一文分清Cortex-M系列处理器指令集

Cortex-M 处理器ARM架构规范的规范

所有的Cortex-M 处理器都支持Thumb指令集。整套Thumb指令集扩展到Thumb-2版本时变得相当大。但是，不同的Cortex-M处理器支持不同的Thumb 指令集的子集，如下图所示（点击可查看大图）。

                                             

Cortex-M 处理器的指令集

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Cortex-M0/M0+/M1指令集

Cortex-M0/M0+/M1处理器基于ARMv6-M架构。这是一个只支持56条指令的小指令集，大部分指令是16位指令，如图3所示只占很小的一部分。但是，此类处理器中的寄存器和处理的数据长度是32位的。对于大多数简单的I/O控制任务和普通的数据处理，这些指令已经足够了。这么小的指令集可以用很少的电路门数来实现处理器设计，Cortex-M0 和 Cortex-M0+最小配置仅仅12K门。然而，其中的很多指令无法使用高位寄存器（R8 到R12）, 并且生成立即数的能力有限。这是平衡了超低功耗和性能需求的结果。

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Cortex-M3指令集

Cortex-M3处理器是基于ARMv7-M架构的处理器，支持更丰富的指令集，包括许多32位指令，这些指令可以高效的使用高位寄存器。另外，M3还支持：

• 查表跳转指令和条件执行（使用IT指令）

• 硬件除法指令

• 乘加指令（MAC）

• 各种位操作指令

更丰富的指令集通过几种途径来增强性能：例如，32位Thumb指令支持了更大范围的立即数，跳转偏移和内存数据范围的地址偏移。支持基本的DSP操作（例如，支持若干条需要多个时钟周期执行的MAC指令，还有饱和运算指令）。最后，这些32位指令允许用单个指令对多个数据一起做桶型移位操作。

支持更丰富的指令导致了更大的面积成本和更高的功耗。典型的微控制器，Cortex-M3的电路门数是Cortex-M0 和 Cortex-M0+两倍还多。但是，处理器的面积只是大多数现代微控制器的很小的一部分，多出来的面积和功耗经常不那么重要。

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Cortex-M4指令集

Cortex-M4在很多地方和Cortex-M3相同：流水线，编程模型。Cortex-M4支持Cortex-M3的所有功能，并额外支持各种面向DSP应用的指令，像SIMD, 饱和运算指令，一系列单周期MAC指令（Cortex-M3只支持有限条MAC指令，并且是多周期执行的），和可选的单精度浮点运算指令。

Cortex-M4的SIMD操作可以并行处理两个16位数据和4个8位数据。例如，下图展示的QADD8 和 QADD16 操作：

          

SIMD指令例子: QADD8 and QADD16

在某些DSP运算中，使用SIMD可以加速更快计算16位和8位数据，因为这些运算可以并行处理。但是，一般的编程中，C编译器并不能充分利用SIMD运算能力。这是为什么Cortex-M3 和 Cortex-M4典型benchmark的分数差不多。然而，Cortex-M4的内部数据通路和Cortex-M3的不同，某些情况下Cortex-M4可以处理的更快（例如，单周期MAC，可以在一个周期中写回到两个寄存器）。

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Cortex-M7指令集

Cortex-M7支持的指令集和Cortex-M4相似，添加了：

• 浮点数据架构是基于FPv5的，而不是Cortex-M4的FPv4，所以Cortex-M7支持额外浮点指令

• 可选的双精度浮点数据处理指令

• 支持缓存数据预取指令（PLD）

Cortex-M7的流水线和Cortex-M4的非常不同。Cortex-M7是6级双发射流水线，可以获得更高的性能。多数为Cortex-M4设计的软件可以直接运行在Cortex-M7上。但是，为了充分利用流水线差异来达到最好的优化，软件需要重新编译，并且在许多情况下，软件需要一些小的升级，以充分利用像Cache这样的新功能。

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Cortex-M23指令集

Cortex-M23的指令集是基于ARMv8-M的Baseline子规范，它是ARMv6-M的超集。扩展的指令包括：

• 硬件除法指令

• 比较和跳转指令，32位跳转指令

• 支持TrustZone安全扩展的指令

• 互斥数据访问指令（通常用于信号量操作）

• 16位立即数生成指令

• 载入获取及存储释放指令（支持C11）

在某些情况下，这些增强的指令集可以提高处理器性能，并且对包含多个处理器的SoC设计有用（例如，互斥访问对多处理器的信号量处理有帮助）

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Cortex-M33指令集

因为Cortex-M33设计是非常可配置的，某些指令也是可选的。例如：

• DSP指令（Cortex-M4 和Cortex-M7支持的）是可选的。

• 单精度浮点运算指令是可选的，这些指令是基于FPv5的，并且比Cortex-M4多几条。

Cortex-M33也支持那些ARMv8-M Mainline引入的新指令：

• 支持TrustZone安全扩展的指令

• 载入获取及存储释放指令（支持C11）

指令集特性比较总结

ARMv6-M, ARMv7-M 和 ARMv8-M架构有许多指令集功能特点， 很难介绍到所有的细节。但是，下面的表格总结了那些关键的差异。

指令集特性总结

Cortex-M处理器指令集的最重要的特点是向上兼容。Cortex-M3的指令是Cortex-M0/M0+/M1的超集。所以，理论上讲，如果存储空间分配是一致的，运行在Cortex-M0/M0+/M1上的二进制文件可以直接运行在Cortex-M3上。同样的原理也适用于Cortex-M4/M7和其他的Cortex-M处理器；Cortex-M0/M0+/M1/M3支持的指令也可以运行在Cortex-M4/M7上。

虽然Cortex-M0/M0+/M1/M3/M23处理器没有浮点运算单元配置选项，但是处理器仍然可以利用软件来做浮点数据运算。这也适用于基于Cortex-M4/M7/M33但是没有配置浮点运算单元的产品。在这种情况下，当程序中使用了浮点数，编译工具包会在链接阶段插入需要的运行软件库。软件模式的浮点运算需要更长的运行时间，并且会略微的增加代码大小。但是，如果浮点运算不是频繁使用的，这种方案是适合这种应用的。