Сообщение на тему процессоры архитектуры arm

Обновлено: 05.07.2024

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TestEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезизвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.

70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.

1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.

1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.

1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.

1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.

1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.

1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.

1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.

1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.

1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

Привет, Хабр! Сегодня хочется рассказать немного о семействе процессоров ARM Cortex. Почему? Потому не каждый знает, что вся линейка STM-контроллеров построена на базе данных процессоров, а имеено на процессорах Cortex-M, но помимо них есть и другие типы, поэтому перейдем к делу!

Итак, семейство ARM Cortex — это широко популярное поколение процессоров, выполненных по RISC-архитектуре (RISC — Reduced Instruction Set Computer — архитектура с набором простых инструкций, благодаря данной архитектуре увеличивается быстодействие выполнения команд). Семейство ARM Cortex подразделется на три вида:

Название ARM, безусловно, слышали все, кто интересуется мобильными технологиями. Многие понимают данную аббревиатуру как тип процессора для смартфонов и планшетов, другие уточняют, что это вовсе не процессор, а его архитектура. И уж точно мало, кто вникал в историю появления ARM. В этой статье мы попробуем разобраться во всех этих нюансах и расскажем зачем нужны процессоры ARM современным гаджетам.

Содержание

Краткий экскурс в историю

Технические особенности чипов ARM

Существует два типа современных процессорных архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). К архитектуре CISC относится семейство процессоров x86 (Intel и AMD), к архитектуре RISC – семейство ARM. Основным формальным отличием RISC от CISC и, соответственно, x86 от ARM является сокращенный набор команд, используемый в RISC-процессорах. Так, например, каждая инструкция в CISC-архитектуре трансформируется в несколько RISC-команд. В добавок, RISC-процессоры используют меньше транзисторов и, таким образом, потребляют меньше энергии.

Основным приоритетом ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии. ARM имеет большее соотношение производительности на ватт чем x86. Вы можете получить необходимую мощность из 24 ядер x86 или из сотен маленьких ядер ARM с низким энергопотреблением. Разумеется, один даже самый мощный процессор на архитектуре ARM никогда не будет сопоставим по мощности с Intel Core i7. Но тот же Intel Core i7 нуждается в активной системе охлаждения и никогда не поместится в корпус телефона. Здесь ARM вне конкуренции. С одной стороны, это выглядит привлекательным вариантом для построения суперкомпьютера с использованием миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров x86. С другой стороны, нельзя однозначно сравнивать две архитектуры. В чем-то преимущество будет за ARM, а в чем-то – за x86.

На практике это выглядит следующим образом. Большинство бюджетных мобильных устройств на Android поставляются с чипсетами производства компании MediaTek, которая практически неизменно следует инструкциям ARM Limited и комплектует их ядрами Cortex-A и графикой Mali (реже PowerVR).

А-бренды для своих флагманских устройств зачастую используют чипсеты производства Qualcomm. К слову, последние чипы Qualcomm Snapdragon (820, 821, 835) оснащены полностью кастомными ядрами Kryo – для центрального процессора и Adreno – для графического ускорителя.

Что касается Apple, то для iPhone и iPad компания использует собственные чипы А-серии с графическим ускорителем PowerVR, производством которых занимаются сторонние компании. Так, в iPhone 7 и iPhone 7 Plus установлен 64-битный четырехъядерный процессор A10 Fusion и графический процессор PowerVR GT7600.

Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8. В ней впервые стал использоваться 64-битный набор инструкций и появилась поддержка более 4 ГБ оперативной памяти. Архитектура ARMv8 имеет обратную совместимость с 32-битными приложениями. Наиболее эффективным и самым мощным процессорным ядром, разработанным ARM Limited, на данный момент является Cortex-A73, и большинство производителей однокристальных систем используют его без изменений.

Сфера использования ARM

Наибольшую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. В преддверии массового производства смартфонов и другой портативной техники энергоэффективные процессоры пришлись как нельзя кстати. Кульминацией развития ARM Limited стал 2007 год, когда британская компания возобновила партнерство с Apple, а спустя некоторое время купертиновцы представили свой первый iPhone с процессором на архитектуре ARM. В последующем однокристальная система на базе архитектуры ARM стала неизменным компонентом практически всех смартфонов, представленных на рынке.

Портфолио компании ARM Limited не ограничивается только ядрами семейства Cortex-A. Фактически, под маркой Cortex существует три серии процессорных ядер, которые обозначаются буквами A, R, M. Семейство ядер Cortex-А, как мы уже знаем, является наиболее мощными. Их в основном используют в смартфонах, планшетах, ТВ-приставках, спутниковых ресиверах, телевизорах, автомобильных системах, робототехнике. Процессорные ядра Cortex-R оптимизированы для выполнения высокопроизводительных задач в режиме реального времени, поэтому такие чипы встречаются в медицинском оборудовании, автономных системах безопасности, носителях информации. Основной задачей семейства Cortex-M является простота и низкая стоимость. Технически это самые слабые процессорные ядра с наиболее низким энергопотреблением. Процессоры на базе таких ядер используются практически везде, где от устройства требуется минимальная мощность и низкая стоимость: сенсоры, контроллеры, сигнализации, дисплеи, умные часы и другая техника.

В общем, большинство современных устройств от маленьких до больших, нуждающихся в центральном процессоре, используют чипы ARM. Огромным плюсом при этом является тот факт, что архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем на платформе Linux (в том числе Android и Chrome OS), iOS, и Windows (Windows Phone).

Конкуренция на рынке и перспективы на будущее

Стоит признать, на данный момент у ARM нет серьезных конкурентов. И по большому счету это связано с тем, что компания ARM Limited в определенное время сделала правильный выбор. А ведь в самом начале своего пути компания выпускала процессоры для ПК и даже пыталась конкурировать с Intel. После того, как ARM Limited поменяла направление своей деятельности, ей также было непросто. Тогда программный монополист в лице Microsoft, заключив партнерское соглашение с Intel, не оставил никаких шансов другим производителям, в том числе и ARM Limited – ОС Windows просто не работала на системах с процессорами ARM. Как бы парадоксально это не звучало, но сейчас ситуация может кардинально измениться, и уже ОС Windows готова поддерживать процессоры на этой архитектуре.

На волне успехов чипов ARM компания Intel предприняла попытку создать конкурентоспособный процессор и вышла на рынок с чипом Intel Atom. Для этого ей потребовалось гораздо больше времени, нежели ARM Limited. В производство чипсет поступил в 2011 году, но, как говорится, поезд уже ушел. Intel Atom является CISC-процессором с архитектурой x86. Инженеры компании добились более низкого энергопотребления, нежели в ARM, однако на текущий момент разнообразный мобильный софт имеет плохую адаптацию к архитектуре x86.

В прошлом году Intel отказалась от нескольких ключевых решений в дальнейшем развитии мобильных систем. Фактически компания признала провал и отказалась от разработки процессоров для мобильных устройств, поскольку они стали нерентабельными. Единственным крупным производителем, который комплектовал свои смартфоны чипсетами Intel Atom, был ASUS. Однако массовое использование Intel Atom все же получил в нетбуках, неттопах и других портативных устройствах.

Положение ARM Limited на рынке уникальное. На данный момент практически все производители пользуются ее разработками. При этом у компании нет собственных заводов. Это не мешает ей стоять в одном ряду с Intel и AMD. История ARM включает еще один любопытный факт. Не исключено, что сейчас технология ARM могла бы принадлежать компании Apple, которая стояла в основе формирования ARM Limited. По иронии судьбы в 1998 году купертиновцы, переживая кризисные времена, продали свою долю. Теперь Apple вынуждена наряду с другими компаниями покупать лицензию на процессоры ARM, используемые в iPhone и iPad.

В чипах от интел было меньшее энергопотребление !? Да все устройства что у меня были на интел, грелись как Адова печь и выжирали заряд как бешеные!

Согласен, позноваетельно. Было бы здорово ещё почитать об аппаратных средствах вычислительной техники. Тема актуальна, да и в интернете довольно мало нужной и актуальной инфы.

*Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8* О нет, скоро ARMv7 будет такой же редкостью как ARMv6

1. RISC это ещё и несколько архитектур IBM, к примеру power использовался в популярной в своё время amiga, потом в тех же десктопах, а через после разрыва с Apple, выпустили cell, который собственно стал основой предыдущего поколения консолей(в PS3 в полноценном виде и как ядро для видеокарты, в xbox 360 в обрезанном), а после этого позволил nvidia(со своим вариантом реализации) занять нишу в сегменте серверов, ну и в варианте самого IBM также процессор стал довольно популярен. А единный серверный сокет с AMD, позволил этой троице нанести существенный удар по Intel.
2. Конкуренция до окончания прошлого века, что в процессорах, что в видеокартах, не имела современного олигопольного характера. Кампаний было много, и разного калибра. И допустим у моторолы были очень прочные позиции, сейчас компания не умерла, но где их процессоры?
Обвинение microsoft, и вовсе бредово, ведь работать с intel, они начали давно, и это как раз для microsoft была возможность. Потому-что в те времена неравенство выглядело так, IBM > Intel > AMD > Microsoft. IBM и сейчас крупнее, позиция MS даже не знаю где в данный момент, но тогда они были теми у кого была идея, и по большому счету больше ничего, а AMD был притянут для диверсификации.
3. Вообще неупомянут XScale, который в свое время занимал заметную часть ниши, процессоры простых телефонов также зачастую имели ARM архитектуру. Конкурент TI тоже применял её. И вообще когда первый айфон вышел, все и так понимали, что как минимум крупную долю ARM будет занимать, в т.ч. и с учетом того что win mobile во многом была на ARM-процессорах. Да и кто сказал, что Apple не поменяла бы её, особенно с учетом того что тогда её процессоры целиком делали Samsung. Уж скорее Android закрепил применение ARM в мобильных устройствах. Но напомню, что power был куда более крутым процессором, и должно было вот вот выйти новое поколение, когда Apple перешли на Intel, вряд ли им что-то помешает сделать подобное и с ARM архитектурой, разве что страх резких движений в отсутствие Джобса.
4. Система на кристале в широком смысле, развивалась на обоих платформах приблизительно одновременно, единственное что в x86 она выражалась в основном в видеоядре, а остальное им не к чему. На самом деле польза нетворка, звука и прочего лишь в цене, и это начали пихать в один кристалл, ещё до того как оно вошло во все спецификации ARM. Зато вот то что сделала AMD, работу с GDDR в консолях, вот это наконец-то шаг на опережение, ведь всегда речь заходила о том что AMD отстает по поддержке ОЗУ. Теперь догоняющий в этом плане ARM, но ведь проблема в том, что жлобы производители смартфонов, вечно жмутся на оперативу, едва ли редкие флагманы напихивая до железного предела.

В архитектуры ARM являются внешние архитектуры типа RISC 32 бит (ARMv1 к ARMv7) и 64 бита ( ARMv8 ) , разработанная ARM Ltd. начиная с 1983 года и введена с 1990 по Acorn Computers . Архитектура ARM - результат работы Софи Уилсон .

Благодаря относительно более простой архитектуре, чем другие семейства процессоров, и потребителям с низким энергопотреблением, процессоры ARM сегодня доминируют в области встроенных вычислений , в частности мобильной телефонии и планшетов .

Эти процессоры производятся по лицензии большим количеством производителей.

Резюме

SoC ARM

Сегодня ARM наиболее известна своими системами на кристалле (SoC) , объединяющими на одном кристалле: микропроцессор , графический процессор (GPU), DSP , FPU , SIMD и периферийный контроллер . Они присутствуют в большинстве смартфонов и планшетов. ARM предлагает архитектуры, которые продаются дизайнерам по лицензиям на интеллектуальную собственность. Они предлагают различные варианты, в которых строители могут взять все, что им интересно, и дополнить их собственными или сторонними конструкторскими вариантами. Поэтому ARM предлагает микропроцессоры Cortex для самых последних SoC ( Cortex-A для портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты, Cortex-M для связи с микроконтроллером , Cortex-R для микропроцессоров реального времени ), графические процессоры ( Mali ), шины AMBA. по бесплатной лицензии, а также различные другие компоненты, необходимые для создания полной SoC. Некоторые производители, такие как Nvidia , предпочитают производить свои собственные графические процессоры, другие, такие как Samsung, предпочитают в некоторых случаях брать графический процессор сторонних производителей или ARM в зависимости от модели, а другие, такие как Apple, модифицируют некоторые компоненты микропроцессора. путем смешивания нескольких архитектур процессоров ARM ( например, Apple A6 сочетает в себе микропроцессорные технологии Cortex-A9 и Cortex-A15).

Презентация процессоров ARM

Особенностью процессоров ARM является способ их продажи. Действительно, ARM Ltd. не производит и не продает свои процессоры как интегральные схемы . Компания продает лицензии на свои процессоры, чтобы они были выгравированы на кремнии другими производителями. Сегодня большинство из основных фишек основателей предлагает ARM архитектуры.

Первым произведенным ядром является ARM2, продаваемый в Archimedes A310, а затем в линейке A4xx. Он имел трехступенчатый конвейер .

Самое известное ядро - ARM7TDMI [ исх. желаемый], имеющий трехступенчатый конвейер. Кроме того, ARM7TDMI имеет второй набор инструкций под названием THUMB, позволяющий кодировать инструкции по 16 битам по порядку, таким образом, для достижения значительной экономии памяти, в частности для встроенных приложений.

ARM Ltd. затем разработали ядро ARM9 с 5-ступенчатым конвейером. Таким образом, это позволяет увеличить количество логических операций в каждом тактовом цикле и, следовательно, улучшить быстродействие.

Архитектура ARM используется в большом количестве областей и оборудования, например, в калькуляторах TI-Nspire и HP-50G . Эта архитектура также очень распространена в мобильной телефонии.

С этой архитектурой совместимы многие операционные системы :

Symbian S60 с NokiaN97 или Samsung Player HD ,
macOS , поскольку 22 июня 2020 г. ,
iOS , iPadOS , watchOS , tvOS для iPhone , iPad , Apple Watch и AppleTV.
Linux , с большинством дистрибутивов или с Android ,
BlackBerry OS с BlackBerrys ,
Windows CE , Windows Phone 7 , Windows RT и Windows 10 ,
ReactOS ,
Risc OS , оригинальная ОС от Acorn,
система PlayStation Vita ,
система Nintendo Switch ,
и т.п.

Также возможно объединить ядра разной мощности, с наименьшим потреблением и мощностью, работающей большую часть времени, что позволяет минимизировать энергопотребление более мощных ядер, которые активируются только в случае высокой потребности в вычислениях в Ускорение обработки заказа. Эта технология называется big.LITTLE , ее использует Samsung со своими 5 Octo Exynos (4 маломощных Cortex-A7 и 4 высокомощных Cortex-A15), MediaTek и другими. Tegra 3 от Nvidia, использует аналогичную технику с одним сердцем и несколькими высокой мощности с низким энергопотреблением.

Архитектура и обучающая игра

Архитектура ARM сильно вдохновлена принципами проектирования RISC . Он имеет 16 общих 32-битных регистров. Все инструкции, закодированные на 32 бита вплоть до ARMv7, могут иметь условное выполнение; в 64-битной архитектуре ( ARMv8 ) только некоторые инструкции могут иметь условное выполнение.

Набор инструкций со временем получил расширения, такие как Thumb для повышения плотности кода, NEON для предоставления инструкций SIMD или Jazelle для улучшения выполнения кода Java .

Процессорные технологии

Следующие процессоры используют указанные ниже технологии:

MMU (блок управления памятью): менеджер памяти, обеспечивающий повышенную безопасность (присутствует только на ARM710 и ARM9). MMU позволяет виртуальную адресацию памяти, это необходимо для запуска определенных операционных систем, таких как Windows CE или большинство Linux.
MPU(en) (блок защиты памяти): защита памяти, часть MMU, поэтому упрощенная защита.
DSP : электронный компонент, оптимизированный для цифрового анализа . Его главное приложение является цифровойсигналобработки (фильтрации, кодирование / декодирование, выделения сигнала, и т.д.).
FPU : блок вычисления чисел с плавающей запятой

Джазель

Jazelle DBX (Direct Bytecode eXecution) - это метод прямого выполнения байт-кода Java в архитектурах ARM в качестве третьего состояния выполнения (и набора выполнения) параллельно с существующим ARM и в режиме Thumb. Поддержка этого состояния обозначается буквой J в архитектуре ARMv5TEJ и именами ядер ARM9EJ-S и ARM7EJ-S. Поддержка этого состояния требуется от ARMv6 (кроме профиля ARMv7-M). Однако новые ядра включают только тривиальную реализацию, не обеспечивающую аппаратного ускорения.

Большой палец

Thumb - это 16-битный набор инструкций, который предоставляет подмножество классических 32-битных инструкций ARM и экономит много памяти. Чтобы получить более компактное кодирование этих инструкций, некоторые операнды являются неявными, а предлагаемые возможности более ограничены.

В режиме Thumb 16-битные инструкции предлагают меньше возможностей. Например, только соединения могут быть условными, а несколько инструкций ограничены доступом к небольшой части общих регистров процессора. Эти ограниченные возможности повышают общую плотность программы, хотя для некоторых операций требуется больше инструкций. Это может сократить время, необходимое для загрузки кода в память (освобождая полосу пропускания), и повысить вероятность того, что он останется в кэше инструкций, что значительно повысит производительность.

Встроенное оборудование, такое как Game Boy Advance, обычно имеет небольшой объем оперативной памяти, доступной через 32-битную шину данных, но доступ к большей части осуществляется через вторую шину с 16 или менее битами. В этой ситуации очень интересно скомпилировать вашу программу в режиме Thumb и вручную оптимизировать несколько наиболее загружаемых секций, используя полный набор 32-битных инструкций ARM, позволяя размещать эти более крупные инструкции на шине. 32-битный доступ к памяти .

Первым процессором, содержащим декодер инструкций Thumb, является ARM7TDMI . Все ARM9 и выше (включая XScale ) включают декодер Thumb.

Большой палец-2

Технология Thumb-2 начинается с ядра ARM1156, анонсированного в 2003 году. Thumb-2 расширяет ограниченный 16-разрядный набор инструкций Thumb дополнительными 32-разрядными инструкциями, чтобы расширить набор инструкций. Это приводит к набору инструкций переменной ширины. Thumb-2 направлен на достижение плотности кода, близкой к Thumb, при сохранении производительности, аналогичной набору инструкций ARM в 32-битной памяти.

Все чипы ARMv7 поддерживают набор инструкций Thumb-2. Другие чипы серий Cortex и ARM11 поддерживают все состояния инструкции ARM или инструкции Thumb-2.

Среда выполнения Thumb (ThumbEE)

Вектор с плавающей точкой (VFP)

Технология VFP ( вектор с плавающей запятой ) - это расширение сопроцессора типа FPU в архитектурах ARM. Он обеспечивает вычисление недорогих форматов с плавающей запятой одинарной и двойной точности, соответствующих стандарту ANSI / IEEE Std 754-1985 для двоичной арифметики с плавающей запятой . VFP обеспечивает вычисления с плавающей запятой для выполнения широкого спектра приложений и потребностей, таких как КПК , смартфоны , сжатие и декомпрессия голоса, трехмерная графика или цифровой звук, принтеры, мультимедийные устройства и автомобильные приложения. Архитектура VFP была предназначена для поддержки режима выполнения коротких векторных инструкций, но они работают последовательно с каждым векторным элементом и, таким образом, не обеспечивают производительность настоящего векторного параллелизма, как это делает SIMD [неразборчиво] . Эти векторные режимы были быстро отозваны после их появления и заменены гораздо более мощным модулем NEON Advanced SIMD.

Некоторые процессоры, такие как ARM Cortex-A8, были ампутированы с модулем VFPLite вместо полного модуля VFP, и для каждой операции с плавающей запятой требуется примерно в десять раз больше тактовых циклов. Другие сопроцессоры с плавающей запятой или SIMD, которые можно найти в процессорах на основе архитектуры ARM, включают NEON , FPA , FPE, iwMMXt . Они предоставляют некоторые функции, аналогичные VFP, но несовместимы с ними на уровне кода операции .

Расширенный SIMD (NEON)

Технология LPAE ( Large Physical Address Extension ) была впервые реализована в Cortex A 3- го поколения (Cortex-A7, Cortex-A15 и Cortex-A17). Это расширение используется в 32-битных процессорах ARM, позволяя адресацию от 32 бит (максимум 4 гигабайта) до 40 бит (максимум 1 терабайт). Требуется MMU с расширением VMSAv7 . С этим расширением степень детализации управления MMU составляет 4 КиБ .

Это расширение работает в несколько этапов:

Сначала он преобразует 32-битный виртуальный адрес (VA) в 40-битный промежуточный физический адрес (IPA);
Он преобразует IPA в 50-битный физический адрес (PA).

Регистр ID_MMFR3 обеспечивает размер поддерживаемого физического адреса (32 бит, 36 бит или 40 бит).

TrustZone

TrustZone - это технология для шифрования и безопасности обмена со сторонними платформами в соответствии со стандартами Trusted Execution Environment (TEE). Цель состоит в том, чтобы предотвратить доступ пользователей или сторонних приложений, установленных на терминале, к данным, которыми обмениваются в этой так называемой доверенной среде. Он, например, используется в файловых средах, защищенных системой управления цифровыми правами (GND), также называемой DRM на английском языке.

Графические процессоры ARM

ARM также предлагает графические процессоры (GPU) под названием Mali, которые можно интегрировать в архитектуры ARM SoC . Первая серия, Mali 200, использовалась в таких процессорах, как SoC Telechips TCC890x.

Вторая серия, Mali 300, похоже, не использовалась производителями.

Третья серия, Mali 400 MP, предлагается на более высокопроизводительных процессорах, как правило, Cortex A9, таких как ST-Ericsson U8500, Samsung Exynos 4 или Amlogic 8726-M, а также на Cortex A8 AllWinner A1X .

Серия Mali 600 предназначена для Cortex A15. В частности, им оснащена серия Samsung Exynos 5. Первой моделью была Mali T604.

Универсальный API для доступа к графическому процессору MALI, совместимый с бесплатными EXA / DRI2 с открытым исходным кодом (лицензии Apache и MIT), доступен для Mali 200, 300, 400 и 600 на платформе Linux, но самая низкая часть доступа к процессору, в зависимости от о производителе остается закрытым.

Проект драйвера Lima был создан для разработки бесплатного драйвера, позволяющего в полной мере использовать эти процессоры. В Сентябрь 2013 , он уже превосходит характеристики собственных пилотов серии Mali 400.

Однако многие ARM SoC включают в себя графический процессор PowerVR или, реже, другие графические процессоры ( Qualcomm Adreno , Vivante , Nvidia ), все из которых имеют драйверы для Linux, но трехмерная часть является проприетарной и с закрытым исходным кодом. Проект Freedreno преследует те же цели для Adreno, что и проект драйвера Lima для серии Mali.

Архитектура

Различные процессоры ARM

ARM1 (1985): первый прототип ядра ARM
Семейство ARM2 (1987): первая ARM, представленная на рынке Archimedes of Acorn : 3-уровневый конвейер, 24-битная выровненная адресация (16 32-битных регистров или 64 миллиона адресуемых), 8 МГц, затем 12 МГц
Семейство ARM3 : интерфейс FPU, частота 25, затем 33 МГц , кэш 4K
Семья ARM4
Семья ARM4T
ARM5TE семья (2000): прибытие большого пальца и функциональности DSP
Семья ARM5TEJ (2000): прибытие Джазель
Семейство ARM6 выпущено в 1990 г.
- с Джазель (2001)
- ARM1136J (F) -STM (лето 2002 г. )
- ARM1156T2 (F) -S ( 2003 )
- ARM1176JZ (F) -S (2003)
- ARM720T (MMU)
- ARM7TDMI
- ARM7TDMI-S
- ARM7EJ-S : DSP и Джазель
- ARM946E-S : DSP, двойной кэш, MPU, 1 порт AHB
- ARM926EJ-S : DSP, двойной кэш, MMU, 2 порта AHB
- ARM966E-S : DSP, двойной кэш, MPU, 1 порт AHB
- ARM1020E : DSP, двойной кэш 32 кб , MMU
- ARM1022E : тот же ARM1020E, за исключением двойного кэша 16 КБ
- ARM1026EJ-S
- ARM1136JF-S : FPU
- ARM1156T2-S
- ARM1156T2F-S : FPU
- ARM1176JZ-S
- ARM1176JZF-S : FPU
- Cortex-A5
- Cortex-A5 MPCore : многопроцессорная версия Cortex-A5 (от 1 до 4 ЦП)
- Cortex-A7 MPCore : мультипроцессор Cortex-A7 (от 1 до 8 ЦП, МАЛЕНЬКИЙ)
- Cortex-A8
- Cortex-A9
- Cortex-A9 MPCore : многопроцессорная версия Cortex-A9 (от 1 до 4 ЦП), 45, 32 и 28 нм до 2 ГГц (3,1 ГГц при определенных условиях)
- Cortex-A12 MPCore , никогда не производился, окончательно заменен на Cortex-A17 (большой)
- Cortex-A15 MPCore : мультипроцессор Cortex-A15 (от 1 до 4 ЦП), 45, 32 и 28 нм (большой) (проекция20 нм ), до 2,5 ГГц
- Cortex-A17 MPCore (большой)
- Cortex-R4
- Cortex-R52
- Cortex-M0
- Кортекс-М0 +
- Кортекс-М1
- Cortex-M3
- Cortex-M4
- Cortex-M7
- Кортекс-М23
- Cortex-M33
- Cortex-A32
- Cortex-A35 (МАЛЕНЬКИЙ)
- Cortex-A53 (МАЛЕНЬКИЙ)
- Cortex-A57 (большой)
- Cortex-A72 (большой)
- Cortex-A73 (большой)
- Cortex-A55 (МАЛЕНЬКИЙ)
- Cortex-A75 (большой)
- Cortex-A76 (большой)
Производители процессоров ARM

Интеллектуальная собственность принадлежит британской компании, но лицензированные процессоры лицензируются различными компаниями по всему миру. Среди компаний, производящих модели серии Cortex (наиболее продвинутые), большинство находится в Азии (20), за ними следуют США (13) и, наконец, Европа (6).

Читайте также: