具更多指令集Cortex-M3效能大提升

更多的指令能透過幾種方式提升效能。例如像32位元Thumb指令能提供較大范圍的立即資料值、分支偏移、以及立即偏移以利資料記憶體的存取。另外，它還對DSP作業(yè)提供基本支援（像是幾個(gè)MAC指令，須用幾個(gè)時(shí)脈周期，另外還有飽和調(diào)整指令）。最后，32位元指令允許滾筒移位器和多個(gè)資料處理作業(yè)在同一個(gè)指令中操作。

然而，更大的指令集，代價(jià)就是矽元件面積與耗電都增加。在典型微控制器中，Cortex-M3的邏輯閘數(shù)量會(huì)比Cortex-M0或Cortex-M0+設(shè)計(jì)的邏輯閘多兩倍以上。但由于在多數(shù)現(xiàn)代微控制器中處理器，只占一小部分的矽元件空間，因此較大的矽元件空間以及功耗產(chǎn)生的影響也變得微不足道。

Cortex-M4處理器在許多層面相當(dāng)類似Cortex-M3，包括管線與程式開發(fā)模式。它除了支援Cortex-M3的所有功能，還額外支援DSP應(yīng)用方面的指令，像是SIMD、飽和演算法指令、以及各種能在單周期完成的MAC指令（相對于Cortex-M3的多周期指令以及有限部分），選配的浮點(diǎn)運(yùn)算單元能支援各種單精度浮點(diǎn)運(yùn)算。

Cortex-M4的SIMD作業(yè)能同時(shí)處理兩個(gè)16位元資料或4個(gè)8位元資料。舉例來說，圖2顯示QADD8以及QADD16作業(yè)。

圖2 SIMD指令范例：QADD8與QADD16

在某些DSP作業(yè)方面，由于計(jì)算能同時(shí)執(zhí)行，因此，SIMD能讓系統(tǒng)能更快運(yùn)算16位元與8位元資料。然而，在一般程式開發(fā)方面，C語言編譯器不太可能用到SIMD功能。這也導(dǎo)致Cortex-M3與Cortex-M4會(huì)產(chǎn)生大家常見的效能量測結(jié)果。然后，Cortex-M4的內(nèi)部資料通道和Cortex-M3并不相同，Cortex-M3的通道在一些案例中支援更快的資料處理（像是單周期MAC，能在一個(gè)周期內(nèi)將資料寫回兩個(gè)暫存器）。

Cortex-M7處理器的指令集支援類似Cortex-M4，另外還加入：

浮點(diǎn)運(yùn)算架構(gòu)方面，以FPv5為基礎(chǔ)而不是FPv4 （Cortex-M4所采用），因此額外加入幾個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

選配雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

支援預(yù)載資料（PLD）指令，讓系統(tǒng)預(yù)先載入快取資料。

Cortex-M7的管線和Cortex-M4有極大差異。它擁有一個(gè)6階雙發(fā)送管線，發(fā)揮更高的效能。大多數(shù)針對Cortex-M4撰寫的軟體，都能在Cortex-M7重復(fù)使用，不過軟體必須重新編譯，才能針對管線特性的差異做最好的優(yōu)化，在一些案例中，軟體還需要一些微幅更新，才能利用像是快取在內(nèi)的新功能。

Cortex-M23處理器的指令集以ARMv8-M基線sub-profile為基礎(chǔ)，同時(shí)也是ARMv6-M的超集合。額外增加的指令包括硬體除法指令；比較與分支、以及32位元分支指令；TrustZone安全延伸的指令；互斥存取指令（通常用在旗標(biāo)作業(yè)）；16位元立即生成資料指令；Load acquire與store release指令（配合C11版C語言標(biāo)準(zhǔn)支援）。

在某些情況，這些指令集的加強(qiáng)有助于提升效能。另外，對于內(nèi)含多個(gè)處理器的SoC設(shè)計(jì)也有助益（像是互斥存取在跨處理器的旗標(biāo)傳遞相當(dāng)有用）。

由于Cortex-M33的設(shè)計(jì)有極高的設(shè)定彈性，其中一些指令也屬于選配，例如像是：

DSP指令（包括Cortex-M4與Cortex-M7處理器都有支援）都屬于選配。

單精度浮點(diǎn)運(yùn)算的支援能力屬于選配。這項(xiàng)支援以FPv5為基礎(chǔ)，比Cortex-M4浮點(diǎn)運(yùn)算支援能力多了幾項(xiàng)指令。

此外，Cortex-M33還支援ARMv8-M主線sub-profile，其中包括：

TrustZone安全延伸的指令。

Load Acquire與Store Release 指令（配合C11版C語言標(biāo)準(zhǔn)的支援能力）。

ISA功能比較總結(jié)

ARMv6-M、ARMv7-M、以及ARMv8-M架構(gòu)具有為數(shù)眾多的ISA特色，很難逐一詳細(xì)介紹，所以在表3匯整其中關(guān)鍵的差異。

Cortex-M處理器中ISA其中一項(xiàng)關(guān)鍵特性就是向上相容性。Cortex-M處理器所支援的指令，系為Cortex-M0/M0+/M1的超集合（Superset）。因此，理論上如果記憶體地圖相同，Cortex-M0/M0+/M1的二進(jìn)位映像檔就能直接在Cortex-M3上運(yùn)行。Cortex-M4/M7和其他Cortex-M處理器之間也存在這樣的相容性，Cortex-M0/M0+/M1/M3的指令能在Cortex-M4/M7上執(zhí)行。

雖然Cortex-M0/M0+/M1/M3/M23處理器沒有浮點(diǎn)運(yùn)算單元選項(xiàng)，但可以用軟體來執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算。另外，本身沒有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的Cortex-M4/M7/M33也可用軟體執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算。在這些處理器中，當(dāng)使用程式處理浮點(diǎn)運(yùn)算資料，編譯程式在鏈結(jié)階段會(huì)插入所需的執(zhí)行階段函式庫函數(shù)。使用軟體來執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算，除了運(yùn)算時(shí)間變長，程式碼長度也會(huì)略為增長。但如果沒有頻繁執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算，所開發(fā)的應(yīng)用也適合采用這種類型的處理器。