1. 三级流水线+分支预测
ARM Cortex-M3与ARM7内核一样，采用适合于微控制器应用的三级流水线，但增加了分支预测功能。
现代处理器大多采用指令预取和流水线技术，以提高处理器的指令执行速度。流水线处理器在正常执行指令时，如果碰到分支（跳转）指令，由于指令执行的顺序可能会发生变化，指令预取队列和流水线中的部分指令就可能作废，而需要从新的地址重新取指、执行，这样就会使流水线“断流”，处理器性能因此而受到影响。特别是现代C语言程序，经编译器优化生成的目标代码中，分支指令所占的比例可达10-20%，对流水线处理器的影响会的更大。为此，现代高性能流水线处理器中一般都加入了分支预测部件，就是在处理器从存储器预取指令时，当遇到分支（跳转）指令时，能自动预测跳转是否会发生，再从预测的方向进行取指，从而提供给流水线连续的指令流，流水线就可以不断地执行有效指令，保证了其性能的发挥。
ARM Cortex-M3内核的预取部件具有分支预测功能，可以预取分支目标地址的指令，使分支延迟减少到一个时钟周期。
2. 哈佛结构
从内核访问指令和数据的不同空间与总线结构，可以把处理器分为哈佛结构和普林斯顿结构（或冯.诺伊曼结构）。冯.诺伊曼结构的机器指令、数据和I/O共用一条总线，这样内核在取指时就不能进行数据读写，反之亦然。这在传统的非流水线处理器（如MCS51）上是没有什么问题的，它们取指、执行分时进行，不会发生冲突。但在现代流水线处理器上，由于取指、译码和执行是同时进行的（不是同一条指令），一条总线就会发生总线冲突，必须插入延迟等待，从而影响了系统性能。ARM7TDMI内核就是这种结构的。
而哈佛结构的处理器采用独立的指令总线和数据总线，可以同时进行取指和数据读写操作，从而提高了处理器的运行性能。
Cortex-M3、ARM966E、ARM926EJ、ARM1136JF等内核都采用了哈佛结构。
3. 内置嵌套向量中断控制器（NVIC）
针对业界对ARM处理器中断响应的问题，Cortex-M3首次在内核上集成了嵌套向量中断控制器（NVIC）。Cortex-M3的中断延迟只有12个时钟周期(ARM7需要24-42个周期)；Cortex-M3还使用尾链技术，使得背靠背（back-to-back）中断的响应只需要6个时钟周期(ARM7需要大于30个周期)。以NXP LPC1700系列和TI Stellaris系列第四代产品运行在100MHz为例，中断延迟只有60ns-120ns。另外，Cortex-M3采用了基于栈的异常模式，使得芯片初始化的封装更为简单。
ARM7TDMI内核不带中断控制器，具体MCU的中断控制器是各芯片厂商自己加入的，这使得各厂商的ARM7 MCU中断控制部分都不一样，给用户使用及程序移植带来了很**烦。Cortex-M3内核集成NVIC，各厂商生产的基于Cortex-M3内核的MCU都具有统一的中断控制器，对用户使用各种Cortex-M3 MCU，特别是中断编程带来了很大的便利。
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