Cortex-M3

Cortex-M3是一個32位處理器內核。內部的數據路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器介面也是32位的。CM3採用了哈佛結構，擁有獨立的指令匯流排和數據匯流排，可以讓取指與數據訪問并行不悖。這樣一來數據訪問不再佔用指令匯流排，從而提升了性能。為實現這個特性，CM3內部含有好幾條匯流排介面，每條都為自己的應用場合優化過，並且它們可以并行工作。但是另一方面，指令匯流排和數據匯流排共享同一個存儲器空間（一個統一的存儲器系統）。換句話說，不是因為有兩條匯流排，可定址空間就變成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內部還附贈了好多調試組件，用於在硬體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介面。

ARMCortex-M3採用哈佛結構，並選擇了適合於微控制器應用的三級流水線，但增加了分支預測功能。

現代處理器大多採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，由於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。特別是現代C語言程序，經編譯器優化生成的目標代碼中，分支指令所佔的比例可達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內核的預取部件具有分支預測功能，可以預取分支目標地址的指令，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首次在內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個時鐘周期(ARM7需要24-42個周期)；Cortex-M3還使用尾鏈技術，使得背靠背（back-to-back）中斷的響應只需要6個時鐘周期(ARM7需要大於30個周期)。Cortex-M3採用了基於棧的異常模式，使得晶元初始化的封裝更為簡單。

Cortex-M3加入了類似於8位處理器的內核低功耗模式，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。使整個晶元的功耗控制更為有效。

高性能

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

 指令匯流排和數據匯流排被分開，取值和訪內可以并行不悖

 Thumb-2的到來告別了狀態切換的舊世代，再也不需要花時間來切換於32位ARM狀態和16位Thumb狀態之間了。這簡化了軟體開發和代碼維護，使產品面市更快。

 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，這意味著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（現代半導體製造技術能保證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，於是同樣的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

 內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，因為不再需要軟體去判斷中斷源。中斷的嵌套也是在硬體水平上實現的，不需要軟體代碼來實現。

 Cortex-M3在進入異常服務常式時，自動壓棧了R0-R3, R12, LR, PSR和PC，並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順序，使得中斷管理極富彈性。最粗線條的實現也至少要支持8級優先順序，而且還能動態地被修改。

 優化中斷響應還有兩招，它們分別是“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。這些指令包括載入多個寄存器（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。對於很多安全-關鍵(safety-critical)的應用，NMI都是必不不可少的（如化學反應即將失控時的緊急停機）。

低功耗

 Cortex-M3需要的邏輯門數少，所以先天就適合低功耗要求的應用（功率低於0.19mW/MHz）在內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）”，內核可以進入睡眠模式，並且以不同的方式喚醒。另外，模塊的時鐘是儘可能地分開供應的，所以在睡眠時可以把CM3的大多數“官能團”給停掉。

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

系統特性

 系統支持“位定址帶”操作（8051位定址機制的“威力大幅加強版”），位元組不變的大端模式，並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體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列線調試介面。

 基於CoreSight調試解決方案，使得處理器哪怕是在運行時，也能訪問處理器狀態和存儲器內容。

 內建了對多達6個斷點和4個數據觀察點的支持。

 可以選配一個ETM，用於指令跟蹤。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狀態寄存器，新的fault異常，以及快閃記憶體修補（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。

單片機的另外一個特點是調試工具非常便宜，不象ARM的模擬器動輒幾千上萬。針對這個特點，Cortex-M3採用了新型的單線調試(Single Wire)技術，專門拿出一個引腳來做調試，從而節約了大筆的調試工具費用。同時，Cortex-M3中還集成了大部分存儲器控制器，這樣工程師可以直接在MCU外連接Flash，降低了設計難度和應用障礙。

ARM Cortex-M3處理器結合了多種突破性技術，令晶元供應商提供超低費用的晶元，僅33000門的內核性能可達1.2DMIPS/MHz。該處理器還集成了許多緊耦合系統外設，令系統能滿足下一代產品的控制需求。ARM公司希望Cortex-M3核的推出，能幫助單片機廠商。

Cortex的優勢應該在於低功耗、低成本、高性能3者(或2者)的結合。

Cortex如果能做到 合理的低功耗(肯定要比Arm7 & Arm9要低，但不大可能比430、PIC、AVR低) + 合理的高性能(10~50MIPS是比較可能出現的範圍) + 適當的低成本(1~5$應該不會奇怪)。

簡單的低成本不大可能比典型的8位MCU低。對於已經有8位MCU的廠商來說，比如Philips、Atmel、Freescale、Microchip還有ST和Silocon Lab，不大可能用Cortex來打自己的8位MCU。對於沒有8位MCU的廠商來說，當然是另外一回事，但他們在國內進行推廣的實力在短期內還不夠。

對於已經有32位ARM的廠商來說，比如Philips、Atmel、ST，又不大可能用Cortex來打自己的Arm7/9，對他們來說，比較合理的定位把Cortex與Arm7/9錯開，即<40MIPS的性能+低於Arm7的價格，當然功耗也會更低些；當然這樣做的結果很可能是，斷了16位MCU的後路。

對於仍然在推廣16位MCU的廠商來說，比如Freescal、Microchip，處境比較尷尬，因為Cortex基本上可以完全替代16位MCU。

所以，未來的1～2年，來自新廠商的Cortex比較值得期待－包括國內的供應商；對於已有32位ARM的廠商，情況比較有趣；對於16位MCU的廠商，反應比較有意思。

Cortex－M3處理器採用ARMv7-M架構，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構，Cortex-M3處理器不能執行ARM指令集。

Thumb-2在Thumb指令集架構（ISA）上進行了大量的改進，它與Thumb相比，具有更高的代碼密度並提供16/32位指令的更高性能。

關於工作模式

Cortex-M3處理器支持2種工作模式：線程模式和處理模式。在複位時處理器進入“線程模式”，異常返回時也會進入該模式，特權和用戶（非特權）模式代碼能夠在“線程模式”下運行。

出現異常模式時處理器進入“處理模式”，在處理模式下，所有代碼都是特權訪問的。

關於工作狀態

Coretx-M3處理器有2種工作狀態。

Thumb狀態：這是16位和32位“半字對齊”的Thumb和Thumb-2指令的執行狀態。

調試狀態：處理器停止並進行調試，進入該狀態。

Keil ULINK模擬器

IAR JLink模擬器

對客戶來說用什麼技術、晶元不是主要的。主要的是能否滿足要求。高性價比、開發門檻底、易於使用才是硬道理。Cortex M3從理論上來說是高性價比。但目前已有的晶元的功能太少。Cortex M系列在處理能力基本與ARM7同，主要是成本低，功耗小。如果周立功自己來做加上豐富的外設，如UART/USB/MAC以及無線通訊等功能，加上FLASH、RAM這樣的SOC可以替換現在的許多應用，但這樣的話不知道什麼時候可以看到成品。內核是好，外設也是很重要的。

synchronous serial 匯流排

完全可編程的16C550-型 UART

兩個獨立的模擬比較器

可配置為輸出來驅動一個輸出引腳，或產生一個中斷

可在外部輸入引腳或外部輸入引腳和內部參考電壓之間比較

2到18個GPIO 這取決於用戶的配置

在所有的引腳上具有可編程的GPIO中斷，可以邊沿觸發或電平觸發

可編程的GPIO 襯墊配置：

弱上拉或下拉電阻

2 mA, 4 mA, and 8 mA 襯墊驅動

8 mA驅動斜率控制

開漏使能

數字輸入使能

片內LDO電壓調整器

處理器低功率選項：睡眠模式和深度睡眠模式

外設低功率選項：軟體控制關閉個別外設

用戶使能的LDO 未調整電壓檢測和自動複位

通過中斷或複位方式檢測並報告3.3 V 電源電壓下降

IEEE 1149.1-1990 兼容的TAP控制器

經過 JTAG 或串列線調試

28腳SOIC

商業或工業級工作溫度

LM3S316 比 LM3S101 的增強如下：

25 MHz下工作

8級優先順序的24個中斷通道

16 kB 的單周期flash存儲器，在2 kB塊的基礎上提供2種形式的flash保護。

4 kB 的單周期SRAM存儲器

4 通道 10-bit ADC 250K採樣/秒

片內溫度感測器

4個專用的電機控制PWM 輸出

I2C 主從收發 傳輸速度100 kbps標準模式 400 kbps高速模式

3到32個GPIO 這取決於用戶的配置

48腳SOIC

LM3S101 是一個高性能的ARM® Cortex?-M3 v7M架構的微控制器，適用於成本敏感的應用。它支持完全兼容Thumb的Thumb-2-only指令集，具有硬體除法和單周期的乘法器。集成的嵌套式的中斷控制器（NVIC）提供確定性的中斷處理。目標應包括：工廠自動化及控制，工業控制動力設備，以及樓宇家庭自動化。

32位ARM®Cortex™-M3v7M架構

Thumb兼容的Thumb-2-only指令集

20MHz下工作

硬體除法和單周期的乘法器

集成的嵌套式的中斷控制器（NVIC）提供確定性的中斷處理

8級優先順序的14個中斷通道

8kB的單周期flash存儲器，在2kB塊的基礎上提供2種形式的flash保護。

2kB的單周期SRAM存儲器

2個定時器

每個可被配置為一個32位的定時器或兩個16位的定時器

一個支持捕捉和簡單的PWM模式

實時時鐘(RTC)

獨立的看門狗定時器

可編程的介面支持：FreescaleSPI匯流排，NationalSemiconductorMICROWIRE匯流排，Texas

型號LM3S101LM3S102LM3S301M3S310LM3S315LM3S316

封裝28-pinSOIC28-pinSOIC48-pinLQFP48-pinLQFP48-pinLQFP48-pinLQFP

工作溫度C,IC,IC,IC,IC,IC,I

(商業級C0to70°C;

工業級I–40to85°C)

ARMCortex-M3Core√√√√√√

最大速度(MHz)202020252525

Flash存儲器(KB)8816161616

SRAM存儲器(KB)222444

JTAG引腳√√√√√√

串列調試與跟蹤(SWD/SWO)√√√√√√

UART口111222

通用io(GPIO)2–180–1812–333–367–323–32

SSI介面√√√√√√

I2C介面-√---√

模擬比較器212311

片內溫度感測器--√-√√

外部32KHz時鐘√√√√√√

(使用CCP引腳)

看門狗定時器√√√√√√

通用定時器222333

(1個可作為RTC)

掉電複位√√√√√√

LDO電壓調整器√√√√√√

ADC

採樣每秒--250K-250K250K

10-Bit通道數--3-44

PWM功能

PWM引腳--2624

CCP引腳122666

註：

a.最小GPIO引腳數是指專門用作GPIO的引腳，如果不使用某些外設那麼就有更多的引腳可用作GPIO。詳細細節請參考數據手冊。

b.PWM電機控制功能可以通過專用的電機控制硬體(PWM引腳)獲得，也可以通過通用定時器(CCP引腳)的電機控制特性獲得。詳細細節請參考數據手冊。