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Cortex-M3處理器構建在高性能處理器核心之上，采用三級流水線哈佛架構，非常適合高要求的嵌入式應用。該處理器通過高效的指令集和廣泛優化的設計，提供高端處理硬件，包括單周期32x32乘法和專用硬件除法。
為了便于成本敏感設備的設計，Cortex-M3處理器實現了緊密耦合的系統組件，減少了處理器面積，同時顯著提高了中斷處理和系統調試能力。Cortex-M3處理器實現Thumb?指令集的一個版本，確保高代碼密度和減少程序內存需求。Cortex-M3指令集具有8位和16位微控制器的高代碼密度，提供了現代32位體系結構所期望的卓越性能。Cortex-M3處理器緊密集成了一個可配置的嵌套中斷控制器（NVIC），以提供業界領先的中斷性能。NVIC包括一個不可屏蔽中斷（NMI），并提供高達256個中斷優先級。處理器核心和NVIC的緊密集成提供了中斷服務例程（isr）的快速執行，極大地降低了中斷延遲。這是通過硬件堆疊寄存器來實現的，并且能夠掛起多個加載和存儲多個操作。中斷處理程序不需要任何匯編程序存根，從而消除了ISR中的任何代碼開銷。尾鏈優化還可以顯著降低從一個ISR切換到另一個ISR時的開銷。為了優化低功耗設計，NVIC集成了睡眠模式，其中包括深度睡眠功能，使STM32進入STOP或STDBY模式。
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