在嵌入式開發(fā)設(shè)計中,對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。高性價比,、開發(fā)門檻底,、易于使用才是硬道理。Cortex-M3是一個32位處理器內(nèi)核,。從理論上來說性價比高,。

    三級流水線+分支預(yù)測

　　ARM Cortex-M3與ARM7內(nèi)核一樣，采用適合于微控制器應(yīng)用的三級流水線,，但增加了分支預(yù)測功能?，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,，如果碰到分支（跳轉(zhuǎn)）指令，由于指令執(zhí)行的順序可能會發(fā)生變化,，指令預(yù)取隊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語言程序,，經(jīng)編譯器優(yōu)化生成的目標代碼中,，分支指令所占的比例可達10-20%，對流水線處理器的影響會的更大,。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)測部件，就是在處理器從存儲器預(yù)取指令時,，當遇到分支（跳轉(zhuǎn)）指令時,，能自動預(yù)測跳轉(zhuǎn)是否會發(fā)生，再從預(yù)測的方向進行取指,，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)測功能,，可以預(yù)取分支目標地址的指令，使分支延遲減少到一個時鐘周期,。

　　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)用的三級流水線，但增加了分支預(yù)測功能,。

　　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)核在取指時就不能進行數(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)≈浮?zhí)行分時進行,，不會發(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)行是同時進行的（不是同一條指令）,，一條總線就會發(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)的處理器采用獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線,，可以同時進行取指和數(shù)據(jù)讀寫操作,，從而提高了處理器的運行性能。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）

　　針對業(yè)界對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個時鐘周期(ARM7需要24-42個周期),；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個時鐘周期(ARM7需要大于30個周期)。以STM32運行在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,，當需要對一個變量或端口的某一位操作時,，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鐘周期,。ARM Cortex-M3采用了一種特殊的方法——位綁定：把一個地址單元的32位變量中的每一位,，通過一個簡單的地址轉(zhuǎn)換算法，映射到另一個地址空間,，每一位占用一個地址,，對此地址空間的操作，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,。相當于把一個“橫”的32位字給“豎”起來。這樣對新的映射空間操作時,，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,，其實對于32位的ARM處理器而言，總共可以尋址4GB的空間,，而對于一個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影響一個MCU的正常使用,，又大大簡化了處理器的設(shè)計,，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，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個引腳,，這對于一些引腳較少的MCU來說,，有時會對仿真調(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，只占用2個引腳,，就可以進行所有的仿真和調(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個硬件斷點（ARM7,、ARM9只支持2個硬件斷點）,，可以減少斷點調(diào)試時對代碼的影響，保證仿真,、調(diào)試的時序準確性,。

　　內(nèi)核支持低功耗模式

　　ARM內(nèi)核已經(jīng)是一個高性能、低功耗的內(nèi)核,，但ARM7,、ARM9等內(nèi)核本身只有運行/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/中斷退出時睡眠；深度睡眠,。使整個芯片的功耗控制更為有效,。以STM32為例，其RAM和寄存器狀態(tài)保持的停機模式耗電僅為14uA,，從此狀態(tài)的啟動時間僅為7us,。

　　Cortex-M3的運行功耗（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,。對于一個應(yīng)用程序編譯生成的Thumb2代碼,，以接近Thumb編碼的代碼尺寸，達到了接近ARM編碼的運行性能,。Thumb2是一種緊湊,、高效的新一代指令集。

　　Thumb2指令集是面向高級語言的指令集,，適合于C語言編程,，由編譯器生成目標代碼，不建議直接使用Thumb2匯編語言編程,。

　　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)運算操作,。

　　Cortex-M3還改進了乘法運算部件,，32結(jié)果的32位x32位乘法操作只要一個時鐘周期。這一性能使得使用Cortex-M3來進行乘,、乘加運算時,，已逼近DSP的性能，因此特別適合一些需要簡單DSP的應(yīng)用領(lǐng)域,，如電機控制,、數(shù)字濾波、FFT變換等,。

　　需要指出的是,，32位的乘/除運算，對于一個8位機而言,，已經(jīng)是一段比較復(fù)雜的程序,，而對于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，實際運行性能也不是一個數(shù)量級的,。

　　支持存儲器非對齊訪問

　　基于Cortex-M3的MCU,，為提高性能，其內(nèi)部存儲器（Flash,、RAM）都是32位編址的,。這樣當常量,、變量是字節(jié)或半字類型時，如果處理器只支持對齊訪問（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32位的存儲單元，這樣就浪費了部分存儲空間,。

　　Cortex-M3支持存儲器的非對齊訪問,，它可以訪問存儲在一個32位單元中的字節(jié)/半字類型數(shù)據(jù)，這樣4個字節(jié)類型（或2個半字類型）數(shù)據(jù)可以被分配在一個32位的單元中,，提高了存儲器的利用率,。對于一般的應(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、更廉價的MCU,。

　　定義了統(tǒng)一的存儲器映射

　　ARM7,、ARM9等內(nèi)核沒有定義存儲器映射，各芯片廠商自己定義了存儲器映射,，這使得各廠商的MCU存儲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器映射,，對用戶使用各種基于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)計服務(wù)商朗銳智科（www.lrist.com）認為基于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%；價格一般也更低,。以STM32系列Cortex-M3微控制為例,，工作頻率可達75MHz，而價格比STR71x系列ARM7TDMI芯片要低約30%,，具有極高的性價比,。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。