ARM Thumb/Thumb-2 性能

Question

我正在研究具有 Thumb-2 指令集的 ARM Cortex-M3 Controller 。
Thumb 模式用于将指令压缩为 16 位大小。
因此减少了代码的大小。但是正常的Thumb模式下，为什么说性能下降呢？
在 Thumb-2 的情况下，据说根据以下两个链接提高了性能:

Wikipedia

Arm.com

Improve performance in cases where a single 16-bit instruction restricts functions available to the compiler.

A stated aim for Thumb-2 was to achieve code density similar to Thumb with performance similar to the ARM instruction set on 32-bit memory.

这究竟是什么表现？有人可以举几个与之相关的例子吗？

Answer 1

与 ARM 32 位指令集相比，thumb 16 位指令集(尚未谈论 thumb2 扩展)占用的空间更少，因为指令的大小是其一半，但性能下降，一般来说，因为它需要更多的指令做与 ARM 相同的事情。指令集功能较少，大部分指令只对寄存器r0-r7进行操作。 Apples 与 Apples 比较，做同样事情的指令越多越慢。

现在thumb2 扩展采用以前未定义的thumb 指令并创建32 位thumb 指令。了解有不止一套 thumb2 扩展。 ARMv6m 可能增加了几十个。 ARMv7m 向拇指指令集添加了 150 条指令，我不知道 ARMv8 或 future 会怎样。因此，假设使用 ARMv7m，它们已经弥合了您可以在拇指中执行的操作与您可以在 ARM 中执行的操作之间的差距。因此，thumb2 与thumb 一样是精简的ARM 指令集，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，arm 中的单个指令和拇指中的等价物。

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，编译器会知道它是针对拇指并通过选择其他寄存器来做不同的事情。每条指令的寄存器和功能仍然较少:

mov r0,r1
and r0,r2

仍然需要两个指令/执行周期将两个寄存器放在一起，而不修改操作数，并将结果放在第三个寄存器中。 Thumb2 具有三个寄存器，因此您将返回到使用 thumb2 扩展的单个指令。并且该thumb2 指令允许在thumb 被限制为r0-r7 的三个寄存器中的任何一个上使用r0-r15。

查看 ARMv5 架构引用手册，在每个拇指指令下，它显示了等效的 ARM 指令。然后转到该 ARM 指令并比较您可以使用该 arm 指令执行哪些操作，而使用拇指指令则无法执行该指令。这是拇指指令(不是拇指2)与ARM指令一对一关系的单向路径。所有拇指指令都有一个等效的 ARM 指令。但并非所有 arm 指令都有等效的拇指指令。您应该能够从本练习中看到使用拇指指令集时对编译器的限制。然后拿到 ARMv7m 架构引用手册，查看指令集，比较“所有拇指变体”编码(包括 ARMv4T 的编码)和仅限于 ARMv6 和/或 v7 的编码，并查看拇指之间的功能扩展和thumb2 以及thumb2 only 没有对应thumb 的指令。这应该澄清编译器必须在拇指和拇指2之间使用什么。然后，您甚至可以将 thumb+thumb2 与完整的 ARM 指令进行比较(ARMv7 AR 就是所谓的？)。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，所以在拇指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 而没有分支.. .