Toți cei care sunt interesați de tehnologia mobilă au auzit cu siguranță numele ARM. Mulți înțeleg această abreviere ca un tip de procesor pentru smartphone-uri și tablete, alții clarifică că acesta nu este deloc un procesor, ci arhitectura lui. Și cu siguranță puțini oameni au pătruns în istoria apariției ARM. În acest articol vom încerca să înțelegem toate aceste nuanțe și să vă spunem de ce sunt necesare procesoare ARM gadget-uri moderne.

O scurtă excursie în istorie

Când căutați „ARM”, Wikipedia oferă două semnificații pentru această abreviere: Acorn RISC Machine și Advanced RISC Machines. Să începem în ordine. În anii 1980, în Marea Britanie a fost fondată Acorn Computers, care și-a început activitățile prin crearea de computere personale. La acea vreme, Acorn era numit și „British Apple”. Perioada decisivă pentru companie a fost sfârșitul anilor 80, când inginerul șef al acesteia a profitat de decizia a doi absolvenți de universități locale care au venit cu aspect nou arhitectura procesorului setului de instrucțiuni redus (RISC). Așa a apărut primul computer bazat pe procesorul Acorn Risc Machine. Succesul nu a întârziat să apară. În 1990, britanicii au încheiat un acord cu Apple și în curând au început să lucreze la o nouă versiune a chipset-ului. Echipa de dezvoltare a format în cele din urmă o companie numită Advanced RISC Machines, inspirată de procesor. Cipurile cu noua arhitectură au devenit cunoscute și ca Advanced Risc Machine sau ARM, pe scurt.

Din 1998, Advanced Risc Machine a devenit cunoscută ca ARM Limited. În prezent, compania nu este angajată în producția și vânzarea propriilor procesoare. Principala și singura activitate a ARM Limited este dezvoltarea de tehnologii și vânzarea de licențe către diverse companii pentru utilizarea arhitecturii ARM. Unii producători cumpără o licență pentru nuclee gata făcute, alții cumpără așa-numita „licență arhitecturală” pentru a produce procesoare cu propriile nuclee. Printre astfel de companii se numără Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon și altele. Potrivit unor rapoarte, ARM Limited câștigă 0,067 USD pentru fiecare astfel de procesor. Această cifră este medie și, de asemenea, depășită. În fiecare an există tot mai multe nuclee în chipset-uri, iar noile procesoare multi-core depășesc modelele învechite în ceea ce privește costul.

Caracteristicile tehnice ale cipurilor ARM

Există două tipuri de arhitecturi moderne de procesoare: CISC(Calcul de set de instrucțiuni complexe) și RISC(Setul de instrucțiuni redus de calcul). Arhitectura CISC include familia de procesoare x86 (Intel și AMD), iar arhitectura RISC include familia ARM. Principala diferență formală dintre RISC și CISC și, în consecință, x86 de la ARM este setul de instrucțiuni redus utilizat în procesoarele RISC. De exemplu, fiecare instrucțiune dintr-o arhitectură CISC este transformată în mai multe instrucțiuni RISC. În plus, procesoarele RISC folosesc mai puțini tranzistori și astfel consumă mai puțină energie.

Principala prioritate a procesoarelor ARM este raportul dintre performanță și consumul de energie. ARM are un raport de performanță pe watt mai mare decât x86. Poți obține puterea necesară de la 24 de nuclee x86 sau de la sute de nuclee ARM mici de putere redusă. Desigur, chiar și cel mai puternic procesor bazat pe arhitectura ARM nu va fi niciodată comparabil ca putere cu un Intel Core i7. Dar același Intel Core i7 are nevoie de un sistem de răcire activ și nu se va potrivi niciodată într-o carcasă de telefon. Aici ARM nu are concurență. Pe de o parte, aceasta pare o opțiune atractivă pentru construirea unui supercomputer folosind un milion de procesoare ARM în loc de o mie de procesoare x86. Pe de altă parte, cele două arhitecturi nu pot fi comparate fără ambiguitate. În unele privințe, ARM va avea un avantaj, iar în altele, x86 va avea un avantaj.

Cu toate acestea, apelarea procesoarelor cu cipuri cu arhitectură ARM nu este în întregime corectă. Pe lângă mai multe nuclee de procesor, acestea includ și alte componente. Termenul cel mai potrivit ar fi „single chip” sau „system on a chip” (SoC). SoC-urile moderne pentru dispozitive mobile includ un controler RAM, accelerator grafic, decodor video, codec audio și module comunicare fără fir. După cum am menționat mai devreme, componentele de chipset individuale pot fi dezvoltate de către producători terți. Cel mai frapant exemplu în acest sens sunt nucleele grafice, care, pe lângă ARM Limited (grafică Mali), sunt dezvoltate de Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) și Imagination Technologies (PowerVR).

În practică arată așa. Majoritatea dispozitivelor mobile Android de buget vin cu chipset-uri fabricate de companie MediaTek, care urmează aproape invariabil instrucțiunile ARM Limited și le completează cu nuclee Cortex-A și grafică Mali (mai rar PowerVR).

Brandurile A folosesc adesea chipset-uri fabricate pentru dispozitivele lor emblematice Qualcomm. Apropo, cele mai recente cipuri Qualcomm Snapdragon (,) sunt echipate cu nuclee Kryo complet personalizate pentru procesorul central și Adreno pentru acceleratorul grafic.

Referitor la Măr, apoi pentru iPhone și iPad, compania folosește propriile cipuri din seria A cu acceleratorul grafic PowerVR, pe care le produc companii terțe. Astfel, are un procesor quad-core A10 Fusion pe 64 de biți și GPU PowerVR GT7600.

Arhitectura familiei de procesoare este considerată relevantă la momentul scrierii ARMv8. A fost primul care a folosit un set de instrucțiuni pe 64 de biți și suport pentru mai mult de 4 GB de RAM. Arhitectura ARMv8 are compatibil cu invers cu aplicații pe 32 de biți. Cel mai eficient și mai puternic nucleu de procesor dezvoltat de ARM Limited este în prezent Cortex-A73, iar majoritatea producătorilor de SoC îl folosesc neschimbat.

Cortex-A73 oferă cu 30% mai mult performante ridicate comparativ cu Cortex-A72 și acceptă setul complet de arhitectură ARMv8. Frecvența maximă a nucleului procesorului este de 2,8 GHz.

Domeniul de utilizare al ARM

Cea mai mare faimă a ARM a venit din dezvoltarea dispozitivelor mobile. În ajunul producției în masă a smartphone-urilor și a altor echipamente portabile, procesoarele eficiente din punct de vedere energetic au venit la îndemână. Dezvoltarea ARM Limited a culminat în 2007, când compania britanică și-a reînnoit parteneriatul cu Apple, iar ceva timp mai târziu echipa Cupertino a prezentat primul său iPhone cu procesor bazat pe arhitectura ARM. Ulterior, un sistem cu un singur cip bazat pe arhitectura ARM a devenit o componentă neschimbată a aproape tuturor smartphone-urilor de pe piață.

Portofoliul ARM Limited nu se limitează doar la nucleele familiei Cortex-A. De fapt, există trei serii de nuclee de procesor sub marca Cortex, care sunt desemnate prin literele A, R, M. Familia Core Cortex-A, după cum știm deja, este cel mai puternic. Ele sunt utilizate în principal în smartphone-uri, tablete, set-top box-uri TV, receptoare de satelit, mașini sisteme mobile ah, robotica. Miezuri de procesor Cortex-R optimizat pentru a îndeplini sarcini de înaltă performanță în timp real, astfel încât astfel de cipuri se găsesc în echipamente medicale, sisteme de securitate autonome și medii de stocare. Sarcina principală a familiei Cortex-M este simplitate și cost redus. Din punct de vedere tehnic, acestea sunt cele mai slabe nuclee de procesor cu cel mai mic consum de energie. Procesoarele bazate pe astfel de nuclee sunt folosite aproape peste tot acolo unde este nevoie de energie minimă și costuri reduse de la un dispozitiv: senzori, controlere, alarme, afișaje, ceas inteligentși alte echipamente.

În general, majoritatea dispozitivelor moderne de la mici la mari care necesită un procesor folosesc cipuri ARM. Un avantaj uriaș este faptul că arhitectura ARM este suportată de multe sisteme de operare pe platforma Linux (inclusiv Android și Chrome OS), iOS și Windows ( Windows Phone).

Concurența pe piață și perspectivele de viitor

Merită să recunoaștem că în acest moment ARM nu are concurenți serioși. Și, în mare, acest lucru se datorează faptului că ARM Limited a făcut-o la un anumit moment alegere corectă. Dar chiar la începutul călătoriei sale, compania a produs procesoare pentru PC-uri și chiar a încercat să concureze cu Intel. După ce ARM Limited și-a schimbat direcția activităților, a avut și o perioadă dificilă. Apoi, monopolistul de software reprezentat de Microsoft, după ce a încheiat un acord de parteneriat cu Intel, nu a lăsat nicio șansă altor producători, inclusiv ARM Limited - sistemul de operare Windows pur și simplu nu a funcționat pe sistemele cu procesoare ARM. Oricât de paradoxal ar suna, dar acum situația se poate schimba dramatic, iar sistemul de operare Windows este deja pregătit să accepte procesoare pe această arhitectură.

În urma succesului cipurilor ARM, Intel a încercat să creeze un procesor competitiv și a intrat pe piață cu un cip Intel Atom. I-a luat mult mai mult timp să facă asta decât ARM Limited. Chipsetul a intrat în producție în 2011, dar, după cum se spune, trenul a plecat deja. Intel Atom este un procesor CISC cu arhitectură x86. Inginerii companiei au atins un consum mai mic de energie decât în ​​ARM, dar în acest moment o varietate de software mobil are o adaptare slabă la arhitectura x86.

Anul trecut, Intel a abandonat mai multe decizii cheie în dezvoltarea în continuare a sistemelor mobile. În esență, o companie pentru dispozitive mobile, deoarece acestea au devenit neprofitabile. Singurul producător important care și-a echipat smartphone-urile cu chipset-uri Intel Atom a fost ASUS. Cu toate acestea, Intel Atom a primit încă o utilizare pe scară largă în netbook-uri, nettop-uri și alte dispozitive portabile.

Poziția ARM Limited pe piață este unică. În prezent, aproape toți producătorii folosesc evoluțiile sale. Cu toate acestea, compania nu are fabrici proprii. Acest lucru nu îl împiedică să fie la egalitate cu Intel și AMD. Istoria ARM include un alt fapt interesant. Este posibil ca tehnologia ARM să-i aparțină acum Măr, care a fost în centrul formării ARM Limited. În mod ironic, în 1998, locuitorii din Cupertino, aflati în vremuri de criză, și-au vândut partea. Acum Apple este forțat, împreună cu alte companii, să cumpere o licență pentru procesoarele ARM utilizate în iPhone și iPad.

În zilele noastre, procesoarele ARM sunt capabile să îndeplinească sarcini serioase. În viitorul apropiat, acestea vor fi folosite în servere în special, centrele de date ale Facebook și PayPal au deja astfel de soluții. În epoca dezvoltării Internetului lucrurilor (IoT) și a dispozitivelor inteligente pentru casă, cipurile ARM au devenit și mai solicitate. Deci cele mai interesante lucruri urmează să vină pentru ARM.

Recent, însăși formularea întrebării părea de neconceput, dar dezvoltarea tehnologiei și ciudateniile pieței au dus la o situație în care concurența reală este posibilă.

Destul de recent, însăși formularea întrebării părea de neconceput: este chiar posibil să comparăm un procesor „telefonic” cu cipurile folosite în „calculatoare personale”, servere și chiar supercalculatoare? Între timp, dezvoltarea tehnologiei și ciudațiile de pe piață au dus la o situație în care experții discută serios despre posibilitatea nu doar a concurenței între procesoarele ARM și a cipurilor x86, ci și a unei lupte acerbe între ele.

În primul rând, să definim conceptele și să cunoaștem potențialii rivali.

Procesoarele centrale x86 sunt microprocesoare care suportă setul de instrucțiuni cu același nume și au o microarhitectură derivată din IA-32, adică Intel Architecture 32-bit. Cipurile sunt construite pe arhitectura CISC (Complex Instruction Set Computing, adică cu set complet instrucțiuni"), în care fiecare instrucțiune poate efectua mai multe operații de nivel scăzut simultan.

Din punct de vedere istoric, familia x86 datează de la 16 biți Modele Intel 8086, lansat în 1978. Aceste procesoare au devenit pe 32 de biți abia în 1985, când a fost introdus primul „386th”. În 1989, Intel a lansat primul cip scalar (adică efectuează o operațiune pe ceas), i486 (80486), care a introdus pentru prima dată memoria cache încorporată și un FPU. Procesoarele Pentium, introduse în 1993, au fost primele superscalare (adică efectuează mai multe operații pe ciclu de ceas) și superpipeline (aceste cipuri aveau două conducte).

Aşa, cipurile moderne compatibile cu x86 sunt microprocesoare superscalare superpipeline construite pe arhitectura CISC.

Procesoarele ARM sunt cipuri pe 32 de biți bazate pe arhitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer), adică cu un set de instrucțiuni redus. Această arhitectură se bazează pe ideea creșterii performanței prin maximizarea simplificării instrucțiunilor și limitarea lungimii acestora.

Istoria procesoarelor ARM a început în 1978, când a fost creată compania britanică Acorn Computers. Marca Acorn a produs câteva modele de computere personale extrem de populare pe piața locală, bazate pe cipuri MOS Tech 6502 de opt biți. Apropo, același procesor a fost găsit în Apple I și II și Commodore PET.

Cu toate acestea, odată cu apariția modelului 6510 mai avansat, care a început să fie instalat în Commodore 64 în 1982, linia de calculatoare Acorn, inclusiv popularul BBC Micro, și-a pierdut relevanța. Acest lucru i-a determinat pe proprietarii Acorn să-și creeze propriul procesor bazat pe arhitectura 6502, ceea ce le-ar permite să concureze în condiții egale cu mașinile IBM PC-uri.

Primul model de producție ARM2, dezvoltat ca parte a proiectului Acorn RISC Machine, a fost lansat în 1986 și a devenit cel mai simplu din punct de vedere structural și cel mai ieftin procesor pe 32 de biți la acea vreme: nu numai că îi lipsea memoria cache, care era norma pentru cipurile de acea vreme, dar și microprograme: spre deosebire de procesoarele CISC, microcodul era executat ca orice alt cod de mașină, prin conversia lui în instrucțiuni simple. Matrița ARM2 a constat din 30.000 de tranzistori, iar acest design compact a rămas trăsătură caracteristică din această familie: ARM6 are doar 5000 de tranzistori în plus.

Spre deosebire de Intel sau AMD, ARM nu produce procesoare în sine, preferând să vândă licențe altora. Printre companiile cu astfel de licențe se numără aceleași Intel și AMD, precum și VIA Technologies, IBM, NVIDIA, Nintendo, Texas Instruments, Freescale, Qualcomm și Samsung. Un fapt orientativ: în timp ce AMD, a doua companie de pe piața procesoarelor x86, a sărbătorit lansarea celui de-al 500 de milioane de procesor al său în 2009, apoi numai în 2009 au fost livrate pe piață aproape trei miliarde de procesoare ARM!

Procesoarele ARM moderne sunt cipuri superscalare superpipeline construite pe arhitectura RISC.

Judecând după aceste două definiții, aproape singura diferență formală dintre familiile ARM și x86 este microarhitecturile RISC și CISC. Cu toate acestea, aceasta nu mai poate fi considerată o diferență fundamentală: începând cu modificarea i486DX, cipurile x86 au început să semene mai mult cu procesoarele RISC. Începând cu această generație, cipurile, păstrând compatibilitatea cu toate seturile de instrucțiuni anterioare, demonstrează performanță maximă doar cu un set limitat. instructiuni simple, care arată în mod suspect ca un set de instrucțiuni RISC. Prin urmare, x86 de astăzi poate fi considerat în siguranță procesoare CISC cu nuclee RISC: un traducător hardware încorporat în cip decodifică instrucțiuni CISC complexe într-un set de instrucțiuni RISC interne simple. Chiar dacă fiecare instrucțiune CISC poate fi descompusă în mai multe instrucțiuni RISC, viteza de execuție a acestora din urmă asigură o creștere semnificativă a performanței. În plus, nu ar trebui să uităm de superscalaritatea și superpipelinarea cipurilor moderne.

O altă diferență este mult mai importantă: cea mai mare parte a x86 sunt procesoarele universale, „atârnate” cu o varietate de blocuri și module diferite, care sunt concepute pentru a face față cu succes aproape oricărei sarcini - de la navigarea pe web și procesare. fișiere textînainte de codificarea video rezoluție înaltăși lucrul cu grafică tridimensională. Cipurile ARM destinate utilizării în smartphone-uri și alte dispozitive portabile au obiective și capacități complet diferite.

Atunci în ce ar trebui să fie împărțite astfel de produse diferite? Desigur, este absurd să comparăm quad-core Core i5 și „telefonul” Qualcomm MSM7201A găsit în comunicatoarele HTC Dream și Hero, dar există scale în care piețele ARM și i86 se suprapun astăzi. Acestea sunt, pe de o parte, cele mai noi cipuri ARM precum Cortex-A8 (arhitectura ARMv7-A), iar pe de alta, procesoare x86 de joasa tensiune din clasa Intel Atom. O tabletă la modă este construită pe baza Cortex-A8 Apple iPad, iar Intel Atoms funcționează în marea majoritate a netbook-urilor.

Aceste cipuri au o altă caracteristică comună importantă: ambele procesoare funcționează pe principiul execuției secvențiale a instrucțiunilor, în timp ce majoritatea procesoarelor x86 sunt procesoare necomenzi. Acest circuit este proiectat pentru a atinge performanța maximă pe watt de consum de energie prin eliminarea modulelor responsabile pentru executarea necorespunzătoare a instrucțiunilor.

Atom are, de asemenea, câteva diferențe fundamentale față de Cortex-A8. În primul rând, aproape toate cipurile din această familie acceptă tehnologia de calcul paralel Hyper-Threading, care permite ca un nucleu fizic să fie reprezentat ca două virtuale. Acesta este un avantaj foarte semnificativ care crește semnificativ performanța, nu numai în aplicațiile cu mai multe fire de execuție, relativ rare până acum, ci și la executarea comenzilor care folosesc intens sistemele I/O. De exemplu, Atom cu Hyper-Threading încarcă Windows vizibil mai rapid decât comparabilul single-core VIA Nano fără suport pentru acest mod.

O comparație practică a performanței Atom și Cortex-A8 a fost realizată de Van Smith, autorul pachetelor de testare OpenSourceMark și miniBench și unul dintre co-autorii SiSoftware Sandra. Am testat mașini bazate pe procesoarele Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050 și, spre comparație, pe baza mobilului Athlon XP-M pe nucleul Barton. Deoarece caracteristicile Cortex-A8 cu o frecvență de ceas de 800 MHz au fost luate ca punct de plecare, frecvențele de operare ale VIA Nano și Athon au fost reduse la aceeași valoare, iar Atom la 1000 MHz (nu a fost posibilă o reducere suplimentară). ). În același timp, Cortex-A8 are încă câteva puncte slabe evident: suport pentru memorie lentă DDR2-200 pe 32 de biți și grafică integrată mai mult decât modestă cu rezolutie maxima 1024 x 768 la o adâncime de culoare de șaisprezece biți. Toate testele au fost efectuate pe sisteme care rulează sistemul de operare Linux Ubuntu 9.04.

Rezultatele testelor s-au dovedit a fi mai mult decât interesante: Cortex-A8 a demonstrat performanțe destul de competitive în calculele întregi, cu un consum de energie semnificativ mai mic în comparație cu rivalii săi. După cum era de așteptat, doar testele pentru lățimea de bandă a memoriei și calculele cu virgulă mobilă, „călcâiul lui Ahile” tradițional al cipurilor ARM, s-au dovedit a fi eșecuri. Multă vreme, procesoarelor ARM le-au lipsit în general modulele FPU și, deși Cortex-A8 are două astfel de module (Neon 32-bit SP și VFP), puterea lor nu este în mod clar suficientă. Calculele cu virgulă mobilă includ jocuri tridimensionale, modelare științifică și unele tipuri de procesare și codificare video și audio. Deci, dacă producătorii de procesoare ARM vizează cu adevărat nișa de netbook, nettop și tabletă, trebuie să îmbunătățească semnificativ performanța FPU. Rezultatele detaliate ale tuturor testelor pot fi găsite aici (http://www.brightsideofnews.com/news/2010/4/7/the-coming-war-arm-versus-x86.aspx).

Să ne așteptăm la o luptă între familii atât de diferite și atât de asemănătoare de procesoare ARM și x86? Până acum, în ceea ce privește performanța în aplicațiile de divertisment de masă, „brațele” sunt semnificativ inferioare chiar și „atomii”. Cu toate acestea, perspectivele sunt încurajatoare: cea mai recentă arhitectură Cortex-A9 este concepută pentru a crea procesoare cu unul până la patru nuclee și, conform ARM Limited, acestea au îmbunătățit semnificativ performanța în virgulă mobilă. Primele cipuri bazate pe Cortex-A9 - NVIDIA Tegra 2 - sunt cipuri dual-core cu un nucleu grafic care acceptă video Full HD 1080p și grafică tridimensională cu interfata software OpenGL ES 2.0. O tabletă sau netbook cu astfel de caracteristici poate concura cu ușurință cu orice dispozitiv bazat pe Atom. Să adăugăm aici o eficiență excepțională, ceea ce înseamnă o viață lungă a bateriei. Așa că iPad-ul Apple poate deveni un simbol al începutului luptei dintre cipurile ARM și procesoarele x86 pe propriul lor domeniu.

Lumea computerelor se schimbă rapid. PC-urile desktop au pierdut primul loc în clasamentul vânzărilor în fața laptopurilor și sunt pe cale să ofere piață tabletelor și altor dispozitive mobile. Acum 10 ani prețuim megaherți puri, puterea adevărată și performanța. Acum, pentru a cuceri piața, procesorul trebuie să fie nu doar rapid, ci și economic. Mulți oameni cred că ARM este arhitectura secolului 21. Este adevărat?

Nou - bine uitat vechi

Jurnaliştii, urmând oamenii ARM PR, prezintă adesea această arhitectură ca pe ceva complet nou, care ar trebui să îngroape x86-ul cărunt.

De fapt, ARM și x86, pe baza cărora sunt construite procesoare Intel, AMD și VIA, instalate în laptopuri și computere desktop, au aproape aceeași vârstă. Primul cip x86 a fost lansat în 1978. Proiectul ARM a început oficial în 1983, dar s-a bazat pe dezvoltări care au fost realizate aproape simultan cu crearea x86.

Primele ARM-uri au impresionat specialiștii prin eleganța lor, dar cu performanța relativ scăzută nu au putut cuceri piața care le cerea viteze mariși nu a acordat atenție eficienței muncii. Ar fi trebuit să funcționeze anumite conditii astfel încât popularitatea ARM a crescut vertiginos.

La începutul anilor opt și nouăzeci, cu uleiul lor relativ ieftin, SUV-urile uriașe cu motoare puternice de 6 litri erau la cerere. Puțini oameni au fost interesați de mașinile electrice. Dar în vremea noastră, când un baril de petrol costă mai mult de 100 de dolari, mașinile mari cu motoare înfometate de putere au nevoie doar de cei bogați, restul se grăbește să treacă la mașini economice. Un lucru similar s-a întâmplat cu ARM. Când a apărut problema mobilității și eficienței, arhitectura s-a dovedit a fi la mare căutare.

Procesor „de risc”.

ARM este o arhitectură RISC. Utilizează un set redus de comenzi - RISC (computer cu set de instrucțiuni redus). Acest tip de arhitectură a apărut la sfârșitul anilor șaptezeci, cam în aceeași perioadă în care Intel și-a oferit x86.

În timp ce experimentau cu diverse compilatoare și procesoare de microcoduri, inginerii au observat că, în unele cazuri, secvențele comenzi simple efectuată mai rapid decât o operație complexă. S-a decis crearea unei arhitecturi care să implice lucrul cu un set limitat de instrucțiuni simple, a căror decodare și execuție ar dura un timp minim.

Unul dintre primele proiecte de procesor RISC a fost realizat de un grup de studenți și profesori de la Universitatea din Berkeley în 1981. Chiar în acest moment, compania britanică Acorn s-a confruntat cu provocarea timpului. A produs computere educaționale BBC Micro bazate pe procesorul 6502, care erau foarte populare în Foggy Albion. Dar în curând aceste computere de acasă au început să piardă în fața mașinilor mai avansate. Ghinda risca să piardă piața. Inginerii companiei, după ce s-au familiarizat cu munca studenților la procesoarele RISC, au decis că crearea propriului cip ar fi destul de simplă. În 1983, a fost lansat proiectul Acorn RISC Machine, care mai târziu a devenit ARM. Trei ani mai târziu a fost lansat primul procesor.

Primul ARM

Era extrem de simplu. Primele cipuri ARM au lipsit chiar și instrucțiuni de înmulțire și împărțire, care erau reprezentate de un set de instrucțiuni mai simple. O altă caracteristică a cipurilor au fost principiile de lucru cu memorie: toate operațiunile cu date puteau fi efectuate numai în registre. În același timp, procesorul lucra cu așa-numita fereastră de registru, adică putea accesa doar o parte din toate registrele disponibile, care erau practic universale, iar funcționarea lor depindea de modul în care era localizat procesorul. Acest lucru a făcut posibilă abandonarea memoriei cache în primele versiuni de ARM.

În plus, simplificând seturile de instrucțiuni, dezvoltatorii de arhitectură au putut să facă fără o serie de alte blocuri. De exemplu, primele ARM-uri nu aveau complet microcod, precum și o unitate în virgulă mobilă (FPU). Numărul total de tranzistori din primul ARM a fost de 30.000. În x86 similare au existat de mai multe ori, sau chiar un ordin de mărime mai mult. Economii suplimentare de energie sunt realizate prin executarea condiționată a comenzilor. Adică cutare sau cutare operație se va efectua dacă există un fapt corespunzător în registru. Acest lucru ajută procesorul să evite „mișcările inutile”. Toate instrucțiunile sunt executate secvenţial. Ca urmare, ARM a pierdut în performanță, dar nu în mod semnificativ, în timp ce a câștigat semnificativ în consum de energie.

Principiile de bază ale arhitecturii rămân aceleași ca în primul ARM: lucrul cu date doar în registre, un set redus de instrucțiuni, un minim de module suplimentare. Toate acestea asigură arhitecturii un consum redus de energie și performanțe relativ ridicate.

Pentru a crește acest lucru, ARM a introdus mai multe seturi de instrucțiuni suplimentare în ultimii ani. Alături de clasicul ARM, există Thumb, Thumb 2, Jazelle. Acesta din urmă este conceput pentru a accelera execuția codului Java.

Cortex - cel mai avansat ARM

Cortex – arhitecturi moderne pentru dispozitive mobile, sisteme încorporate și microcontrolere. În consecință, procesoarele sunt desemnate drept Cortex-A, încorporate – Cortex-R și microcontrolere – Cortex-M. Toate sunt construite pe arhitectura ARMv7.

Cea mai avansată și puternică arhitectură din linia ARM este Cortex-A15. Se presupune că pe baza acestuia vor fi produse în principal modele cu două sau patru nuclee. Cortex-A15 dintre toate ARM-urile anterioare este cel mai apropiat de x86 în ceea ce privește numărul și calitatea blocurilor.

Cortex-A15 se bazează pe nuclee de procesor echipate cu o unitate FPU și un set de instrucțiuni NEON SIMD concepute pentru a accelera procesarea datelor multimedia. Nucleele au o conductă în 13 etape, acceptă execuția de instrucțiuni la comandă gratuită și virtualizarea bazată pe ARM.

Cortex-A15 acceptă sistemul avansat de adresare cu memorie. ARM rămâne o arhitectură pe 32 de biți, dar inginerii companiei au învățat să convertească adresa de 64 de biți sau altă adresare avansată în 32 de biți, ușor de utilizat pentru procesor. Tehnologia se numește Long Physical Address Extensions. Datorită acestuia, Cortex-A15 se poate adresa teoretic până la 1 TB de memorie.

Fiecare nucleu este echipat cu un cache de prim nivel. În plus, există până la 4 MB de cache L2 cu latență scăzută distribuită. Procesorul este echipat cu o magistrală coerentă pe 128 de biți, care poate fi folosită pentru a comunica cu alte unități și periferice.

Miezurile care stau la baza Cortex-A15 sunt o dezvoltare a lui Cortex-A9. Au o structură similară.

Cortex-A9, spre deosebire de Cortex-A15, poate fi produs atât în ​​versiuni multi-core cât și single-core. Frecvența maximă este de 2,0 GHz, Cortex-A15 sugerează posibilitatea de a crea cipuri care funcționează la o frecvență de 2,5 GHz. Chips-urile pe baza acestuia vor fi fabricate folosind procese tehnice de 40 nm și mai subțiri. Cortex-A9 este produs în tehnologii de proces de 65 și 40 nm.

Cortex-A9, ca și Cortex-A15, este destinat utilizării în smartphone-uri și tablete de înaltă performanță, dar nu este potrivit pentru aplicații mai serioase, de exemplu, pe servere. Doar Cortex-A15 are virtualizare hardware, adresare avansată a memoriei. În plus, setul de instrucțiuni NEON Advanced SIMD și FPU sunt opționale în Cortex-A9, în timp ce sunt necesare în Cortex-A15.

Cortex-A8 va dispărea treptat de pe scenă în viitor, dar deocamdată această variantă single-core își va găsi utilizare în smartphone-uri bugetare. Soluția low-cost, variind de la 600 MHz la 1 GHz, oferă o arhitectură echilibrată. Are o unitate FPU și acceptă prima versiune SIMD NEON. Cortex-A8 presupune un singur proces tehnologic – 65 nm.

ARM generațiilor anterioare

Procesoarele ARM11 sunt destul de comune pe piața de telefonie mobilă. Sunt construite pe baza arhitecturii ARMv6 și a modificărilor acesteia. Se caracterizează prin conducte în 8-9 etape, suport Jazelle, care ajută la accelerarea procesării codului Java, instrucțiuni de flux SIMD, Thumb-2.

Procesoarele XScale, ARM10E, ARM9E se bazează pe arhitectura ARMv5 și pe modificările acesteia. Lungimea maximă a conductei este de 6 trepte, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Cipurile XScale au un cache de al doilea nivel. Procesoarele au fost folosite în smartphone-urile de la mijlocul anilor 2000, astăzi pot fi găsite în unele telefoane mobile ieftine.

ARM9TDMI, ARM8, StrongARM - reprezentanți ai ARMv4, care are o conductă în 3-5 etape și acceptă Thumb. ARMv4, de exemplu, ar putea fi găsit în primele iPod-uri clasice.

ARM6 și ARM7 aparțin ARMv3. În această arhitectură, unitatea FPU a apărut pentru prima dată, a fost implementată adresarea memoriei pe 32 de biți, și nu pe 26 de biți, ca în primele exemple de arhitectură. ARMv2 și ARMv1 erau din punct de vedere tehnic cipuri de 32 de biți, dar, în realitate, funcționau doar în mod activ cu un spațiu de adrese de 26 de biți. Cache-ul a apărut pentru prima dată în ARMv2.

Numele lor este legiune

Acorn nu intenționa inițial să devină un jucător pe piața procesoarelor. Sarcina proiectului ARM a fost de a crea un cip de producție proprie pentru producția de computere - crearea de computere era pe care Acorn o considera principala afacere.

ARM a evoluat dintr-un grup de dezvoltare într-o companie datorită Apple. În 1990, Apple, împreună cu VLSI și Acorn, au început să dezvolte un procesor low-cost pentru primul computer de buzunar, Newton. În aceste scopuri, a fost creată o companie separată, care a primit numele proiectului intern Acorn - ARM.

Cu participarea Apple, a fost creat un procesor ARM6, care este cel mai apropiat de cipurile moderne de la un dezvoltator englez. În același timp, DEC a reușit să breveteze arhitectura ARM6 și a început să producă cipuri sub marca StrongARM. Câțiva ani mai târziu, tehnologia a fost transferată către Intel ca parte a unei alte dispute privind brevetele. Gigantul microprocesoarelor și-a creat propriul analog, procesorul XScale, bazat pe ARM. Dar la mijlocul deceniului precedent, Intel a scăpat de acest „activ non-core”, concentrându-se exclusiv pe x86. XScale a trecut în mâinile lui Marvell, care deja a licențiat ARM.

La început, ARM, care era nou în lume, nu era capabil să producă procesoare. Conducerea sa a ales un alt mod de a face bani. Arhitectura ARM a fost simplă și flexibilă. La început, nucleul era lipsit chiar și de un cache, așa că ulterior modulele suplimentare, inclusiv FPU, controlerele nu au fost strâns integrate în procesor, ci au fost, așa cum ar fi, atârnate pe bază.

În consecință, ARM a pus mâna pe un designer inteligent care a permis companiilor avansate din punct de vedere tehnologic să creeze procesoare sau microcontrolere care să corespundă nevoilor lor. Acest lucru se face folosind așa-numitele coprocesoare, care pot extinde funcționalitatea standard. În total, arhitectura acceptă până la 16 coprocesoare (numerele de la 0 la 15), dar numărul 15 este rezervat coprocesorului care realizează funcții de gestionare a memoriei și a cache-ului.

Perifericele se conectează la cipul ARM, mapându-și registrele la spațiul de memorie al procesorului sau al coprocesorului. De exemplu, un cip de procesare a imaginii poate consta dintr-un nucleu relativ simplu bazat pe ARM7TDMI și un coprocesor care asigură decodarea semnalului HDTV.

ARM a început să-și acorde licențe arhitectura. Alte companii l-au implementat deja în siliciu, printre care Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, dar și complet non-core precum Samsung, Nokia, Nintendo sau Canon.

Absența fabricilor proprii, precum și taxele impresionante de licențiere, au permis ARM să fie mai flexibil în dezvoltarea de noi versiuni ale arhitecturii. Compania le-a copt ca niște prăjituri calde, intrând în nișe noi. Pe lângă smartphone-uri și tablete, arhitectura este utilizată în procesoare specializate, de exemplu, în navigatoarele GPS, camere digitale si camere video. Pe baza acestuia sunt create controlere industriale și alte cipuri pentru sistemele încorporate.

Sistemul de licențiere ARM este un adevărat hipermarket de microelectronice. Compania acordă licențe nu numai arhitecturi noi, ci și vechi. Acesta din urmă poate fi folosit pentru a crea microcontrolere sau cipuri pentru dispozitive cu costuri reduse. Desigur, nivelul taxelor de licență depinde de gradul de noutate și complexitate al variantei de arhitectură de interes pentru producător. În mod tradițional, procesele tehnice pentru care ARM dezvoltă procesoare sunt cu 1-2 pași în urma celor considerate relevante pentru x86. Eficiența energetică ridicată a arhitecturii o face mai puțin dependentă de trecerea la noi standarde tehnologice. Intel și AMD se străduiesc să creeze cipuri mai subțiri pentru a crește frecvențele și numărul de nuclee, menținând în același timp dimensiunea fizică și consumul de energie. ARM are în mod inerent cerințe mai mici de putere și oferă, de asemenea, niveluri mai ridicate de performanță pe watt.

Caracteristici ale procesoarelor NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell

Prin licențierea ARM în stânga și în dreapta, dezvoltatorii și-au consolidat poziția arhitecturii lor în detrimentul competențelor partenerilor lor. Un exemplu clasic în acest caz este NVIDIA Tegra. Această linie de sisteme pe cip se bazează pe arhitectura ARM, dar NVIDIA a avut deja propriile sale dezvoltări foarte serioase în domeniul graficii 3D și al logicii sistemului.

ARM oferă licențiatorilor săi o largă discreție pentru a reproiecta arhitectura. În consecință, inginerii NVIDIA au putut să se combine în Tegra punctele forte ARM (CPU computing) și propriile noastre produse - lucrul cu grafică 3D etc. Drept urmare, Tegra are cea mai mare performanță 3D pentru clasa sa de procesoare. Sunt cu 25-30% mai rapid decât PowerVR, folosit de Samsung și Texas Instruments, și sunt aproape de două ori mai rapid decât Adreno, dezvoltat de Qualcomm.

Alți producători de procesoare bazate pe arhitectura ARM își întăresc anumite blocuri suplimentare, îmbunătățesc cipurile pentru a obține frecvențe și performanțe mai mari.

De exemplu, Qualcomm nu folosește designul de referință ARM. Inginerii companiei l-au refăcut serios și l-au numit Scorpio - este baza cipurilor Snapdragon. Designul a fost parțial reproiectat pentru a se adapta unor procese tehnice mai sofisticate decât cele furnizate de IP ARM standard. Drept urmare, primele Snapdragons au fost produse la standarde de 45 nm, ceea ce le-a oferit mai mult frecvente inalte. Iar noua generație a acestor procesoare cu 2,5 GHz declarat poate deveni chiar cea mai rapidă dintre analogii bazați pe ARM Cortex-A9. Qualcomm folosește și propriul nucleu grafic Adreno, creat pe baza dezvoltărilor achiziționate de la AMD. Deci, într-un fel, Snapdragon și Tegra sunt inamici la nivel genetic.

Când a creat Hummingbird, Samsung a urmat și calea optimizării arhitecturii. Coreenii, împreună cu compania Intrinsity, au schimbat logica, reducând astfel numărul de instrucțiuni necesare pentru a efectua anumite operațiuni. Astfel, am reușit să câștigăm 5-10% din productivitate. În plus, au fost adăugate un cache L2 dinamic și extensia multimedia ARM NEON. Coreenii au folosit PowerVR SGX540 ca modul grafic.

Texas Instruments a adăugat un modul IVA special în noua sa serie OMAP bazată pe arhitectura ARM Cortex-A, care este responsabilă pentru accelerarea procesării imaginii. Vă permite să procesați rapid datele care vin de la senzor la camera încorporată. În plus, este conectat la ISP și ajută la accelerarea video. OMAP folosește și grafica PowerVR.

Apple A4 are un cache mare de 512 KB, folosește grafică PowerVR, iar nucleul ARM în sine este construit pe o variantă a arhitecturii reproiectate de Samsung.

Apple A5 dual-core, care a debutat pe iPad 2 la începutul lui 2011, se bazează pe arhitectura ARM Cortex-A9, la fel ca cea optimizată anterior de Samsung. În comparație cu A4, noul cip are dublul cantității de memorie cache de nivel al doilea - a fost mărit la 1 MB. Procesorul conține un controler RAM cu două canale și are o unitate video îmbunătățită. Drept urmare, funcționează de două ori mai bine decât Apple A4 în unele sarcini.

Marvell oferă cipuri bazate pe propria arhitectură Sheeva, care, la o inspecție mai atentă, se dovedește a fi un hibrid de XScale, odată achiziționat de la Intel, și ARM. Aceste cipuri au o cantitate mai mare de memorie cache în comparație cu analogii și sunt echipate cu un modul multimedia special.

În prezent, licențiații ARM produc doar cipuri bazate pe arhitectura ARM Cortex-A9. În același timp, deși vă permite să creați opțiuni quad-core, NVIDIA, Apple, Texas Instruments și altele sunt încă limitate la modele cu unul sau două nuclee. În plus, cipurile funcționează la frecvențe de până la 1,5 GHz. Cortex-A9 vă permite să faceți procesoare de doi GHz, dar, din nou, producătorii nu încearcă să crească rapid frecvențele - până la urmă, deocamdată piața va avea suficiente procesoare dual-core la 1,5 GHz.

Procesoarele bazate pe Cortex-A15 ar trebui să devină cu adevărat multi-core, dar chiar dacă sunt anunțate, sunt doar pe hârtie. Apariția lor în siliciu ar trebui așteptată anul viitor.

Procesoare moderne de licențiere ARM bazate pe Cortex-A9:

x86 este principalul candidat

x86 este un reprezentant al arhitecturilor CISC. Ei folosesc setul complet de comenzi. O instrucțiune în acest caz efectuează mai multe operații de nivel scăzut. Cod program, spre deosebire de ARM, este mai compact, dar nu este la fel de rapid și necesită mai multe resurse. În plus, de la bun început, x86 au fost echipate cu toate blocurile necesare, ceea ce a implicat atât versatilitatea, cât și lăcomia. S-a cheltuit energie suplimentară pentru executarea necondiționată, paralelă a comenzilor. Acest lucru vă permite să obțineți un avantaj de viteză, dar unele operații sunt efectuate în zadar deoarece nu îndeplinesc condițiile anterioare.

Acestea erau x86-urile clasice, dar începând cu 80486, Intel a creat de facto un nucleu RISC intern care executa instrucțiuni CISC, descompuse anterior în instrucțiuni mai simple. Au același design procesoare moderne Intel și AMD.

Windows 8 și ARM

ARM și x86 diferă astăzi cu mai puțin de 30 de ani în urmă, dar încă se bazează pe principii diferite, care le separă în nișe diferite ale pieței procesoarelor. Arhitecturile nu s-ar fi intersectat niciodată dacă computerul în sine nu s-ar fi schimbat.

Mobilitatea și eficiența costurilor au fost pe primul loc și s-a acordat mai multă atenție smartphone-urilor și tabletelor. Apple câștigă mulți bani din gadgeturile mobile și din infrastructura legată de acestea. Microsoft nu vrea să rămână în urmă și a încercat să câștige un loc pe piața tabletelor pentru al doilea an. Google are destul de mult succes.

PC-ul desktop devine în primul rând un instrument de lucru, nișa computerului de uz casnic este ocupată de tablete și dispozitive specializate. În aceste condiții, Microsoft urmează să facă un pas fără precedent. . Nu este încă pe deplin clar la ce va duce acest lucru. Vom obține două versiuni ale sistemului de operare sau una care va funcționa cu ambele arhitecturi. Suportul ARM de la Microsoft va ucide sau nu x86?

Există încă puține informații. Microsoft a demonstrat Operare Windows 8 pe un dispozitiv alimentat cu ARM în timpul CES 2011. Steve Ballmer a arătat că pe o platformă ARM cu folosind Windows puteți viziona videoclipuri, lucra cu imagini, utilizați Internetul - Internet Explorer a funcționat chiar și cu accelerare hardware - conectați dispozitive USB, imprimați documente. Cel mai important lucru în această demonstrație a fost prezența Microsoft Office rulează pe ARM fără participare mașină virtuală. La prezentare au fost prezentate trei gadgeturi bazate pe procesoare de la Qualcomm, Texas Instruments și NVIDIA. Windows avea un shell standard „șapte”, dar reprezentanții Microsoft au anunțat un nucleu de sistem nou, reproiectat.

Cu toate acestea, Windows nu este doar un sistem de operare realizat de inginerii Microsoft, este și milioane de programe. Unele software sunt esențiale pentru oamenii din multe profesii. De exemplu, pachetul Adobe CS. Compania va suporta o versiune ARM-Windows a software-ului sau noul nucleu va permite Photoshop și altele aplicații populare lucrați pe computere cu NVIDIA Tegra sau alte cipuri similare fără modificări suplimentare cod?

În plus, întrebarea se pune și cu plăcile video. În zilele noastre, plăcile video pentru laptopuri sunt realizate prin optimizarea consumului de energie al cipurilor grafice desktop - sunt arhitectural la fel. În același timp, acum o placă video este ceva ca un „calculator într-un computer” - are propria sa RAM ultra-rapidă și propriul cip de calcul, care este semnificativ superior procesoarelor convenționale în sarcini specifice. Este de la sine înțeles că aplicațiile care funcționează cu grafică 3D au fost optimizate corespunzător pentru acestea. Da, și diverse programe de editare video și editori grafici(în special Photoshop din versiunea CS4), iar mai recent browserele folosesc și accelerarea hardware folosind GPU-uri.

Desigur, în Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS și alte sisteme mobile s-a făcut optimizarea necesară pentru diversele acceleratoare mobile (mai precis, ultra-mobile) de pe piață. Cu toate acestea, acestea nu sunt acceptate în Windows. Driverele, desigur, vor fi scrise (și au fost deja scrise - procesoarele din seria Intel Atom Z500 vin cu un chipset care integrează nucleul grafic PowerVR SGX 535 „smartphone”), dar optimizarea aplicațiilor pentru ele poate întârzia, dacă este deloc. .

Evident, „ARM pe desktop” nu se va descurca cu adevărat. Poate în sisteme de putere redusă pe care vor accesa internetul și vor viziona filme. Pe netops în general. Deci, ARM încearcă până acum să țintească doar nișa pe care Intel Atom a ocupat-o și pe care AMD o urmărește acum în mod activ cu platforma sa Brazos. Și ea, se pare, va reuși parțial. Cu excepția cazului în care ambele companii de procesoare vin cu ceva foarte competitiv.

În unele locuri, Intel Atom și ARM sunt deja în competiție. Acestea sunt folosite pentru a crea stocare de date în rețea și servere de putere redusă care pot deservi un birou sau un apartament mic. Există, de asemenea, câteva proiecte comerciale de clustere bazate pe cipuri Intel rentabile. Caracteristicile noilor procesoare bazate pe ARM Cortex-A9 le permit să fie folosite pentru a susține infrastructura. Astfel, în câțiva ani este posibil să obținem servere ARM sau ARM-NAS pentru rețele locale mici, iar apariția serverelor web cu putere redusă nu poate fi exclusă.

Prima sparring

Principalul concurent al lui ARM din partea x86 este Intel Atom, iar acum putem adăuga . O comparație între x86 și ARM a fost realizată de Van Smith, care a creat OpenSourceMark, pachetele de testare miniBench și unul dintre co-autorii SiSoftware Sandra. La „cursă” au participat Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Frecvențele cipurilor x86 au fost reduse, dar aveau totuși un avantaj datorită memoriei mai avansate.

Rezultatele s-au dovedit a fi foarte interesante. Cipul ARM s-a dovedit a fi la fel de rapid ca și concurenții săi în operațiuni cu numere întregi, consumând în același timp mai puțină energie. Nu este nimic surprinzător aici. Inițial, arhitectura a fost destul de rapidă și economică. În operațiunile cu virgulă mobilă, ARM a fost inferior x86. Unitatea FPU tradițională puternică găsită în cipurile Intel și AMD a avut un impact aici. Să ne amintim că a apărut în ARM relativ recent. Sarcinile care revin FPU ocupă un loc semnificativ în viața unui utilizator modern - acestea sunt jocurile, codificarea video și audio și alte operațiuni de streaming. Desigur, testele efectuate de Van Smith nu mai sunt atât de relevante astăzi. ARM s-a consolidat semnificativ punctele slabe arhitectura sa în versiunile Cortex-A9 și în special Cortex-A15, care, de exemplu, poate executa deja instrucțiuni necondiționat, paralelizând rezolvarea problemelor.

Perspective pentru ARM

Deci, ce arhitectură ar trebui să alegi până la urmă, ARM sau x86? Cel mai corect ar fi să pariezi pe ambele. Astăzi trăim în condiții de reformatare piata calculatoarelor. În 2008, se prevedea că netbook-urile vor avea un viitor strălucit. Laptopurile compacte ieftine trebuiau să devină computerul principal pentru majoritatea utilizatorilor, mai ales pe fundalul crizei globale. Dar apoi economia a început să se redreseze și iPad-ul a apărut. Acum tabletele sunt declarați regii pieței. Cu toate acestea, tableta este bună ca o consolă de divertisment, dar nu foarte convenabilă pentru serviciu, în primul rând datorită introducerii tactile - scrierea acestui articol pe un iPad ar fi foarte dificilă și consumatoare de timp. Tabletele vor rezista testului timpului? Poate că peste câțiva ani vom veni cu o jucărie nouă.

Dar totuși, în segmentul mobil, unde performanța înaltă nu este necesară, iar activitatea utilizatorilor este limitată în principal la divertisment și nu este legată de muncă, ARM pare de preferat x86. Acestea oferă un nivel acceptabil de performanță, precum și o durată lungă de viață a bateriei. Încercările Intel de a aduce Atom până în prezent nu au avut succes. ARM stabilește un nou punct de referință pentru performanța pe watt. Cel mai probabil, ARM va avea succes în gadgeturile mobile compacte. Ei pot deveni și lideri pe piața netbook-urilor, dar aici totul depinde nu atât de dezvoltatorii de procesoare, cât de Microsoft și Google. Dacă primul implementează suportul ARM normal în Windows 8, iar cel de-al doilea aduce sistemul de operare Chrome la bun sfârșit. Până acum, smartbook-urile propuse de Qualcomm nu au ajuns pe piață. Netbook-urile bazate pe x86 au supraviețuit.

Potrivit ARM, o descoperire în această direcție ar trebui făcută de arhitectura Cortex-A15. Compania recomandă procesoare dual și quad-core bazate pe acesta cu o frecvență de 1,0-2,0 GHz pentru sistemele de home entertainment care vor combina un media player, TV 3D și terminal de internet. Cipurile quad-core cu o frecvență de 1,5-2,5 GHz pot deveni baza serverelor de acasă și web. În cele din urmă, cel mai ambițios caz de utilizare pentru Cortex-A15 - infrastructura rețele fără fir. Aici pot fi folosite cipuri cu patru sau mai multe nuclee și o frecvență de 1,5-2,5 GHz.

Dar deocamdată acestea sunt doar planuri. Cortex-A15 a fost introdus de ARM în septembrie anul trecut. Cortex-A9 a fost prezentat de companie în octombrie 2007, doi ani mai târziu compania a prezentat varianta A9 cu capacitatea de a crește frecvența cipurilor la 2,0 GHz. Spre comparație, NVIDIA Tegra 2 - una dintre cele mai populare soluții bazate pe Cortex-A9 - a fost lansat abia în ianuarie anul trecut. Ei bine, utilizatorii au putut atinge primele gadgeturi bazate pe acesta după încă șase luni.

Segmentul PC-urilor de lucru și soluțiile de înaltă performanță vor rămâne cu x86. Acest lucru nu va însemna moartea arhitecturii, dar în termeni monetari, Intel și AMD ar trebui să se pregătească pentru pierderea unei părți din venitul care va merge către producătorii de procesoare ARM.

procesoare ARM– ce sunt și „cu ce se mănâncă”. Apariția pe piața produselor productive procesoare mobile a devenit în multe privințe o adevărată descoperire revoluționară. Putem spune că pentru prima dată arhitectura x86 are un concurent semnificativ, care, deși în stadiile incipiente a ocupat doar o nișă învecinată, începe deja să înlocuiască serios poziția de longeviv lider al industriei computerelor.

Dar care este diferența? Ce este arhitectura ARM și prin ce diferă de x86? Acesta din urmă, folosit la procesoarele Intel și AMD, folosește un set de instrucțiuni CISC. Procesarea bazată pe acestea este foarte funcțională, deschide oportunități pentru programatori și dezvoltatori de hardware, dar necesită o cantitate considerabilă de resurse energetice. Esența CISC, aproximativ vorbind, este că fiecare comandă primită este decodificată într-un element simplu și abia apoi procesată.

Cu ARM este diferit. Funcționează pe baza comenzilor RISC, care conțin deja un set gata făcut de elemente simple. Acest lucru reduce flexibilitatea procesorului, dar viteza de procesare a datelor crește semnificativ și, în consecință, reduce consumul de energie al unui astfel de procesor.

Prin urmare, se dovedește că x86 este o arhitectură universală potrivită pentru rezolvarea multor probleme, în timp ce ARM necesită hardware mai fin, iar capacitățile unei astfel de arhitecturi sunt ceva mai limitate. Cu toate acestea, capacitățile ARM devin din ce în ce mai extinse. Deja acum, astfel de procesoare sunt potrivite pentru munca standard de birou, redarea conținutului media și navigarea pe Internet.

ARM se dezvoltă rapid, ceea ce este facilitat de faptul că zeci de mărci competitive lucrează la această tehnologie prin franciză, în timp ce doar două corporații lucrează la arhitectura x86, ai căror reprezentanți spun aproape direct că există stagnare în segment... și despre ARM nu poți spune același lucru.

Vorbind despre ce sunt cipurile ARM, un lucru demn de remarcat este complexitatea sistemelor mobile moderne oferite. ARM nu este doar un procesor. De regulă, acesta include: un controler RAM, un accelerator grafic, un decodor video, un codec audio și, opțional, module de comunicație fără fir. Un astfel de sistem se numește single-chip. Cu alte cuvinte, ARM este un cip pe un cip.

Astăzi, ARM are mai multe generații de procesoare:

ARM9. Cipsele ARM9 pot ajunge frecvența ceasului 400 MHz. Aceste cipuri sunt învechite, dar sunt încă la cerere. De exemplu, în routere wireless și terminale de plată. Setul de comenzi simple ale unui astfel de cip vă permite să rulați cu ușurință multe aplicații Java.

ARM11. Procesoarele ARM11 se laudă cu un set mai complet de comenzi simple care își extind funcționalitatea și viteze mari de ceas (până la 1 GHz). Datorită consumului redus de energie și costului scăzut, cipurile ARM11 sunt încă folosite în smartphone-uri nivel de intrare.

ARMv7. Cipurile cu arhitectură ARM modernă aparțin familiei ARMv7, reprezentanții de vârf ale cărora au atins deja opt nuclee și o viteză de ceas de peste 2 GHz. Miezurile de procesor dezvoltate direct de ARM Limited aparțin liniei Cortex și majoritatea producătorilor de sisteme cu un singur cip le folosesc fără modificări semnificative.

ARM Cortex-A8. Din punct de vedere istoric, primul nucleu de procesor al familiei ARMv7 a fost Cortex-A8, care a stat la baza unor astfel de SoC-uri cunoscute ale vremurilor sale precum Apple A4 (iPhone 4 și iPad) și Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S și Galaxy Tab). Demonstrează aproximativ de două ori performanța față de precedentul ARM11 și, din păcate, un consum mai mare de energie, ceea ce face ca acest cip să fie acum extrem de nepopular.

ARM Cortex-A9. După Cortex-A8, ARM Limited a introdus o nouă generație de cipuri - Cortex-A9, care este acum cel mai comun și ocupă o nișă de preț mediu. Performanța nucleelor ​​Cortex-A9 a crescut de aproximativ trei ori în comparație cu Cortex-A8 și este, de asemenea, posibil să combinați două sau chiar patru dintre ele pe un singur cip.

ARM Cortex-A5 și Cortex-A7. La proiectarea nucleelor ​​procesoarelor Cortex-A5 și Cortex-A7, ARM Limited a urmărit același obiectiv - de a atinge un compromis între consumul minim de energie al ARM11 și performanța acceptabilă a Cortex-A8. Nu au uitat de posibilitatea de a combina două sau patru nuclee - cipurile multi-core Cortex-A5 și Cortex-A7 apar treptat la vânzare (Qualcomm MSM8625 și MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Miezurile procesorului Cortex-A15 au devenit o continuare logică a lui Cortex-A9 - drept urmare, pentru prima dată în istorie, cipurile cu arhitectură ARM au reușit să fie aproximativ comparabile ca performanță cu Intel Atom, iar acesta este deja un mare succes. Nu degeaba Canonical a specificat un procesor dual-core ARM Cortex-A15 sau un Intel Atom similar în cerințele de sistem pentru versiunea Ubuntu Touch OS cu multitasking complet.

chipsuri BRAŢ Un viitor grozav vă așteaptă. Numărul de comenzi, frecvența de operare, numărul de nuclee cresc activ, iar consumul de energie continuă să rămână scăzut. În viitor, cipurile ARM vor deveni potrivite pentru multitasking la scară largă, caracteristic în prezent doar sistemelor x86. Cu toate acestea, chiar și în condițiile actualului vector de dezvoltare, este prea devreme să spunem că segmentul de electronice de larg consum va trece complet la cipurile ARM. Iar punctul aici, în primul rând, este prețul. Costul cipurilor mobile crește exponențial, în timp ce x86 continuă să devină mai ieftin. Este factorul preț, împreună cu diferența de funcționalitate, care va fi oarecum depășit, și există o prognoză complet de înțeles că sistemele ARM dezvoltate nu vor câștiga curând o victorie necondiționată în cursa pentru consumatorii lor...

În zilele noastre, există două arhitecturi de procesoare cele mai populare. Acesta este x86, care a fost dezvoltat în anii 80 și este folosit în computerele personale și ARM - unul mai modern, care face procesoarele mai mici și mai economice. Este folosit pe majoritatea dispozitivelor mobile sau tabletelor.

Ambele arhitecturi au avantajele și dezavantajele lor, precum și domenii de aplicare, dar există și caracteristici comune. Mulți experți spun că ARM este viitorul, dar are încă câteva dezavantaje pe care x86 nu le are. În articolul nostru de astăzi ne vom uita la modul în care arhitectura brațului diferă de x86. Să luăm în considerare diferențe fundamentale ARM sau x86 și, de asemenea, încercați să determinați care este mai bun.

Procesorul este componenta principală a oricărui dispozitiv de calcul, fie că este un smartphone sau un computer. Performanța sa determină cât de repede va funcționa dispozitivul și cât de mult poate funcționa pe baterie. Mai simplu spus, o arhitectură de procesor este un set de instrucțiuni care pot fi folosite pentru a compune programe și sunt implementate în hardware folosind anumite combinații de tranzistori de procesor. Acestea sunt cele care permit programelor să interacționeze cu hardware-ul și să determine modul în care datele vor fi transferate și citite din memorie.

În prezent, există două tipuri de arhitecturi: CISC (Complex Instruction Set Computing) și RISC (Reduced Instruction Set Computing). Primul presupune că procesorul va implementa instrucțiuni pentru toate ocaziile, al doilea, RISC, stabilește dezvoltatorilor sarcina de a crea un procesor cu un set de instrucțiuni minime necesare pentru funcționare. Instrucțiunile RISC au dimensiune mai mică si mai simplu.

arhitectura x86

Arhitectura procesorului x86 a fost dezvoltată în 1978 și a apărut pentru prima dată în procesoarele Intel și este de tip CISC. Numele său este preluat de la modelul primului procesor cu această arhitectură - Intel 8086. De-a lungul timpului, în lipsa unei alternative mai bune, alți producători de procesoare, de exemplu, AMD, au început să susțină această arhitectură. Acum este standardul pentru computere desktop, laptopuri, netbook-uri, servere și alte dispozitive similare. Dar uneori procesoarele x86 sunt folosite în tablete, aceasta este o practică destul de comună.

Primul procesor Intel 8086 a avut o capacitate de 16 biți, apoi în 2000 a fost lansat un procesor cu arhitectură de 32 de biți și chiar mai târziu a apărut o arhitectură de 64 de biți. Am discutat acest lucru în detaliu într-un articol separat. În acest timp, arhitectura s-a dezvoltat foarte mult; au fost adăugate noi seturi de instrucțiuni și extensii, care pot crește foarte mult performanța procesorului.

x86 are mai multe dezavantaje semnificative. În primul rând, aceasta este complexitatea comenzilor, confuzia lor, care a apărut din cauza istorie lungă dezvoltare. În al doilea rând, astfel de procesoare consumă prea multă energie și generează multă căldură din această cauză. Inginerii x86 au luat inițial calea obținerii de performanțe maxime, iar viteza necesită resurse. Înainte de a ne uita la diferențele dintre brațul x86, să vorbim despre arhitectura ARM.

Arhitectura ARM

Această arhitectură a fost introdusă puțin mai târziu în spatele x86 - în 1985. A fost dezvoltat de celebra companie britanică Acorn, apoi această arhitectură a fost numită Arcon Risk Machine și a aparținut tipului RISC, dar apoi a fost lansată versiunea sa îmbunătățită Advanted RISC Machine, care acum este cunoscută sub numele de ARM.

La dezvoltarea acestei arhitecturi, inginerii și-au stabilit obiectivul de a elimina toate deficiențele x86 și de a crea o arhitectură complet nouă și cea mai eficientă. Cipurile ARM au primit un consum minim de energie și un preț scăzut, dar au avut performanțe scăzute în comparație cu x86, așa că inițial nu au câștigat prea multă popularitate pe computerele personale.

Spre deosebire de x86, dezvoltatorii au încercat inițial să obțină costuri minime resurse, au mai puține instrucțiuni de procesor, mai puține tranzistoare, dar și, în consecință, mai puține caracteristici suplimentare. Dar performanța procesoarelor ARM s-a îmbunătățit în ultimii ani. Având în vedere acest lucru și consumul redus de energie, acestea au devenit foarte utilizate pe scară largă în dispozitivele mobile precum tablete și smartphone-uri.

Diferențele dintre ARM și x86

Și acum că ne-am uitat la istoria dezvoltării acestor arhitecturi și la diferențele lor fundamentale, să facem o comparație detaliată a ARM și x86 pe baza diferitelor caracteristici ale acestora, pentru a determina care este mai bine și să înțelegem mai precis care sunt diferențele lor.

Productie

Producția x86 vs arm este diferită. Doar două companii produc procesoare x86: Intel și AMD. Inițial, aceasta a fost o singură companie, dar aceasta este o cu totul altă poveste. Doar aceste companii au dreptul să producă astfel de procesoare, ceea ce înseamnă că numai ele vor controla direcția dezvoltării infrastructurii.

ARM funcționează foarte diferit. Compania care dezvoltă ARM nu lansează nimic. Ei pur și simplu eliberează permisiunea de a dezvolta procesoare cu această arhitectură, iar producătorii pot face orice au nevoie, de exemplu, să producă cipuri specifice cu modulele de care au nevoie.

Numărul de instrucțiuni

Acestea sunt principalele diferențe dintre arhitectura arm și x86. Procesoarele x86 s-au dezvoltat rapid ca mai puternice și mai productive. Dezvoltatorii au adăugat număr mare instrucțiunile procesorului și aici nu există doar un set de bază, ci o mulțime de comenzi de care ar putea fi renunțate. Inițial, acest lucru a fost făcut pentru a reduce cantitatea de memorie ocupată de programele de pe disc. Au fost dezvoltate și multe opțiuni pentru protecție și virtualizare, optimizare și multe altele. Toate acestea necesită tranzistori și energie suplimentare.

ARM este mai simplu. Există mult mai puține instrucțiuni pentru procesor aici, doar cele necesare sistem de operareși sunt efectiv folosite. Dacă comparăm x86, atunci doar 30% din toate sunt folosite acolo posibile instrucțiuni. Sunt mai ușor de învățat dacă decideți să scrieți programe manual și, de asemenea, necesită mai puțini tranzistori pentru a fi implementați.

Consumul de energie

O altă concluzie reiese din paragraful anterior. Cu cât sunt mai mulți tranzistori pe placă, cu atât suprafața și consumul de energie sunt mai mari, iar inversul este, de asemenea, adevărat.

Procesoarele x86 consumă mult mai multă energie decât ARM. Dar consumul de energie este afectat și de dimensiunea tranzistorului în sine. De exemplu, un procesor Intel i7 consumă 47 de wați, iar orice procesor pentru smartphone ARM nu consumă mai mult de 3 wați. Anterior, au fost produse plăci cu dimensiunea unui singur element de 80 nm, apoi Intel a realizat o reducere la 22 nm, iar anul acesta oamenii de știință au reușit să creeze o placă cu dimensiunea elementului de 1 nanometru. Acest lucru va reduce foarte mult consumul de energie fără a pierde performanța.

În ultimii ani, consumul de energie al procesoarelor x86 a scăzut foarte mult, de exemplu, noile procesoare Intel Haswell pot dura mai mult pe baterie. Acum, diferența dintre arm vs x86 dispare treptat.

Disiparea căldurii

Numărul de tranzistori afectează un alt parametru - generarea de căldură. Dispozitivele moderne nu pot transforma toată energia în acțiune eficientă; o parte din ea este disipată sub formă de căldură. Eficiența plăcilor este aceeași, ceea ce înseamnă că cu cât sunt mai puține tranzistoare și cu cât dimensiunea lor este mai mică, cu atât procesorul va genera mai puțină căldură. Aici nu se mai pune întrebarea dacă ARM sau x86 vor genera mai puțină căldură.

Performanța procesorului

ARM nu a fost conceput inițial pentru performanță maximă, aici excelează x86. Acest lucru se datorează parțial numărului mai mic de tranzistori. Dar recent, performanța procesoarelor ARM a crescut și pot fi deja utilizate pe deplin în laptopuri sau servere.

Concluzii

În acest articol, ne-am uitat la modul în care ARM diferă de x86. Diferentele sunt destul de serioase. Dar în ultima vreme linia dintre ambele arhitecturi s-a estompat. Procesoarele ARM devin din ce în ce mai puternice și mai rapide, iar procesoarele x86 devin mai mici datorită reducerii dimensiunii element structural plăcile încep să consume mai puțină energie și să genereze mai puțină căldură. Puteți găsi deja procesoare ARM pe servere și laptopuri și x86 pe tablete și smartphone-uri.

Ce părere aveți despre aceste x86 și ARM? Ce tehnologie este viitorul în opinia dumneavoastră? Scrieți în comentarii! Apropo, .

Pentru a încheia videoclipul despre dezvoltarea arhitecturii ARM: