Τι είναι ένας επεξεργαστής βραχίονα; Επεξεργαστές ARM: αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά, διαφορές και προοπτικές. Τεχνικά χαρακτηριστικά των τσιπ ARM

Η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων gadget χρησιμοποιεί επεξεργαστές που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARM, η οποία αναπτύσσεται από ομώνυμη εταιρεία ARM Limited. Είναι ενδιαφέρον ότι η εταιρεία δεν παράγει η ίδια επεξεργαστές, αλλά χορηγεί άδεια χρήσης των τεχνολογιών της μόνο σε τρίτους κατασκευαστές τσιπ. Επιπλέον, η εταιρεία αναπτύσσει επίσης πυρήνες επεξεργαστών Cortex και επιταχυντές γραφικών Mali, τους οποίους σίγουρα θα θίξουμε σε αυτό το υλικό.

Η εταιρεία ARM, στην πραγματικότητα, είναι μονοπώλιο στον τομέα της και η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων smartphone και tablet σε διάφορα κινητά λειτουργικά συστήματααχ χρησιμοποιούν επεξεργαστές βασισμένους στην αρχιτεκτονική ARM. Οι κατασκευαστές τσιπ αδειοδοτούν μεμονωμένους πυρήνες, σύνολα οδηγιών και σχετικές τεχνολογίες από την ARM και το κόστος των αδειών ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον τύπο των πυρήνων επεξεργαστή (αυτοί μπορεί να είναι χαμηλής ισχύος δημοσιονομικές λύσεις, και υπερσύγχρονα τετραπύρηνα, ακόμη και τσιπ οκτώ πυρήνων) και πρόσθετα εξαρτήματα. Η ετήσια έκθεση κερδών του 2006 της ARM Limited έδειξε έσοδα 161 εκατομμυρίων δολαρίων για την αδειοδότηση περίπου 2,5 δισεκατομμυρίων επεξεργαστών (από 7,9 δισεκατομμύρια το 2011), που μεταφράζεται σε περίπου 0,067 δολάρια ανά τσιπ. Ωστόσο, για τον λόγο που αναφέρθηκε παραπάνω, αυτό είναι ένα πολύ μέσο ποσοστό λόγω της διαφοράς στις τιμές για διάφορες άδειες και έκτοτε τα κέρδη της εταιρείας θα έπρεπε να έχουν πολλαπλασιαστεί.

Επί του παρόντος, οι επεξεργαστές ARM είναι πολύ διαδεδομένοι. Τα τσιπ που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική χρησιμοποιούνται παντού, συμπεριλαμβανομένων των διακομιστών, αλλά πιο συχνά το ARM μπορεί να βρεθεί σε ενσωματωμένα και κινητά συστήματα, από ελεγκτές για σκληρούς δίσκους έως σύγχρονα smartphone, tablet και άλλα gadget.

Η ARM αναπτύσσει πολλές οικογένειες πυρήνων που χρησιμοποιούνται για διάφορα καθήκοντα. Για παράδειγμα, επεξεργαστές που βασίζονται σε Cortex-Mx και Cortex-Rx (όπου το "x" είναι ένα ψηφίο ή ένας αριθμός που υποδεικνύει τον ακριβή αριθμό πυρήνα) χρησιμοποιούνται σε ενσωματωμένα συστήματα, ακόμη και σε καταναλωτικές συσκευές, όπως δρομολογητές ή εκτυπωτές.

Δεν θα σταθούμε λεπτομερώς σε αυτά, γιατί μας ενδιαφέρει πρωτίστως η οικογένεια Cortex-Ax - τσιπ με τέτοιους πυρήνες χρησιμοποιούνται στις πιο παραγωγικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των smartphone, των tablet και των κονσολών παιχνιδιών. Η ARM εργάζεται συνεχώς σε νέους πυρήνες από τη σειρά Cortex-Ax, αλλά τη στιγμή της σύνταξης αυτού του άρθρου, τα ακόλουθα χρησιμοποιούνται στα smartphone:

Cortex-A5;
Cortex-A7;
Cortex-A8;
Cortex-A9;
Cortex-A12;
Cortex-A15;
Cortex-A53;

Πως υψηλότερο ποσοστό— όσο υψηλότερη είναι η απόδοση του επεξεργαστή και, κατά συνέπεια, τόσο πιο ακριβή είναι η κατηγορία συσκευών στις οποίες χρησιμοποιείται. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι αυτός ο κανόνας δεν τηρείται πάντα: για παράδειγμα, τα τσιπ που βασίζονται σε πυρήνες Cortex-A7 έχουν υψηλότερη απόδοση από αυτά που βασίζονται στον Cortex-A8. Ωστόσο, εάν οι επεξεργαστές που βασίζονται στον Cortex-A5 θεωρούνται ήδη σχεδόν απαρχαιωμένοι και σχεδόν δεν χρησιμοποιούνται σε σύγχρονες συσκευές, τότε οι επεξεργαστές που βασίζονται στο Cortex-A15 μπορούν να βρεθούν σε κορυφαίες συσκευές επικοινωνίας και tablet. Πριν από λίγο καιρό, η ARM ανακοίνωσε επίσημα την ανάπτυξη νέων, πιο ισχυρών και, ταυτόχρονα, ενεργειακά αποδοτικών πυρήνων Cortex-A53 και Cortex-A57, οι οποίοι θα συνδυαστούν σε ένα τσιπ χρησιμοποιώντας την τεχνολογία ARM big.LITTLE και θα υποστηρίζουν το ARMv8 σετ εντολών ("έκδοση αρχιτεκτονικής") , αλλά δεν χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε κύριες καταναλωτικές συσκευές. Τα περισσότερα τσιπ Cortex-core μπορεί να είναι πολλαπλών πυρήνων και οι τετραπύρηνες επεξεργαστές είναι συνηθισμένοι στα σημερινά smartphone υψηλής τεχνολογίας.

Οι μεγάλοι κατασκευαστές smartphones και tablet συνήθως χρησιμοποιούν επεξεργαστές από γνωστούς κατασκευαστές chip όπως η Qualcomm ή δικές τους λύσεις που έχουν ήδη γίνει αρκετά δημοφιλείς (για παράδειγμα, η Samsung και η οικογένεια των chipset Exynos), αλλά μεταξύ των τεχνικών χαρακτηριστικών των gadget από τις περισσότερες μικρές εταιρείες μπορείτε συχνά να βρείτε μια περιγραφή όπως "επεξεργαστής βασισμένος σε Cortex-A7 χρονισμένος στο 1 GHz" ή "διπύρηνος Cortex-A7 χρονισμένος στο 1 GHz", που δεν θα σημαίνει τίποτα για τον μέσο χρήστη. Για να καταλάβουμε ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ τέτοιων πυρήνων, ας εστιάσουμε στους κύριους.

Cortex-A5

Ο πυρήνας Cortex-A5 χρησιμοποιείται σε επεξεργαστές χαμηλού κόστους για τις πιο οικονομικές συσκευές. Τέτοιες συσκευές προορίζονται μόνο για την εκτέλεση περιορισμένου εύρους εργασιών και την εκτέλεση απλών εφαρμογών, αλλά δεν είναι καθόλου σχεδιασμένες για προγράμματα έντασης πόρων και, ειδικά, παιχνίδια. Ένα παράδειγμα gadget με επεξεργαστή Cortex-A5 είναι το Highscreen Blast, το οποίο έλαβε ένα τσιπ Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 που περιέχει δύο πυρήνες Cortex-A5 χρονισμένους στα 1,2 GHz.

Cortex-A7

Οι επεξεργαστές Cortex-A7 είναι πιο ισχυροί από τα τσιπ Cortex-A5 και είναι επίσης πιο συνηθισμένοι. Τέτοια τσιπ κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας τεχνολογία διεργασίας 28 νανομέτρων και διαθέτουν μεγάλη κρυφή μνήμη δεύτερου επιπέδου έως και 4 megabyte. Οι πυρήνες Cortex-A7 βρίσκονται κυρίως σε οικονομικά smartphone και χαμηλού κόστους συσκευές μεσαίου τμήματος, όπως το iconBIT Mercury Quad, και επίσης, κατ' εξαίρεση, στο Samsung Galaxy S IV GT-i9500 με επεξεργαστή Exynos 5 Octa - αυτό το chipset χρησιμοποιεί Τεχνολογία εξοικονόμησης ενέργειας κατά την εκτέλεση εργασιών με τετραπύρηνο Cortex-A7.

Cortex-A8

Ο πυρήνας Cortex-A8 δεν είναι τόσο διαδεδομένος όσο οι γείτονές του, Cortex-A7 και Cortex-A9, αλλά εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε διάφορα gadgets εισαγωγικού επιπέδου. Η ταχύτητα ρολογιού λειτουργίας των τσιπ Cortex-A8 μπορεί να κυμαίνεται από 600 MHz έως 1 GHz, αλλά μερικές φορές οι κατασκευαστές υπερχρονίζουν τους επεξεργαστές σε υψηλότερες συχνότητες. Ένα χαρακτηριστικό του πυρήνα Cortex-A8 είναι η έλλειψη υποστήριξης για διαμορφώσεις πολλαπλών πυρήνων (δηλαδή, οι επεξεργαστές σε αυτούς τους πυρήνες μπορούν να είναι μόνο μονοπύρηνες) και εκτελούνται χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία διαδικασίας 65 νανομέτρων, η οποία ήδη θεωρείται απαρχαιωμένος.

Сortex-A9

Μόλις πριν από μερικά χρόνια, οι πυρήνες Cortex-A9 θεωρούνταν κορυφαία λύση και χρησιμοποιήθηκαν τόσο σε παραδοσιακά μονοπύρηνα όσο και σε πιο ισχυρά τσιπ διπλού πυρήνα, όπως το Nvidia Tegra 2 και το Texas Instruments OMAP4. Επί του παρόντος, οι επεξεργαστές Cortex-A9 που κατασκευάζονται με την τεχνολογία διεργασιών των 40 νανομέτρων δεν χάνουν δημοτικότητα και χρησιμοποιούνται σε πολλά smartphone μεσαίας κατηγορίας. Συχνότητα λειτουργίαςτέτοιοι επεξεργαστές μπορεί να κυμαίνονται από 1 έως 2 ή περισσότερα gigahertz, αλλά συνήθως περιορίζεται στα 1,2-1,5 GHz.

Cortex-A12

Τον Ιούνιο του 2013, η ARM παρουσίασε επίσημα τον πυρήνα Cortex-A12, ο οποίος κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνολογία διαδικασίας 28 νανομέτρων και έχει σχεδιαστεί για να αντικαταστήσει τους πυρήνες Cortex-A9 σε smartphone μεσαίου τμήματος. Ο προγραμματιστής υπόσχεται 40% αύξηση στην απόδοση σε σύγκριση με τον Cortex-A9 και επιπλέον, οι πυρήνες Cortex-A12 θα μπορούν να συμμετέχουν στην αρχιτεκτονική ARM big.LITTLE ως παραγωγικοί μαζί με τον Cortex-A7 εξοικονόμησης ενέργειας, που θα επιτρέψει κατασκευαστές να δημιουργήσουν φθηνά τσιπ οκτώ πυρήνων. Είναι αλήθεια ότι κατά τη στιγμή της γραφής, όλα αυτά είναι μόνο στα σχέδια και η μαζική παραγωγή των τσιπ Cortex-A12 δεν έχει ακόμη καθιερωθεί, αν και η RockChip έχει ήδη ανακοινώσει την πρόθεσή της να κυκλοφορήσει έναν τετραπύρηνο επεξεργαστή Cortex-A12 με συχνότητα 1,8 GHz.

Cortex-A15

Από το 2013, ο πυρήνας Cortex-A15 και τα παράγωγά του είναι η κορυφαία λύση και χρησιμοποιούνται σε κορυφαία τσιπ επικοινωνίας από διάφορους κατασκευαστές. Μεταξύ των νέων επεξεργαστών που κατασκευάζονται με τεχνολογία διεργασίας 28 nm και βασίζονται στον Cortex-A15 είναι ο Samsung Exynos 5 Octa και ο Nvidia Tegra 4, και αυτός ο πυρήνας συχνά λειτουργεί ως πλατφόρμα για τροποποιήσεις από άλλους κατασκευαστές. Για παράδειγμα, τελευταίος επεξεργαστήςΤο Apple A6X χρησιμοποιεί πυρήνες Swift, οι οποίοι αποτελούν τροποποίηση του Cortex-A15. Τα τσιπ που βασίζονται στο Cortex-A15 είναι ικανά να λειτουργούν σε συχνότητα 1,5-2,5 GHz και η υποστήριξη για πολλά πρότυπα τρίτων και η δυνατότητα αντιμετώπισης έως και 1 TB φυσικής μνήμης καθιστά δυνατή τη χρήση τέτοιων επεξεργαστών σε υπολογιστές (πώς δεν μπορεί κανείς να θυμηθεί έναν μίνι-υπολογιστή στο μέγεθος μιας τραπεζικής κάρτας Raspberry Pi).

Σειρά Cortex-A50

Το πρώτο εξάμηνο του 2013, η ARM παρουσίασε νέα γραμμήτσιπ, το οποίο ονομάστηκε σειρά Cortex-A50. Οι πυρήνες αυτής της γραμμής θα κατασκευαστούν σύμφωνα με μια νέα έκδοση της αρχιτεκτονικής, το ARMv8, και θα υποστηρίζουν νέα σύνολα εντολών και θα γίνουν επίσης 64-bit. Η μετάβαση σε ένα νέο βάθος bit θα απαιτήσει βελτιστοποίηση λειτουργικών συστημάτων και εφαρμογών για κινητά, αλλά, φυσικά, θα παραμείνει υποστήριξη για δεκάδες χιλιάδες εφαρμογές 32 bit. Πρώτα για μετάβαση σε αρχιτεκτονική 64-bit εταιρεία Apple. Οι πιο πρόσφατες συσκευές της εταιρείας, για παράδειγμα, το iPhone 5S, τρέχουν ακριβώς σε αυτόν τον επεξεργαστή Apple A7 ARM. Σημειωτέον, δεν χρησιμοποιεί πυρήνες Cortex - αντικαθίστανται με πυρήνες του ίδιου του κατασκευαστή που ονομάζονται Swift. Ένας προφανής λόγος για να μετακινηθείτε σε επεξεργαστές 64-bit είναι η υποστήριξη για περισσότερα από 4 GB μνήμη τυχαίας προσπέλασης, και, επιπλέον, τη δυνατότητα λειτουργίας με πολύ μεγαλύτερους αριθμούς κατά τον υπολογισμό. Φυσικά, προς το παρόν αυτό είναι σχετικό, πρώτα απ 'όλα, για διακομιστές και υπολογιστές, αλλά δεν θα εκπλαγούμε αν σε λίγα χρόνια εμφανιστούν στην αγορά smartphone και tablet με τέτοια ποσότητα μνήμης RAM. Μέχρι σήμερα, τίποτα δεν είναι γνωστό σχετικά με τα σχέδια παραγωγής τσιπ στη νέα αρχιτεκτονική και smartphone που χρησιμοποιούν αυτά, αλλά είναι πιθανό οι ναυαρχίδες να λάβουν ακριβώς αυτούς τους επεξεργαστές το 2014, όπως έχει ήδη ανακοινώσει η Samsung.

Cortex-A53

Η σειρά ανοίγει με τον πυρήνα Cortex-A53, ο οποίος θα είναι ο άμεσος «διάδοχος» του Cortex-A9. Οι επεξεργαστές που βασίζονται στο Cortex-A53 είναι αισθητά ανώτεροι σε απόδοση από τα τσιπ που βασίζονται στο Cortex-A9, αλλά ταυτόχρονα διατηρούν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τέτοιοι επεξεργαστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε μεμονωμένα είτε σε διαμόρφωση ARM big.LITTLE, που συνδυάζονται στο ίδιο chipset με έναν επεξεργαστή Cortex-A57

Οι επεξεργαστές Cortex-A57, οι οποίοι θα κατασκευαστούν με τεχνολογία διεργασίας 20 νανομέτρων, αναμένεται να γίνουν οι πιο ισχυροί επεξεργαστές ARM στο εγγύς μέλλον. Ο νέος πυρήνας είναι σημαντικά ανώτερος από τον προκάτοχό του, τον Cortex-A15, σε διάφορες παραμέτρους απόδοσης (μπορείτε να δείτε τη σύγκριση παραπάνω) και, σύμφωνα με την ARM, η οποία στοχεύει σοβαρά την αγορά υπολογιστών, θα είναι μια κερδοφόρα λύση για τα κανονικά υπολογιστές (συμπεριλαμβανομένων φορητών υπολογιστών), όχι μόνο φορητών συσκευών.

Ως λύση υψηλής τεχνολογίας στο πρόβλημα της κατανάλωσης ενέργειας των σύγχρονων επεξεργαστών, η ARM προσφέρει τεχνολογία big.LITTLE, η ουσία της οποίας είναι να συνδυάζει διαφορετικούς τύπους πυρήνων σε ένα τσιπ, συνήθως τον ίδιο αριθμό εξοικονόμησης ενέργειας και υψηλής απόδοσης αυτές.

Υπάρχουν τρία σχήματα για τη λειτουργία διαφορετικών τύπων πυρήνων σε ένα τσιπ: big.LITTLE (μετανάστευση μεταξύ συστάδων), big.LITTLE IKS (μετεγκατάσταση μεταξύ πυρήνων) και big.LITTLE MP (ετερογενής πολυεπεξεργασία).

big.LITTLE (μετανάστευση μεταξύ συστάδων)

Το πρώτο chipset βασισμένο στην αρχιτεκτονική ARM big.LITTLE ήταν ο επεξεργαστής Samsung Exynos 5 Octa. Χρησιμοποιεί το αρχικό σχήμα big.LITTLE "4+4", που σημαίνει συνδυασμό σε δύο συμπλέγματα (εξ ου και το όνομα του σχήματος) σε ένα τσιπ τεσσάρων πυρήνων Cortex-A15 υψηλής απόδοσης για εφαρμογές και παιχνίδια με ένταση πόρων και τέσσερα ενεργειακά αποθήκευση πυρήνων Cortex-A7 για καθημερινή εργασίαμε τα περισσότερα προγράμματα και μόνο ένας τύπος πυρήνα μπορεί να λειτουργήσει ταυτόχρονα. Η εναλλαγή μεταξύ ομάδων πυρήνων γίνεται σχεδόν αμέσως και απαρατήρητη από τον χρήστη σε μια πλήρως αυτόματη λειτουργία.

Μια πιο περίπλοκη υλοποίηση της αρχιτεκτονικής big.LITTLE είναι ο συνδυασμός πολλών πραγματικών πυρήνων (συνήθως δύο) σε έναν εικονικό, που ελέγχεται από τον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος, ο οποίος αποφασίζει ποιους πυρήνες θα χρησιμοποιήσει - ενεργειακά αποδοτικούς ή παραγωγικούς. Φυσικά, υπάρχουν και αρκετοί εικονικοί πυρήνες - η εικόνα δείχνει ένα παράδειγμα του σχήματος IKS, όπου καθένας από τους τέσσερις εικονικούς πυρήνες περιέχει έναν πυρήνα Cortex-A7 και Cortex-A15.

Το σχήμα big.LITTLE MP είναι το πιο "προηγμένο" - σε αυτό, κάθε πυρήνας είναι ανεξάρτητος και μπορεί να ενεργοποιηθεί από τον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος όπως απαιτείται. Αυτό σημαίνει ότι εάν χρησιμοποιηθούν τέσσερις πυρήνες Cortex-A7 και ο ίδιος αριθμός πυρήνων Cortex-A15, ένα chipset που βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM big.LITTLE MP θα μπορεί να λειτουργεί και τους 8 πυρήνες ταυτόχρονα, παρόλο που είναι διαφορετικών τύπων. Ένας από τους πρώτους επεξεργαστές αυτού του τύπου ήταν το τσιπ οκτώ πυρήνων της εταιρείας, το οποίο μπορεί να λειτουργεί σε συχνότητα ρολογιού 2 GHz, αλλά και να κάνει εγγραφή και αναπαραγωγή βίντεο σε ανάλυση UltraHD.

Μελλοντικός

Σύμφωνα με τις διαθέσιμες πληροφορίες, στο εγγύς μέλλον η ARM, μαζί με άλλες εταιρείες, σχεδιάζει να ξεκινήσει την παραγωγή τσιπ επόμενης γενιάς big.LITTLE που θα χρησιμοποιούν τους νέους πυρήνες Cortex-A53 και Cortex-A57. Επιπλέον, ο κινέζος κατασκευαστής MediaTek πρόκειται να παράγει επεξεργαστές προϋπολογισμού βασισμένους στο ARM big.LITTLE, οι οποίοι θα λειτουργούν σύμφωνα με το σχήμα «2+2», δηλαδή θα χρησιμοποιούν δύο ομάδες των δύο πυρήνων.

Εκτός από επεξεργαστές, η ARM αναπτύσσει επίσης επιταχυντές γραφικών της οικογένειας Mali. Όπως και οι επεξεργαστές, οι επιταχυντές γραφικών χαρακτηρίζονται από πολλές παραμέτρους, όπως το επίπεδο anti-aliasing, η διεπαφή διαύλου, η κρυφή μνήμη (εξαιρετικά γρήγορη μνήμη που χρησιμοποιείται για την αύξηση της ταχύτητας) και ο αριθμός των " πυρήνες γραφικών” (αν και, όπως γράψαμε στο προηγούμενο άρθρο, αυτός ο δείκτης, παρά την ομοιότητά του με τον όρο που χρησιμοποιείται για την περιγραφή της CPU, δεν έχει ουσιαστικά καμία επίδραση στην απόδοση κατά τη σύγκριση δύο GPU).

Ο πρώτος επιταχυντής γραφικών ARM ήταν το πλέον αχρησιμοποίητο Mali 55, το οποίο χρησιμοποιήθηκε τηλέφωνο αφής LG Renoir (ναι, το πιο κοινό κινητό τηλέφωνο). Η GPU δεν χρησιμοποιήθηκε σε παιχνίδια - μόνο για την απόδοση της διεπαφής και είχε πρωτόγονα χαρακτηριστικά με τα σημερινά πρότυπα, αλλά έγινε ο «πρόγονος» της σειράς Mali.

Έκτοτε, η πρόοδος έχει προχωρήσει πολύ και τώρα τα υποστηριζόμενα API και τα πρότυπα παιχνιδιών έχουν μεγάλη σημασία. Για παράδειγμα, η υποστήριξη για το OpenGL ES 3.0 ανακοινώνεται τώρα μόνο στους πιο ισχυρούς επεξεργαστές όπως ο Qualcomm Snapdragon 600 και ο 800, και, αν μιλάμε για προϊόντα ARM, το πρότυπο υποστηρίζεται από επιταχυντές όπως ο Mali-T604 (ήταν ο πρώτος GPU ARM κατασκευασμένο σε νέα μικροαρχιτεκτονική Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 και μερικά άλλα τσιπ παρόμοια σε χαρακτηριστικά. Αυτή ή εκείνη η GPU, κατά κανόνα, σχετίζεται στενά με τον πυρήνα, αλλά, ωστόσο, υποδεικνύεται ξεχωριστά, πράγμα που σημαίνει ότι εάν η ποιότητα των γραφικών στα παιχνίδια είναι σημαντική για εσάς, τότε είναι λογικό να κοιτάξετε το όνομα του γκάζι στις προδιαγραφές του smartphone ή του tablet.

Η ARM διαθέτει επίσης επιταχυντές γραφικών για smartphones μεσαίου τμήματος στη σειρά της, τα πιο συνηθισμένα από τα οποία είναι τα Mali-400 MP και Mali-450 MP, τα οποία διαφέρουν από τα μεγαλύτερα αδέρφια τους σε σχετικά χαμηλή απόδοση και σε περιορισμένο σύνολο API και υποστηριζόμενα πρότυπα. Παρόλα αυτά, αυτές οι GPU συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται σε νέα smartphone, για παράδειγμα, το Zopo ZP998, το οποίο έλαβε τον επιταχυντή γραφικών Mali-450 MP4 (μια βελτιωμένη τροποποίηση του Mali-450 MP) εκτός από τον οκταπύρηνο επεξεργαστή MTK6592.

Προφανώς, τα smartphones με τους πιο πρόσφατους επιταχυντές γραφικών ARM θα εμφανιστούν στα τέλη του 2014: Mali-T720, Mali-T760 και Mali-T760 MP, τα οποία παρουσιάστηκαν τον Οκτώβριο του 2013. Το Mali-T720 υποτίθεται ότι είναι η νέα GPU για smartphone χαμηλού κόστους και η πρώτη GPU σε αυτό το τμήμα που υποστηρίζει το Open GL ES 3.0. Το Mali-T760, με τη σειρά του, θα γίνει ένας από τους πιο ισχυρούς επιταχυντές γραφικών για κινητά: σύμφωνα με τα αναφερόμενα χαρακτηριστικά, η GPU έχει 16 υπολογιστικούς πυρήνες και έχει πραγματικά τεράστια υπολογιστική ισχύ, 326 Gflops, αλλά, ταυτόχρονα, τέσσερις φορές λιγότερη κατανάλωση ρεύματος από το Mali-T604 που αναφέρθηκε παραπάνω.

Ο ρόλος των CPU και των GPU της ARM στην αγορά

Παρά το γεγονός ότι η ARM είναι ο συγγραφέας και ο δημιουργός της ομώνυμης αρχιτεκτονικής, η οποία, επαναλαμβάνουμε, χρησιμοποιείται πλέον στη συντριπτική πλειοψηφία επεξεργαστές για κινητά, οι λύσεις του με τη μορφή πυρήνων και επιταχυντών γραφικών δεν είναι δημοφιλείς μεταξύ των μεγάλων κατασκευαστών smartphone. Για παράδειγμα, ορθώς πιστεύεται ότι οι ναυαρχίδες στο λειτουργικό σύστημα Android πρέπει να διαθέτουν επεξεργαστή Snapdragon με πυρήνες Krait και επιταχυντή γραφικών Adreno από την ίδια εταιρεία που χρησιμοποιούνται σε smartphone στο Windows Phone, και ορισμένοι κατασκευαστές gadget, για παράδειγμα, Apple, αναπτύξτε τους δικούς τους πυρήνες. Γιατί υπάρχει αυτή η κατάσταση αυτή τη στιγμή;

Ίσως κάποιοι από τους λόγους να είναι βαθύτεροι, αλλά ένας από αυτούς είναι η έλλειψη ξεκάθαρης τοποθέτησης των CPU και των GPU της ARM μεταξύ των προϊόντων άλλων εταιρειών, με αποτέλεσμα οι εξελίξεις της εταιρείας να θεωρούνται βασικά στοιχεία για χρήση στο Β. -συσκευές επωνυμίας, φθηνά smartphone και δημιουργία πιο ώριμων λύσεων. Για παράδειγμα, η Qualcomm επαναλαμβάνει σχεδόν σε κάθε παρουσίαση ότι ένας από τους κύριους στόχους της όταν δημιουργεί νέους επεξεργαστές είναι να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας και οι πυρήνες Krait, που είναι τροποποιημένοι πυρήνες Cortex, παρουσιάζουν σταθερά αποτελέσματα υψηλότερης απόδοσης. Παρόμοια δήλωση ισχύει και για τα chipset της Nvidia, τα οποία επικεντρώνονται στα παιχνίδια, αλλά όσον αφορά τους επεξεργαστές Exynos της Samsung και τη σειρά A της Apple, έχουν τη δική τους αγορά λόγω εγκατάστασης σε smartphone των ίδιων εταιρειών.

Τα παραπάνω δεν σημαίνουν καθόλου ότι οι εξελίξεις της ARM είναι σημαντικά χειρότερες από επεξεργαστές και πυρήνες τρίτων εταιρειών, αλλά ο ανταγωνισμός στην αγορά τελικά ωφελεί μόνο τους αγοραστές smartphone. Μπορούμε να πούμε ότι η ARM προσφέρει ορισμένα κενά, αγοράζοντας μια άδεια για την οποία οι κατασκευαστές μπορούν να τα τροποποιήσουν ανεξάρτητα.

συμπέρασμα

Οι μικροεπεξεργαστές που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARM έχουν κατακτήσει με επιτυχία την αγορά κινητών συσκευών λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και της σχετικά μεγάλης υπολογιστική ισχύς. Προηγουμένως, άλλες αρχιτεκτονικές RISC ανταγωνίζονταν την ARM, για παράδειγμα, το MIPS, αλλά τώρα έχει μόνο έναν σοβαρό ανταγωνιστή - την Intel με την αρχιτεκτονική x86, η οποία, παρεμπιπτόντως, αν και αγωνίζεται ενεργά για το μερίδιο αγοράς της, δεν είναι ακόμη αντιληπτή είτε από τους καταναλωτές είτε από τους περισσότερους κατασκευαστές σοβαρά, ειδικά δεδομένης της εικονικής απουσίας ναυαρχίδων που βασίζονται σε αυτό (το Lenovo K900 δεν μπορεί πλέον να ανταγωνιστεί τα τελευταία κορυφαία smartphone σε επεξεργαστές ARM).

Γνωρίζουμε εδώ και αρκετό καιρό ότι θα δούμε τους πρώτους επεξεργαστές ARM να υποστηρίζουν το σύνολο εντολών ARMv8 64-bit στα τέλη του 2013 ή στις αρχές του 2014. Ωστόσο, τι είδους CPU θα είναι αυτές παραμένει ένα μυστήριο. Κατά τη διάρκεια του πρόσφατου συνεδρίου ARM TechCon, ο Βρετανός προγραμματιστής chip παρουσίασε τους δύο νέους επεξεργαστές Cortex-A53 και Cortex-A57, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο στην αγορά κινητής τηλεφωνίας - κυρίως έχουν δημιουργηθεί για την αγορά των μικροδιακομιστών. Παρεμπιπτόντως, αυτά τα τσιπ θα πρέπει να αντιμετωπίσουν τον ανταγωνισμό από την Intel, η οποία ετοιμάζει επίσης την κυκλοφορία μιας ειδικής πλατφόρμας Bay Trail (οι επεξεργαστές φέρουν την κωδική ονομασία Valleyview) για την αγορά μικροδιακομιστών στα τέλη του 2013 ή το πρώτο τρίμηνο του 2014.

Το συνέδριο TechCon 2012 γενικά αποδείχθηκε πλούσιο σε ανακοινώσεις υψηλού προφίλ, σε αντίθεση με τα προηγούμενα χρόνια. Απλώς δείτε την ανακοίνωση της προμήθειας υβριδικών επεξεργαστών 64-bit x86/ARM από την AMD για διακομιστές με την επωνυμία Opteron το 2014. Αν και δεν υπάρχουν ακόμη δεδομένα για αυτά τα τσιπ, μπορούμε να υποθέσουμε ότι μιλάμε για συνδυασμό ενεργειακά αποδοτικών πυρήνων Jaguar 64-bit με πυρήνες ARMv8, χρησιμοποιώντας οπτικές επικοινωνίες SeaMicro Freedom Fabric και, πιθανώς, γραφικά Volcanic Islands.

Το δεύτερο αξιοσημείωτο γεγονός του συνεδρίου ήταν η επίδειξη από την Cadence και την IBM ενός δοκιμαστικού τσιπ ARMv8 που βασίζεται σε τεχνολογία διαδικασίας 14 nm χρησιμοποιώντας FinFET (τα λεγόμενα τρανζίστορ 3D) και FD-SOI (η επόμενη γενιά πυριτίου σε μονωτή). τεχνολογία). Ο συνδυασμός FinFET και FD-SOI θεωρείται σοβαρό πλεονέκτημα σε σχέση με τις τεχνολογικές διαδικασίες του ανταγωνιστικού εργοστασίου TSMC. Η ανάπτυξη μαζικής παραγωγής 14 nm από την IBM, την GlobalFoundries και τη Samsung Electronics αναμένεται το 2014. Οι τρεις εταιρείες που αναφέρονται είναι μέλη της Common Platform Alliance και εργάζονται από κοινού για την ανάπτυξη νέων τεχνολογικών κανόνων. Η μαζική παραγωγή γκοφρετών πυριτίου FinFET/FD-SOI 14 nm θα ξεκινήσει για πρώτη φορά στα εργοστάσια της IBM και της GlobalFoundries στην Πολιτεία της Νέας Υόρκης, καθώς και Εργοστάσιο της Samsungστο Τέξας.

Τέλος, το αποκορύφωμα του προγράμματος ήταν η ανακοίνωση των πραγματικών διαδόχων των δημοφιλών πυρήνων επεξεργαστών Cortex-A9 (2009) και Cortex-A15 (2012). Οι νέοι πυρήνες ονομάζονται Cortex-A53 και Cortex-A57, αντίστοιχα. Αυτές είναι οι πρώτες λύσεις αναφοράς που βασίζονται στην όγδοη γενιά αρχιτεκτονικής ARM (σετ εντολών ARMv8 64-bit) και απευθύνονται στην αγορά ισχυρά smartphones, tablet, υβριδικά προϊόντα κινητής τηλεφωνίας και, φυσικά, για χρήση στον τομέα των διακομιστών υψηλής πυκνότητας.

Σύμφωνα με την ARM, ο πυρήνας Cortex-A53 είναι ο «περισσότερος αποδοτικός επεξεργαστήςΤο ARM που δημιουργήθηκε ποτέ: είναι ικανό να προσφέρει απόδοση σε επίπεδο Cortex-A9 ενώ υποστηρίζει οδηγίες 64-bit και είναι πλήρως συμβατό με το ARMv7. Όταν κατασκευάζεται με την ίδια τεχνολογία διεργασίας 32 nm, ο πυρήνας Cortex-A53 θα καταλαμβάνει 40% λιγότερη επιφάνεια σε σύγκριση με τον Cortex-A9. Αν συγκρίνουμε τον πυρήνα Cortex-A53 των 20nm με τον Cortex-A9 των 32nm, ο πρώτος θα είναι 4 φορές μικρότερος. Η ARM ισχυρίζεται επίσης ότι κατά την εκτόξευση ο πυρήνας θα καταναλώνει 4 φορές λιγότερη ενέργεια σε σύγκριση με τους τρέχοντες πυρήνες Cortex-A9, υποθέτοντας την ίδια απόδοση.

Ταυτόχρονα, το τσιπ Cortex-A57 ονομάζεται «ο πιο προηγμένος επεξεργαστής ARM υψηλής απόδοσης. Αυτό είναι εύκολα πιστευτό, καθώς το ARM υπόσχεται τριπλή απόδοση σε λειτουργία 32-bit σε σύγκριση με τους σύγχρονους πυρήνες Cortex-A15 και 5 φορές ανώτερη ενεργειακή απόδοση. Η επεκτασιμότητα του Cortex-A57 σάς επιτρέπει να δημιουργείτε κρυστάλλους με 16 ή περισσότερους πυρήνες. Σε ένα δελτίο τύπου, η εταιρεία επισημαίνει ότι ενώ η απόδοση των παλαιότερων υπολογιστών, ο πυρήνας Cortex-A57 έχει την κατανάλωση ενέργειας των φορητών συσκευών. Το ARM υποδεικνύει επίσης υποστήριξη Ειδικές Οδηγίες, επιτρέποντάς σας να επιταχύνετε την κρυπτογράφηση κατά 10 φορές.

Η ARM σημειώνει ότι οι πυρήνες Cortex-A57 και Cortex-A53 μπορούν να λειτουργήσουν είτε χωριστά είτε σε συνδυασμό χρησιμοποιώντας την τεχνολογία big.LITTLE (όπως ένας συνδυασμός Cortex-A15 και Cortex-A7), η οποία μπορεί να επιτύχει βέλτιστη απόδοση και ενεργειακή απόδοση.

Κύρια χαρακτηριστικά του Cortex-A53:

• Διευθυνσιοδότηση εικονικής μνήμης 40-bit.
• υποστήριξη έως και 1 TB μνήμης RAM (από LPDDR3 έως DDR4).
• 8 έως 64 KB προσωρινή μνήμη εντολών L1 και 8 έως 64 KB προσωρινή μνήμη δεδομένων L1.
• μαθηματικός συνεπεξεργαστής

Κύρια χαρακτηριστικά του Cortex-A57:

• υποστήριξη για την εκτέλεση εντολών με αλλαγές ακολουθίας.
• Πυρήνας ARMv8 με υποστήριξη για υπολογισμούς 32 και 64 bit.
• Διευθυνσιοδότηση εικονικής μνήμης 44-bit.
• υποστήριξη για έως και 16 TB μνήμης RAM (από LPDDR3 έως DDR4).
• 48 KB L1 cache εντολών και 32 KB L1 cache δεδομένων.
• Μηχανή SIMD πολυμέσων NEON.
• Μαθηματικός συνεπεξεργαστής?
• 128 KB έως 2 MB προσωρινή μνήμη L2 (με υποστήριξη ECC).
• 128-bit CoreLink Interconnect (CCI-400 και CCN-504).

Η ARM ανακοίνωσε τα ονόματα έξι εταιρειών που θα χρησιμοποιήσουν πυρήνες Cortex-A53/A57 στα τσιπ τους: AMD, Broadcom, Calxeda, HiSilicon/Huawei, Samsung Electronics και STMicroelectronics. Έτσι, τουλάχιστον, μπορούμε να περιμένουμε νέα τσιπ για κινητά με γραφικά Cortex-A53/A57 και Mali-T600 από τη Huawei και τη Samsung. Οι πρώτοι τέτοιοι επεξεργαστές αναμένεται να εμφανιστούν το 2014.

Σκέφτηκαν ότι αφού μια ομάδα φοιτητών κατάφερε να δημιουργήσει έναν απόλυτα ανταγωνιστικό επεξεργαστή, τότε δεν θα ήταν δύσκολο για τους μηχανικούς τους. Ένα ταξίδι στο Western Design Center στο Phoenix έδειξε στους μηχανικούς Steve Ferber και Sophie Wilson ότι δεν θα χρειάζονταν απίστευτους πόρους για να ολοκληρώσουν το σχέδιο.

Ο Wilson άρχισε να αναπτύσσει το σύνολο εντολών δημιουργώντας έναν προσομοιωτή του νέου επεξεργαστή σε έναν υπολογιστή BBC Micro. Αυτό έπεισε τους μηχανικούς της Acorn ότι ήταν στο σωστό δρόμο. Ωστόσο, πριν προχωρήσουν περαιτέρω, χρειάζονταν περισσότερους πόρους. Ήταν καιρός για τον Wilson να πλησιάσει τον CEO της Acorn, Herman Hauser και να του εξηγήσει τι συνέβαινε. Αφού έδωσε το πράσινο φως, μια μικρή ομάδα συγκεντρώθηκε για να εφαρμόσει το μοντέλο του Wilson σε υλικό.

Acorn RISC Machine: ARM2

Το επίσημο έργο Acorn RISC Machine ξεκίνησε τον Οκτώβριο του 1983. Τεχνολογία VLSI ( Αγγλικά) επιλέχθηκε ως προμηθευτής πυριτίου επειδή προμήθευε ήδη την Acorn με τσιπ ROM και ορισμένα προσαρμοσμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ο Wilson και ο Ferber ηγήθηκαν της ανάπτυξης. Ο κύριος στόχος τους ήταν να επιτύχουν χαμηλή καθυστέρηση διακοπής, παρόμοια με το MOS Technology 6502. Η αρχιτεκτονική πρόσβασης στη μνήμη που ελήφθη από το 6502 επέτρεψε στους προγραμματιστές να επιτύχουν καλή απόδοση χωρίς τη χρήση μιας μονάδας DMA που ήταν δαπανηρή στην εφαρμογή. Ο πρώτος επεξεργαστής κατασκευάστηκε από την VLSI στις 26 Απριλίου 1985, όταν άρχισε να λειτουργεί για πρώτη φορά και ονομαζόταν ARM1. Οι πρώτοι επεξεργαστές παραγωγής, ονόματι ARM2, έγιναν διαθέσιμοι τον επόμενο χρόνο.

Η πρώτη του χρήση ήταν ως δεύτερος επεξεργαστής στο BBC Micro, όπου χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη λογισμικού προσομοίωσης που επέτρεψε την ολοκλήρωση των τσιπ υποστήριξης υπολογιστή, καθώς και επιτάχυνση του λογισμικού CAD που χρησιμοποιήθηκε στην ανάπτυξη του ARM2. Ο Wilson βελτιστοποίησε το σύνολο εντολών ARM για να τρέξει το BBC BASIC. Ο αρχικός στόχος ενός υπολογιστή all-ARM επιτεύχθηκε το 1987 με την κυκλοφορία του Acorn Archimedes.

Η ατμόσφαιρα γύρω από το έργο ARM ήταν τόσο μυστική που όταν ο Olivetti διαπραγματεύτηκε να αγοράσει το πλειοψηφικό πακέτο της Acorn το 1985, δεν μίλησαν για την ανάπτυξη του έργου μέχρι το τέλος των διαπραγματεύσεων. Το 1992, ο Acorn κέρδισε για άλλη μια φορά το Βραβείο της Βασίλισσας για το ARM.

Το ARM2 είχε δίαυλο δεδομένων 32 bit, χώρο διευθύνσεων 26 bit και 16 καταχωρητές 32 bit. Ο κώδικας του προγράμματος έπρεπε να βρίσκεται στα πρώτα 64 megabyte μνήμης και ο μετρητής προγράμματος περιοριζόταν στα 26 bit, αφού τα επάνω 4 και τα κάτω 2 bit του καταχωρητή 32 bit χρησίμευαν ως σημαίες. Ο ARM2 έγινε ίσως ο πιο απλός δημοφιλής επεξεργαστής 32 bit στον κόσμο, με μόνο 30.000 τρανζίστορ (για σύγκριση, ο επεξεργαστής Motorola 68000 που κατασκευάστηκε 6 χρόνια νωρίτερα είχε περίπου 70.000 τρανζίστορ). Μεγάλο μέρος αυτής της απλότητας οφείλεται στην απουσία μικροκώδικα (ο οποίος στον επεξεργαστή 68000 καταλαμβάνει το ένα τέταρτο έως το ένα τρίτο της περιοχής του καλουπιού) και στην απουσία κρυφής μνήμης, όπως σε πολλούς επεξεργαστές της εποχής. Αυτή η απλότητα είχε ως αποτέλεσμα χαμηλό κόστος ενέργειας, ενώ το ARM ήταν πολύ πιο αποδοτικό από το Intel 80286. Ο διάδοχός του, ο επεξεργαστής ARM3, είχε ήδη μια μνήμη cache 4 KB, αυξάνοντας ακόμη περισσότερο την απόδοση.

Apple, DEC, Intel: ARM6, StrongARM, XScale

Τα σύγχρονα smartphone, PDA και άλλες φορητές συσκευές χρησιμοποιούν κυρίως την έκδοση ARMv5 του πυρήνα. Οι επεξεργαστές XScale και ARM926 (ARMv5TE) είναι πλέον πιο συνηθισμένοι σε συσκευές προηγμένης τεχνολογίας από ό,τι, για παράδειγμα, οι επεξεργαστές StrongARM και οι επεξεργαστές ARMv4 που βασίζονται σε ARM9TDMI και ARM7TDMI, αλλά λιγότερο σύνθετες συσκευές ενδέχεται να χρησιμοποιούν παλαιότερες εκδόσεις με χαμηλότερο κόστος άδειας χρήσης. Οι επεξεργαστές ARMv6 είναι πάνω από τους τυπικούς επεξεργαστές ARMv5. Το Cortex-A έχει σχεδιαστεί ειδικά για smartphone που χρησιμοποιούσαν στο παρελθόν ARM9 και ARM11. Το Cortex-R έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο, ενώ το Cortex-M για μικροελεγκτές.

Επίδραση της τεχνολογίας ARM στην αγορά

Μέχρι το τέλος του 2012, νέα μοντέλα επεξεργαστών ARM από την Apple και τη Samsung έφτασαν στην απόδοση των οικονομικών επεξεργαστών Intel για φορητούς υπολογιστές. Συγκεκριμένα, το tablet Samsung Nexus 10 έδειξε βαθμολογία απόδοσης 2348 βαθμών, ενώ ο οικονομικός επεξεργαστής Intel Core Duo στο φορητό υπολογιστή Apple MacAir έδειξε βαθμολογία μόλις 1982 πόντων.

Ορισμένες εταιρείες ανακοινώνουν την ανάπτυξη αποτελεσματικών διακομιστών που βασίζονται σε συμπλέγματα επεξεργαστών ARM. Ωστόσο, από το 2012, οι πωλήσεις διακομιστών ARM είναι ολοένα και πολύ μικρές (< 1% рынка серверов) .

Επεξεργαστές ARM

Αρχιτεκτονική

Υπάρχει εδώ και πολύ καιρό οδηγός αναφοράςαπό την αρχιτεκτονική ARM, η οποία οριοθετεί όλους τους τύπους διεπαφών που υποστηρίζει η ARM, καθώς οι λεπτομέρειες υλοποίησης κάθε τύπου επεξεργαστή μπορεί να διαφέρουν. Η αρχιτεκτονική έχει εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου και ξεκινώντας με το ARMv7, έχουν οριστεί 3 προφίλ: 'A'(εφαρμογή) - εφαρμογές, 'R' (σε πραγματικό χρόνο) - πραγματικό χρόνο, 'M' (μικροελεγκτής) - μικροελεγκτής.

Τα προφίλ μπορούν να υποστηρίξουν λιγότερες εντολές (εντολές συγκεκριμένου τύπου).

Λειτουργίες

Ο επεξεργαστής μπορεί να βρίσκεται σε έναν από τους παρακάτω τρόπους λειτουργίας:

• Λειτουργία χρήστη - κανονική λειτουργίαεκτέλεση προγραμμάτων. Τα περισσότερα προγράμματα εκτελούνται σε αυτήν τη λειτουργία.
• Γρήγορη διακοπή (FIQ) - λειτουργία γρήγορης διακοπής (μικρότερος χρόνος απόκρισης)
• Διακοπή (IRQ) - λειτουργία κύριας διακοπής.
• Λειτουργία συστήματος - προστατευμένη λειτουργία για χρήση από το λειτουργικό σύστημα.
• Λειτουργία ματαίωσης - η λειτουργία στην οποία μεταβαίνει ο επεξεργαστής όταν παρουσιαστεί σφάλμα πρόσβασης στη μνήμη (πρόσβαση σε δεδομένα ή οδηγίες στο στάδιο προανάκτησης του αγωγού).
• Λειτουργία επόπτη - προνομιακή λειτουργία χρήστη.
• Η ακαθόριστη λειτουργία είναι η λειτουργία στην οποία εισέρχεται ο επεξεργαστής όταν προσπαθεί να εκτελέσει μια άγνωστη σε αυτόν εντολή.

Η εναλλαγή της λειτουργίας επεξεργαστή πραγματοποιείται όταν προκύπτει μια αντίστοιχη εξαίρεση ή τροποποιώντας τον καταχωρητή κατάστασης.

Σετ εντολών

Για να διατηρηθεί η σχεδίαση καθαρή, απλή και γρήγορη, η αρχική κατασκευή ARM έγινε χωρίς μικροκώδικα, όπως ο απλούστερος επεξεργαστής 8-bit 6502 που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενους μικροϋπολογιστές της Acorn Computers.

Σετ οδηγιών ARM

Ο τρόπος λειτουργίας στον οποίο εκτελείται το σύνολο εντολών 32-bit.

Σύνολο εντολών αντίχειρα

Για τη βελτίωση της πυκνότητας του κώδικα, οι επεξεργαστές που ξεκινούν με το ARM7TDMI είναι εξοπλισμένοι με λειτουργία "thumb". Σε αυτή τη λειτουργία, ο επεξεργαστής εκτελεί ένα εναλλακτικό σύνολο εντολών 16-bit. Οι περισσότερες από αυτές τις οδηγίες 16-bit μεταφράζονται σε κανονικές οδηγίες ARM. Η μείωση του μήκους εντολών επιτυγχάνεται με την απόκρυψη ορισμένων τελεστών και τον περιορισμό των δυνατοτήτων διευθυνσιοδότησης σε σύγκριση με τη λειτουργία πλήρους συνόλου εντολών του ARM.

Στη λειτουργία Thumb, οι μικρότεροι κωδικοί λειτουργίας έχουν λιγότερη λειτουργικότητα. Για παράδειγμα, μόνο οι κλάδοι μπορούν να είναι υπό όρους και πολλοί κωδικοί λειτουργίας περιορίζονται στην πρόσβαση μόνο στους μισούς κύριους καταχωρητές του επεξεργαστή. Οι μικρότεροι κωδικοί επιλογής δίνουν γενικά μεγαλύτερη πυκνότητα κώδικα, αν και ορισμένες λειτουργίες απαιτούν πρόσθετες εντολές. Σε περιπτώσεις όπου η θύρα μνήμης ή το πλάτος του διαύλου περιορίζεται στα 16 bit, οι μικρότεροι κωδικοί λειτουργίας Thumb γίνονται πολύ πιο αποτελεσματικοί σε σύγκριση με τον συμβατικό κώδικα ARM 32 bit, καθώς θα πρέπει να φορτωθεί λιγότερος κώδικας προγράμματος στον επεξεργαστή με περιορισμένο εύρος ζώνης μνήμης.

Υλικό όπως το Game Boy Advance έχει συνήθως μια μικρή ποσότητα μνήμης RAM διαθέσιμη με πλήρη διαδρομή δεδομένων 32 bit. Αλλά οι περισσότερες λειτουργίες εκτελούνται σε ένα κανάλι δεδομένων 16-bit ή μικρότερο. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι λογικό να χρησιμοποιήσετε τον αντίχειρα και να βελτιστοποιήσετε με μη αυτόματο τρόπο ορισμένες από τις βαριές ενότητες κώδικα χρησιμοποιώντας τη μετάβαση σε πλήρεις οδηγίες ARM 32-bit.

Ο πρώτος επεξεργαστής με αποκωδικοποιητή αντίχειρα ήταν ο ARM7TDMI. Όλοι οι επεξεργαστές της οικογένειας ARM9, καθώς και ο XScale, είχαν ενσωματωμένο αποκωδικοποιητή εντολών αντίχειρα.

Σύνολο εντολών Thumb-2

Το Thumb-2 είναι μια τεχνολογία που ξεκίνησε με τον πυρήνα ARM1156, που ανακοινώθηκε το 2003. Επεκτείνει το περιορισμένο σύνολο εντολών Thumb 16 bit με επιπλέον οδηγίες 32 bit για να δώσει στο σύνολο εντολών επιπλέον πλάτος. Ο στόχος του Thumb-2 είναι να επιτύχει πυκνότητα κώδικα παρόμοια με τον αντίχειρα και απόδοση σετ εντολών ARM 32-bit. Μπορούμε να πούμε ότι στο ARMv7 αυτός ο στόχος επιτεύχθηκε.

Το Thumb-2 επεκτείνει τις εντολές ARM και Thumb με ακόμη περισσότερες οδηγίες, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου bitfield, της διακλάδωσης πίνακα, της εκτέλεσης υπό όρους. Η νέα Unified Assembly Language (UAL) υποστηρίζει τη δημιουργία εντολών τόσο για ARM όσο και για Thumb από τον ίδιο πηγαίο κώδικα. Οι εκδόσεις ARMv7 του Thumb μοιάζουν με κωδικό ARM. Αυτό απαιτεί προσοχή και τη χρήση της νέας εντολής if-then, η οποία υποστηρίζει την εκτέλεση έως και 4 διαδοχικών εντολών κατάστασης δοκιμής. Αγνοείται κατά τη μεταγλώττιση σε κώδικα ARM, αλλά κατά τη μεταγλώττιση σε κώδικα Thumb-2 δημιουργεί εντολές. Για παράδειγμα:

; εάν (r0 == r1) CMP r0, r1 ITE EQ ; ARM: χωρίς κωδικό ... Αντίχειρας: Οδηγίες πληροφορικής; τότε r0 = r2; MOVEQ r0, r2; ARM: υπό όρους; Αντίχειρας: κατάσταση μέσω ITE "T" (τότε) ; αλλιώς r0 = r3; ; θυμηθείτε ότι η εντολή Thumb MOV δεν έχει bits για κωδικοποίηση "EQ" ή "NE"

Όλα τα τσιπ ARMv7 υποστηρίζουν το σετ εντολών Thumb-2 και ορισμένα τσιπ, όπως το Cortex-m3, υποστηρίζουν μόνο τον Thumb-2. Τα υπόλοιπα τσιπ Cortex και ARM11 υποστηρίζουν σετ εντολών Thumb-2 και ARM.

Σετ εντολών Jazelle

Επεκτάσεις ασφαλείας

Οι επεκτάσεις ασφαλείας που διατίθενται στην αγορά ως Τεχνολογία TrustZone βρίσκονται στο ARMv6KZ και σε άλλες μεταγενέστερες αρχιτεκτονικές για συγκεκριμένες εφαρμογές. Παρέχει μια εναλλακτική λύση χαμηλού κόστους στην προσθήκη ενός αποκλειστικού πυρήνα ασφαλείας παρέχοντας 2 εικονικούς επεξεργαστές που υποστηρίζονται από έλεγχο πρόσβασης υλικού. Αυτό επιτρέπει στον πυρήνα της εφαρμογής να εναλλάσσεται μεταξύ δύο καταστάσεων που ονομάζονται "κόσμοι" (για να αποφευχθεί η σύγχυση με τα ονόματα πιθανών τομέων) για να αποτραπεί η διαρροή πληροφοριών από έναν πιο σημαντικό κόσμο σε έναν λιγότερο σημαντικό. Αυτός ο παγκόσμιος διακόπτης είναι συνήθως ορθογώνιος σε όλες τις άλλες δυνατότητες του επεξεργαστή. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε κόσμος μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα από άλλους κόσμους χρησιμοποιώντας τον ίδιο πυρήνα. Η μνήμη και τα περιφερειακά έχουν σχεδιαστεί αντίστοιχα για να ταιριάζουν στον κόσμο του πυρήνα και μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να αποκτήσουν έλεγχο πρόσβασης στα μυστικά και τους κώδικες του πυρήνα. Οι τυπικές εφαρμογές τεχνολογίας TrustZone θα πρέπει να εκτελούν ένα πλήρες λειτουργικό σύστημα στον λιγότερο κρίσιμο κόσμο και συμπαγή κώδικα ασφαλείας στον πιο κρίσιμο κόσμο, επιτρέποντας στη Διαχείριση Ψηφιακών Δικαιωμάτων να ελέγχει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη χρήση πολυμέσων σε συσκευές που βασίζονται σε ARM και να αποτρέπει τη μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση στη συσκευή.

Στην πράξη, δεδομένου ότι οι συγκεκριμένες λεπτομέρειες εφαρμογής του TrustZone παραμένουν αποκλειστικές και δεν αποκαλύπτονται, παραμένει ασαφές ποιο επίπεδο ασφάλειας είναι εγγυημένο για ένα δεδομένο μοντέλο απειλής.

Εντοπισμός σφαλμάτων

Όλοι οι σύγχρονοι επεξεργαστές ARM περιλαμβάνουν εργαλεία εντοπισμού σφαλμάτων υλικού, καθώς χωρίς αυτά τα προγράμματα εντοπισμού σφαλμάτων λογισμικού δεν θα μπορούσαν να εκτελέσουν τις πιο βασικές λειτουργίες όπως διακοπή, εσοχή, ρύθμιση σημεία ελέγχουμετά την επανεκκίνηση.

Η αρχιτεκτονική ARMv7 ορίζει βασικές δυνατότητες εντοπισμού σφαλμάτων σε αρχιτεκτονικό επίπεδο. Αυτά περιλαμβάνουν σημεία διακοπής, σημεία παρακολούθησης και εντολές εκτέλεσης σε λειτουργία εντοπισμού σφαλμάτων. Τέτοια εργαλεία ήταν επίσης διαθέσιμα με τη μονάδα εντοπισμού σφαλμάτων EmbeddedICE. Υποστηρίζονται και οι δύο λειτουργίες - διακοπή και έλεγχος. Πραγματικός μηχανισμός μεταφοράς, το οποίο χρησιμοποιείται για πρόσβαση σε εγκαταστάσεις εντοπισμού σφαλμάτων, δεν προσδιορίζεται αρχιτεκτονικά, αλλά η υλοποίηση συνήθως περιλαμβάνει υποστήριξη JTAG.

Υπάρχει μια ξεχωριστή αρχιτεκτονική εντοπισμού σφαλμάτων "προβολή πυρήνα" που δεν απαιτείται αρχιτεκτονικά από τους επεξεργαστές ARMv7.

Μητρώα

Το ARM παρέχει 31 καταχωρητές γενικής χρήσης με πλάτος 32 bit. Ανάλογα με τη λειτουργία και την κατάσταση του επεξεργαστή, ο χρήστης έχει πρόσβαση μόνο σε ένα αυστηρά καθορισμένο σύνολο καταχωρητών. Στην κατάσταση ARM, 17 μητρώα είναι συνεχώς διαθέσιμα στον προγραμματιστή:

• 13 μητρώα γενικής χρήσης (r0..r12).
• Δείκτης στοίβας (r13) - περιέχει τον δείκτη στοίβας του προγράμματος εκτέλεσης.
• Εγγραφή συνδέσμου (r14) - περιέχει τη διεύθυνση επιστροφής στις οδηγίες υποκαταστήματος.
• Μετρητής προγράμματος (r15) - τα bit περιέχουν τη διεύθυνση της εντολής που εκτελείται.
• Μητρώο κατάστασης τρέχοντος προγράμματος (CPSR) - περιέχει σημαίες που περιγράφουν την τρέχουσα κατάσταση του επεξεργαστή. Τροποποιείται κατά την εκτέλεση πολλών εντολών: λογική, αριθμητική, κ.λπ.

Σε όλες τις λειτουργίες εκτός από τη λειτουργία χρήστη και τη λειτουργία συστήματος, είναι επίσης διαθέσιμος ο καταχωρητής κατάστασης αποθηκευμένου προγράμματος (SPSR). Αφού παρουσιαστεί μια εξαίρεση, ο καταχωρητής CPSR αποθηκεύεται στο SPSR. Αυτό διορθώνει την κατάσταση του επεξεργαστή (λειτουργία, κατάσταση, σημαίες αριθμητικής, λογικές πράξεις, ενεργοποίηση διακοπής) τη στιγμή ακριβώς πριν από τη διακοπή.

Εργασία με τη μνήμη

Υποστηριζόμενα συστήματα I/O

Τα περισσότερα υπάρχοντα μοντέλα μικροεπεξεργαστών εφαρμόζουν έναν δίαυλο PCI και τη δυνατότητα εργασίας με εξωτερική δυναμική μνήμη τυχαίας πρόσβασης (DRAM). Οι επεξεργαστές που έχουν σχεδιαστεί για καταναλωτικές συσκευές συνήθως ενσωματώνουν επίσης: ελεγκτές διαύλου USB, ελεγκτές διαύλου IIC, συσκευή ήχου συμβατή με AC'97, συσκευή για εργασία με μέσα flash SD και MMC και ελεγκτή σειριακής θύρας.

Όλοι οι επεξεργαστές έχουν γραμμές γενικής χρήσης εισόδου/εξόδου (GPIO). Σε καταναλωτικές συσκευές, μπορούν να συνδεθούν με κουμπιά «γρήγορης εκκίνησης», LED σήματος, τροχό κύλισης (JogDial) και πληκτρολόγιο.

Η διαδικασία εκκίνησης του λειτουργικού συστήματος σε μηχανές ARM

Υποστήριξη για συστήματα που μοιάζουν με Unix

Η αρχιτεκτονική ARM υποστηρίζεται από Unix και λειτουργικά συστήματα GNU/Linux, BSD, QNX, Plan 9, Inferno, Solaris, Mac OS X, iOS, WebOS και Android.

Linux

Οι ακόλουθες διανομές υποστηρίζουν επεξεργαστές ARM:

BSD

Τα ακόλουθα παράγωγα BSD υποστηρίζουν επεξεργαστές ARM:

Σολάρις

Υποστήριξη για άλλα λειτουργικά συστήματα

Λειτουργικά συστήματα που τρέχουν σε ARM: ReactOS, FreeRTOS, Nucleus, Symbian OS, Windows CE, RISC OS, Windows RT.

Κάτοχοι άδειας ARM και κατά προσέγγιση κόστος άδειας

Η ARM δεν παράγει ούτε πουλά επεξεργαστές με βάση τα σχέδιά της, αλλά χορηγεί άδεια επεξεργασίας σε ενδιαφερόμενους συνεργάτες. Η ARM προσφέρει ένα ευρύ φάσμα όρων αδειοδότησης που ποικίλλουν σε κόστος και λεπτομέρεια. Για όλους τους κατόχους άδειας χρήσης, η ARM παρέχει μια περιγραφή του υλικού του πυρήνα, καθώς και ένα πλήρες σύνολο εργαλείων ανάπτυξης λογισμικού (μεταγλωττιστής, εντοπισμός σφαλμάτων), καθώς και το δικαίωμα πώλησης κατασκευασμένων επεξεργαστών ARM. Ορισμένοι πελάτες κατασκευάζουν επεξεργαστές για τρίτους.

Η ετήσια έκθεση του 2006 της ARM ανέφερε έσοδα 161 εκατομμυρίων δολαρίων από την αδειοδότηση 2,5 δισεκατομμυρίων μονάδων (επεξεργαστές). Αυτό ισοδυναμεί με 0,067 $ ανά μονάδα. Ωστόσο, αυτός είναι ένας πολύ μέσος αριθμός - σε τελική ανάλυση, αυτό περιλαμβάνει τόσο άδειες για πολύ ακριβούς νέους επεξεργαστές όσο και παλιούς φθηνούς επεξεργαστές.

Σημειώσεις

1. «Οπλισμένοι για το σαλόνι».
2. "Μια συνέντευξη με τον Steve Furber"
3. Samsung Nexus 10 - Πρόγραμμα περιήγησης Geekbench
4. MacBook Air - Πρόγραμμα περιήγησης Geekbench
5. Apache Benchmarks για τον διακομιστή Web 5 Watt της Calxeda – Διακομιστές ARM, τώρα!
6. http://www.apm.com/global/x-gene/docs/2012_03_OPP%20Cloudy%20with%20a%20Chance%20of%20ARM.pdf
7. Παρουσίαση «ARM810 - Dancing to the Beat of a Different Drum» της ARM Holdings στο Hot Chips 1996-08-07.
8. Εγχειρίδιο Τεχνικής Αναφοράς Register 13, FCSE PID register ARM920T
9. Neo1973: Σύγκριση GTA01Bv4 έναντι GTA02. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 15 Νοεμβρίου 2007.
10. S3C2410. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 13 Ιανουαρίου 2010.
11. Rockbox σειρά Samsung SA58xxx. Αρχειοθετημένα
12. Rockbox Meizu M6 Port – Πληροφορίες υλικού. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 22 Φεβρουαρίου 2008.
13. Φύλλα δεδομένων - Wiki υλικολογισμικού Magic Lantern
14. STR9 – STR912 – STR912FW44 μικροελεγκτής – σελίδα λήψης εγγράφων και αρχείων. mcu.st.com. (απρόσιτος σύνδεσμος - ιστορία) Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
15. Στάρλετ
16. Σημεία αναφοράς - Άλμπατρος. Albatross-uav.org (18 Ιουνίου 2005). (απρόσιτος σύνδεσμος - ιστορία) Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
17. ARM1136J(F)-S – Επεξεργαστής ARM. Arm.com. Αρχειοθετημένα
18. ARM πυρήνα τσιπ Qualcomm - από τηλέφωνα έως φορητούς υπολογιστές. xi0.info. Αρχειοθετημένα
19. Qualcomm MSM7227 RISC Chipset. pdadb.net. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 8 Μαΐου 2010.
20. GoForce 6100. Nvidia.com. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
21. Mediatek MT6573. http://www.mediatek.com. ; Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 6 Ιουνίου 2012. Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
22. Επεξεργαστές ARM της σειράς Samsung S3C6410 και S3C6430. Samsung. Ανακτήθηκε στις 8 Οκτωβρίου 2009.και το Qualcomm MSM7627 όπως φαίνεται στα Palm Pixi και Motorola Calgary/Devour
23. Μέριτ, Ρικ"Το ARM απλώνεται με πυρήνα A5, γραφικά, FPGA". EE Times (21 Οκτωβρίου 2009). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 28 Οκτωβρίου 2009.
24. Κλαρκ, ΠίτερΣχέδια συμβουλών ARM για πυρήνες επεξεργαστών Swift και Sparrow. EE Times (3 Φεβρουαρίου 2009). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
25. Segan, SaschaΤο ARM's Multicore Chips Aim for Netbooks (9 Απριλίου 2009) Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 18 Απριλίου 2009.
26. http://pc.watch.impress.co.jp/video/pcw/docs/423/409/p1.pdf
27. Επεξεργαστής Cortex-A15 - ARM
28. Επεξεργαστής Cortex-A7 - ARM
29. Benz, Benjamin Cortex Nachwuchs bei ARM. Heise.de (2 Φεβρουαρίου 2010). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 3 Μαΐου 2010.
30. Κλαρκ, ΠίτερΤο ARM προετοιμάζει μικροσκοπικό πυρήνα για μικροελεγκτές χαμηλής κατανάλωσης. EE Times (23 Φεβρουαρίου 2009). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 30 Νοεμβρίου 2009.
31. Walko, JohnΤο NXP για πρώτη φορά έκανε επίδειξη πυριτίου ARM Cortex-M0. EE Times (23 Μαρτίου 2009). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 13 Μαρτίου 2012. Ανακτήθηκε στις 29 Ιουνίου 2009.
32. ARM Powered VCAs " Triad Semiconductor
33. Cortex-M0 που χρησιμοποιείται σε ελεγκτή αφής χαμηλής ισχύος - 06/10/2009 - Electronics Weekly
34. Το Chungbuk Technopark επιλέγει τον επεξεργαστή ARM Cortex-M0
35. Μετάφραση Google
36. Η Austriamicrosystems επιλέγει τον επεξεργαστή ARM Cortex-M0 για εφαρμογές μικτού σήματος
37. “ARM Extends Cortex Family with First Processor Optimized for FPGA”, δελτίο τύπου ARM, 19 Μαρτίου 2007. Ανακτήθηκε στις 11 Απριλίου 2007.

Επεξεργαστές ARM - τι είναι και με τι χρησιμοποιούνται.Η εμφάνιση κινητών επεξεργαστών υψηλής απόδοσης στην αγορά έχει γίνει από πολλές απόψεις μια πραγματική επαναστατική ανακάλυψη. Μπορούμε να πούμε ότι για πρώτη φορά η αρχιτεκτονική x86 έχει έναν σημαντικό ανταγωνιστή, ο οποίος, αν και στα αρχικά στάδια καταλάμβανε μόνο μια γειτονική θέση, έχει ήδη αρχίσει να εκτοπίζει σοβαρά τη θέση του μακροβιότερου ηγέτη της βιομηχανίας υπολογιστών.

Ποια είναι όμως η διαφορά; Τι είναι η αρχιτεκτονική ARM και σε τι διαφέρει από το x86; Το τελευταίο, που χρησιμοποιείται σε επεξεργαστές Intel και AMD, χρησιμοποιεί ένα σύνολο οδηγιών CISC. Η επεξεργασία που βασίζεται σε αυτά είναι πολύ λειτουργική, ανοίγει ευκαιρίες για προγραμματιστές και προγραμματιστές υλικού, αλλά απαιτεί σημαντική ποσότητα ενεργειακών πόρων. Η ουσία του CISC, χονδρικά μιλώντας, είναι ότι κάθε εισερχόμενη εντολή αποκωδικοποιείται σε ένα απλό στοιχείο και μόνο τότε υποβάλλεται σε επεξεργασία.

Είναι διαφορετικά με το ARM. Λειτουργεί με βάση τις εντολές RISC, οι οποίες περιέχουν ήδη ένα έτοιμο σύνολο απλών στοιχείων. Αυτό μειώνει την ευελιξία του επεξεργαστή, αλλά η ταχύτητα επεξεργασίας δεδομένων αυξάνεται σημαντικά και, κατά συνέπεια, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας ενός τέτοιου επεξεργαστή.

Ως εκ τούτου, αποδεικνύεται ότι το x86 είναι μια καθολική αρχιτεκτονική κατάλληλη για την επίλυση πολλών προβλημάτων, ενώ η ARM απαιτεί λεπτότερο υλικό και οι δυνατότητες μιας τέτοιας αρχιτεκτονικής είναι κάπως πιο περιορισμένες. Ωστόσο, οι δυνατότητες της ARM γίνονται όλο και πιο επεκτατικές. Ήδη τώρα, τέτοιοι επεξεργαστές είναι κατάλληλοι για τυπικές εργασίες γραφείου, αναπαραγωγή περιεχομένου πολυμέσων και σερφάρισμα στο Διαδίκτυο.

Η ARM αναπτύσσεται με ταχείς ρυθμούς, γεγονός που διευκολύνεται από το γεγονός ότι δεκάδες ανταγωνιστικές μάρκες εργάζονται σε αυτήν την τεχνολογία franchising, ενώ μόνο δύο εταιρείες εργάζονται στην αρχιτεκτονική x86, οι εκπρόσωποι των οποίων λένε σχεδόν ευθέως ότι υπάρχει στασιμότητα στο τμήμα... και Δεν μπορείς να πεις το ίδιο για το ARM.

Μιλώντας για το τι είναι τα τσιπ ARM, ένα πράγμα που αξίζει να σημειωθεί είναι η πολυπλοκότητα των σύγχρονων κινητών συστημάτων που προσφέρονται. Ο ARM δεν είναι μόνο ένας επεξεργαστής. Κατά κανόνα, περιλαμβάνει: έναν ελεγκτή RAM, έναν επιταχυντή γραφικών, έναν αποκωδικοποιητή βίντεο, έναν κωδικοποιητή ήχου και προαιρετικά μονάδες ασύρματης επικοινωνίας. Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται single-chip. Με άλλα λόγια, το ARM είναι ένα τσιπ σε ένα τσιπ.

Σήμερα, η ARM διαθέτει πολλές γενιές επεξεργαστών:

ARM9. Οι μάρκες ARM9 μπορούν να φτάσουν συχνότητα ρολογιού 400 MHz. Αυτά τα τσιπ είναι παρωχημένα, αλλά εξακολουθούν να είναι σε ζήτηση. Για παράδειγμα, σε ασύρματους δρομολογητές και τερματικά πληρωμής. Εργαλειοθήκη απλές εντολέςΑυτό το τσιπ σας επιτρέπει να εκτελείτε εύκολα πολλές εφαρμογές Java.

ARM11. Οι επεξεργαστές ARM11 διαθέτουν περισσότερα πλήρες σεταπλές εντολές που επεκτείνουν τη λειτουργικότητά τους και υψηλές ταχύτητες ρολογιού (έως 1 GHz). Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του χαμηλού κόστους, τα τσιπ ARM11 εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε smartphones εισαγωγικού επιπέδου.

ARMv7. Τα σύγχρονα τσιπ αρχιτεκτονικής ARM ανήκουν στην οικογένεια ARMv7, οι ναυαρχίδες της οποίας έχουν ήδη φτάσει τους οκτώ πυρήνες και ταχύτητα ρολογιού πάνω από 2 GHz. Οι πυρήνες επεξεργαστών που αναπτύχθηκαν απευθείας από την ARM Limited ανήκουν στη σειρά Cortex και οι περισσότεροι κατασκευαστές συστημάτων ενός chip τους χρησιμοποιούν χωρίς σημαντικές αλλαγές.

ARM Cortex-A8.Ιστορικά, ο πρώτος πυρήνας επεξεργαστή της οικογένειας ARMv7 ήταν ο Cortex-A8, ο οποίος αποτέλεσε τη βάση για τόσο διάσημα SoC της εποχής του όπως το Apple A4 (iPhone 4 και iPad) και το Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S και Galaxy Tab). Επιδεικνύει περίπου διπλάσια απόδοση σε σύγκριση με το προηγούμενο ARM11 και, δυστυχώς, υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας, γεγονός που καθιστά αυτό το τσιπ πλέον εξαιρετικά μη δημοφιλές.

ARM Cortex-A9.Μετά το Cortex-A8, η ARM Limited παρουσίασε μια νέα γενιά τσιπ - το Cortex-A9, το οποίο είναι πλέον το πιο κοινό και καταλαμβάνει μια θέση μέσης τιμής. Η απόδοση των πυρήνων Cortex-A9 έχει τριπλασιαστεί περίπου σε σύγκριση με τον Cortex-A8 και είναι επίσης δυνατός ο συνδυασμός δύο ή και τεσσάρων από αυτούς σε ένα τσιπ.

ARM Cortex-A5 και Cortex-A7.Κατά τον σχεδιασμό των πυρήνων επεξεργαστών Cortex-A5 και Cortex-A7, η ARM Limited επιδίωξε τον ίδιο στόχο - να επιτύχει έναν συμβιβασμό μεταξύ της ελάχιστης κατανάλωσης ενέργειας του ARM11 και της αποδεκτής απόδοσης του Cortex-A8. Δεν έχουν ξεχάσει τη δυνατότητα συνδυασμού δύο ή τεσσάρων πυρήνων - τα τσιπ πολλαπλών πυρήνων Cortex-A5 και Cortex-A7 εμφανίζονται σταδιακά στην πώληση (Qualcomm MSM8625 και MTK 6589).

ARM Cortex-A15.Οι πυρήνες επεξεργαστή Cortex-A15 έγιναν μια λογική συνέχεια του Cortex-A9 - ως αποτέλεσμα, για πρώτη φορά στην ιστορία, τα τσιπ αρχιτεκτονικής ARM κατάφεραν να συγκριθούν κατά προσέγγιση σε απόδοση με Intel Atom, και αυτό είναι ήδη μια μεγάλη επιτυχία. Δεν είναι για τίποτα το Canonical Απαιτήσεις συστήματοςη έκδοση του λειτουργικού συστήματος Ubuntu Touch με πλήρη πολλαπλή εργασία υποδείκνυε επεξεργαστή ARM Cortex-A15 διπλού πυρήνα ή παρόμοιο Intel Atom.

Τσιπς ΜΠΡΑΤΣΟΈνα μεγάλο μέλλον περιμένει. Ο αριθμός των εντολών, η συχνότητα λειτουργίας, ο αριθμός των πυρήνων αυξάνονται ενεργά και η κατανάλωση ενέργειας συνεχίζει να παραμένει χαμηλή. Στο μέλλον, τα τσιπ ARM ​​θα γίνουν κατάλληλα για multitasking πλήρους κλίμακας, χαρακτηριστικό μόνο για συστήματα x86. Ωστόσο, ακόμη και με τις συνθήκες του τρέχοντος φορέα ανάπτυξης, είναι πολύ νωρίς για να πούμε ότι το τμήμα ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης θα στραφεί πλήρως στα τσιπ ARM. Και το θέμα εδώ, πρώτα από όλα, είναι η τιμή. Το κόστος των τσιπ για κινητά αυξάνεται εκθετικά, ενώ το x86 συνεχίζει να γίνεται φθηνότερο. Είναι ο παράγοντας τιμής, μαζί με τη διαφορά στη λειτουργικότητα, που θα ξεπεραστεί κάπως, και υπάρχει μια απολύτως κατανοητή πρόβλεψη ότι τα ανεπτυγμένα συστήματα ARM δεν θα κερδίσουν σύντομα μια άνευ όρων νίκη στον αγώνα για τους καταναλωτές τους...

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 παρήχθησαν 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. Αλλά έχουν γίνει πλέον άσχετοι. Τα πιο πρόσφατα μοντέλα CPU που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική κατασκευάζονται ήδη σε πρότυπα 28 nm και αυτά είναι αυτά που μπορούν ακόμα να βρεθούν 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 επεξεργαστή 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 ενότηταARMv7.

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.

Τρέχουσα τιμή θερμοκρασίας κρύσταλλο ημιαγωγών.

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 εκκινηθεί μια απλή εφαρμογή 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 αρχιτεκτονικής 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 ευρέως χρησιμοποιούμενο από αυτά 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 παρέχεται από τον 8-πύρηνο κεντρικές μονάδες επεξεργασίας, στην οποία ανήκε το 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. Αλλά ακόμα καλύτερες εποχέςαυτή η αρχιτεκτονική 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 σε αυτήν την περίπτωση θα ξεκινήσουν χωρίς ειδικά προβλήματα. Αυτό ακριβώς τονίζεται στις κορυφαίες θεματικές πύλες αφιερωμένες σε gadget και συσκευές για φορητές συσκευές τόσο από κορυφαίους ειδικούς αυτού του είδους όσο και από τακτικούς χρήστες. 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 εμφάνισή του που οι φορητές συσκευές έγιναν προσβάσιμες και αρκετά παραγωγικές. Και μόνο το γεγονός ότι έχει πωληθεί με επιτυχία για περισσότερα από 5 χρόνια, πάρα πολύ για αυτόεπιβεβαίωση. 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.