内核、指令集和架构：【3】M0和M3

指令集确实是与内核紧密对应的，不同的内核通常对应着不同的指令集或指令集扩展。 ARM Cortex-M系列的内核（M0, M0+, M3, M4, M7, M23, M33, M55等）都基于ARMv6-M或ARMv7-M或ARMv8-M架构，它们共享核心的32位RISC设计理念和Thumb/Thumb-2指令集基础，但在支持的指令子集、性能、功能和扩展方面存在显著差异。

Cortex-M3 与 Cortex-M0/M0+ 的核心区别与指令集差异：

1. 架构版本与目标市场：

   • Cortex-M0/M0+： 基于 ARMv6-M 架构。设计目标是极致的面积和功耗优化，提供最小的硅片面积和最低的功耗，适用于成本敏感、电池驱动的超低功耗应用（如简单传感器、可穿戴设备、小型家电、基础控制）。
   • Cortex-M3： 基于 ARMv7-M 架构。设计目标是性能、能效和功能的平衡，在提供显著高于M0性能的同时，保持较好的功耗控制，适用于需要更复杂处理能力、实时控制、连接性的应用（如工业控制、电机驱动、网络设备、消费电子主控）。

2. 指令集差异（核心区别）：

   • 共同基础：Thumb-2 技术
     • 两者都支持 Thumb-2 指令集技术。这是ARM的一项革命性技术，将传统的16位Thumb指令集（代码密度高）和32位ARM指令集（性能高）融合在一起。
     • 编译器可以混合生成16位和32位指令，在保持接近Thumb代码密度的同时，提供接近传统ARM指令集的性能。这是所有Cortex-M内核高性能、高效率的关键。
   • 主要差异：M3 支持的指令更丰富、更强大
     • 硬件整数除法： 这是最显著的指令差异之一。
       • M0/M0+： 不支持硬件除法指令 (UDIV, SDIV)。除法操作需要通过软件库（通常是编译器提供的运行时库）进行模拟，这可能需要数十甚至上百个时钟周期，非常耗时。
       • M3： 支持硬件整数除法指令 (UDIV, SDIV)。大多数除法操作可以在 2-12个周期内完成（取决于操作数），性能提升巨大，对涉及除法的算法（如控制、数据处理）非常有利。
     • 位带操作：
       • M0/M0+： 不支持硬件位带特性。修改内存或外设寄存器中的单个位需要通过传统的“读-修改-写”操作（LDR -> AND/ORR/BIC -> STR），这至少需要3条指令，且不是原子操作（可能被中断打断）。
       • M3： 支持硬件位带特性。通过特殊的“位带别名区”地址，可以直接使用 STRB/LDRB 指令对单个位进行原子级的读写操作（只需1条指令）。这极大地简化了位操作，提高了效率和可靠性（对控制寄存器、状态标志操作尤其重要）。
     • Thumb-2 指令范围：
       • M0/M0+： 仅支持 ARMv6-M 定义的 Thumb-2 子集。这个子集主要包含16位Thumb指令和少量最常用的32位Thumb-2指令（如 BL, DSB, ISB, MRS, MSR 等）。它缺乏许多更强大的32位数据处理和控制指令。
       • M3： 支持完整的 ARMv7-M Thumb-2 指令集。它包含了丰富得多的32位指令，例如：
         • 更强大的桶形移位操作集成在数据处理指令中。
         • 更灵活的 MOV, MOVT 用于加载大常数。
         • 条件执行指令（IT 块）支持更复杂的条件分支结构。
         • 更多用于内存屏障、系统控制、协处理器访问的指令。
         • 更丰富的乘法累加指令（如 MLA, MLS）。
         • 饱和运算指令（SSAT, USAT）用于DSP。
         • 排它访问指令（LDREX, STREX）用于信号量和原子操作（虽然M0+后来也支持了）。
       • 总结指令集差异： Cortex-M3 支持一个比 Cortex-M0/M0+ 更庞大、功能更强大的 Thumb-2 指令子集。M0/M0+的指令集是M3指令集的一个严格子集（除了M0+新增的硬件除法）。这意味着所有在M0/M0+上能运行的机器码，在M3上也能运行（二进制兼容），反之则不成立（M3程序用了M0不支持的指令就无法在M0上运行）。

3. 性能差异：

   • 主频： 在相似的工艺节点下，M3的最高运行频率通常高于M0/M0+（例如，M3可达 100MHz+，M0/M0+ 通常在 50MHz 以下，尽管也有更高频率的版本）。
   • 流水线：
     • M0： 3级流水线（取指、译码、执行）。较简单。
     • M0+： 2级流水线（取指+译码、执行）。更简单，面积功耗更优，但单周期效率可能略低于M0，总体性能与M0相当或略优（因减少了流水线气泡）。
     • M3： 3级流水线（取指、译码、执行），但设计更复杂高效，支持分支预测。这能显著减少分支指令带来的流水线停顿（刷新），尤其是在有较多if/else, switch, 循环的代码中，性能提升明显。M0/M0+没有分支预测，遇到分支指令必然导致流水线刷新和性能损失。
   • 指令执行效率： 得益于更丰富的指令集（尤其是硬件除法和更强大的数据处理指令）和分支预测，M3在执行相同算法时，通常需要更少的时钟周期，性能通常是同等频率下M0/M0+的1.5倍到数倍。

4. 中断处理能力：

   • NVIC 优先级位数：
     • M0/M0+： 通常只支持 4位 中断优先级（ARMv6-M规范允许2-8位，但厂商实现多为4位），即最多16级优先级。
     • M3： 支持 8位 中断优先级（ARMv7-M规范允许3-8位，常见实现为3-8位），即最多256级优先级，提供更精细的中断管理。
   • 中断延迟： M3的中断响应和处理通常更快（得益于更快的核心和更高效的中断压栈机制），中断延迟更低。M0+在中断响应速度上做了优化，接近甚至有时优于M3。

5. 系统特性：

   • 内存保护单元：
     • M0/M0+： 不集成MPU（可选，但厂商极少实现）。
     • M3： 集成可选的MPU（厂商通常提供）。MPU对提升系统健壮性、安全性（防止内存越界访问）和在RTOS中隔离任务非常有用。
   • 调试与跟踪：
     • M3： 通常提供更强大的调试和跟踪选项（如ETM指令跟踪需要额外硬件，但SWV数据跟踪更完善）。
   • 堆栈指针：
     • M0/M0+： 只有一个堆栈指针。
     • M3： 有两个堆栈指针：主堆栈指针和进程堆栈指针。这对RTOS特别有用，内核模式用主堆栈，任务模式用各自的进程堆栈，提高安全性和效率。
   • 休眠模式： M0/M0+通常提供更精细的超低功耗休眠模式控制（得益于其极简设计）。

6. 物理实现（面积与功耗）：

   • M0： 最小的硅片面积（约12K门），最低的动态和静态功耗。
   • M0+： 面积比M0略大（约15K门），但功耗通常比M0更低（得益于优化的2级流水线和门控时钟技术）。
   • M3： 面积显著大于M0/M0+（约33K门），功耗也显著高于M0/M0+（但相比传统处理器仍非常高效）。

总结：

特性	Cortex-M0/M0+ (ARMv6-M)	Cortex-M3 (ARMv7-M)	差异程度
指令集	Thumb-2 子集 (严格子集)	完整 Thumb-2 (包含更多32位指令)	大
硬件除法	无 (M0+) / 有 (部分M0+)	有 (UDIV, SDIV)	大
位带操作	无	有	大
分支预测	无	有	大
性能 (同频)	较低 (尤其除法、分支多时)	较高 (1.5x - 数倍)	大
最高主频	较低 (通常 < 50MHz)	较高 (通常 >= 100MHz)	中
中断优先级	少 (通常 4位/16级)	多 (通常 8位/256级)	中
MPU	无 (或极少可选)	有 (通常可选)	大
堆栈指针	1个	2个 (MSP, PSP)	大
硅片面积	最小 (M0 ~12K门, M0+ ~15K门)	较大 (~33K门)	大
功耗	最低 (M0+尤其静态功耗低)	较高 (但仍属超低功耗)	大
目标应用	超低成本、超低功耗、简单控制	性能、功能、能效平衡，复杂控制、连接性

结论：

• 指令集差异显著： 虽然都基于Thumb-2，但Cortex-M3支持一个功能强大得多、指令数量多得多的Thumb-2子集，特别是硬件除法和位带操作是M0/M0+（除了较新的M0+）所不具备的关键指令。M3的指令集是M0/M0+的超集（二进制向下兼容）。
• 性能差异大： M3凭借更丰富的指令、分支预测和通常更高的主频，性能远超M0/M0+。
• 功能差异大： M3提供MPU、双堆栈指针等高级系统特性。
• 功耗/面积差异大： M0/M0+在面积和功耗上具有绝对优势。

选择M0/M0+还是M3，取决于应用的具体需求：极致成本/功耗选M0/M0+；需要更高性能、更丰富功能选M3。M0+在M0的基础上增加了硬件除法并优化了功耗，成为了非常受欢迎的超低功耗主力。M4则在M3基础上增加了DSP扩展和可选的FPU，面向信号处理应用。