Πώς διαφέρει η αρχιτεκτονική ARM από την x86; Επεξεργαστής ARM Cortex A7: χαρακτηριστικά και κριτικές

Αυτό το άρθρο θα συζητήσει την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή.. Τα προϊόντα ημιαγωγών που βασίζονται σε αυτό βρίσκονται σε smartphone, δρομολογητές, tablet PC και άλλες φορητές συσκευές, όπου μέχρι πρόσφατα κατείχε ηγετική θέση σε αυτό το τμήμα της αγοράς. Τώρα σταδιακά αντικαθίσταται από νεότερες και πιο φρέσκες λύσεις επεξεργαστών.

Σύντομες πληροφορίες για την εταιρεία ARM

Η ιστορία της ARM χρονολογείται από το 1990, όταν ιδρύθηκε από τον Robin Saxby. Η βάση για τη δημιουργία του ήταν μια νέα αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή. Εάν πριν από αυτό η δεσπόζουσα θέση στην αγορά CPU καταλάμβανε το x86 ή το CISC, τότε μετά τη σύσταση αυτής της εταιρείας εμφανίστηκε μια άξια εναλλακτική με τη μορφή RISC. Στην πρώτη περίπτωση, η εκτέλεση του κώδικα προγράμματος μειώθηκε σε 4 στάδια:

Λήψη οδηγιών μηχανήματος.

Εκτελέστε μετατροπή μικροκώδικα.

Λήψη μικροοδηγιών.

Βήμα προς βήμα εκτέλεση μικροεντολών.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ η βασική ιδέα της αρχιτεκτονικήςΥΠΕΝΓ ήταν ότι η επεξεργασία του κώδικα προγράμματος μπορεί να μειωθεί σε 2 στάδια:

Παραλαβή RISC-οδηγίες.

Θεραπεία RISC-οδηγίες.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ Τόσο στην πρώτη όσο και στη δεύτερη περίπτωση υπάρχουν τόσο πλεονεκτήματα όσο και σημαντικά μειονεκτήματα. Το x86 κατέκτησε με επιτυχία την αγορά των υπολογιστών καιRISC (συμπεριλαμβανομένου, εισήχθη το 2011) - η αγορά κινητών συσκευών.

Η ιστορία της αρχιτεκτονικής Cortex A7. Βασικά χαρακτηριστικά

Η βάση για το "Cortex A7" ήταν το "Cortex A8". Η κύρια ιδέα των προγραμματιστών σε αυτήν την περίπτωση ήταν να αυξήσουν την απόδοση και να βελτιώσουν σημαντικά την ενεργειακή απόδοση της λύσης επεξεργαστή. Αυτό ακριβώς πέτυχαν τελικά οι μηχανικοί της ARM. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό σε αυτή την περίπτωση ήταν ότι κατέστη δυνατή η δημιουργία CPU με τεχνολογία big.LITTLE. Δηλαδή, ο κρύσταλλος ημιαγωγών θα μπορούσε να περιλαμβάνει 2 υπολογιστικές μονάδες. Ένα από αυτά στόχευε στην επίλυση των απλούστερων προβλημάτων με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας και, κατά κανόνα, οι πυρήνες Cortex A7 έπαιξαν αυτόν τον ρόλο. Το δεύτερο προοριζόταν να τρέξει το πιο περίπλοκο λογισμικό και βασίστηκε στις υπολογιστικές μονάδες Cortex A15 ή Cortex A17. Επίσημα, το "Cortex A7" παρουσιάστηκε, όπως σημειώθηκε νωρίτερα, το 2011. Λοιπόν, ο πρώτος επεξεργαστής ARM Cortex A7 κυκλοφόρησε ένα χρόνο αργότερα, δηλαδή το 2012.

Τεχνολογία παραγωγής

Αρχικά, τα προϊόντα ημιαγωγών με βάση το A7 παράγονταν σύμφωνα με τα πρότυπα τεχνολογίας 65 nm. Τώρα αυτή η τεχνολογία είναι απελπιστικά ξεπερασμένη. Στη συνέχεια, κυκλοφόρησαν δύο ακόμη γενιές επεξεργαστών A7 σύμφωνα με πρότυπα ανοχής 40 nm και 32 nm. Όμως έχουν γίνει πλέον άσχετοι. Τα πιο πρόσφατα μοντέλα CPU που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική έχουν ήδη κατασκευαστεί σύμφωνα με τα πρότυπα 28 nm και αυτά είναι αυτά που εξακολουθούν να βρίσκονται σε προσφορά. Μια περαιτέρω μετάβαση σε νεότερα με νέα πρότυπα ανοχής και ξεπερασμένη αρχιτεκτονική είναι απίθανο να αναμένεται. Τα τσιπ που βασίζονται στο A7 καταλαμβάνουν πλέον το πιο οικονομικό τμήμα της αγοράς κινητών συσκευών και σταδιακά αντικαθίστανται από gadget που βασίζονται στο A53, το οποίο, με σχεδόν τις ίδιες παραμέτρους ενεργειακής απόδοσης, έχει υψηλότερο επίπεδο απόδοσης.

Αρχιτεκτονική του πυρήνα μικροεπεξεργαστή

1, 2, 4 ή 8 πυρήνες μπορούν να συμπεριληφθούν σε CPU που βασίζονται σε ARM Cortex A7. Χαρακτηριστικά Οι επεξεργαστές στην τελευταία περίπτωση υποδεικνύουν ότι το τσιπ αποτελείται ουσιαστικά από 2 συμπλέγματα των 4 πυρήνων.Για 2-3 χρόνια, τα προϊόντα επεξεργαστών αρχικού επιπέδου βασίζονταν σε τσιπ με 1 ή 2 υπολογιστικές μονάδες. Το μεσαίο επίπεδο καταλήφθηκε από λύσεις 4 πυρήνων. Λοιπόν, το τμήμα premium ήταν για μάρκες 8 πυρήνων. Κάθε πυρήνας μικροεπεξεργαστή που βασίζεται σε αυτήν την αρχιτεκτονική περιελάμβανε τις ακόλουθες ενότητες:

σι μονάδα επεξεργασίας κινητής υποδιαστολής (FPU).

Προσωρινή μνήμη επιπέδου 1.

ΟΙΚΟΔΟΜΙΚΟ ΤΕΤΡΑΓΩΝΟ ΝΕΟγια βελτιστοποίηση της απόδοσης της CPU.

Υπολογιστική μονάδαARMv7.

Υπήρχαν επίσης τα ακόλουθα κοινά στοιχεία για όλους τους πυρήνες της CPU:

Μετρητά L2.

Μονάδα ελέγχου πυρήνα CoreSight.

Ελεγκτής διαύλου ελέγχου δεδομένων AMBA με χωρητικότητα 128 bit.

Πιθανές συχνότητες

Η μέγιστη συχνότητα ρολογιού για μια δεδομένη αρχιτεκτονική μικροεπεξεργαστή μπορεί να κυμαίνεται από 600 MHz έως 3 GHz. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι αυτή η παράμετρος, η οποία υποδεικνύει τη μέγιστη επίδραση στην απόδοση του υπολογιστικού συστήματος, αλλάζει. Επιπλέον, η συχνότητα επηρεάζεται από τρεις παράγοντες ταυτόχρονα:

Το επίπεδο πολυπλοκότητας του προβλήματος που επιλύεται.

Ο βαθμός βελτιστοποίησης λογισμικού για multithreading.

Η τρέχουσα τιμή της θερμοκρασίας του κρυστάλλου ημιαγωγού.

Για παράδειγμα, λάβετε υπόψη τον αλγόριθμο λειτουργίας του τσιπ MT6582, ο οποίος βασίζεται στο A7 και περιλαμβάνει 4 υπολογιστικές μονάδες, η συχνότητα των οποίων κυμαίνεται από 600 MHz έως 1,3 GHz. Σε κατάσταση αναμονής, αυτή η συσκευή επεξεργαστή μπορεί να έχει μόνο μία μονάδα υπολογισμού και λειτουργεί στη χαμηλότερη δυνατή συχνότητα των 600 MHz. Μια παρόμοια κατάσταση θα συμβεί όταν μια απλή εφαρμογή εκκινείται σε ένα gadget για κινητά. Αλλά όταν ένα παιχνίδι έντασης πόρων και βελτιστοποιημένο για πολλαπλές κλωστές εμφανίζεται στη λίστα εργασιών, και τα 4 μπλοκ επεξεργασίας κώδικα προγράμματος σε συχνότητα 1,3 GHz θα αρχίσουν να λειτουργούν αυτόματα. Καθώς η CPU θερμαίνεται, οι πιο ζεστοί πυρήνες θα μειώσουν την ταχύτητα του ρολογιού τους ή ακόμα και θα κλείσουν. Αφενός, αυτή η προσέγγιση εξασφαλίζει ενεργειακή απόδοση και, αφετέρου, ένα αποδεκτό επίπεδο απόδοσης τσιπ.

Προσωρινή μνήμη

Μόνο 2 επίπεδα κρυφής μνήμης παρέχονται στο ARM Cortex A7. Χαρακτηριστικά κρύσταλλο ημιαγωγών, με τη σειρά του, δείχνει ότι το πρώτο επίπεδο χωρίζεται απαραίτητα σε 2 ίσα μισά. Ενας από αυτούςθα πρέπει να αποθηκεύει δεδομένα, και το άλλο - οδηγίες.Συνολικό μέγεθος cache στο επίπεδο 1σύμφωνα με τις προδιαγραφές μπορεί να είναι ίσο 64 KB. Ως αποτέλεσμα, παίρνουμε 32 KB για δεδομένα και 32 KB για κώδικα.Η κρυφή μνήμη 2ου επιπέδου θα κρεμάσει σε αυτήν την περίπτωσημι ανάλογα με το συγκεκριμένο μοντέλο CPU. Ο μικρότερος όγκος του μπορεί να είναι 0 MB (δηλαδή απουσιάζει) και ο μεγαλύτερος μπορεί να είναι 4 MB.

Ελεγκτής RAM. Τα χαρακτηριστικά του

Οποιοσδήποτε επεξεργαστής ARM Cortex A7 διαθέτει ενσωματωμένο ελεγκτή RAM. Τα χαρακτηριστικά του τεχνικού σχεδίου δείχνουν ότι έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε συνδυασμό με την τυπική μνήμη RAM LPDDR3. Οι συνιστώμενες συχνότητες μνήμης λειτουργίας σε αυτήν την περίπτωση είναι 1066 MHz ή 1333 MHz. Το μέγιστο μέγεθος μνήμης RAM που μπορεί να βρεθεί στην πράξη για αυτό το μοντέλο chip είναι 2 GB.



Ενσωματωμένα Γραφικά

Όπως ήταν αναμενόμενο, αυτές οι συσκευές μικροεπεξεργαστή διαθέτουν ενσωματωμένο υποσύστημα γραφικών. Ο κατασκευαστής ARM συνιστά τη χρήση μιας ιδιόκτητης κάρτας γραφικών Mali-400MP2 σε συνδυασμό με αυτήν τη CPU. Αλλά η απόδοσή του τις περισσότερες φορές δεν είναι αρκετή για να ξεκλειδώσει το δυναμικό μιας συσκευής μικροεπεξεργαστή. Επομένως, οι προγραμματιστές τσιπ χρησιμοποιούν πιο ισχυρούς προσαρμογείς σε συνδυασμό με αυτό το τσιπ, για παράδειγμα, το Power VR6200.

Χαρακτηριστικά λογισμικού

Τρεις τύποι λειτουργικών συστημάτων στοχεύουν σε επεξεργαστές ARM:

Android από τον γίγαντα αναζήτησης Google.

iOS από την APPLE.

Windows Mobile από τη Microsoft.

Όλο το άλλο λογισμικό συστήματος δεν έχει λάβει ακόμη ευρεία διανομή. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, το μεγαλύτερο μερίδιο στην αγορά τέτοιου λογισμικού κατέχει το Android. Αυτό το σύστημα έχει μια απλή και διαισθητική διεπαφή και οι συσκευές εισαγωγικού επιπέδου που βασίζονται σε αυτό είναι πολύ, πολύ προσιτές. Μέχρι την έκδοση 4.4 συμπεριλαμβανομένης, ήταν 32-bit και με την έκδοση 5.0 άρχισε να υποστηρίζει υπολογιστές 64-bit. Αυτό το λειτουργικό σύστημα εκτελείται με επιτυχία σε οποιαδήποτε οικογένεια επεξεργαστών RISC, συμπεριλαμβανομένου του ARM Cortex A7. Το μενού μηχανικής είναι ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό αυτού του λογισμικού συστήματος. Με τη βοήθειά του, μπορείτε να ρυθμίσετε σημαντικά τις δυνατότητες του λειτουργικού συστήματος. Αυτό το μενού μπορεί να προσπελαστεί χρησιμοποιώντας έναν κωδικό που είναι ξεχωριστός για κάθε μοντέλο CPU.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό αυτού του λειτουργικού συστήματος είναι ότι όλες οι πιθανές ενημερώσεις εγκαθίστανται αυτόματα. Επομένως, ακόμη και νέα χαρακτηριστικά μπορεί να εμφανιστούν σε μάρκες από την οικογένεια ARM Cortex A7. Το υλικολογισμικό μπορεί να τα προσθέσει. Το δεύτερο σύστημα απευθύνεται σε κινητά gadget της APPLE. Τέτοιες συσκευές καταλαμβάνουν κυρίως την κατηγορία premium και έχουν αντίστοιχα επίπεδα απόδοσης και κόστους. Το πιο πρόσφατο λειτουργικό σύστημα, Windows Mobile, δεν έχει γίνει ακόμη ευρέως διαδεδομένο. Υπάρχουν συσκευές που βασίζονται σε αυτό σε οποιοδήποτε τμήμα κινητών gadget, αλλά η μικρή ποσότητα λογισμικού εφαρμογών σε αυτήν την περίπτωση είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για τη διάδοσή του.



Μοντέλα επεξεργαστών

Τα πιο προσιτά και λιγότερο παραγωγικά σε αυτή την περίπτωση είναι τα τσιπ ενός πυρήνα. Το πιο διαδεδομένο μεταξύ αυτών είναι το MT6571 της MediaTek. Ένα βήμα πιο πάνω βρίσκονται οι επεξεργαστές διπλού πυρήνα ARM Cortex A7 Dual Core. Ένα παράδειγμα είναι το MT6572 του ίδιου κατασκευαστή. Ένα ακόμη μεγαλύτερο επίπεδο απόδοσης παρείχε ο Quad Core ARM Cortex A7. Το πιο δημοφιλές τσιπ αυτής της οικογένειας είναι το MT6582, το οποίο τώρα μπορεί να βρεθεί ακόμη και σε συσκευές κινητής τηλεφωνίας εισαγωγικού επιπέδου. Λοιπόν, το υψηλότερο επίπεδο απόδοσης παρείχαν κεντρικοί επεξεργαστές 8 πυρήνων, στους οποίους ανήκε ο MT6595.

Περαιτέρω προοπτικές ανάπτυξης

Μπορείτε ακόμα να βρείτε φορητές συσκευές στα ράφια των καταστημάτων που βασίζονται σε μια συσκευή επεξεργαστή ημιαγωγών που βασίζεται στο 4X ARM Cortex A7. Αυτά είναι τα MT6580, MT6582 και Snapdragon 200. Όλα αυτά τα τσιπ περιλαμβάνουν 4 υπολογιστικές μονάδες και έχουν εξαιρετικό επίπεδο ενεργειακής απόδοσης. Επίσης, το κόστος σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ, πολύ μέτριο. Ωστόσο, οι καλύτερες εποχές αυτής της αρχιτεκτονικής μικροεπεξεργαστή είναι ήδη πίσω μας. Η κορύφωση των πωλήσεων προϊόντων που βασίστηκαν σε αυτό έπεσε το 2013-2014, όταν ουσιαστικά δεν υπήρχε εναλλακτική λύση στην αγορά κινητών gadget. Επιπλέον, σε αυτή την περίπτωση μιλάμε τόσο για συσκευές προϋπολογισμού με 1 ή 2 υπολογιστικές μονάδες όσο και για κορυφαίες συσκευές με CPU 8 πυρήνων. Αυτή τη στιγμή, αντικαθίσταται σταδιακά από την αγορά από το Cortex A53, το οποίο είναι ουσιαστικά μια τροποποιημένη έκδοση 64-bit του A7. Ταυτόχρονα, διατήρησε εξ ολοκλήρου τα κύρια πλεονεκτήματα του προκατόχου του και το μέλλον σίγουρα του ανήκει.



Γνώμη ειδικών και χρηστών. Πραγματικές κριτικές για μάρκες που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Φυσικά, ένα σημαντικό γεγονός για τον κόσμο των κινητών συσκευών ήταν η εμφάνιση της αρχιτεκτονικής συσκευών μικροεπεξεργαστή ARM Cortex A7. Η καλύτερη απόδειξη αυτού είναι ότι οι συσκευές που βασίζονται σε αυτό έχουν ήδη πωληθεί με επιτυχία για περισσότερα από 5 χρόνια. Φυσικά, τώρα οι δυνατότητες μιας CPU που βασίζεται σε A7 δεν είναι πλέον αρκετές ούτε για την επίλυση προβλημάτων μεσαίου επιπέδου, αλλά ο απλούστερος κώδικας προγράμματος σε τέτοια τσιπ εξακολουθεί να λειτουργεί με επιτυχία μέχρι σήμερα. Η λίστα τέτοιων λογισμικών περιλαμβάνει την αναπαραγωγή βίντεο, την ακρόαση ηχογραφήσεων, την ανάγνωση βιβλίων, την περιήγηση στο διαδίκτυο και ακόμη και τα πιο απλά παιχνίδια που θα κυκλοφορήσουν σε αυτήν την περίπτωση χωρίς κανένα πρόβλημα. Σε αυτό ακριβώς επικεντρώνονται τόσο οι κορυφαίοι ειδικοί αυτού του είδους όσο και οι απλοί χρήστες σε κορυφαίες θεματικές πύλες αφιερωμένες σε gadget και συσκευές για κινητές συσκευές. Το βασικό μειονέκτημα του A7 είναι η έλλειψη υποστήριξης για υπολογιστές 64-bit. Λοιπόν, τα κύρια πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν τον ιδανικό συνδυασμό ενεργειακής απόδοσης και απόδοσης.



Αποτελέσματα

Φυσικά, Cortex A7 - Αυτή είναι μια ολόκληρη εποχή στον κόσμο των φορητών συσκευών. Ήταν με την έλευση του που οι φορητές συσκευές έγιναν προσβάσιμες και αρκετά παραγωγικές. Και το γεγονός ότι έχει πωληθεί με επιτυχία για περισσότερα από 5 χρόνια είναι μια περαιτέρω επιβεβαίωση αυτού. Αλλά αν στην αρχή τα gadget που βασίζονταν σε αυτό καταλάμβαναν τα μεσαία και premium τμήματα της αγοράς, τώρα μόνο η οικονομική κατηγορία παραμένει πίσω τους. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι ξεπερασμένη και σταδιακά γίνεται παρελθόν.

Σήμερα, υπάρχουν δύο πιο δημοφιλείς αρχιτεκτονικές επεξεργαστών. Αυτό είναι το x86, το οποίο αναπτύχθηκε στη δεκαετία του '80 και χρησιμοποιείται σε προσωπικούς υπολογιστές και ARM - ένα πιο σύγχρονο, που κάνει τους επεξεργαστές μικρότερους και πιο οικονομικούς. Χρησιμοποιείται στις περισσότερες φορητές συσκευές ή tablet.

Και οι δύο αρχιτεκτονικές έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, καθώς και τομείς εφαρμογής, αλλά υπάρχουν και κοινά χαρακτηριστικά. Πολλοί ειδικοί λένε ότι το ARM είναι το μέλλον, αλλά εξακολουθεί να έχει ορισμένα μειονεκτήματα που δεν έχει το x86. Στο σημερινό μας άρθρο θα δούμε πώς διαφέρει η αρχιτεκτονική του βραχίονα από το x86. Ας δούμε τις θεμελιώδεις διαφορές μεταξύ του ARM και του x86 και ας προσπαθήσουμε επίσης να προσδιορίσουμε ποιο είναι καλύτερο.

Ο επεξεργαστής είναι το κύριο συστατικό οποιασδήποτε υπολογιστικής συσκευής, είτε πρόκειται για smartphone είτε για υπολογιστή. Η απόδοσή του καθορίζει πόσο γρήγορα θα λειτουργεί η συσκευή και πόσο καιρό μπορεί να λειτουργεί με μπαταρία. Με απλά λόγια, μια αρχιτεκτονική επεξεργαστή είναι ένα σύνολο εντολών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση προγραμμάτων και υλοποιούνται σε υλικό χρησιμοποιώντας ορισμένους συνδυασμούς τρανζίστορ επεξεργαστή. Είναι αυτά που επιτρέπουν στα προγράμματα να αλληλεπιδρούν με το υλικό και να καθορίζουν τον τρόπο μεταφοράς και ανάγνωσης δεδομένων από τη μνήμη.

Προς το παρόν, υπάρχουν δύο τύποι αρχιτεκτονικών: CISC (Complex Instruction Set Computing) και RISC (Reduced Instruction Set Computing). Το πρώτο προϋποθέτει ότι ο επεξεργαστής θα εφαρμόσει οδηγίες για όλες τις περιπτώσεις, το δεύτερο, το RISC, θέτει στους προγραμματιστές το καθήκον να δημιουργήσουν έναν επεξεργαστή με ένα σύνολο από τις ελάχιστες οδηγίες που απαιτούνται για τη λειτουργία. Οι οδηγίες RISC είναι μικρότερες και απλούστερες.

αρχιτεκτονική x86

Η αρχιτεκτονική του επεξεργαστή x86 αναπτύχθηκε το 1978 και πρωτοεμφανίστηκε σε επεξεργαστές Intel και είναι τύπου CISC. Το όνομά του προέρχεται από το μοντέλο του πρώτου επεξεργαστή με αυτήν την αρχιτεκτονική - Intel 8086. Με την πάροδο του χρόνου, ελλείψει καλύτερης εναλλακτικής λύσης, άλλοι κατασκευαστές επεξεργαστών, για παράδειγμα, η AMD, άρχισαν να υποστηρίζουν αυτήν την αρχιτεκτονική. Είναι πλέον το πρότυπο για επιτραπέζιους υπολογιστές, φορητούς υπολογιστές, netbook, διακομιστές και άλλες παρόμοιες συσκευές. Αλλά μερικές φορές χρησιμοποιούνται επεξεργαστές x86 σε tablet, αυτή είναι μια αρκετά κοινή πρακτική.

Ο πρώτος επεξεργαστής Intel 8086 είχε χωρητικότητα 16 bit, στη συνέχεια το 2000 κυκλοφόρησε ένας επεξεργαστής αρχιτεκτονικής 32 bit και ακόμη αργότερα εμφανίστηκε μια αρχιτεκτονική 64 bit. Το συζητήσαμε λεπτομερώς σε ξεχωριστό άρθρο. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η αρχιτεκτονική έχει αναπτυχθεί πάρα πολύ.

Το x86 έχει αρκετά σημαντικά μειονεκτήματα. Πρώτον, αυτή είναι η πολυπλοκότητα των εντολών, η σύγχυσή τους, που προέκυψε λόγω της μακράς ιστορίας της ανάπτυξης. Δεύτερον, τέτοιοι επεξεργαστές καταναλώνουν υπερβολική ισχύ και παράγουν πολλή θερμότητα εξαιτίας αυτού. Οι μηχανικοί x86 αρχικά πήραν τον δρόμο της απόκτησης της μέγιστης απόδοσης και η ταχύτητα απαιτεί πόρους. Πριν δούμε τις διαφορές μεταξύ του βραχίονα x86, ας μιλήσουμε για την αρχιτεκτονική του ARM.

Αρχιτεκτονική ARM

Αυτή η αρχιτεκτονική εισήχθη λίγο αργότερα πίσω από το x86 - το 1985. Αναπτύχθηκε από τη διάσημη βρετανική εταιρεία Acorn, τότε αυτή η αρχιτεκτονική ονομάστηκε Arcon Risk Machine και ανήκε στον τύπο RISC, αλλά στη συνέχεια κυκλοφόρησε η βελτιωμένη έκδοση Advanted RISC Machine, η οποία είναι πλέον γνωστή ως ARM.

Κατά την ανάπτυξη αυτής της αρχιτεκτονικής, οι μηχανικοί έθεσαν ως στόχο να εξαλείψουν όλες τις αδυναμίες του x86 και να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα και πιο αποτελεσματική αρχιτεκτονική. Τα τσιπ ARM ​​έλαβαν ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας και χαμηλή τιμή, αλλά είχαν χαμηλή απόδοση σε σύγκριση με το x86, οπότε αρχικά δεν κέρδισαν μεγάλη δημοτικότητα στους προσωπικούς υπολογιστές.

Σε αντίθεση με το x86, οι προγραμματιστές προσπάθησαν αρχικά να επιτύχουν ελάχιστο κόστος πόρων, έχουν λιγότερες οδηγίες επεξεργαστή, λιγότερα τρανζίστορ, αλλά και, κατά συνέπεια, λιγότερα πρόσθετα χαρακτηριστικά. Όμως η απόδοση των επεξεργαστών ARM βελτιώνεται τα τελευταία χρόνια. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό και τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, έχουν γίνει πολύ ευρέως χρησιμοποιούμενες σε κινητές συσκευές όπως tablet και smartphone.

Διαφορές μεταξύ ARM και x86

Και τώρα που εξετάσαμε την ιστορία της ανάπτυξης αυτών των αρχιτεκτονικών και τις θεμελιώδεις διαφορές τους, ας κάνουμε μια λεπτομερή σύγκριση του ARM και του x86 με βάση τα διάφορα χαρακτηριστικά τους για να προσδιορίσουμε ποια είναι καλύτερη και να κατανοήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια ποιες είναι οι διαφορές τους.

Παραγωγή

Η παραγωγή x86 έναντι βραχίονα είναι διαφορετική. Μόνο δύο εταιρείες παράγουν επεξεργαστές x86: η Intel και η AMD. Αρχικά, αυτή ήταν μια εταιρεία, αλλά αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική ιστορία. Μόνο αυτές οι εταιρείες έχουν το δικαίωμα να παράγουν τέτοιους μεταποιητές, πράγμα που σημαίνει ότι μόνο αυτές θα ελέγχουν την κατεύθυνση ανάπτυξης της υποδομής.

Το ARM λειτουργεί πολύ διαφορετικά. Η εταιρεία που αναπτύσσει το ARM δεν κυκλοφορεί τίποτα. Απλώς εκδίδουν άδεια για την ανάπτυξη επεξεργαστών αυτής της αρχιτεκτονικής και οι κατασκευαστές μπορούν να κάνουν ό,τι χρειάζονται, για παράδειγμα, να παράγουν συγκεκριμένα τσιπ με τα modules που χρειάζονται.

Αριθμός οδηγιών

Αυτές είναι οι κύριες διαφορές μεταξύ της αρχιτεκτονικής βραχίονα και x86. Οι επεξεργαστές x86 αναπτύχθηκαν γρήγορα ως πιο ισχυροί και παραγωγικοί. Οι προγραμματιστές έχουν προσθέσει έναν μεγάλο αριθμό οδηγιών επεξεργαστή και δεν υπάρχει μόνο ένα βασικό σύνολο, αλλά πολλές εντολές που θα μπορούσαν να γίνουν χωρίς. Αρχικά, αυτό έγινε για να μειωθεί η ποσότητα της μνήμης που καταλαμβάνουν τα προγράμματα στο δίσκο. Πολλές επιλογές για προστασία και εικονικοποίηση, βελτιστοποίηση και πολλά άλλα έχουν επίσης αναπτυχθεί. Όλα αυτά απαιτούν πρόσθετα τρανζίστορ και ενέργεια.

Το ARM είναι πιο απλό. Υπάρχουν πολύ λιγότερες οδηγίες επεξεργαστή εδώ, μόνο αυτές που χρειάζεται το λειτουργικό σύστημα και χρησιμοποιούνται πραγματικά. Αν συγκρίνουμε το x86, μόνο το 30% όλων των πιθανών οδηγιών χρησιμοποιείται εκεί. Είναι πιο εύκολο να τα μάθετε αν αποφασίσετε να γράψετε προγράμματα με το χέρι και απαιτούν επίσης λιγότερα τρανζίστορ για την εφαρμογή τους.

Κατανάλωση ενέργειας

Ένα άλλο συμπέρασμα προκύπτει από την προηγούμενη παράγραφο. Όσο περισσότερα τρανζίστορ στην πλακέτα, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή και η κατανάλωση ενέργειας, και ισχύει και το αντίστροφο.

Οι επεξεργαστές x86 καταναλώνουν πολύ περισσότερη ισχύ από τον ARM. Αλλά η κατανάλωση ενέργειας επηρεάζεται επίσης από το μέγεθος του ίδιου του τρανζίστορ. Για παράδειγμα, ένας επεξεργαστής Intel i7 καταναλώνει 47 Watt και οποιοσδήποτε επεξεργαστής smartphone ARM δεν καταναλώνει περισσότερα από 3 Watt. Προηγουμένως, κατασκευάζονταν πλακέτες με μέγεθος ενός στοιχείου 80 nm, στη συνέχεια η Intel πέτυχε μείωση στα 22 nm και φέτος οι επιστήμονες μπόρεσαν να δημιουργήσουν μια πλακέτα με μέγεθος στοιχείου 1 νανόμετρο. Αυτό θα μειώσει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας χωρίς απώλεια απόδοσης.

Τα τελευταία χρόνια, η κατανάλωση ενέργειας των επεξεργαστών x86 έχει μειωθεί πολύ, για παράδειγμα, οι νέοι επεξεργαστές Intel Haswell μπορούν να διαρκέσουν περισσότερο με μπαταρία. Τώρα η διαφορά μεταξύ βραχίονα και x86 εξαφανίζεται σταδιακά.

Διάχυση θερμότητας

Ο αριθμός των τρανζίστορ επηρεάζει μια άλλη παράμετρο - την παραγωγή θερμότητας. Οι σύγχρονες συσκευές δεν μπορούν να μετατρέψουν όλη την ενέργεια σε αποτελεσματική δράση. Η απόδοση των πλακών είναι η ίδια, πράγμα που σημαίνει ότι όσο λιγότερα τρανζίστορ και όσο μικρότερο είναι το μέγεθός τους, τόσο λιγότερη θερμότητα θα παράγει ο επεξεργαστής. Εδώ δεν τίθεται πλέον το ερώτημα εάν το ARM ή το x86 θα παράγουν λιγότερη θερμότητα.

Απόδοση επεξεργαστή

Το ARM δεν σχεδιάστηκε αρχικά για μέγιστη απόδοση, εδώ υπερέχει το x86. Αυτό οφείλεται εν μέρει στον μικρότερο αριθμό τρανζίστορ. Αλλά πρόσφατα, η απόδοση των επεξεργαστών ARM έχει αυξηθεί και μπορούν ήδη να χρησιμοποιηθούν πλήρως σε φορητούς υπολογιστές ή διακομιστές.

συμπεράσματα

Σε αυτό το άρθρο εξετάσαμε πώς διαφέρει το ARM από το x86. Οι διαφορές είναι αρκετά σοβαρές. Αλλά τελευταία η γραμμή μεταξύ των δύο αρχιτεκτονικών έχει γίνει θολή. Οι επεξεργαστές ARM γίνονται πιο παραγωγικοί και ταχύτεροι και οι επεξεργαστές x86, χάρη στη μείωση του μεγέθους του δομικού στοιχείου της πλακέτας, αρχίζουν να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και να παράγουν λιγότερη θερμότητα. Μπορείτε ήδη να βρείτε επεξεργαστές ARM σε διακομιστές και φορητούς υπολογιστές και x86 σε tablet και smartphone.

Τι γνώμη έχετε για αυτά τα x86 και ARM; Ποια τεχνολογία είναι το μέλλον κατά τη γνώμη σας; Γράψτε στα σχόλια! Παρεμπιπτόντως, .

Για να ολοκληρώσετε το βίντεο σχετικά με την ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής ARM:

Μόλις πρόσφατα (μόλις πριν από 10 χρόνια) υπήρχαν τρεις αρχιτεκτονικές στην αγορά των καταναλωτικών επεξεργαστών και ήταν όλες λίγο πολύ καλά διαχωρισμένες: επεξεργαστές ARM εγκαταστάθηκαν σε φορητές συσκευές, όπου η διάρκεια ζωής της μπαταρίας ήταν σημαντική, επεξεργαστές x86 εγκαταστάθηκαν σε συσκευές με Windows , και σε πείσμα της Intel, η Apple χρησιμοποίησε επεξεργαστές βασισμένους στην αρχιτεκτονική PowerPC στις συσκευές της (αν και γνωρίζουμε ότι παρ' όλα αυτά "έρπευσε" στο x86). Αλλά αυτή τη στιγμή απομένουν μόνο δύο αρχιτεκτονικές στην αγορά για προσαρμοσμένους επεξεργαστές - το PowerPC αποχώρησε από τον αγώνα και πολύ πρόσφατα: η τελευταία συσκευή αυτής της αρχιτεκτονικής, το PlayStation 3, σταμάτησε να παράγεται μόλις πριν από μερικές εβδομάδες. Επιπλέον, υπάρχουν όλο και περισσότερες διαρροές ότι θα είναι δυνατή η εκτέλεση πλήρους Windows σε επεξεργαστές ARM και από την άλλη πλευρά, το Android λειτουργεί εξαιρετικά με επεξεργαστές x86 ξεκινώντας από την έκδοση 4.0. Δηλαδή, όπως βλέπουμε, η διαφορά μεταξύ αυτών των αρχιτεκτονικών γίνεται όλο και πιο θολή στα μάτια των χρηστών και σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε γιατί συμβαίνει αυτό.

αρχιτεκτονική x86

Αρχικά, ας ορίσουμε τι είναι η αρχιτεκτονική. Με απλά λόγια, από την άποψη ενός προγραμματιστή, η αρχιτεκτονική ενός επεξεργαστή είναι η συμβατότητά του με ένα συγκεκριμένο σύνολο οδηγιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τη σύνταξη προγραμμάτων και υλοποιούνται σε υλικό χρησιμοποιώντας διάφορους συνδυασμούς τρανζίστορ επεξεργαστή.


Οι επεξεργαστές x86 είναι χτισμένοι στην αρχιτεκτονική CISC (Complex Instruction Set Computing, επεξεργαστές με πλήρες σύνολο εντολών) - αυτό σημαίνει ότι ο μέγιστος αριθμός εντολών εφαρμόζεται στον επεξεργαστή, ο οποίος, αφενός, απλοποιεί τη σύνταξη προγραμμάτων και μειώνει το βάρος τους, και από την άλλη πλευρά, ο επεξεργαστής είναι πρακτικά αδύνατο να φορτώσει 100%.

Ο πρώτος επεξεργαστής x86 ήταν ο Intel 8086, ο πρώτος επεξεργαστής 16 bit της Intel που λειτουργούσε έως και 10 MHz και κυκλοφόρησε το 1978. Ο επεξεργαστής αποδείχθηκε εξαιρετικά δημοφιλής και κατασκευάστηκε μέχρι το 1990 και όλοι οι επόμενοι επεξεργαστές άρχισαν να γίνονται συμβατοί με αυτόν. Αρχικά, αυτή η συμβατότητα εμφανίστηκε ως το τέλος του ονόματος του επεξεργαστή με 86, αλλά αργότερα, με την κυκλοφορία του Pentium, αποφάσισαν να ονομάσουν την αρχιτεκτονική x86.

Το 1985 κυκλοφόρησε ο επεξεργαστής i386, ο οποίος έγινε ο πρώτος επεξεργαστής 32 bit από την Intel, και μέχρι το 1989, η Intel κυκλοφόρησε τον πρώτο βαθμωτό επεξεργαστή, τον i486 - αυτός ο επεξεργαστής μπορούσε να εκτελέσει μία λειτουργία ανά κύκλο ρολογιού. Αργότερα, με την κυκλοφορία του Pentium το 1993, οι επεξεργαστές της Intel έγιναν superscalar, δηλαδή έμαθαν να εκτελούν πολλές λειτουργίες σε έναν κύκλο ρολογιού και superpipeline, δηλαδή είχαν δύο αγωγούς υπολογιστών. Αλλά δεν ήταν μόνο αυτό - στην πραγματικότητα, όλοι οι επεξεργαστές Intel, ξεκινώντας από τον i486DX, είναι επεξεργαστές CISC με πυρήνα RISC (Υπολογιστής μειωμένου συνόλου εντολών, επεξεργαστές με μειωμένο σύνολο εντολών): ένας μεταφραστής υλικού είναι ενσωματωμένος στον μικροεπεξεργαστή, ο οποίος είναι μετατρέπεται σε CISC αμέσως πριν από την εκτέλεση -εντολές των επεξεργαστών x86 σε ένα απλούστερο σύνολο εσωτερικών εντολών RISC, ενώ μια εντολή x86 μπορεί να δημιουργήσει πολλές εντολές RISC.

Από τότε, τίποτα δεν έχει αλλάξει πολύ - ναι, ο αριθμός των αγωγών αυξήθηκε, ο αριθμός των λειτουργιών ανά ρολόι αυξήθηκε, οι επεξεργαστές έγιναν πολυπύρηνες και 64-bit, αλλά μέχρι τώρα όλες οι λύσεις από την Intel και την AMD είναι Superpipeline υπερκλιμακωτοί μικροεπεξεργαστές βασισμένοι στην αρχιτεκτονική CISC με πυρήνα RISC.

Αρχιτεκτονική ARM

Η αρχιτεκτονική ARM εμφανίστηκε αργότερα από το x86, το 1986 με την κυκλοφορία του επεξεργαστή ARM2. Ο στόχος της ανάπτυξής του ήταν να μεγιστοποιήσει τη βελτιστοποίηση και να μειώσει τον αριθμό των τρανζίστορ - για παράδειγμα, υπό φορτίο, ο επεξεργαστής x86 χρησιμοποιούσε τότε μόλις το 30% όλων των τρανζίστορ, όλα τα άλλα ήταν απλά σε αδράνεια. Ως εκ τούτου, η ARM ανέπτυξε το δικό της τσιπ στην αρχιτεκτονική RISC, το οποίο ονόμασαν ARM2 - είχε μόνο 30.000 τρανζίστορ (σε σύγκριση με 275 χιλιάδες τρανζίστορ στο τότε σημερινό i386) και δεν είχε κρυφή μνήμη (που, γενικά, ήταν ο κανόνας για τους επεξεργαστές τότε - μια κρυφή μνήμη ήταν δυνατή έπρεπε να αγοραστεί και να παραδοθεί χωριστά), αλλά και το μικροπρόγραμμα ως τέτοιο - ο μικροκώδικας εκτελέστηκε όπως κάθε άλλος κώδικας μηχανής, μετατρέποντάς τον σε απλές οδηγίες:


Ως αποτέλεσμα, λόγω του γεγονότος ότι ο αριθμός των τρανζίστορ στους επεξεργαστές ARM είναι σημαντικά μικρότερος από τον x86, καταλαβαίνουμε ότι η απαγωγή θερμότητας τους είναι επίσης σημαντικά χαμηλότερη. Όμως, από την άλλη, λόγω της απλοποιημένης αρχιτεκτονικής, η απόδοση του ARM είναι επίσης σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του x86.

Αργότερα, η υποστήριξη τόσο για το superscalarity όσο και για το superpipelining προστέθηκε στους επεξεργαστές ARM και έγιναν 64-bit. Ως αποτέλεσμα, οι σύγχρονες λύσεις της ARM είναι Superpipeline superscalar μικροεπεξεργαστές βασισμένοι στην αρχιτεκτονική RISC.

Αποτελέσματα

Ως αποτέλεσμα, βλέπουμε δύο άκρα: το x86 είναι ισχυρές λύσεις, γεμάτες με οδηγίες, που μπορούν να εκτελέσουν απολύτως οποιαδήποτε εργασία με καλή ταχύτητα. Αλλά πρέπει να πληρώσετε για αυτό με αυξημένη παραγωγή θερμότητας. Οι ARM, από την άλλη, είναι απλοί επεξεργαστές με σημαντικά μικρότερο σύνολο εντολών, επομένως η εκτέλεση πολλών σοβαρών εργασιών σε αυτούς δεν έχει νόημα λόγω της βραδύτητας της διαδικασίας. Αλλά ταυτόχρονα η παραγωγή θερμότητας είναι χαμηλή. Ωστόσο, το πιο σημαντικό είναι ότι και οι δύο αρχιτεκτονικές υποστηρίζουν οδηγίες RISC, πράγμα που σημαίνει ότι το ίδιο λειτουργικό σύστημα μπορεί να εκτελεστεί και στις δύο αρχιτεκτονικές, κάτι που βλέπουμε στην περίπτωση του Android, του Linux και των Windows, και αυτό σημαίνει ότι στο μέλλον Η διαφορά μεταξύ x86 και ARM θα γίνεται όλο και πιο θολή.

Η απάντηση είναι για εφαρμογές με αυξημένη λειτουργική ασφάλεια. Τουλάχιστον πυρήνες ARM Cortex-R χρησιμοποιούνται για αυτό σε μικροελεγκτές υψηλής απόδοσης «σε πραγματικό χρόνο» της Texas Instruments.

Αν και οι επεξεργαστές Cortex-R είναι σχεδόν πλήρως συμβατοί με τους επεξεργαστές Cortex-A και Cortex-M όσον αφορά το σύνολο εντολών, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, ο πυρήνας Cortex-R προσφέρει υψηλότερη απόδοση από τον Cortex-M, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να εκτελεί ντετερμινιστικές λειτουργίες που είναι δύσκολο να επιτευχθούν σε επεξεργαστές εφαρμογών Cortex-A. Από πλευράς απόδοσης λοιπόν, το Cortex-R εμπίπτει μεταξύ Cortex-M και Cortex-A, αλλά ταυτόχρονα μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μικροελεγκτές όσο και σε επεξεργαστές.

Ο πυρήνας Cortex-R είναι χτισμένος στην αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ και παρέχει υψηλές ταχύτητες ρολογιού χάρη σε μια διοχέτευση 8 σταδίων και την εκτέλεση εντολών υπερκλιμακωτή. Οι οδηγίες SIMD υλικού επιτρέπουν την επεξεργασία ψηφιακού σήματος υψηλής απόδοσης και την επεξεργασία πολυμέσων. Το Cortex-M διαθέτει επίσης χαρακτηριστικά βελτίωσης της απόδοσης, όπως ένα πρόγραμμα προφόρτωσης εντολών, ένα πρόγραμμα πρόβλεψης κλάδου και ένα διαχωριστικό υλικού. Αυτά τα αρχιτεκτονικά στοιχεία βοηθούν τους επεξεργαστές Cortex-R4 και Cortex-R5 να επιτύχουν υψηλή απόδοση DMIPS/MHz. Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό του πυρήνα Cortex-R είναι ότι ο αγωγός κινητής υποδιαστολής που είναι συμβατός με το IEEE-754 υποστηρίζει μορφές μονής ακρίβειας (32-bit) και διπλής ακρίβειας (64-bit) και εκτελείται παράλληλα με το κινητής υποδιαστολής αριθμούς σταθερών σημείων.

Με τη μνήμη χαμηλής καθυστέρησης στενά συνδεδεμένη με τον επεξεργαστή, οι αποκρίσεις σε συμβάντα σε πραγματικό χρόνο εμφανίζονται όσο το δυνατόν γρηγορότερα και ο χειρισμός των διακοπών εκτελείται όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Αυτές οι δυνατότητες, σε συνδυασμό με την υψηλή απόδοση και τον ντετερμινισμό του πυρήνα Cortex-R, συμβάλλουν στην κάλυψη των απαιτήσεων εφαρμογών σε πραγματικό χρόνο που απαιτούν επίσης λειτουργική ασφάλεια.

Εάν εργάζεστε στον κλάδο ασφάλειας και αξιοπιστίας συσκευών, πιθανότατα έχετε ακούσει για τη λειτουργική ασφάλεια των προγραμματιζόμενων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και το πρώτο που μπορεί να σας έρθει στο μυαλό είναι το IEC 61508. Αυτό είναι ένα σημαντικό διεθνές πρότυπο ασφάλειας που υπάρχει εδώ και περίπου 20 χρόνια και τηρείται σε πολλούς κλάδους. Η λειτουργική ασφάλεια παρέχεται στις μεταφορές (αεροδιαστημική, σιδηροδρομικές και αυτοκινητοβιομηχανίες), τη βιομηχανία, την ιατρική, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και άλλους τομείς. Αυτές οι βιομηχανίες είτε έχουν αναπτύξει τα δικά τους πρότυπα ασφαλείας είτε έχουν προσαρμόσει διεθνή πρότυπα όπως το IEC 61508. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αυτοκινητοβιομηχανία υιοθέτησε το δικό της πρότυπο λειτουργικής ασφάλειας, ISO 26262, το 2012.

Λοιπόν, τι είναι καλό για το Cortex-R όσον αφορά τη λειτουργική ασφάλεια; Πρώτα απ 'όλα, μοναδικές δυνατότητες διαμόρφωσης που επιτρέπουν τη διόρθωση σφαλμάτων. Αυτές οι δυνατότητες είναι επιλογές που έχει ενσωματώσει η ARM στον πυρήνα, οι οποίες περιλαμβάνουν λειτουργίες ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων, προστασία μνήμης διαύλου και L1, λειτουργίες χρήστη και προνομιούχου λογισμικού με τη μονάδα προστασίας μνήμης (MPU) και υποστήριξη διαμόρφωσης διπλού πυρήνα (DCLS).

Τι είναι το DCLS και γιατί χρειάζεται; Εάν είστε μηχανικός λογισμικού που εργάζεστε σε ένα έργο που απαιτεί μια συσκευή να λειτουργεί αξιόπιστα και με ασφάλεια, το DCLS θα κάνει τη ζωή σας πολύ πιο εύκολη. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο εάν χρησιμοποιείτε δύο μικροελεγκτές ή δύο ανεξάρτητους πυρήνες για τη διάγνωση σφαλμάτων σε έναν μόνο πυρήνα.

Υπάρχουν μερικά συγκεκριμένα προβλήματα όταν εργάζεστε με έναν ανεξάρτητο πυρήνα. Αρχικά, πρέπει να γράψετε "επιπλέον" κωδικό για κάθε μικροελεγκτή που θα παρακολουθεί έναν άλλο μικροελεγκτή. Δεύτερον, τώρα πρέπει να κάνετε αυτόν τον κωδικό το κύριο μέρος της μονάδας ασφαλείας του συστήματός σας, αυτό σημαίνει ότι πρέπει να παρέχετε σε κάθε γραμμή αυτού του κώδικα την αξιοπιστία και την ασφάλεια της περαιτέρω λειτουργίας. Με το DCLS, αυτός ο «επιπλέον» κωδικός και η ανάγκη να τον ασφαλίσουμε αποτελούν παρελθόν. Φυσικά, ο προγραμματιστής πρέπει ακόμα να γράψει πολλές γραμμές κώδικα που σχετίζεται με την ασφάλεια, αλλά αυτός ο μηχανισμός εξακολουθεί να κάνει τη ζωή του ευκολότερη.

Για ευκολία κατανόησης, ο μηχανισμός DCLS μπορεί να θεωρηθεί ως ένας συνδυασμός ενός κύριου επεξεργαστή και μιας μονάδας επαλήθευσης. Από την άποψη ενός προγραμματιστή, ο προγραμματισμός ενός τέτοιου συστήματος δεν θα διαφέρει από τον προγραμματισμό ενός συμβατικού μικροελεγκτή μονού πυρήνα. Ο δεύτερος πυρήνας, δηλαδή η μονάδα επαλήθευσης, μαζί με τη λογική σύγκρισης, εκτελεί το έργο του "επιπλέον" κώδικα που περιγράφεται παραπάνω, καθώς και πολλά άλλα. Η λογική σύγκρισης μπορεί να εντοπίσει ένα σφάλμα σε μερικούς κύκλους επεξεργαστή, ενώ ένας διακριτός πυρήνας μπορεί να χρειαστεί εκατοντάδες ή και χιλιάδες κύκλους για να το κάνει. Επομένως, το DCLS είναι πολύ πιο γρήγορο στον εντοπισμό σφαλμάτων και μπορεί να εξοικονομήσει πολύτιμο χρόνο για την ανάπτυξη αξιόπιστου κώδικα.

Όλοι όσοι ενδιαφέρονται για τις κινητές τεχνολογίες έχουν σίγουρα ακούσει το όνομα ARM. Πολλοί κατανοούν αυτή τη συντομογραφία ως έναν τύπο επεξεργαστή για smartphone και tablet, άλλοι διευκρινίζουν ότι δεν πρόκειται για επεξεργαστή, αλλά για την αρχιτεκτονική του. Και σίγουρα λίγοι άνθρωποι έχουν εμβαθύνει στην ιστορία της εμφάνισης του ARM. Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε όλες αυτές τις αποχρώσεις και να σας πούμε γιατί τα σύγχρονα gadget χρειάζονται επεξεργαστές ARM.

Μια σύντομη εκδρομή στην ιστορία

Όταν κάνετε αναζήτηση για "ARM", η Wikipedia δίνει δύο έννοιες για αυτήν τη συντομογραφία: Acorn RISC Machine και Advanced RISC Machines. Ας ξεκινήσουμε με τη σειρά. Στη δεκαετία του 1980 ιδρύθηκε η Acorn Computers στο Ηνωμένο Βασίλειο, η οποία ξεκίνησε τις δραστηριότητές της με τη δημιουργία προσωπικών υπολογιστών. Εκείνη την εποχή, το Acorn ονομαζόταν επίσης "British Apple". Μια αποφασιστική περίοδος για την εταιρεία ήρθε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, όταν ο αρχιμηχανικός της εκμεταλλεύτηκε την απόφαση δύο τοπικών αποφοίτων πανεπιστημίου να δημιουργήσουν έναν νέο τύπο αρχιτεκτονικής επεξεργαστή μειωμένου συνόλου εντολών (RISC). Κάπως έτσι εμφανίστηκε ο πρώτος υπολογιστής που βασίζεται στον επεξεργαστή Acorn Risc Machine. Η επιτυχία δεν άργησε να έρθει. Το 1990, οι Βρετανοί συνήψαν συμφωνία με την Apple και σύντομα άρχισαν να εργάζονται για μια νέα έκδοση του chipset. Η ομάδα ανάπτυξης τελικά δημιούργησε μια εταιρεία που ονομάζεται Advanced RISC Machines, εμπνευσμένη από τον επεξεργαστή. Τα τσιπ με τη νέα αρχιτεκτονική έγιναν γνωστά και ως Advanced Risc Machine ή ARM για συντομία.

Από το 1998, η Advanced Risc Machine έγινε γνωστή ως ARM Limited. Επί του παρόντος, η εταιρεία δεν ασχολείται με την παραγωγή και την πώληση των δικών της μεταποιητών. Η κύρια και μοναδική δραστηριότητα της ARM Limited είναι η ανάπτυξη τεχνολογιών και η πώληση αδειών χρήσης σε διάφορες εταιρείες για τη χρήση της αρχιτεκτονικής ARM. Ορισμένοι κατασκευαστές αγοράζουν άδεια για έτοιμους πυρήνες, άλλοι αγοράζουν μια λεγόμενη «αρχιτεκτονική άδεια» για την παραγωγή επεξεργαστών με τους δικούς τους πυρήνες. Ανάμεσα σε τέτοιες εταιρείες είναι η Apple, η Samsung, η Qualcomm, η nVidia, η HiSilicon και άλλες. Σύμφωνα με ορισμένες αναφορές, η ARM Limited κερδίζει 0,067 $ σε κάθε τέτοιο επεξεργαστή. Αυτός ο αριθμός είναι μέσος και επίσης ξεπερασμένος. Κάθε χρόνο υπάρχουν όλο και περισσότεροι πυρήνες στα chipset και οι νέοι επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων ξεπερνούν σε κόστος τα ξεπερασμένα μοντέλα.

Τεχνικά χαρακτηριστικά των τσιπ ARM

Υπάρχουν δύο τύποι σύγχρονων αρχιτεκτονικών επεξεργαστών: CISC(Complex Instruction Set Computing) και RISC(Reduced Instruction Set Computing). Η αρχιτεκτονική CISC περιλαμβάνει την οικογένεια επεξεργαστών x86 (Intel και AMD) και η αρχιτεκτονική RISC περιλαμβάνει την οικογένεια ARM. Η κύρια τυπική διαφορά μεταξύ RISC και CISC και, κατά συνέπεια, x86 από το ARM είναι το μειωμένο σύνολο εντολών που χρησιμοποιείται στους επεξεργαστές RISC. Για παράδειγμα, κάθε εντολή σε μια αρχιτεκτονική CISC μετατρέπεται σε πολλές εντολές RISC. Επιπλέον, οι επεξεργαστές RISC χρησιμοποιούν λιγότερα τρανζίστορ και έτσι καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.

Η κύρια προτεραιότητα των επεξεργαστών ARM είναι η αναλογία απόδοσης προς κατανάλωση ενέργειας. Το ARM έχει υψηλότερη αναλογία απόδοσης ανά watt από το x86. Μπορείτε να πάρετε την ισχύ που χρειάζεστε από 24 πυρήνες x86 ή από εκατοντάδες μικρούς πυρήνες ARM χαμηλής κατανάλωσης. Φυσικά, ακόμη και ο πιο ισχυρός επεξεργαστής που βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM δεν θα είναι ποτέ συγκρίσιμος σε ισχύ με έναν Intel Core i7. Αλλά το ίδιο Intel Core i7 χρειάζεται ένα ενεργό σύστημα ψύξης και δεν θα χωρέσει ποτέ σε μια θήκη τηλεφώνου. Εδώ η ARM δεν έχει ανταγωνισμό. Από τη μία πλευρά, αυτό μοιάζει με μια ελκυστική επιλογή για την κατασκευή ενός υπερυπολογιστή χρησιμοποιώντας ένα εκατομμύριο επεξεργαστές ARM αντί για χίλιους επεξεργαστές x86. Από την άλλη πλευρά, οι δύο αρχιτεκτονικές δεν μπορούν να συγκριθούν μονοσήμαντα. Κατά κάποιο τρόπο, το ARM θα έχει πλεονέκτημα και σε άλλους το x86 θα έχει πλεονέκτημα.

Ωστόσο, η κλήση επεξεργαστών τσιπ αρχιτεκτονικής ARM δεν είναι απολύτως σωστή. Εκτός από αρκετούς πυρήνες επεξεργαστή, περιλαμβάνουν και άλλα στοιχεία. Ο καταλληλότερος όρος θα ήταν «ενιαίο τσιπ» ή «σύστημα σε τσιπ» (SoC). Τα σύγχρονα συστήματα ενός τσιπ για φορητές συσκευές περιλαμβάνουν ελεγκτή RAM, επιταχυντή γραφικών, αποκωδικοποιητή βίντεο, κωδικοποιητή ήχου και μονάδες ασύρματης επικοινωνίας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, μεμονωμένα εξαρτήματα chipset μπορούν να αναπτυχθούν από τρίτους κατασκευαστές. Το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα αυτού είναι οι πυρήνες γραφικών, οι οποίοι, εκτός από την ARM Limited (γραφικά Mali), αναπτύσσονται από την Qualcomm (Adreno), τη NVIDIA (GeForce ULP) και την Imagination Technologies (PowerVR).

Στην πράξη μοιάζει με αυτό. Οι περισσότερες οικονομικές κινητές συσκευές Android διαθέτουν chipsets που κατασκευάζονται από την εταιρεία MediaTek, το οποίο σχεδόν πάντα ακολουθεί τις οδηγίες της ARM Limited και τις ολοκληρώνει με πυρήνες Cortex-A και γραφικά Mali (λιγότερο συχνά PowerVR).

Οι επωνυμίες A χρησιμοποιούν συχνά κατασκευασμένα chipset για τις κορυφαίες συσκευές τους Qualcomm. Παρεμπιπτόντως, τα τελευταία τσιπ Qualcomm Snapdragon (,) είναι εξοπλισμένα με εντελώς προσαρμοσμένους πυρήνες Kryo για τον κεντρικό επεξεργαστή και Adreno για τον επιταχυντή γραφικών.

Σχετικά με μήλο, στη συνέχεια για το iPhone και το iPad η εταιρεία χρησιμοποιεί τα δικά της τσιπ της σειράς Α με τον επιταχυντή γραφικών PowerVR, τα οποία παράγονται από τρίτες εταιρείες. Έτσι, διαθέτει έναν τετραπύρηνο επεξεργαστή 64-bit A10 Fusion και έναν επεξεργαστή γραφικών PowerVR GT7600.

Η αρχιτεκτονική της οικογένειας των επεξεργαστών θεωρείται σχετική κατά τη στιγμή της συγγραφής ARMv8. Ήταν το πρώτο που χρησιμοποίησε ένα σύνολο εντολών 64-bit και υποστήριξη για περισσότερα από 4 GB μνήμης RAM. Η αρχιτεκτονική ARMv8 είναι συμβατή με εφαρμογές 32-bit. Ο πιο αποτελεσματικός και ισχυρότερος πυρήνας επεξεργαστή που αναπτύχθηκε από την ARM Limited είναι αυτή τη στιγμή Cortex-A73, και οι περισσότεροι κατασκευαστές SoC το χρησιμοποιούν αμετάβλητο.

Το Cortex-A73 παρέχει 30% υψηλότερη απόδοση από το Cortex-A72 και υποστηρίζει όλο το φάσμα της αρχιτεκτονικής ARMv8. Η μέγιστη συχνότητα πυρήνα επεξεργαστή είναι 2,8 GHz.

Πεδίο χρήσης του ARM

Η μεγαλύτερη φήμη της ARM προήλθε από την ανάπτυξη κινητών συσκευών. Την παραμονή της μαζικής παραγωγής smartphone και άλλου φορητού εξοπλισμού, ήρθαν χρήσιμοι ενεργειακά αποδοτικοί επεξεργαστές. Η ανάπτυξη της ARM Limited κορυφώθηκε το 2007, όταν η βρετανική εταιρεία ανανέωσε τη συνεργασία της με την Apple και λίγο αργότερα η ομάδα του Cupertino παρουσίασε το πρώτο της iPhone με επεξεργαστή βασισμένο στην αρχιτεκτονική ARM. Στη συνέχεια, ένα σύστημα μονού τσιπ βασισμένο στην αρχιτεκτονική ARM έγινε αμετάβλητο στοιχείο σχεδόν όλων των smartphone στην αγορά.

Το χαρτοφυλάκιο της ARM Limited δεν περιορίζεται μόνο στους πυρήνες της οικογένειας Cortex-A. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν τρεις σειρές πυρήνων επεξεργαστών με την επωνυμία Cortex, οι οποίοι χαρακτηρίζονται με τα γράμματα A, R, M. Core οικογένεια Cortex-A, όπως ήδη γνωρίζουμε, είναι το πιο ισχυρό. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε smartphone, tablet, αποκωδικοποιητές τηλεόρασης, δορυφορικούς δέκτες, συστήματα αυτοκινήτου και ρομποτική. Πυρήνες επεξεργαστή Cortex-Rβελτιστοποιημένο για την εκτέλεση εργασιών υψηλής απόδοσης σε πραγματικό χρόνο, επομένως τέτοια τσιπ βρίσκονται σε ιατρικό εξοπλισμό, αυτόνομα συστήματα ασφαλείας και μέσα αποθήκευσης. Το κύριο καθήκον της οικογένειας Cortex-Mείναι η απλότητα και το χαμηλό κόστος. Τεχνικά, αυτοί είναι οι πιο αδύναμοι πυρήνες επεξεργαστή με τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας. Επεξεργαστές που βασίζονται σε τέτοιους πυρήνες χρησιμοποιούνται σχεδόν παντού όπου απαιτείται ελάχιστη ισχύς και χαμηλό κόστος από μια συσκευή: αισθητήρες, ελεγκτές, συναγερμοί, οθόνες, έξυπνα ρολόγια και άλλος εξοπλισμός.

Γενικά, οι περισσότερες σύγχρονες συσκευές από μικρές έως μεγάλες που απαιτούν CPU χρησιμοποιούν τσιπ ARM. Ένα τεράστιο πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι η αρχιτεκτονική ARM υποστηρίζεται από πολλά λειτουργικά συστήματα στην πλατφόρμα Linux (συμπεριλαμβανομένων των Android και Chrome OS), iOS και Windows (Windows Phone).

Ανταγωνισμός στην αγορά και μελλοντικές προοπτικές

Αξίζει να αναγνωρίσουμε ότι αυτή τη στιγμή η ARM δεν έχει σοβαρούς ανταγωνιστές. Και, σε γενικές γραμμές, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ARM Limited έκανε τη σωστή επιλογή σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Αλλά στην αρχή του ταξιδιού της, η εταιρεία παρήγαγε επεξεργαστές για υπολογιστές και μάλιστα προσπάθησε να ανταγωνιστεί την Intel. Αφού η ARM Limited άλλαξε την κατεύθυνση των δραστηριοτήτων της, πέρασε επίσης δύσκολα. Στη συνέχεια, ο μονοπώλιος λογισμικού που εκπροσωπείται από τη Microsoft, έχοντας συνάψει συμφωνία συνεργασίας με την Intel, δεν άφησε καμία ευκαιρία για άλλους κατασκευαστές, συμπεριλαμβανομένης της ARM Limited - το λειτουργικό σύστημα Windows απλά δεν λειτουργούσε σε συστήματα με επεξεργαστές ARM. Ανεξάρτητα από το πόσο παράδοξο μπορεί να ακούγεται, αλλά τώρα η κατάσταση μπορεί να αλλάξει δραματικά και το λειτουργικό σύστημα Windows είναι έτοιμο να υποστηρίξει επεξεργαστές σε αυτήν την αρχιτεκτονική.

Στον απόηχο της επιτυχίας των τσιπ ARM, η Intel προσπάθησε να δημιουργήσει έναν ανταγωνιστικό επεξεργαστή και εισήλθε στην αγορά με ένα τσιπ Intel Atom. Της πήρε πολύ περισσότερο χρόνο για να το κάνει αυτό από την ARM Limited. Το chipset μπήκε στην παραγωγή το 2011, αλλά, όπως λένε, το τρένο έχει ήδη φύγει. Η Intel Atom είναι ένας επεξεργαστής CISC με αρχιτεκτονική x86. Οι μηχανικοί της εταιρείας έχουν επιτύχει χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με την ARM, αλλά αυτή τη στιγμή μια ποικιλία λογισμικού για φορητές συσκευές έχει κακή προσαρμογή στην αρχιτεκτονική x86.

Πέρυσι, η Intel εγκατέλειψε αρκετές βασικές αποφάσεις για την περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών συστημάτων. Ουσιαστικά μια εταιρεία για φορητές συσκευές καθώς έγιναν ασύμφορες. Ο μόνος μεγάλος κατασκευαστής που εξόπλισε τα smartphone του με chipset Intel Atom ήταν η ASUS. Ωστόσο, η Intel Atom εξακολουθούσε να χρησιμοποιείται ευρέως σε netbooks, nettops και άλλες φορητές συσκευές.

Η θέση της ARM Limited στην αγορά είναι μοναδική. Προς το παρόν, σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν τις εξελίξεις του. Ωστόσο, η εταιρεία δεν έχει δικά της εργοστάσια. Αυτό δεν την εμποδίζει να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με την Intel και την AMD. Η ιστορία της ARM περιλαμβάνει ένα άλλο ενδιαφέρον γεγονός. Είναι πιθανό ότι τώρα η τεχνολογία ARM θα μπορούσε να ανήκει στην Apple, η οποία ήταν στο επίκεντρο του σχηματισμού της ARM Limited. Κατά ειρωνικό τρόπο, το 1998, οι κάτοικοι του Κουπερτίνο, βιώνοντας περιόδους κρίσης, πούλησαν το μερίδιό τους. Τώρα η Apple αναγκάζεται, μαζί με άλλες εταιρείες, να αγοράσει άδεια για τους επεξεργαστές ARM που χρησιμοποιούνται στα iPhone και iPad.

Σήμερα, οι επεξεργαστές ARM είναι ικανοί να εκτελούν σοβαρές εργασίες. Στο εγγύς μέλλον, θα χρησιμοποιηθούν σε διακομιστές συγκεκριμένα, τα κέντρα δεδομένων του Facebook και του PayPal έχουν ήδη τέτοιες λύσεις. Στην εποχή της ανάπτυξης του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και των έξυπνων οικιακών συσκευών, τα τσιπ ARM ​​έχουν γίνει ακόμη πιο περιζήτητα. Έτσι, τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα έρχονται ακόμη για την ARM.