在嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)中,對(duì)客戶來說用什么技術(shù)、芯片不是主要的,。主要的是能否滿足要求,。高性價(jià)比,、開發(fā)門檻底,、易于使用才是硬道理。Cortex-M3是一個(gè)32位處理器內(nèi)核,。從理論上來說性價(jià)比高,。
三級(jí)流水線+分支預(yù)測(cè)
ARM Cortex-M3與ARM7內(nèi)核一樣，采用適合于微控制器應(yīng)用的三級(jí)流水線,，但增加了分支預(yù)測(cè)功能?，F(xiàn)代處理器大多采用指令預(yù)取和流水線技術(shù)，以提高處理器的指令執(zhí)行速度,。流水線處理器在正常執(zhí)行指令時(shí),，如果碰到分支（跳轉(zhuǎn)）指令，由于指令執(zhí)行的順序可能會(huì)發(fā)生變化,，指令預(yù)取隊(duì)列和流水線中的部分指令就可能作廢,，而需要從新的地址重新取指、執(zhí)行,，這樣就會(huì)使流水線“斷流”,，處理器性能因此而受到影響。特別是現(xiàn)代C語(yǔ)言程序,，經(jīng)編譯器優(yōu)化生成的目標(biāo)代碼中,，分支指令所占的比例可達(dá)10-20%，對(duì)流水線處理器的影響會(huì)的更大,。為此,，現(xiàn)代高性能流水線處理器中一般都加入了分支預(yù)測(cè)部件，就是在處理器從存儲(chǔ)器預(yù)取指令時(shí),，當(dāng)遇到分支（跳轉(zhuǎn)）指令時(shí),，能自動(dòng)預(yù)測(cè)跳轉(zhuǎn)是否會(huì)發(fā)生，再?gòu)念A(yù)測(cè)的方向進(jìn)行取指，從而提供給流水線連續(xù)的指令流,，流水線就可以不斷地執(zhí)行有效指令,，保證了其性能的發(fā)揮。
ARM Cortex-M3內(nèi)核的預(yù)取部件具有分支預(yù)測(cè)功能,，可以預(yù)取分支目標(biāo)地址的指令,，使分支延遲減少到一個(gè)時(shí)鐘周期。
哈佛結(jié)構(gòu)
ARMCortex-M3采用哈佛結(jié)構(gòu),，并選擇了適合于微控制器應(yīng)用的三級(jí)流水線,，但增加了分支預(yù)測(cè)功能。
從內(nèi)核訪問指令和數(shù)據(jù)的不同空間與總線結(jié)構(gòu),，可以把處理器分為哈佛結(jié)構(gòu)和普林斯頓結(jié)構(gòu)（或馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)）,。馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的機(jī)器指令、數(shù)據(jù)和I/O共用一條總線,，這樣內(nèi)核在取指時(shí)就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫,，反之亦然。這在傳統(tǒng)的非流水線處理器（如MCS51）上是沒有什么問題的,，它們?nèi)≈?、?zhí)行分時(shí)進(jìn)行，不會(huì)發(fā)生沖突,。但在現(xiàn)代流水線處理器上,，由于取指、譯碼和執(zhí)行是同時(shí)進(jìn)行的（不是同一條指令）,，一條總線就會(huì)發(fā)生總線沖突,，必須插入延遲等待，從而影響了系統(tǒng)性能,。ARM7TDMI內(nèi)核就是這種結(jié)構(gòu)的,。
而哈佛結(jié)構(gòu)的處理器采用獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以同時(shí)進(jìn)行取指和數(shù)據(jù)讀寫操作,，從而提高了處理器的運(yùn)行性能,。ARM Cortex-M3,、ARM966E,、ARM926EJ、ARM1136JF等內(nèi)核都采用了哈佛結(jié)構(gòu),。
內(nèi)置嵌套向量中斷控制器（NVIC）
針對(duì)業(yè)界對(duì)ARM處理器中斷響應(yīng)的問題,，Cortex-M3首次在內(nèi)核上集成了嵌套向量中斷控制器（NVIC）。Cortex-M3的中斷延遲只有12個(gè)時(shí)鐘周期(ARM7需要24-42個(gè)周期),；Cortex-M3還使用尾鏈技術(shù),，使得背靠背（back-to-back）中斷的響應(yīng)只需要6個(gè)時(shí)鐘周期(ARM7需要大于30個(gè)周期)。以STM32運(yùn)行在75MHz為例，中斷延遲只有80ns-160ns,。另外,，Cortex-M3采用了基于棧的異常模式，使得芯片初始化的封裝更為簡(jiǎn)單,。
ARM7TDMI內(nèi)核不帶中斷控制器,，具體MCU的中斷控制器是各芯片廠商自己加入的，這使得各廠商的ARM7 MCU中斷控制部分都不一樣,，給用戶使用及程序移植帶來了很大麻煩,。Cortex-M3內(nèi)核集成NVIC，各廠商生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的MCU都具有統(tǒng)一的中斷控制器,，對(duì)用戶使用各種Cortex-M3 MCU,，特別是中斷編程帶來了很大的便利。
支持位綁定操作
以前的ARM內(nèi)核不支持位操作,，當(dāng)需要對(duì)一個(gè)變量或端口的某一位操作時(shí),，先要用邏輯與/或指令屏蔽其他的位，使位操作需要較多的指令和時(shí)鐘周期,。ARM Cortex-M3采用了一種特殊的方法——位綁定：把一個(gè)地址單元的32位變量中的每一位,，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的地址轉(zhuǎn)換算法，映射到另一個(gè)地址空間,，每一位占用一個(gè)地址,，對(duì)此地址空間的操作，只有數(shù)據(jù)的最低一位是有效的,，其余高31位的值被忽略,。相當(dāng)于把一個(gè)“橫”的32位字給“豎”起來。這樣對(duì)新的映射空間操作時(shí),，就可以不用屏蔽操作,，優(yōu)化了RAM和I/O寄存器的讀寫，提高了位操作的速度,。
這種方法粗看起來好像損失了很多地址空間,，其實(shí)對(duì)于32位的ARM處理器而言，總共可以尋址4GB的空間,，而對(duì)于一個(gè)MCU來說,，一般只用到幾百KB的空間。所以這種處理方法絲毫不會(huì)影響一個(gè)MCU的正常使用,，又大大簡(jiǎn)化了處理器的設(shè)計(jì),，可以說是一種良策。
支持串行調(diào)試（SWD）
ARM處理器一般都使用JTAG調(diào)試接口,，使得仿真,、調(diào)試工具統(tǒng)一而廉價(jià),，方便了用戶開發(fā)。但JTAG調(diào)試接口至少要占用芯片的5-6個(gè)引腳,，這對(duì)于一些引腳較少的MCU來說,，有時(shí)會(huì)對(duì)仿真調(diào)試和I/O使用帶來麻煩。
ARM Cortex-M3在保持原來JTAG調(diào)試接口的基礎(chǔ)上,，還支持串行調(diào)試（SWD）,。使用SWD時(shí)，只占用2個(gè)引腳,，就可以進(jìn)行所有的仿真和調(diào)試,，節(jié)省了調(diào)試用引腳，用戶就可以使用更多的引腳,。
另外,，Cortex-M3支持8個(gè)硬件斷點(diǎn)（ARM7、ARM9只支持2個(gè)硬件斷點(diǎn)）,，可以減少斷點(diǎn)調(diào)試時(shí)對(duì)代碼的影響,，保證仿真、調(diào)試的時(shí)序準(zhǔn)確性,。
內(nèi)核支持低功耗模式
ARM內(nèi)核已經(jīng)是一個(gè)高性能,、低功耗的內(nèi)核，但ARM7,、ARM9等內(nèi)核本身只有運(yùn)行/停止模式,，沒有其他模式。各芯片廠商只能在內(nèi)核基礎(chǔ)上,，對(duì)各自加入的外設(shè)定義各種低功耗模式,。Cortex-M3加入了類似于8位處理器的內(nèi)核低功耗模式，支持3種功耗管理模式：通過一條指令立即睡眠,；異常/中斷退出時(shí)睡眠,；深度睡眠。使整個(gè)芯片的功耗控制更為有效,。以STM32為例,，其RAM和寄存器狀態(tài)保持的停機(jī)模式耗電僅為14uA，從此狀態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間僅為7us,。
Cortex-M3的運(yùn)行功耗（Active Mode）也很低,。以STM32系列微控制器為例，其典型功耗約為500uA/MHz,，也只是目前業(yè)界超低功耗單片機(jī)MSP430系列（約為250uA/MHz）的2倍,。但MSP430是16位處理器,，而STM32是32位處理器,。
高效的Thumb2 16/32位混合指令集
ARM7,、ARM9等內(nèi)核使用不同的處理器狀態(tài)分別執(zhí)行32位的ARM指令和16位的Thumb指令，使用狀態(tài)切換指令完成ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)的切換,。Cortex-M3使用更高效的Thumb2指令集,，它是一種16/32位混合編碼指令，兼容Thumb指令,。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用程序編譯生成的Thumb2代碼,，以接近Thumb編碼的代碼尺寸，達(dá)到了接近ARM編碼的運(yùn)行性能,。Thumb2是一種緊湊,、高效的新一代指令集。
Thumb2指令集是面向高級(jí)語(yǔ)言的指令集,，適合于C語(yǔ)言編程,，由編譯器生成目標(biāo)代碼，不建議直接使用Thumb2匯編語(yǔ)言編程,。
32位硬件除法和單周期乘法
以往的ARM處理器沒有除法指令,，在某些除法密集型應(yīng)用中性能不盡如意。Cortex-M3加入了32位除法指令,，彌補(bǔ)了這一缺陷,，使Cortex-M3可以和其他通用處理器一樣，完成各種數(shù)學(xué)運(yùn)算操作,。
Cortex-M3還改進(jìn)了乘法運(yùn)算部件,，32結(jié)果的32位x32位乘法操作只要一個(gè)時(shí)鐘周期。這一性能使得使用Cortex-M3來進(jìn)行乘,、乘加運(yùn)算時(shí),，已逼近DSP的性能，因此特別適合一些需要簡(jiǎn)單DSP的應(yīng)用領(lǐng)域,，如電機(jī)控制,、數(shù)字濾波、FFT變換等,。
需要指出的是,，32位的乘/除運(yùn)算，對(duì)于一個(gè)8位機(jī)而言,，已經(jīng)是一段比較復(fù)雜的程序,，而對(duì)于32位的Cortex-M3而言，只需一句指令,。因此,，即使二者工作主頻一樣，實(shí)際運(yùn)行性能也不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的,。
支持存儲(chǔ)器非對(duì)齊訪問
基于Cortex-M3的MCU,，為提高性能,，其內(nèi)部存儲(chǔ)器（Flash、RAM）都是32位編址的,。這樣當(dāng)常量,、變量是字節(jié)或半字類型時(shí)，如果處理器只支持對(duì)齊訪問（以往的處理器都是如此）,，那么這些字節(jié)/半字類型的數(shù)據(jù)也必須被分配,、占用一個(gè)32位的存儲(chǔ)單元，這樣就浪費(fèi)了部分存儲(chǔ)空間,。
Cortex-M3支持存儲(chǔ)器的非對(duì)齊訪問,，它可以訪問存儲(chǔ)在一個(gè)32位單元中的字節(jié)/半字類型數(shù)據(jù)，這樣4個(gè)字節(jié)類型（或2個(gè)半字類型）數(shù)據(jù)可以被分配在一個(gè)32位的單元中,，提高了存儲(chǔ)器的利用率,。對(duì)于一般的應(yīng)用程序而言，這種技術(shù)可以節(jié)省約25%的SRAM使用量,，從而可以選擇SRAM較小,、更廉價(jià)的MCU。
定義了統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射
ARM7,、ARM9等內(nèi)核沒有定義存儲(chǔ)器映射,，各芯片廠商自己定義了存儲(chǔ)器映射，這使得各廠商的MCU存儲(chǔ)器映射都不完全一致,，給用戶學(xué)習(xí)使用及程序移植帶來了麻煩,。
Cortex-M3內(nèi)核定義了統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射，各廠商生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器芯片都具有一致的存儲(chǔ)器映射,，對(duì)用戶使用各種基于Cortex-M3的 MCU以及代碼在不同MCU上的移植帶來了很大的便利,。
嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)服務(wù)商朗銳智科（www.lrist.com）認(rèn)為基于Cortex-M3的微控制器相比于ARM7TDMI的微控制器，在相同的工作時(shí)鐘頻率下：平均性能要高約30%,；代碼尺寸要比ARM編碼小約30%,；價(jià)格一般也更低。以STM32系列Cortex-M3微控制為例,，工作頻率可達(dá)75MHz,，而價(jià)格比STR71x系列ARM7TDMI芯片要低約30%，具有極高的性價(jià)比,。目前已有的芯片的功能太少,。Cortex M系列在處理能力基本與ARM7同，主要是成本低,，功耗小,。