，LR ;子程序返回
BXr12 ;跳轉(zhuǎn)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(jìn)入ARM狀態(tài)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行Thumb代碼。
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