Cortex-M3:32位的處理器内核-中文百科頻道

概述

Cortex-M3是一個32位處理器内核。内部的數據路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖。這樣一來數據訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實現這個特性，CM3内部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應用場合優化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數據總線共享同一個存儲器空間（一個統一的存儲器系統）。換句話說，不是因為有兩條總線，可尋址空間就變成8GB了。

比較複雜的應用可能需要更多的存儲系統功能，為此CM3提供一個可選的MPU，而且在需要的情況下也可以使用外部的cache。另外在CM3中，Both小端模式和大端模式都是支持的。

CM3内部還附贈了好多調試組件，用于在硬件水平上支持調試操作，如指令斷點，數據觀察點等。另外，為支持更高級的調試，還有其它可選組件，包括指令跟蹤和多種類型的調試接口。

内核架構

ARMCortex-M3采用哈佛結構，并選擇了适合于微控制器應用的三級流水線，但增加了分支預測功能。

現代處理器大多采用指令預取和流水線技術，以提高處理器的指令執行速度。流水線處理器在正常執行指令時，如果碰到分支（跳轉）指令，由于指令執行的順序可能會發生變化，指令預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、執行，這樣就會使流水線“斷流”，處理器性能因此而受到影響。特别是現代C語言程序，經編譯器優化生成的目标代碼中，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，現代高性能流水線處理器中一般都加入了分支預測部件，就是在處理器從存儲器預取指令時，當遇到分支（跳轉）指令時，能自動預測跳轉是否會發生，再從預測的方向進行取指，從而提供給流水線連續的指令流，流水線就可以不斷地執行有效指令，保證了其性能的發揮。

ARMCortex-M3内核的預取部件具有分支預測功能，可以預取分支目标地址的指令，使分支延遲減少到一個時鐘周期。

針對業界對ARM處理器中斷響應的問題，Cortex-M3首次在内核上集成了嵌套向量中斷控制器（NVIC）。Cortex-M3的中斷延遲隻有12個時鐘周期(ARM7需要24-42個周期)；Cortex-M3還使用尾鍊技術，使得背靠背（back-to-back）中斷的響應隻需要6個時鐘周期(ARM7需要大于30個周期)。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。

Cortex-M3加入了類似于8位處理器的内核低功耗模式，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。

特點

高性能

 許多指令都是單周期的——包括乘法相關指令。并且從整體性能上，Cortex-M3比得過絕大多數其它的架構。

 指令總線和數據總線被分開，取值和訪内可以并行不悖

 Thumb-2的到來告别了狀态切換的舊世代，再也不需要花時間來切換于32位ARM狀态和16位Thumb狀态之間了。這簡化了軟件開發和代碼維護，使産品面市更快。

 Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性。許多數據操作現在能用更短的代碼搞定，這意味着Cortex-M3的代碼密度更高，也就對存儲器的需求更少。

 取指都按32位處理。同一周期最多可以取出兩條指令，留下了更多的帶寬給數據傳輸。

 Cortex-M3的設計允許單片機高頻運行（現代半導體制造技術能保證100MHz以上的速度）。即使在相同的速度下運行，CM3的每指令周期數(CPI)也更低，于是同樣的MHz下可以做更多的工作；另一方面，也使同一個應用在CM3上需要更低的主頻。

2.11.2 先進的中斷處理功能

 内建的嵌套向量中斷控制器支持多達240條外部中斷輸入。向量化的中斷功能劇烈地縮短了中斷延遲，因為不再需要軟件去判斷中斷源。中斷的嵌套也是在硬件水平上實現的，不需要軟件代碼來實現。

 Cortex-M3在進入異常服務例程時，自動壓棧了R0-R3, R12, LR, PSR和PC，并且在返回時自動彈出它們，這多清爽！既加速了中斷的響應，也再不需要彙編語言代碼了（第8章有詳述）。

 NVIC支持對每一路中斷設置不同的優先級，使得中斷管理極富彈性。最粗線條的實現也至少要支持8級優先級，而且還能動态地被修改。

 優化中斷響應還有兩招，它們分别是“咬尾中斷機制”和“晚到中斷機制”。

 有些需要較多周期才能執行完的指令，是可以被中斷－繼續的——就好比它們是一串指令一樣。這些指令包括加載多個寄存器（LDM），存儲多個寄存器（STM），多個寄存器參與的PUSH，以及多個寄存器參與的POP。

 除非系統被徹底地鎖定，NMI（不可屏蔽中斷）會在收到請求的第一時間予以響應。對于很多安全-關鍵(safety-critical)的應用，NMI都是必不不可少的（如化學反應即将失控時的緊急停機）。

低功耗

 Cortex-M3需要的邏輯門數少，所以先天就适合低功耗要求的應用（功率低于0.19mW/MHz）在内核水平上支持節能模式（SLEEPING和SLEEPDEEP位）。通過使用“等待中斷指令（WFI）”和“等待事件指令（WFE）”，内核可以進入睡眠模式，并且以不同的方式喚醒。另外，模塊的時鐘是盡可能地分開供應的，所以在睡眠時可以把CM3的大多數“官能團”給停掉。

 CM3的設計是全靜态的、同步的、可綜合的。任何低功耗的或是标準的半導體工藝均可放心飲用。

系統特性

 系統支持“位尋址帶”操作（8051位尋址機制的“威力大幅加強版”），字節不變的大端模式，并且支持非對齊的數據訪問。

 擁有先進的fault處理機制，支持多種類型的異常和faults，使故障診斷更容易。

 通過引入banked堆棧指針機制，把系統程序使用的堆棧和用戶程序使用的堆棧劃清界線。如果再配上可選的MPU，處理器就能徹底滿足對軟件健壯性和可靠性有嚴格要求的應用。

調試支持

 在支持傳統的JTAG基礎上，還支持更新更好的串行線調試接口。

 基于CoreSight調試解決方案，使得處理器哪怕是在運行時，也能訪問處理器狀态和存儲器内容。

 内建了對多達6個斷點和4個數據觀察點的支持。

 可以選配一個ETM，用于指令跟蹤。數據的跟蹤可以使用DWT

 在調試方面還加入了以下的新特性，包括fault狀态寄存器，新的fault異常，以及閃存修補（patch）操作，使得調試大幅簡化。

 可選ITM模塊，測試代碼可以通過它輸出調試信息，而且“拎包即可入住”般地方便使用。