嵌入式开发 ARM Cortex-M3处理器具有怎样的优势

ASDFGH10002 2019-09-23 2500

嵌入式技术

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描述

在嵌入式开发设计中，对客户来说用什么技术、芯片不是主要的。主要的是能否满足要求。高性价比、开发门槛底、易于使用才是硬道理。Cortex-M3是一个32位处理器内核。从理论上来说性价比高。

三级流水线+分支预测

ARM Cortex-M3与ARM7内核一样，采用适合于微控制器应用的三级流水线，但增加了分支预测功能。现代处理器大多采用指令预取和流水线技术，以提高处理器的指令执行速度。流水线处理器在正常执行指令时，如果碰到分支（跳转）指令，由于指令执行的顺序可能会发生变化，指令预取队列和流水线中的部分指令就可能作废，而需要从新的地址重新取指、执行，这样就会使流水线“断流”，处理器性能因此而受到影响。特别是现代C语言程序，经编译器优化生成的目标代码中，分支指令所占的比例可达10-20%，对流水线处理器的影响会的更大。为此，现代高性能流水线处理器中一般都加入了分支预测部件，就是在处理器从存储器预取指令时，当遇到分支（跳转）指令时，能自动预测跳转是否会发生，再从预测的方向进行取指，从而提供给流水线连续的指令流，流水线就可以不断地执行有效指令，保证了其性能的发挥。

ARM Cortex-M3内核的预取部件具有分支预测功能，可以预取分支目标地址的指令，使分支延迟减少到一个时钟周期。

哈佛结构

ARMCortex-M3采用哈佛结构，并选择了适合于微控制器应用的三级流水线，但增加了分支预测功能。

从内核访问指令和数据的不同空间与总线结构，可以把处理器分为哈佛结构和普林斯顿结构（或冯。诺伊曼结构）。冯。诺伊曼结构的机器指令、数据和I/O共用一条总线，这样内核在取指时就不能进行数据读写，反之亦然。这在传统的非流水线处理器（如MCS51）上是没有什么问题的，它们取指、执行分时进行，不会发生冲突。但在现代流水线处理器上，由于取指、译码和执行是同时进行的（不是同一条指令），一条总线就会发生总线冲突，必须插入延迟等待，从而影响了系统性能。ARM7TDMI内核就是这种结构的。

而哈佛结构的处理器采用独立的指令总线和数据总线，可以同时进行取指和数据读写操作，从而提高了处理器的运行性能。ARM Cortex-M3、ARM966E、ARM926EJ、ARM1136JF等内核都采用了哈佛结构。

内置嵌套向量中断控制器（NVIC）

针对业界对ARM处理器中断响应的问题，Cortex-M3首次在内核上集成了嵌套向量中断控制器（NVIC）。Cortex-M3的中断延迟只有12个时钟周期（ARM7需要24-42个周期）；Cortex-M3还使用尾链技术，使得背靠背（back-to-back）中断的响应只需要6个时钟周期（ARM7需要大于30个周期）。以STM32运行在75MHz为例，中断延迟只有80ns-160ns。另外，Cortex-M3采用了基于栈的异常模式，使得芯片初始化的封装更为简单。

ARM7TDMI内核不带中断控制器，具体MCU的中断控制器是各芯片厂商自己加入的，这使得各厂商的ARM7 MCU中断控制部分都不一样，给用户使用及程序移植带来了很大麻烦。Cortex-M3内核集成NVIC，各厂商生产的基于Cortex-M3内核的MCU都具有统一的中断控制器，对用户使用各种Cortex-M3 MCU，特别是中断编程带来了很大的便利。

支持位绑定操作

以前的ARM内核不支持位操作，当需要对一个变量或端口的某一位操作时，先要用逻辑与/或指令屏蔽其他的位，使位操作需要较多的指令和时钟周期。ARM Cortex-M3采用了一种特殊的方法——位绑定：把一个地址单元的32位变量中的每一位，通过一个简单的地址转换算法，映射到另一个地址空间，每一位占用一个地址，对此地址空间的操作，只有数据的最低一位是有效的，其余高31位的值被忽略。相当于把一个“横”的32位字给“竖”起来。这样对新的映射空间操作时，就可以不用屏蔽操作，优化了RAM和I/O寄存器的读写，提高了位操作的速度。

这种方法粗看起来好像损失了很多地址空间，其实对于32位的ARM处理器而言，总共可以寻址4GB的空间，而对于一个MCU来说，一般只用到几百KB的空间。所以这种处理方法丝毫不会影响一个MCU的正常使用，又大大简化了处理器的设计，可以说是一种良策。

支持串行调试（SWD）

ARM处理器一般都使用JTAG调试接口，使得仿真、调试工具统一而廉价，方便了用户开发。但JTAG调试接口至少要占用芯片的5-6个引脚，这对于一些引脚较少的MCU来说，有时会对仿真调试和I/O使用带来麻烦。

ARM Cortex-M3在保持原来JTAG调试接口的基础上，还支持串行调试（SWD）。使用SWD时，只占用2个引脚，就可以进行所有的仿真和调试，节省了调试用引脚，用户就可以使用更多的引脚。

另外，Cortex-M3支持8个硬件断点（ARM7、ARM9只支持2个硬件断点），可以减少断点调试时对代码的影响，保证仿真、调试的时序准确性。

内核支持低功耗模式

ARM内核已经是一个高性能、低功耗的内核，但ARM7、ARM9等内核本身只有运行/停止模式，没有其他模式。各芯片厂商只能在内核基础上，对各自加入的外设定义各种低功耗模式。Cortex-M3加入了类似于8位处理器的内核低功耗模式，支持3种功耗管理模式：通过一条指令立即睡眠；异常/中断退出时睡眠；深度睡眠。使整个芯片的功耗控制更为有效。以STM32为例，其RAM和寄存器状态保持的停机模式耗电仅为14uA，从此状态的启动时间仅为7us。

Cortex-M3的运行功耗（Active Mode）也很低。以STM32系列微控制器为例，其典型功耗约为500uA/MHz，也只是目前业界超低功耗单片机MSP430系列（约为250uA/MHz）的2倍。但MSP430是16位处理器，而STM32是32位处理器。

高效的Thumb2 16/32位混合指令集

ARM7、ARM9等内核使用不同的处理器状态分别执行32位的ARM指令和16位的Thumb指令，使用状态切换指令完成ARM状态和Thumb状态的切换。Cortex-M3使用更高效的Thumb2指令集，它是一种16/32位混合编码指令，兼容Thumb指令。对于一个应用程序编译生成的Thumb2代码，以接近Thumb编码的代码尺寸，达到了接近ARM编码的运行性能。Thumb2是一种紧凑、高效的新一代指令集。

Thumb2指令集是面向高级语言的指令集，适合于C语言编程，由编译器生成目标代码，不建议直接使用Thumb2汇编语言编程。

32位硬件除法和单周期乘法

以往的ARM处理器没有除法指令，在某些除法密集型应用中性能不尽如意。Cortex-M3加入了32位除法指令，弥补了这一缺陷，使Cortex-M3可以和其他通用处理器一样，完成各种数学运算操作。

Cortex-M3还改进了乘法运算部件，32结果的32位x32位乘法操作只要一个时钟周期。这一性能使得使用Cortex-M3来进行乘、乘加运算时，已逼近DSP的性能，因此特别适合一些需要简单DSP的应用领域，如电机控制、数字滤波、FFT变换等。

需要指出的是，32位的乘/除运算，对于一个8位机而言，已经是一段比较复杂的程序，而对于32位的Cortex-M3而言，只需一句指令。因此，即使二者工作主频一样，实际运行性能也不是一个数量级的。

支持存储器非对齐访问

基于Cortex-M3的MCU，为提高性能，其内部存储器（Flash、RAM）都是32位编址的。这样当常量、变量是字节或半字类型时，如果处理器只支持对齐访问（以往的处理器都是如此），那么这些字节/半字类型的数据也必须被分配、占用一个32位的存储单元，这样就浪费了部分存储空间。

Cortex-M3支持存储器的非对齐访问，它可以访问存储在一个32位单元中的字节/半字类型数据，这样4个字节类型（或2个半字类型）数据可以被分配在一个32位的单元中，提高了存储器的利用率。对于一般的应用程序而言，这种技术可以节省约25%的SRAM使用量，从而可以选择SRAM较小、更廉价的MCU。

定义了统一的存储器映射

ARM7、ARM9等内核没有定义存储器映射，各芯片厂商自己定义了存储器映射，这使得各厂商的MCU存储器映射都不完全一致，给用户学习使用及程序移植带来了麻烦。

Cortex-M3内核定义了统一的存储器映射，各厂商生产的基于Cortex-M3内核的微控制器芯片都具有一致的存储器映射，对用户使用各种基于Cortex-M3的 MCU以及代码在不同MCU上的移植带来了很大的便利。

嵌入式开发设计服务商朗锐智科（www.lrist.com）认为基于Cortex-M3的微控制器相比于ARM7TDMI的微控制器，在相同的工作时钟频率下：平均性能要高约30%；代码尺寸要比ARM编码小约30%；价格一般也更低。以STM32系列Cortex-M3微控制为例，工作频率可达75MHz，而价格比STR71x系列ARM7TDMI芯片要低约30%，具有极高的性价比。目前已有的芯片的功能太少。Cortex M系列在处理能力基本与ARM7同，主要是成本低，功耗小。

来源：朗锐智科

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