Cortex - M3与Cortex - M4对比

本文主要从M3和M4的MPU、DSP能力、debug调试和电源管理4个方面说明两者的区别。 

1.内存保护单元MPU 

与Cortex - M3的相同，MPU是一个Cortex - M4中用于内存保护的可选组件。处理器支持标准ARMv7内存保护系统结构模型。您可以使用在MPU执行 特权/访问 规则，或者独立的进程。这个MPU提供全面支持：

l 保护区

l 重叠保护区域，提升区域优先级（7 =最高优先级，0 =最低优先级）

l 访问权限

l 将存储器属性输出至系统

2 .DSP能力

下图展示了处理器运行在相同的速度下Cortex - M3和Cortex - M4在数字信号处理能力方面的相对性能比较。

在下面的数字，Y轴代表执行给出的计算用的相对的周期数。 因此，循环数越小，性能越好。以Cortex - M3作为参考，Cortex - M4的性能计算，性能比大概为其周期计数的倒数。举例说明，PID功能，Cortex - M4的周期数是与Cortex - M3的约0.7倍，因此相对性能是1/0.7，即1.4倍。

Cortex - M系列16位循环计数功能

Cortex - M系列32位循环计数功能

这很清楚的表明，Cortex - M4在数字信号处理方面对比Cortex - M3的16位或32位操作有着很大的优势。

Cortex-M4执行的所有的DSP指令集都可以在一个周期完成，Cortex - M3需要多个指令和多个周期才能完成的等效功能。即使是PID算法——通用DSP运算中最耗费资源的工作，Cortex - M4也能提供了一个1.4倍的性能得改善 。另一个例子，MP3解码在Cortex-M3需要20-25Mhz，而在Cortex-M4只需要10-12MHz。  [page]

      1). 32位乘法累加（MAC）

32位乘法累加（MAC）包括新的指令集和针对Cortex - M4硬件执行单元的优化它是能够在单周期内完成一个 32 × 32 + 64 - > 64 的操作 或 两个16 × 16 的操作。如下表列出了这个单元的计算能力。

      2). SIMD

Cortex - M4支持SIMD指令集，这在上一代的Cortex - M系列是不可用的。上述表中的指令，有的属于SIMD指令。与硬件乘法器一起工作（MAC），使所有这些指令都能在单个周期内执行。受益于SIMD指令的支持，Cortex - M4处理器是能在单周期完成高达32 × 32 + 64 - >64的运算，为其他任务释放处理器的带宽， 而不是被乘法和加法消耗运算资源。考虑以下复杂的算术运算，其中两个16 × 16乘法加上一个32位加法，被编译成由一个单一指令执行：SUM = SUM +（A* C）+（B *D）

      3).FPU 

FPU是Cortex - M4浮点运算的可选单元。因此它是一个专用于浮点任务的单元。这个单元通过硬件提升性能，能处理单精度浮点运算，并与IEEE 754标准 兼容。这完成了ARMv7 - M架构单精度变量的浮点扩展。FPU扩展了寄存器的程序模型与包含32个单精度寄存器的寄存器文件。这些可以被看作是：

• 16个64位双字寄存器，D0 - D15
• 32个32位单字寄存器，S0 - S31 该FPU提供了三种模式运作，以适应各种应用
• 全兼容模式（在全兼容模式，FPU处理所有的操作都遵循IEEE754的硬件标准）
• Flush-to-zero 冲洗到零模式（设置FZ位浮点状态和控制寄存器FPSCR [24]到flush-to-zero 模式。在此模式下，FPU 在运算中将所有不正常的输入操作数的算术CDP操作当做0.除了当从零操作数的结果是合适的情况。VABS，VNEG，VMOV 不会被当做算术CDP的运算，而且不受flush-to-zero 模式影响。结果是微小的，就像在IEEE 754 标准的描述的那样，在目标精度增加的幅度小于四舍五入后最低正常值，被零取代。IDC的标志位，FPSCR [7]，表示当输入Flush时变化。UFC标志位，FPSCR [3]，表示当Flush结束时变化）
• 默认的NaN模式（DN位的设置，FPSCR [25]，会进入NaN的默认模式。在这种模式下，如对任何算术数据处理操作的结果，涉及一个输入NaN，或产生一个NaN结果，会返回默认的NaN。仅当VABS，VNEG，VMOV运算时，分数位增加保持。所有其他的CDP运算会忽略所有输入NaN的小数位的信息）

下表显示的是FPU指令集

3.debug调试

与Cortex - M3的相同， Cortex - M4的设备是通过标准JTAG或串行线调试连接器调试。要连接到主机的接口，一个简单，标准化外部连接器是必要的。[page]

4. 电源

    1).电源管理

       2).功耗比较

从图所示，很明显在功率效率方面Cortex - M4的性能大大优于表Cortex - M3。