在嵌入式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)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(kāi)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(lái)說(shuō)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。現(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(wèn)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(méi)有什么問(wèn)題的，它們?nèi)≈浮?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(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)。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(lái)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(lái)說(shuō)，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(shuō)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(kāi)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(lái)說(shuō)，有時(shí)會(huì)對(duì)仿真調(diào)試和I/O使用帶來(lái)麻煩。

ARM Cortex-M3在保持原來(lái)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(méi)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(guò)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(méi)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(lái)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(wèn)

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(wèn)（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(wèn)，它可以訪問(wèn)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(méi)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(lái)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(lái)了很大的便利。

嵌入式開(kāi)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。

來(lái)源：朗銳智科