为什么说Cortex-M是低功耗应用的首选

虽然Cortex-M处理器家族目标瞄准效能光谱较低端的区域，但是和大多数微控制器（MCU）采用的其他典型处理器相比，Cortex-M的效能依然算相当强悍。举例来说，像是许多高效能微控制器所采用的Cortex-M4与Cortex-M7处理器，其最高时脉频率就高达400MHz。

当然在选择处理器时效能并非唯一考量的因素。在许多应用中，低功耗与成本是顾客最关切的标准。因此，Cortex-M处理器家族纳入各种类型的产品来因应不同的需求（表1）。

Cortex-M和传统ARM处理器（像是ARM7TDMI、ARM9）大相径庭之处，就是大幅改造的架构。举例来说：

·仅支援ARM Thumb指令，但在Thumb-2中，已延伸成能支援16位元与32位元指令。

·中断处理任务，由名为巢状向量中断控制器（NVIC）的内建中断控制器执行，NVIC提供自动优先排程、中断遮罩与巢状配置、以及系统例外处理。

·中断处理程序（Handler）可写成正规的C语言函式以及向量化中断处理机制，不须使用软体去判断该服务哪个中断。而中断的回应则属于决定性，并具有低延迟特性。

·中断向量表方面，从分支指令改成中断的起始位址以及系统例外处理程序。

·暂存器区块（bank）以及程式开发模式的部分细节亦有所变动。

这些改变意谓许多针对传统ARM处理器撰写的组合语言程式码必须进行修改，而旧的Projects档在移植到Cortex-M时必须进行修改与重新编译。

指令集概述

在大多数情况中，软体的程式码多以C或其他高阶语言撰写。不过，如果对Cortex-M处理器所支援的指令集有基本的认识，能帮助判断特定任务须要用到哪一种Cortex-M处理器。指令集架构（ISA）是处理器架构的一部分，Cortex-M处理器能区分成几种架构类型（表2）。

所有Cortex-M处理器都支援名为Thumb的指令集。在Thumb-2技术释出后，整个Thumb指令集就变得相当庞大。然而，不同Cortex-M处理器支援Thumb ISA里的指令子集合也不一致，如图1所示。

图1 各款Cortex-M处理器支援的指令集

Cortex-M0/M0+/M1处理器以ARMv6-M架构为基础，其指令集很小，只有56个指令，其中大多数为16位元，如图1中较小的椭圆形。不过，处理器中的暂存器以及处理的资料依然为32位元。对于大多数简单的I/O控制作业以及生成资料处理，这样的小指令集就已经足够应付。由于指令集很小，因此仅须用少量的逻辑闸就能建置处理器，像是Cortex-M0与Cortex-M0+处理器仅需1.2万个逻辑闸。不过，这些指令当中有一些不能用有高位暂存器（R8到R12），而且在即时生成资料方面的能力相当有限。这主要是为了在超低功耗处理器设计以及效能之间作折衷。

Cortex-M3处理器是以ARMv7-M架构为基础，并支援大上许多的指令集，当中有许多属于32位元指令，让系统能更有效率地运用高位暂存器。此外，它还支援向量表分支指令与条件执行（使用IT指令）、硬体除法指令、乘加（MAC）运算、可变位元栏位作业。

具更多指令集Cortex-M3效能大提升

更多的指令能透过几种方式提升效能。例如像32位元Thumb指令能提供较大范围的立即资料值、分支偏移、以及立即偏移以利资料记忆体的存取。另外，它还对DSP作业提供基本支援（像是几个MAC指令，须用几个时脉周期，另外还有饱和调整指令）。最后，32位元指令允许滚筒移位器和多个资料处理作业在同一个指令中操作。

然而，更大的指令集，代价就是矽元件面积与耗电都增加。在典型微控制器中，Cortex-M3的逻辑闸数量会比Cortex-M0或Cortex-M0+设计的逻辑闸多两倍以上。但由于在多数现代微控制器中处理器，只占一小部分的矽元件空间，因此较大的矽元件空间以及功耗产生的影响也变得微不足道。

Cortex-M4处理器在许多层面相当类似Cortex-M3，包括管线与程式开发模式。它除了支援Cortex-M3的所有功能，还额外支援DSP应用方面的指令，像是SIMD、饱和演算法指令、以及各种能在单周期完成的MAC指令（相对于Cortex-M3的多周期指令以及有限部分），选配的浮点运算单元能支援各种单精度浮点运算。

Cortex-M4的SIMD作业能同时处理两个16位元资料或4个8位元资料。举例来说，图2显示QADD8以及QADD16作业。

图2 SIMD指令范例：QADD8与QADD16

在某些DSP作业方面，由于计算能同时执行，因此，SIMD能让系统能更快运算16位元与8位元资料。然而，在一般程式开发方面，C语言编译器不太可能用到SIMD功能。这也导致Cortex-M3与Cortex-M4会产生大家常见的效能量测结果。然后，Cortex-M4的内部资料通道和Cortex-M3并不相同，Cortex-M3的