2.1 指令集簡(jiǎn)介

       大多數(shù)情況下，應(yīng)用程序代碼可以用C或其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)。但是，對(duì)Cortex-M 處理器支持指令集的基本了解有助于開(kāi)發(fā)者針對(duì)具體應(yīng)用選擇合適的Cortex-M處理器。指令集（ISA）是處理器架構(gòu)的一部分，Cortex-M處理器可以分為幾個(gè)架構(gòu)規(guī)范。

表 3: Cortex-M 處理器ARM架構(gòu)規(guī)范的規(guī)范

       所有的Cortex-M 處理器都支持Thumb指令集。整套Thumb指令集擴(kuò)展到Thumb-2版本時(shí)變得相當(dāng)大。但是，不同的Cortex-M處理器支持不同的Thumb 指令集的子集，如圖3所示：

圖 3: Cortex-M 處理器的指令集

2.2 Cortex-M0/M0+/M1指令集

Cortex-M0/M0+/M1處理器基于ARMv6-M架構(gòu)。這是一個(gè)只支持56條指令的小指令集，大部分指令是16位指令，如圖3所示只占很小的一部分。但是，此類(lèi)處理器中的寄存器和處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是32位的。對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單的I/O控制任務(wù)和普通的數(shù)據(jù)處理，這些指令已經(jīng)足夠了。這么小的指令集可以用很少的電路門(mén)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)處理器設(shè)計(jì)，Cortex-M0 和 Cortex-M0+最小配置僅僅12K門(mén)。然而，其中的很多指令無(wú)法使用高位寄存器（R8 到R12）, 并且生成立即數(shù)的能力有限。這是平衡了超低功耗和性能需求的結(jié)果。

2.3 Cortex-M3指令集

Cortex-M3處理器是基于ARMv7-M架構(gòu)的處理器，支持更豐富的指令集，包括許多32位指令，這些指令可以高效的使用高位寄存器。另外，M3還支持：

· 查表跳轉(zhuǎn)指令和條件執(zhí)行（使用IT指令）

· 硬件除法指令

· 乘加指令（MAC）

· 各種位操作指令

更豐富的指令集通過(guò)幾種途徑來(lái)增強(qiáng)性能；例如，32位Thumb指令支持了更大范圍的立即數(shù)，跳轉(zhuǎn)偏移和內(nèi)存數(shù)據(jù)范圍的地址偏移。支持基本的DSP操作（例如，支持若干條需要多個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行的MAC指令，還有飽和運(yùn)算指令）。最后，這些32位指令允許用單個(gè)指令對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)一起做桶型移位操作。

支持更豐富的指令導(dǎo)致了更大的面積成本和更高的功耗。典型的微控制器，Cortex-M3的電路門(mén)數(shù)是Cortex-M0 和 Cortex-M0+兩倍還多。但是，處理器的面積只是大多數(shù)現(xiàn)代微控制器的很小的一部分，多出來(lái)的面積和功耗經(jīng)常不那么重要。

2.4 Cortex-M4指令集

Cortex-M4在很多地方和Cortex-M3相同：流水線，編程模型。Cortex-M4支持Cortex-M3的所有功能，并額外支持各種面向DSP應(yīng)用的指令，像SIMD, 飽和運(yùn)算指令，一系列單周期MAC指令（Cortex-M3只支持有限條MAC指令，并且是多周期執(zhí)行的），和可選的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

Cortex-M4的SIMD操作可以并行處理兩個(gè)16位數(shù)據(jù)和4個(gè)8位數(shù)據(jù)。例如，圖4展示的QADD8 和 QADD16 操作：

圖 4: SIMD指令例子: QADD8 and QADD16

The uses of SIMD enable much faster computation of 16-bit and 8-bit data in certain DSP operations as the calculation can be parallelized. However, in general programming, C compilers are unlikely to utilize the SIMD capability. That is why the typical benchmark results of the Cortex-M3 and Cortex-M4. However, the internal data path of the Cortex-M4 is different from Cortex-M3, which enable faster operations in a few cases (e.g. single cycle MAC, and allow write back of two registers in a single cycle).在某些DSP運(yùn)算中，使用SIMD可以加速更快計(jì)算16位和8位數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些運(yùn)算可以并行處理。但是，一般的編程中，C編譯器并不能充分利用SIMD運(yùn)算能力。這是為什么Cortex-M3 和 Cortex-M4典型benchmark的分?jǐn)?shù)差不多。然而，Cortex-M4的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路和Cortex-M3的不同，某些情況下Cortex-M4可以處理的更快（例如，單周期MAC，可以在一個(gè)周期中寫(xiě)回到兩個(gè)寄存器）。

2.5 Cortex-M7指令集

Cortex-M7支持的指令集和Cortex-M4相似，添加了：

· 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)架構(gòu)是基于FPv5的，而不是Cortex-M4的FPv4，所以Cortex-M7支持額外浮點(diǎn)指令

· 可選的雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理指令

· 支持緩存數(shù)據(jù)預(yù)取指令（PLD）

Cortex-M7的流水線和Cortex-M4的非常不同。Cortex-M7是6級(jí)雙發(fā)射流水線，可以獲得更高的性能。多數(shù)為Cortex-M4設(shè)計(jì)的軟件可以直接運(yùn)行在Cortex-M7上。但是，為了充分利用流水線差異來(lái)達(dá)到最好的優(yōu)化，軟件需要重新編譯，并且在許多情況下，軟件需要一些小的升級(jí)，以充分利用像Cache這樣的新功能。

2.6 Cortex-M23指令集

Cortex-M23的指令集是基于ARMv8-M的Baseline子規(guī)范，它是ARMv6-M的超集。擴(kuò)展的指令包括：

· 硬件除法指令

· 比較和跳轉(zhuǎn)指令，32位跳轉(zhuǎn)指令

· 支持TrustZone安全擴(kuò)展的指令

· 互斥數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令（通常用于信號(hào)量操作）

· 16位立即數(shù)生成指令

· 載入獲取及存儲(chǔ)釋放指令（支持C11）

在某些情況下，這些增強(qiáng)的指令集可以提高處理器性能，并且對(duì)包含多個(gè)處理器的SoC設(shè)計(jì)有用（例如，互斥訪問(wèn)對(duì)多處理器的信號(hào)量處理有幫助）

2.7 I Cortex-M33指令集

因?yàn)镃ortex-M33設(shè)計(jì)是非常可配置的，某些指令也是可選的。例如：

· DSP指令（Cortex-M4 和Cortex-M7支持的）是可選的

· 單精度浮點(diǎn)運(yùn)算指令是可選的，這些指令是基于FPv5的，并且比Cortex-M4多幾條。

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

· 支持TrustZone安全擴(kuò)展的指令

· 載入獲取及存儲(chǔ)釋放指令（支持C11）

2.8 指令集特性比較總結(jié)

       ARMv6-M, ARMv7-M 和 ARMv8-M架構(gòu)有許多指令集功能特點(diǎn)， 很難介紹到所有的細(xì)節(jié)。但是，下面的表格（表4）總結(jié)了那些關(guān)鍵的差異。

表 4: 指令集特性總結(jié)

Cortex-M處理器指令集的最重要的特點(diǎn)是向上兼容。Cortex-M3的指令是Cortex-M0/M0+/M1的超集。所以，理論上講，如果存儲(chǔ)空間分配是一致的，運(yùn)行在Cortex-M0/M0+/M1上的二進(jìn)制文件可以直接運(yùn)行在Cortex-M3上。同樣的原理也適用于Cortex-M4/M7和其他的Cortex-M處理器；Cortex-M0/M0+/M1/M3支持的指令也可以運(yùn)行在Cortex-M4/M7上。

雖然Cortex-M0/M0+/M1/M3/M23處理器沒(méi)有浮點(diǎn)運(yùn)算單元配置選項(xiàng)，但是處理器仍然可以利用軟件來(lái)做浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。這也適用于基于Cortex-M4/M7/M33但是沒(méi)有配置浮點(diǎn)運(yùn)算單元的產(chǎn)品。在這種情況下，當(dāng)程序中使用了浮點(diǎn)數(shù)，編譯工具包會(huì)在鏈接階段插入需要的運(yùn)行軟件庫(kù)。軟件模式的浮點(diǎn)運(yùn)算需要更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，并且會(huì)略微的增加代碼大小。但是，如果浮點(diǎn)運(yùn)算不是頻繁使用的，這種方案是適合這種應(yīng)用的。