Поради непрекъснато нарастващия брой приложения, които поставят повишени изисквания към производителността на обработка на данни, има тенденция към увеличаване на търсенето на 32-битови. микроконтролери. Това заключение направи маркетинговата компания Semico, която прогнозира 2-кратен превес на 32-битовия пазарен капацитет. микроконтролери над 8 и 16-битови. през 2007 г. В тази връзка целта на тази статия е да представи общите тенденции на развитие на един от най-разпространените 32-битови. ARM ядра и дават сравнителна оценка на базирани на тях микроконтролери от най-достъпните производители на пазарите на ОНД.
Преглед на ARM архитектурата
Ядрото на микроконтролера ARM е разработено от едноименната английска компания, организирана през 1990 г. Името ARM идва от "Advanced RISC Machines". Трябва да се отбележи, че компанията е специализирана изключително в разработването на микропроцесорни ядра и периферни модули, като същевременно не разполага с производствени мощности за производство на микроконтролери. ARM доставя своите проекти в електронен вид, на базата на които клиентите проектират свои собствени микроконтролери. Клиенти на компанията са над 60 компании за производство на полупроводници, сред които такива популярни производители на пазара на полупроводници в ОНД като Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics и Texas Instruments.
В момента ARM архитектурата е водеща и покрива 75% от 32-битовия пазар. вградени RISC микропроцесори. Разпространението на това ядро се обяснява със стандартния му характер, който позволява на разработчика да използва по-гъвкаво както собствените си, така и софтуерните разработки на трети страни, както при преминаване към ново ядро на ARM процесор, така и при миграция между различни видове ARM микроконтролери.
В момента са разработени шест основни семейства (вижте фигура 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Семействата XScale™ и StrongARM® също са разработени с Intel.
Като допълнение към архитектурата на ARM могат да бъдат интегрирани няколко разширения:
- Thumb® - 16-битова набор от инструкции, който подобрява ефективността на програмната памет;
- DSP - набор от аритметични инструкции за цифрова обработка на сигнала;
- Jazelle™ - разширение за хардуерно директно изпълнение на Java инструкции;
- Медия - разширение за 2-4 пъти по-висока скорост на обработка на аудио и видео сигнали.
Фигура 1. ARM процесорни ядра
Рекордните нива, които ARM архитектурата е преминала, са скорост от над 1 GHz и специфична консумация от 1 μW / MHz. В зависимост от предназначението процесорите ARM са разделени на три групи (виж фигура 2):
- Процесори за операционни системи с отворена платформа в приложения за безжични комуникации, изображения и потребителска електроника.
- Процесори за вградени операционни системи в реално време за масово съхранение, промишлени, автомобилни и мрежови приложения.
- Система за защита на данните за смарт карти и SIM карти.
| 0,18 µm (0,13 µm) | ||||
| Ядро | Кеш | Площ, mm 2 | Специфична консумация mW/MHz | Честота, MHz |
| ARM7TDMI | - | 0,53 (0,26) | 0.24 (0,06) | 100 (133) |
| ARM7TDMI-S | - | 0,62 (0,32) | 0,39 (0,11) | 80-100 (100-133) |
| SC100 | - | 0,50 | 0.21 | 80 |
| SC200 | - | 0,70 | 0.30 | 110 |
| ARM7EJ-S | - | 1,25 (0,65) | 0,45 (0,16) | 80-100 (100-133) |
| ARM946E-S | 8k + 8k | 5,8 (3,25) | 0,9 (0,45) | 150-170 (180-210) |
| ARM966E-S | 16k+16k TCM | 4,0 (2,25) | 0,65 (0,4) | 180-200 (220-250) |
| ARM1026EJ-S | 8k + 8k | 7,5 (4,2) | 1,15 (0,5) | 190-210 (266-325) |
| ARM1136J(F)-S | 16k/16k+ 16/16k TCM | - (8,2; 9,6) | 1,30 (0,4) | 250-270 (333-400) |
Фигура 2. Технически данни за процесорни ядра
ISE - емулатор във веригата, RT - реално време, DSP - цифров сигнален процесор, SIMD - множество данни в една инструкция, TCM - тясно свързана памет (кеш), ETM - вградени трасиращи макроклетки, VIC - векторизиран контролер за прекъсвания, ASB , AHB - видове вътрешни гуми
Обещанието за ядрото на ARM става очевидно след революционното изявление на Atmel на конференцията за разработчици на ARM микроконтролери, проведена в Санта Клара (САЩ) през октомври 2004 г. Същността на съобщението беше намерението на Atmel да пусне 32-битов. Микроконтролери AT91SAM7S на цената на 8-битови, насочени към 8-битови. приложения за разширяване на функционалността на обработката на информация, като същевременно поддържат конкурентната си цена на същото ниво.
Набор с инструкции за палец
32-битова ARM процесорите поддържат предишни 16-битови. развитие чрез поддържане на набора от инструкции Thumb. Използване на 16-битова инструкциите могат да спестят до 35% памет в сравнение с еквивалентните 32-битови. код, като същевременно запазва всички предимства на 32-битовия. система, например, достъп до памет с 32-битова. адресно пространство.
SIMD технология
Технологията SIMD (множество данни в една инструкция) се използва при разширяване на медиите и е насочена към увеличаване на скоростта на обработка на данни в приложения, където се изисква ниска консумация на енергия. SIMD разширенията са оптимизирани за широк спектър от софтуер, вкл. аудио / видео кодеци, където ви позволяват да увеличите скоростта на обработка с 4 пъти.
DSP набор от инструкции (DSP)
Много приложения поставят високи изисквания към скоростта на обработка на сигнала в реално време. Традиционно в такива ситуации разработчиците прибягват до използването на цифров сигнален процесор (DSP), което увеличава консумацията на енергия и цената както на самата разработка, така и на крайното устройство. За да се премахнат тези недостатъци, редица ARM процесори имат интегрирани DSP инструкции, които изпълняват 16-битови. и 32-битова. аритметични операции.
Технология Jazelle®
Технологията ARM Jazelle е насочена към приложения, които поддържат езика за програмиране Java. Той предлага уникална комбинация от висока производителност, ниска цена на системата и ниски изисквания за мощност, които не могат да бъдат постигнати едновременно с помощта на копроцесор или специален Java процесор.
Технологията ARM Jazelle е разширение към 32-битови. RISC архитектура, която позволява на ARM процесор да изпълнява Java код в хардуер. В същото време се постига ненадмината производителност на изпълнение на Java код с помощта на ARM архитектура. Така разработчиците имат възможност свободно да внедряват Java приложения, вкл. операционни системи и код на приложението, на същия процесор.
Технологията Jazelle в момента е интегрирана в следните ARM процесори: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S и ARM7EJ-S.
Традиционните ARM процесори поддържат 2 набора от инструкции: в режим ARM, 32-битови инструкции и в режим Thumb, най-популярните инструкции са компресирани до 16-битови. формат. Технологията Jazelle разширява тази концепция чрез добавяне на трети набор от инструкции на Java, който се извиква в новия режим на Java.
Интелигентна технология за управление на енергията
Едно от основните предизвикателства, пред които са изправени разработчиците на преносими устройства (като смартфони, лични цифрови асистенти и аудио/видео плейъри) е да оптимизират консумацията на енергия, което може да подобри експлоатационни характеристикиготово устройство чрез удължаване на живота на батерията или намаляване на размера на устройството.
Традиционният метод за намаляване на консумацията на енергия е използването на икономични режими на работа, като празен ход (бездействие) или спящ режим (сън), които се различават по дълбочината на деактивиране на вътрешните елементи. По правило активният режим на работа на такава система е проектиран за най-лошите условия на работа и се характеризира с максимално натоварване, като по този начин ненужно намалява живота на батерията. Ето защо, за да оптимизират допълнително консумацията на батерията, разработчиците обръщат специално внимание на управлението на захранването в активен режим.
За да се улесни този процес, технологията Intelligent Energy Manager (IEM) е разработена за ARM процесори. Тази технология е комбинация от хардуерни и софтуерни компоненти, които работят заедно за извършване на динамично мащабиране на мощността.
Същността на метода за динамично управление на захранващото напрежение се основава на израза на консумацията на енергия на CMOS процесорите:
където P е общата консумация на енергия, C е комутируемият капацитет, fc е честотата на процесора, е захранващото напрежение, е токът на утечка в статичен режим. От израза следва, че честотата и захранващото напрежение могат да се променят, за да се регулира консумацията на енергия.
Намаляването на честотата за намаляване на консумацията на енергия е широко използвано в микроконтролери и системи на чипове (PSoC), но не недостатъкът на този метод е намаляването на производителността. Методът за динамично управление на захранващото напрежение се основава на промяна на захранващото напрежение, но ако възможностите за настройка са изчерпани, тогава методът за регулиране на честотата на процесора се използва като допълнителен метод.
Микроконтролери, базирани на ARM архитектура
Таблица 1 представя общото Сравнителни характеристикиМикроконтролери ARM от най-известните и достъпни производители: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors и Texas Instruments, а Таблица 2 представя техническите им данни по-подробно.
Таблица 1. Сравнение на ARM микроконтролери от различни производители по основни характеристики
| TMS 470 (Texas Instruments) | AT91 (Atmel) | Микро конвертор (AD) | LPC2000 (Philips) |
| Системно: | |||
| памет: | |||
| Аналогови периферни устройства: | |||
| Цифрови периферни устройства: | |||
| интерфейси: | |||
Таблица 2. Технически данни за ARM микроконтролери от Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors
| име | Ядро | Кадър | Памет | Периферни устройства | I/O | Макс. h-ta, MHz | ||||||
| Flash, KB | RAM, KB | Таймер | ADC, ch / res | SPI/U(S)APP/ I2C | USB Dev/Host | МОГА | Друго | |||||
| Микроконтролери от семейството TMS470 от Texas Instruments | ||||||||||||
| TMS470R1A64 | ARM7TDMI | 80 LQFP | 64 | 4 | 13 | 8/10 | 2/2/- | - | 2 | C2SI | 40 | 48 |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 128 | 8 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 256 | 12 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100/144LQFP | 288 | 16 | 12 | 12/10 | 2/2/1 | - | 2 | C2SI, RAP, EBM, MSM | 93 | 48 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 512 | 32 | 32 | 16/10 | 2/2/- | - | 2 | RAP | 87 | 60 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 768 | 48 | 32 | 16/10 | 5/2/- | - | 3 | RAP | 87 | 60 | |
| TMS470R1A1024 | ARM7TDMI | 144 LQFP | 1024 | 64 | 12 | 12/10 | 5/2/1 | - | 2 | DMA, EBM, MSM | 93 | 60 |
| Семейство Thumb AT91 ARM на Atmel | ||||||||||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 8 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 40 | ||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 512 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 2048 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 BGA144 |
- | 8 | 6 | 2/2/- | EBI, PIT, RTT | 54 | 33 | ||||
| ARM7TDMI | QFP176 BGA176 |
- | 8 | 6 | 8/10 | 1/3/- | EBI, RTC, 2x10 рубли КПР | 58 | 33 | |||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 96 | 6 | 1/4/1 | 1/- | SSC, PIT, RTC, RTT | 63 | 66 | |||
| ARM7TDMI | BGA256 | 1 | 16 | 3 | 1/2/- | EBI, междун. SDRAM, 2xEthernet | 48 | 36 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 | - | 4 | 9 | 8/10 | 1/3/- | EBI, 4 PWM, CAN | 49 | 40 | |||
| ARM7TDMI | QFP176 | - | 16 | 10 | 16/10 | 1/2/- | 4 | EBI | 57 | 30 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 32 | 9 | 16/10 | 2/4/1 | 1/- | 1 | 8 PWM, RTT, PIT, RC Gen., SSC, MCI | 62 | 60 | |
| ARM7TDMI | QFP48 | 32 | 8 | 3 | 8/10 | 1/1/1 | 21 | 55 | ||||
| ARM7TDMI | QFP64 | 64 | 16 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 PWM, RTT, PIT, RC Gen., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 PWM, RTT, PIT, RC Gen., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 256 | 64 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 PWM, RTT, PIT, RC Gen., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 1 | 4 PWM, RTT, PIT, RC Gen., SSC, Ethernet | 60 | 55 | |
| ARM920T | QFP208 BGA256 |
128 | 16 | 6 | 1/4/1 | 1/2 | EBI, RTC, RTT, PIT, SDRAM, 3xSSC, MCI, Ethernet | 94 | 180 | |||
| AT91SAM9261 | ARM7TDMI | BGA217 | 32 | 160 | 3 | 3/3/1 | 1/2 | EBI, RTT, PIT, int.SDRAM, 3xSSC, MCI | 96 | 200 | ||
| Микроконтролери от семейството MicroConverter от Analog Device | ||||||||||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 5/12 | 1/1/2 | 4 x 12r. DAC, K, PLM | 14 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 8/12 | 1/1/2 | 2 x 12r. DAC, K, PLM | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | K, PLM | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | 2 x 12p.DAC, 3ph. PWM, K, PLM | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 3f. PWM, K, PLM | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 4 x 12p.DAC, 3-фазен PWM, K, PLM | 40 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 16/12 | 1/1/2 | 3f. PWM, K, PLM | 40 | 45 | ||||
| Микроконтролери от семейството LPC2000 от Philips Semiconductors | ||||||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 16 | 4 | 1/2/1 | 6 гл. PWM | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 32 | 4 | 1/2/1 | 6 гл. PWM | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 64 | 4 | 1/2/1 | 6 гл. PWM | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 гл. PWM | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 гл. PWM | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 гл. PWM | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 гл. PWM | 46 | 60 | |||
| 2/2/1 | 6 гл. PWM | 112 | 60 | |||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 2 | 6 гл. PWM | 112 | 60 | ||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 4 | 6 гл. PWM | 112 | 60 | ||
Въпреки използването на общото ядро ARM7TDMI в повечето микроконтролери, микроконтролерите от различни производители имат доста ясен портрет. Analog Device е безспорен лидер в аналоговите периферни устройства с 12-бита. ADC и DAC клас 1MHz. Atmel забележимо изостава в тази посока, който при разработването на отделни ADC вече е преминал 2GHz бариерата, но за да интегрира приличен ADC в 32-битов. микроконтролер и не можеше. Въпреки това, този недостатък на микроконтролерите Atmel преодолява тяхната „приятелство“ (при използване на вградения RC генератор и стабилизатор е необходимо само едно захранващо напрежение за стартиране на микроконтролера), ефективност и най-важното – ниска цена. Сред въпросните микроконтролери, микроконтролерите Atmel са единствените, които съдържат USB интерфейс. TI микроконтролерите се характеризират с прекомерна представителност при умерена цена. Работейки с микроконтролери TMS470, можете да сте сигурни, че периферните ресурси са достатъчни. Микроконтролерите LPC2000 (Philips) могат да се нарекат златната среда според разглежданите критерии. Отличават се с наличието на UART направен в традицията на Philips и който е съвместим със стандарта 16C550 UART, а също така има модемен интерфейс и хардуерен режим на управление на комуникацията с FIFO буфериране. Сред микроконтролерите Philips ARM можете да намерите представители за разширен температурен диапазон от -40…+105°C.
32-битова микроконтролери с алтернативни ядра
Когато става въпрос за 32-битов. микроконтролери, би било несправедливо да не споменаваме други 32-битови. алтернативи на ядрото на ARM. В тази връзка трябва да се откроят FR ядрото от Fujitsu и M68000/M68300 от Motorola.
FR ядрото се използва в огромен брой микроконтролери (над 40), които образуват няколко семейства и има 16-битов режим на набор от инструкции за оптимизиране на използването на паметта на програмата с минимално влошаване на производителността, което е идентично с ядрото на ARM. Размерът на ROM и RAM достига до 512 kB, в зависимост от типа се поддържат разнообразни стандартни периферни устройства, вкл. 10-битова ADC, 12-битов PWM, CAN интерфейс, UART и др. Точно както в случая на ARM микроконтролерите, микроконтролерите, базирани на FR ядрото, се отличават с общи традиции, които разработчикът залага и които са разпознаваеми в цялата линия от микроконтролери. В случая на Fujitsu това е хардуерна поддръжка за ендианизъм, функция за търсене на хардуерни битове, много канали от същия тип периферни устройства и немаскируем вход за прекъсване. Доста приличен 10-битов е интегриран в много микроконтролери. ADC (време на преобразуване 1,7 µs) и DAC (0,9 µs). В семейството FRLite е поставен рекорд за специфична консумация на енергия от 1mA / MHz. Семейството FR 65E има максимална скорост, при която тактовата честота достига 66 MHz.
32-битова Микроконтролерите на Motorola се характеризират с реализация от набор от стандартни функционални модули. Микроконтролерите от фамилията 68300 включват: 32-битов процесор (CPU32), модули за вътрешна памет, интерфейсен модул за системна интеграция (SIM), сериен интерфейсен модул (QSM), таймер процесор (TPU) или таймерен модул (GPT), аналогов цифров преобразувател (ADC) и редица други. Модулите са свързани помежду си посредством междумодулна шина. Процесорът CPU32, използван в микроконтролерите от фамилията 68300, е подобен по основните си функции на 32-битовия микропроцесор MC68020 от фамилията 68000. За използване в комуникационни системи се произвеждат микроконтролери, които съдържат комуникационен RISC процесорен модул, който има набор от специални инструменти за обмен на данни. Такива комуникационни контролери (68360, 68302, 68356) също са част от семейството 68300. От семейството 68000 е разделението на техните ресурси и възможности в зависимост от класа на решаваните задачи. Това предполага изпълнението на два класа задачи: управление на работата на самата микропроцесорна система с помощта на системен софтуер (операционна система - супервайзер) и решаване на приложни потребителски задачи. Това води до режими на работа: режим на надзорник или режим на потребител. В зависимост от режима, когато се изпълняват програми, се разрешава достъп до всички или част от ресурсите на микроконтролера. Режимът на надзора позволява изпълнение на всякакви инструкции, реализирани от процесора и достъп до всички регистри. В потребителски режим изпълнението на някои команди и достъпът до някои регистри е забранено, за да се ограничи възможността за такива промени в състоянието на системата, които могат да попречат на изпълнението на други програми или да нарушат режима на работа на процесора, зададен от надзора . Силен аргумент в полза на избора на микроконтролери Motorola е високата популярност на семейството M68000 по това време и софтуерната съвместимост на M68000 и по-модерните микроконтролери M68300, което позволява използването на съществуващи софтуерни разработки в нови разработки, като по този начин намалява времето за проектиране.
- Несъмненото предимство на ARM ядрото е неговата стандартна природа, която ви позволява да използвате софтуер от други съвместими микроконтролери, да имате по-широк достъп до инструменти за проектиране или по-лесно да мигрирате между микроконтролери.
- Въпреки използването на едно и също ARM ядро в микроконтролери от различни производители, все пак всеки от тях има свое лице, което се постига чрез оригиналната „рецепта“ на периферни устройства и заемане на лидерски позиции в някои от видовете периферни устройства, за например, за Analog Device това са цифрово-аналогови преобразуватели.
- ARM ядрата имат представителна номенклатура и динамика на развитие, но от сравнението следва, че микроконтролерите, базирани на ядрото ARM7TDMI, са достъпни основно за широката публика. Това може да се обясни например с факта, че основната област на потребление на ARM микроконтролери са домакински, офисни, потребителски електронни устройства и оборудване, които, за съжаление, се произвеждат основно от чуждестранни OEM производители.
- Пазарът на 32-битови микроконтролери има висок капацитет, който динамично ще нараства през следващите години, следователно, ние просто трябва да проследим борбата на производителите на микроконтролери за дял на този пазар, да следим съобщенията и да имаме време да овладеем новите технологии .
литература
- J. Wilbrink. Улесняване на миграцията от 8-битови към 32-битови микроконтролери/Atmel Corporation -2004.
- „Atmel представя първия в света под $3 ARM7 Flash микроконтролер“, новини на Atmel на 19.10.04, www.atmel.com.
- Листовка за процесорни ядра//Реф.: ARM DOI 0111-4/05.03, Издаден: май 2003 г.
- Материали на сайта
www.arm.com
Името ARM със сигурност е чуто от всички, които се интересуват от мобилни технологии. Мнозина разбират това съкращение като вид процесор за смартфони и таблети, докато други уточняват, че това изобщо не е процесор, а неговата архитектура. И със сигурност малко хора са се задълбочили в историята на появата на ARM. В тази статия ще се опитаме да разберем всички тези нюанси и ще ви кажем защо съвременните джаджи се нуждаят от ARM процесори.
Кратък екскурзия в историята
Когато бъде поискано „ARM“, Wikipedia дава две значения за това съкращение: Acorn RISC Machine и Advanced RISC Machines. Да започнем по ред. През 80-те години на миналия век във Великобритания е основана Acorn Computers, която започва дейността си със създаване на персонални компютри. По това време жълъдът е наричан още "британската ябълка". Решаващият период за компанията настъпва в края на 80-те години на миналия век, когато главният й инженер се възползва от решението на двама завършили местни университети да измислят нов вид процесорна архитектура с намален набор от инструкции (RISC). Така се появи първият компютър, базиран на процесора Acorn Risc Machine. Успехът не закъсня. През 1990 г. британците сключват споразумение с Apple и скоро започват работа по нова версия на чипсета. В резултат на това екипът за разработка сформира компания, наречена Advanced RISC Machines, подобна на процесора. Чиповете с новата архитектура станаха известни още като Advanced Risc Machine или накратко ARM.От 1998 г. Advanced Risc Machine става известна като ARM Limited. Към момента фирмата не се занимава с производство и продажба на собствени преработватели. Основната и единствена дейност на ARM Limited е разработването на технологии и продажбата на лицензи на различни компании за използване на ARM архитектурата. Някои производители купуват лиценз за готови ядра, други - така наречения "архитектурен лиценз" за производство на процесори със собствени ядра. Тези компании включват Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon и други. Според някои доклади ARM Limited печели $0,067 от всеки такъв процесор. Тази цифра е средна и също остаряла. Всяка година има все повече и повече ядра в чипсети, а новите многоядрени процесори превъзхождат остарелите образци по цена.
Технически характеристики на ARM чиповете
Има два вида съвременни архитектури на процесора: CISC(Complex Instruction Set Computing) и RISC(Изчисление с намален набор от инструкции). Архитектурата CISC се отнася до семейството процесори x86 (Intel и AMD), докато RISC архитектурата се отнася до семейството на ARM. Основната формална разлика между RISC и CISC и съответно x86 и ARM е намаленият набор от инструкции, използван в RISC процесорите. Така, например, всяка инструкция в CISC архитектурата се трансформира в няколко RISC инструкции. Освен това RISC процесорите използват по-малко транзистори и по този начин консумират по-малко енергия.Основният приоритет на ARM процесорите е съотношението на производителност към консумация на енергия. ARM има по-високо съотношение производителност на ват от x86. Можете да получите необходимата мощност от 24 x86 ядра или от стотици малки ARM ядра с ниска мощност. Разбира се, дори най-мощният процесор на ARM архитектурата никога няма да бъде сравним по мощност с Intel Core i7. Но същият Intel Core i7 се нуждае от активна охладителна система и никога няма да се побере в калъф за телефон. Тук ARM е извън конкуренцията. От една страна, изглежда атрактивна опция за изграждане на суперкомпютър, използващ милион ARM процесора вместо хиляда x86 процесора. От друга страна, двете архитектури не могат да се сравняват еднозначно. В някои отношения предимството ще бъде за ARM, а в някои отношения - за x86.
Обаче извикването на чипове с ARM архитектура не е съвсем правилно. В допълнение към няколко процесорни ядра, те включват и други компоненти. Най-подходящият термин би бил „система с един чип“ или „система върху чип“ (SoC). Съвременните едночипови системи за мобилни устройства включват RAM контролер, графичен ускорител, видео декодер, аудио кодек и безжични комуникационни модули. Както бе споменато по-рано, отделните компоненти на чипсета могат да бъдат разработени от производители на трети страни. Най-яркият пример за това са графичните ядра, които освен ARM Limited (Mali graphics), се разработват от Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) и Imagination Technologies (PowerVR).
На практика изглежда така. Повечето бюджетни мобилни устройства с Android идват с чипсети, произведени от компанията. MediaTek, което почти неизменно следва инструкциите на ARM Limited и ги допълва с Cortex-A ядра и графика Mali (по-рядко PowerVR).
A-марките за своите водещи устройства често използват чипсети, произведени от Qualcomm. Между другото, най-новите Qualcomm Snapdragon чипове (,) са оборудвани с напълно персонализирани ядра Kryo за централния процесор и Adreno за графичния ускорител.
Относно Apple, след това за iPhone и iPad компанията използва собствени чипове от серия A с графичен ускорител PowerVR, които се произвеждат от компании на трети страни. И така, инсталирани са 64-битов четириядрен процесор A10 Fusion и графичен процесор PowerVR GT7600.
Архитектурата на процесорите от семейството се счита за релевантна към момента на писане на статията. ARMv8. Той беше първият, който използва 64-битов набор от инструкции и поддържа повече от 4 GB RAM. Архитектурата ARMv8 е обратно съвместима с 32-битови приложения. Най-ефективното и най-мощното процесорно ядро, разработено от ARM Limited досега е Cortex-A73и повечето производители на SoC го използват непроменени.
Cortex-A73 осигурява 30% по-бърза производителност от Cortex-A72 и поддържа пълния набор от ARMv8 архитектури. Максималната честота на процесорното ядро е 2,8 GHz.
Обхват на употреба на ARM
Най-голямата слава на ARM донесе развитието на мобилни устройства. В очакване на масовото производство на смартфони и друго преносимо оборудване, енергийно ефективни процесори се оказаха полезни. Кулминацията на развитието на ARM Limited беше 2007 г., когато британската компания поднови партньорството си с Apple, а известно време по-късно компанията от Купертино представи първия си iPhone с процесор на ARM архитектура. Впоследствие едночиповата система, базирана на ARM архитектурата, се превърна в неизменна съставка на почти всички смартфони на пазара.
Портфолиото на ARM Limited не се ограничава до семейството Cortex-A ядра. Всъщност под марката Cortex има три серии процесорни ядра, които се обозначават с буквите A, R, M. Семейство Core Кортекс-А, както вече знаем, е най-мощният. Използват се основно в смартфони, таблети, приставки, сателитни приемници, автомобилни системи, роботика. Процесорни ядра Cortex-Rса оптимизирани за изпълнение на високопроизводителни задачи в реално време, така че такива чипове се намират в медицинско оборудване, автономни системи за сигурност и носители за съхранение. Основната задача на семейството Кортекс-Ме простота и ниска цена. Технически това са най-слабите процесорни ядра с най-ниска консумация на енергия. Процесори, базирани на такива ядра, се използват почти навсякъде, където устройството изисква минимална мощност и ниска цена: сензори, контролери, аларми, дисплеи, смарт часовници и друго оборудване.
Като цяло повечето от днешните устройства, от малки до големи, изискващи CPU, използват ARM чипове. Огромен плюс е фактът, че ARM архитектурата се поддържа от много операционни системи, базирани на Linux (включително Android и Chrome OS), iOS и Windows (Windows Phone).
Конкуренция на пазара и перспективи за бъдещето
Разбира се, в момента ARM няма сериозни конкуренти. И като цяло това се дължи на факта, че ARM Limited направи правилния избор в определено време. Но в самото начало на своето пътуване компанията произвежда процесори за персонални компютри и дори се опитва да се конкурира с Intel. След като ARM Limited промени посоката на дейността си, също не й беше лесно. Тогава софтуерният монополист, представляван от Microsoft, след като сключи споразумение за партньорство с Intel, не остави шанс на други производители, включително ARM Limited - Windows просто не работеше на системи с ARM процесори. Колкото и парадоксално да звучи, но сега ситуацията може да се промени драстично и Windows вече е готов да поддържа процесори, базирани на тази архитектура.
След успеха на ARM чиповете, Intel направи опит да създаде конкурентен процесор и влезе на пазара с чип Intel Atom. За да направи това, й отне много повече време от ARM Limited. Чипсетът влезе в производство през 2011 г., но, както се казва, влакът вече е тръгнал. Intel Atom е x86 CISC процесор. Инженерите на компанията са постигнали по-ниска консумация на енергия от ARM, но в момента различни мобилни софтуери имат лоша адаптация към архитектурата x86.
Миналата година Intel се отказа от няколко ключови решения в по-нататъшното развитие на мобилните системи. Всъщност компания за мобилни устройства, тъй като те станаха нерентабилни. Единственият голям производител, който включва своите смартфони с чипсети Intel Atom, беше ASUS. Въпреки това Intel Atom все още получава масово използване в нетбуци, неттопове и други преносими устройства.
Позицията на ARM Limited на пазара е уникална. В момента почти всички производители използват неговите разработки. В същото време компанията няма собствени фабрики. Това не й пречи да стои наравно с Intel и AMD. Историята на ARM включва още един любопитен факт. Възможно е сега технологията ARM да принадлежи на Apple, която беше в основата на формирането на ARM Limited. По ирония на съдбата през 1998 г. Купертинос, преминавайки през времена на криза, продадоха своя дял. Сега Apple е принудена, заедно с други компании, да закупи лиценз за ARM процесорите, използвани в iPhone и iPad.
Сега ARM процесорите са в състояние да изпълняват сериозни задачи. В краткосрочен план те ще се използват в сървъри, по-специално центровете за данни на Facebook и PayPal вече имат такива решения. В ерата на интернет на нещата (IoT) и интелигентните домашни устройства, ARM чиповете станаха още по-търсени. Така че най-интересното за ARM тепърва предстои.
По-голямата част от съвременните джаджи използват процесори, базирани на архитектурата ARM, която се разработва от едноименната компания ARM Limited. Интересното е, че самата компания не произвежда процесори, а само лицензира своите технологии на трети производители на чипове. Освен това компанията разработва и процесорни ядра Cortex и графични ускорители Mali, които определено ще засегнем в този материал.
ARM Limited
Компанията ARM всъщност е монополист в своята област и по-голямата част от съвременните смартфони и таблети на различни мобилни операционни системи използват процесори, базирани на архитектурата на ARM. Производителите на чипове лицензират отделни ядра, набори от инструкции и свързани технологии от ARM, като цената на лицензите варира значително в зависимост от типа процесорни ядра (от бюджетни решения с ниска мощност до авангардни четириядрени и дори осемядрени чипове) и допълнителни компоненти. Годишният отчет за приходите на ARM Limited за 2006 г. показва приходи от 161 милиона долара за лицензиране на около 2,5 милиарда процесора (спрямо 7,9 милиарда долара през 2011 г.), което се равнява на приблизително 0,067 долара на чип. Въпреки това, поради посочената по-горе причина, това е много средна цифра поради разликата в цените на различните лицензи и оттогава печалбата на компанията би трябвало да нарасне многократно.
В момента процесорите ARM са много разпространени. Чиповете на тази архитектура се използват навсякъде, чак до сървърите, но най-често ARM може да се намери във вградени и мобилни системи, от контролери на твърди дискове до съвременни смартфони, таблети и други джаджи.
Кортексни ядра
ARM разработва няколко семейства ядра, които се използват за различни задачи. Например, процесори, базирани на Cortex-Mx и Cortex-Rx (където "x" е цифра или число, указващо точния номер на ядрото) се използват във вградени системи и дори потребителски устройства като рутери или принтери.
Няма да се спираме на тях подробно, защото се интересуваме преди всичко от семейството Cortex-Ax - чиповете с такива ядра се използват в най-продуктивните устройства, включително смартфони, таблети и игрови конзоли. ARM непрекъснато работи върху нови ядра от линията Cortex-Ax, но към момента на писане на тази статия смартфоните използват следните:
Колкото по-голямо е числото, толкова по-висока е производителността на процесора и съответно по-скъп е класът устройства, в които се използва. Въпреки това си струва да се отбележи, че това правило не винаги се спазва: например чиповете, базирани на ядра Cortex-A7, имат по-висока производителност от тези, базирани на Cortex-A8. Независимо от това, ако процесорите Cortex-A5 вече се считат за почти остарели и почти никога не се използват в съвременните устройства, тогава процесорите Cortex-A15 могат да бъдат намерени във водещите комуникатори и таблети. Неотдавна ARM официално обяви разработването на нови, по-мощни и в същото време енергийно ефективни Cortex-A53 и Cortex-A57 ядра, които ще бъдат комбинирани на един чип с помощта на технологията и поддръжката на ARM big.LITTLE набора от инструкции ARMv8 („архитектурна версия“), но в момента те не се използват в масови потребителски устройства. Повечето чипове с Cortex ядра могат да бъдат многоядрени, а четириядрените процесори са повсеместни в съвременните смартфони от висок клас.
Големите производители на смартфони и таблети обикновено използват процесори от известни производители на чипове като Qualcomm или техни собствени решения, които вече са станали доста популярни (например Samsung и неговото семейство чипсети Exynos), но сред техническите характеристики на джаджи на повечето малки компании , често можете да намерите описания като „процесор, базиран на Cortex-A7 @ 1 GHz“ или „Двуядрен Cortex-A7 @ 1 GHz“, които няма да кажат нищо на средния потребител. За да разберем какви са разликите между такива ядра, нека се съсредоточим върху основните.
Ядрото Cortex-A5 се използва в евтини процесори за най-бюджетните устройства. Такива устройства са предназначени само да изпълняват ограничен набор от задачи и да изпълняват прости приложения, но изобщо не са предназначени за ресурсоемки програми и особено игри. Пример за джаджа с процесор Cortex-A5 е Highscreen Blast, който получи чип Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, съдържащ две Cortex-A5 ядра с тактова честота 1,2 GHz.
Процесорите Cortex-A7 са по-мощни от чиповете Cortex-A5 и са по-често срещани. Такива чипове са направени по 28-нанометров технологичен процес и имат голям кеш от второ ниво до 4 мегабайта. Cortex-A7 ядра се намират главно в бюджетни смартфони и евтини устройства от среден клас като iconBIT Mercury Quad и, като изключение, в Samsung Galaxy S IV GT-i9500 с процесор Exynos 5 Octa - този чипсет използва енергоспестяващ четириядрен процесор на Cortex-A7.
Ядрото Cortex-A8 не е толкова често срещано, колкото неговите „съседи“, Cortex-A7 и Cortex-A9, но все още се използва в различни джаджи от начално ниво. Работната тактова честота на чиповете Cortex-A8 може да варира от 600 MHz до 1 GHz, но понякога производителите на овърклок процесори до по-високи честоти. Характеристика на ядрото Cortex-A8 е липсата на поддръжка за многоядрени конфигурации (тоест процесорите на тези ядра могат да бъдат само едноядрени) и те се изпълняват по 65-нанометрова технологична технология, която вече е разгледана остаряла.
Cortex-A9
Преди няколко години ядрата Cortex-A9 се считаха за най-доброто решение и бяха използвани както в традиционните едноядрени, така и в по-мощните двуядрени чипове, като Nvidia Tegra 2 и Texas Instruments OMAP4. В момента процесорите, базирани на Cortex-A9, направени по 40-нанометрова технология, не губят популярност и се използват в много смартфони от среден клас. Работната честота на такива процесори може да бъде от 1 до 2 или повече гигахерца, но обикновено е ограничена до 1,2-1,5 GHz.
През юни 2013 г. ARM официално представи ядрото Cortex-A12, което е базирано на нова 28nm технологична технология и е предназначено да замени Cortex-A9 ядра в смартфони от среден клас. Разработчикът обещава 40% увеличение на производителността в сравнение с Cortex-A9, а в допълнение, ядрата Cortex-A12 ще могат да участват в архитектурата ARM big.LITTLE като продуктивни, заедно с енергоспестяващия Cortex-A7, което ще позволи производителите да създават евтини осемядрени чипове. Вярно е, че към момента на това писане всичко това е само в плановете и масовото производство на чипове Cortex-A12 все още не е установено, въпреки че RockChip вече обяви намерението си да пусне четириядрен процесор Cortex-A12 с честота 1,8 GHz.
За 2013 г. ядрото Cortex-A15 и неговите производни са най-доброто решение и се използват във водещи комуникационни чипове от различни производители. Сред новите процесори, направени по 28-nm технологичен процес и базирани на Cortex-A15, са Samsung Exynos 5 Octa и Nvidia Tegra 4, като това ядро често действа като платформа за модификации от други производители. Например, най-новият A6X процесор на Apple използва ядра Swift, които са модификация на Cortex-A15. Чиповете на Cortex-A15 са в състояние да работят с честота от 1,5-2,5 GHz, а поддръжката на много стандарти на трети страни и възможността за адресиране до 1 TB физическа памет прави възможно използването на такива процесори в компютри (как може човек не си спомня мини-компютър с размерите на банкова карта Raspberry Pi).
Серия Cortex-A50
През първата половина на 2013 г. ARM представи нова линия чипове, наречена серия Cortex-A50. Ядрата на тази линия ще бъдат направени според новата версия на архитектурата, ARMv8, и ще поддържат нови набори от инструкции, а също така ще станат 64-битови. Преходът към нова битова дълбочина ще изисква оптимизиране на мобилните операционни системи и приложения, но, разбира се, поддръжката на десетки хиляди 32-битови приложения ще остане. Apple беше първата, която премина към 64-битова архитектура. Най-новите устройства на компанията, като iPhone 5S, работят с точно такъв процесор Apple A7 ARM. Прави впечатление, че не използва Cortex ядра - те са заменени със собствени ядра на производителя, наречени Swift. Една от очевидните причини за необходимостта от преминаване към 64-битови процесори е поддръжката на повече от 4 GB RAM и, освен това, възможността за работа с много по-големи числа при изчисляване. Разбира се, макар това да е уместно преди всичко за сървърите и компютрите, но няма да се изненадаме, ако смартфони и таблети с това количество RAM памет се появят на пазара след няколко години. Към днешна дата нищо не се знае за плановете за пускане на чипове на нова архитектура и смартфони, които ги използват, но е вероятно такива процесори да получат флагмани през 2014 г., както Samsung вече обяви.
Ядрото Cortex-A53 отваря серията, която ще бъде пряк „наследник“ на Cortex-A9. Процесорите, базирани на Cortex-A53, значително превъзхождат чиповете на базата на Cortex-A9 по производителност, но в същото време се поддържа ниска консумация на енергия. Такива процесори могат да се използват както поотделно, така и в конфигурация ARM big.LITTLE, като се комбинират на един и същ чипсет с процесор Cortex-A57
Производителност Cortex-A53, Cortex-A57
Процесорите на Cortex-A57, които ще бъдат направени по 20-нанометров технологичен процес, трябва да станат най-мощните ARM процесори в близко бъдеще. Новото ядро значително превъзхожда предшественика си Cortex-A15 по различни показатели за производителност (можете да видите сравнението по-горе) и според ARM, който сериозно се насочва към пазара на компютри, ще бъде печелившо решение за масовите компютри (включително лаптопи) , не само мобилни устройства.
РЪКА голяма.МАЛКА
Като високотехнологично решение на проблема с консумацията на енергия на съвременните процесори, ARM предлага технологията big.LITTLE, чиято същност е да комбинира различни видове ядра на един чип, обикновено еднакъв брой енергоспестяващи и високо- ядра за производителност.
Има три схеми за работа на различни типове ядра на един чип: big.LITTLE (миграция между клъстери), big.LITTLE IKS (миграция между ядрата) и big.LITTLE MP (хетерогенна многопроцесорна обработка).
big.LITTLE (миграция между клъстери)
Първият чипсет, базиран на архитектурата ARM big.LITTLE, беше процесорът Samsung Exynos 5 Octa. Той използва оригиналната схема big.LITTLE „4+4“, което означава два клъстера (оттук и името на схемата) на един чип от четири високопроизводителни Cortex-A15 ядра за ресурсоемки приложения и игри и четири енергоспестяващи Cortex-A7 ядра за ежедневна работа с повечето програми, като в даден момент може да работи само един тип ядро. Превключването между групи ядра става почти мигновено и неусетно за потребителя в напълно автоматичен режим.
big.LITTLE IKS (миграция между ядра)
По-сложна реализация на архитектурата big.LITTLE е комбинацията от няколко реални ядра (обикновено две) в едно виртуално, контролирано от ядрото на операционната система, което решава кои ядра да се използват – енергийно ефективни или продуктивни. Разбира се, има и няколко виртуални ядра – илюстрацията показва пример за IKS схема, където всяко от четирите виртуални ядра съдържа по едно Cortex-A7 и Cortex-A15 ядро.
big.LITTLE MP (хетерогенна многопроцесорна обработка)
Схемата big.LITTLE MP е най-"напредналата" - в нея всяко ядро е независимо и може да се включва от ядрото на ОС при нужда. Това означава, че ако се използват четири Cortex-A7 ядра и същия брой ядра Cortex-A15, в чипсет, изграден върху архитектурата ARM big.LITTLE MP, всичките 8 ядра ще могат да работят едновременно, въпреки че са от различни видове. Един от първите процесори от този тип беше осемядреният чип на Mediatek - MT6592, който може да работи с тактова честота от 2 GHz, както и да записва и възпроизвежда видеоклипове в UltraHD резолюция.
Бъдеще
Според наличната в момента информация, в близко бъдеще ARM, заедно с други компании, планира да пусне пускането на следващо поколение big.LITTLE чипове, които ще използват новите Cortex-A53 и Cortex-A57 ядра. Освен това китайският производител MediaTek ще пусне бюджетни процесори на ARM big.LITTLE, които ще работят по схемата „2 + 2“, тоест ще използват две групи от по две ядра.
Мали графични ускорители
Освен процесори, ARM разработва и графични ускорители от семейството на Mali. Подобно на процесорите, графичните ускорители се характеризират с много параметри, като например нивото на заглаждане, интерфейс на шината, кеш (ултра-бърза памет, използвана за увеличаване на скоростта) и броя на „графичните ядра“ (въпреки че, както писахме в предишна статия, този индикатор, въпреки приликата с термина, използван за описание на процесора, има малък или никакъв ефект върху производителността при сравняване на два графични процесора).
Първият графичен ускорител на ARM беше сега неизползваният Mali 55, който беше използван в сензорния телефон LG Renoir (да, най-обикновеният мобилен телефон). Графичният процесор не се използваше в игрите - само за рисуване на интерфейса и имаше примитивни характеристики по днешните стандарти, но именно той стана "прародител" на серията Mali.
Оттогава напредъкът измина дълъг път и сега поддържаните API и стандартите за игри са от немалко значение. Например поддръжката на OpenGL ES 3.0 вече е обявена само в най-мощните процесори като Qualcomm Snapdragon 600 и 800, а ако говорим за ARM продукти, стандартът се поддържа от такива ускорители като Mali-T604 (той беше той който стана първият ARM GPU, произведен на новата микроархитектура Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 и някои други чипове с подобни характеристики. Един или друг графичен процесор, като правило, е тясно свързан с ядрото, но въпреки това е посочен отделно, което означава, че ако качеството на графиката в игрите е важно за вас, тогава има смисъл да погледнете името на ускорителят в спецификациите на смартфон или таблет.
ARM също има графични ускорители за смартфони от среден клас, най-често срещаните са Mali-400 MP и Mali-450 MP, които се различават от по-големите си братя по относително ниска производителност и ограничен набор от API и поддържани стандарти. Въпреки това тези графични процесори продължават да се използват в нови смартфони, например Zopo ZP998, който получи графичния ускорител Mali-450 MP4 (подобрена модификация на Mali-450 MP) в допълнение към осемядрения процесор MTK6592.
Предполага се, че в края на 2014 г. трябва да се появят смартфони с най-новите графични ускорители ARM: Mali-T720, Mali-T760 и Mali-T760 MP, които бяха представени през октомври 2013 г. Mali-T720 трябва да бъде новият графичен процесор за смартфони от нисък клас и първият графичен процесор в този сегмент, който поддържа Open GL ES 3.0. Mali-T760 от своя страна ще се превърне в един от най-мощните мобилни графични ускорители: според декларираните характеристики графичният процесор има 16 процесорни ядра и има наистина огромна процесорна мощност, 326 Gflops, но в същото време четири пъти по-малко консумация на енергия от Mali-T604, споменат по-горе.
Ролята на CPU и GPU от ARM на пазара
Въпреки факта, че ARM е автор и разработчик на едноименната архитектура, която, повтаряме, сега се използва в по-голямата част от мобилните процесори, нейните решения под формата на ядра и графични ускорители не са популярни сред големите смартфони производители. Например, правилно се смята, че водещите комуникатори на Android OS трябва да имат процесор Snapdragon с ядра Krait и графичен ускорител Adreno от Qualcomm, чипсети от същата компания се използват в смартфони с Windows Phone, а някои производители на джаджи, например Apple , разработват свои собствени ядра. . Защо това е сегашното положение?
Може би някои от причините са по-дълбоки, но една от тях е липсата на ясно позициониране на CPU и GPU от ARM сред продуктите на други компании, в резултат на което разработките на компанията се възприемат като основни компоненти за използване в Устройства с марка B, евтини смартфони и създаване на базата на тях по-зрели решения. Например, Qualcomm повтаря на почти всяка презентация, че една от основните му цели при създаването на нови процесори е да намали консумацията на енергия, а ядрата му Krait, модифицирани от Cortex ядра, постоянно показват по-високи резултати в производителността. Подобно твърдение важи и за чипсетите на Nvidia, които са фокусирани върху игрите, но що се отнася до процесорите Exynos от Samsung и A-серията на Apple, те имат собствен пазар поради инсталирането в смартфони на същите компании.
Горното изобщо не означава, че разработките на ARM са значително по-лоши от процесори и ядра на трети страни, но конкуренцията на пазара в крайна сметка е от полза само за купувачите на смартфони. Можем да кажем, че ARM предлага някои заготовки, като закупят лиценз, за който производителите вече могат да ги модифицират сами.
Заключение
Микропроцесорите, базирани на ARM, успешно завладяха пазара на мобилни устройства поради ниската си консумация на енергия и относително голяма изчислителна мощност. Преди това други RISC архитектури, като MIPS, се конкурираха с ARM, но сега му остава само един сериозен конкурент - Intel с архитектурата x86, която между другото, въпреки че активно се бори за пазарния си дял, все още не се възприема от потребителите или от повечето производители сериозно, особено когато всъщност няма флагмани на него (Lenovo K900 вече не може да се конкурира с най-новите смартфони от най-висок клас на ARM процесори).
Какво мислите, ще успее ли някой да прокара ARM и как ще се развие съдбата на тази компания и нейната архитектура?
Как е процесора. Защо ARM е бъдещето? Съвременният потребител на електроника е много труден за изненада. Вече сме свикнали с факта, че джобът ни е законно зает от смартфон, лаптоп е в чанта, „умен“ часовник послушно брои стъпки по ръката, а слушалките с активна система за намаляване на шума галят ушите ни.
Това е смешно нещо, но сме свикнали да носим не един, а два, три или повече компютъра наведнъж. В крайна сметка, това е, което можете да наречете устройство, което има процесор. И няма значение как изглежда конкретно устройство. Миниатюрен чип е отговорен за работата си, преодолявайки бурен и бърз път на развитие.
Защо повдигнахме темата за процесорите? Всичко е просто. През последните десет години се случи истинска революция в света на мобилните устройства.
Има само 10 години разлика между тези устройства. Но тогава Nokia N95 ни изглеждаше космическо устройство, а днес гледаме на ARKit с известно недоверие
Но всичко можеше да се окаже различно и очуканият Pentium IV щеше да остане мечтата на обикновения купувач.
Опитахме се да се справим без сложни технически термини и да разкажем как работи процесорът и да разберем коя архитектура е бъдещето.
1. Как започна всичко
Първите процесори бяха напълно различни от това, което можете да видите, когато отворите капака на системния блок на вашия компютър.
Вместо микросхеми през 40-те години на XX век се използват електромеханични релета, допълнени от вакуумни тръби. Лампите действаха като диод, чието състояние можеше да се регулира чрез понижаване или увеличаване на напрежението във веригата. Структурите изглеждаха така:
За работата на един гигантски компютър бяха необходими стотици, понякога хиляди процесори. Но в същото време не бихте могли да стартирате дори обикновен редактор като NotePad или TestEdit от стандартния набор от Windows и macOS на такъв компютър. Компютърът просто няма да има достатъчно мощност.
2. Появата на транзисторите
Първите полеви транзистори се появяват през 1928 г. Но светът се промени едва след появата на така наречените биполярни транзистори, открити през 1947 г.
В края на 40-те години на миналия век експерименталният физик Уолтър Братайн и теоретикът Джон Бардийн разработват първия точков транзистор. През 1950 г. той е заменен от първия транзистор с кръстовища, а през 1954 г. известният производител Texas Instruments обяви силициев транзистор.
Но истинската революция идва през 1959 г., когато ученият Жан Анри разработва първия силициев планарен (плосък) транзистор, който става основа за монолитни интегрални схеми.
Да, малко е сложно, така че нека се поразровим малко по-дълбоко и да се заемем с теоретичната част.
3. Как работи транзисторът
Така че задачата на такъв електрически компонент като транзистор е да контролира тока. Просто казано, този малък сложен превключвател контролира потока на електричество.
Основното предимство на транзистора пред конвенционалния превключвател е, че той не изисква присъствието на човек. Тези. такъв елемент е способен да контролира независимо тока. Освен това работи много по-бързо, отколкото бихте включили или изключили електрическата верига сами.
Задачата на компютъра е да представи електрическия ток под формата на числа.
И ако по-рано задачата за превключване на състояния се изпълняваше от тромави, обемисти и неефективни електрически релета, сега транзисторът пое тази рутинна работа.
От началото на 60-те години транзисторите започват да се правят от силиций, което позволява не само да се направят процесорите по-компактни, но и значително да се повиши тяхната надеждност.
Но първо, нека се справим с диода
Силицият (известен също като Si - „силиций“ в периодичната таблица) принадлежи към категорията на полупроводниците, което означава, че, от една страна, предава ток по-добре от диелектрика, от друга страна, го прави по-лошо от метала .
Независимо дали ни харесва или не, но за да разберем работата и по-нататъшната история на развитието на процесорите, ще трябва да се потопим в структурата на един силициев атом. Не се страхувайте, нека го направим кратко и много ясно.
Задачата на транзистора е да усилва слаб сигнал поради допълнителен източник на захранване.
Силициевият атом има четири електрона, благодарение на които образува връзки (или по-точно ковалентни връзки) със същите близки три атома, образувайки кристална решетка. Докато повечето от електроните са свързани, малка част от тях е в състояние да се движат през кристалната решетка. Именно поради този частичен трансфер на електрони силицийът е класифициран като полупроводник.
Но такова слабо движение на електроните не би позволило използването на транзистор на практика, така че учените решили да увеличат производителността на транзисторите чрез легиране или, по-просто, добавяне на атоми към силициевата кристална решетка с характерно разположение на електроните.
Така те започнаха да използват 5-валентен примес на фосфор, поради което бяха получени транзистори от n-тип. Наличието на допълнителен електрон направи възможно ускоряването на тяхното движение, увеличавайки текущия поток.
При легиране на транзистори от p-тип, борът, който включва три електрона, стана такъв катализатор. Поради липсата на един електрон в кристалната решетка се появяват дупки (те играят ролята на положителен заряд), но поради факта, че електроните са в състояние да запълват тези дупки, проводимостта на силиция се увеличава значително.
Да предположим, че сме взели силиконова пластина и легирахме една част от нея с примес p-тип, а другата с примес от n-тип. Така че имаме диод - основният елемент на транзистора.
Сега електроните, разположени в n-частта, ще се стремят да отидат към дупките, разположени в p-частта. В този случай n-страната ще има лек отрицателен заряд, а p-страната ще има положителен заряд. Електрическото поле, образувано в резултат на тази "гравитация" - бариерата - ще предотврати по-нататъшното движение на електроните.
Ако свържете източник на захранване към диода по такъв начин, че "-" докосва p-страната на плочата, а "+" докосва n-страната, токовият поток няма да бъде възможен поради факта, че дупките ще да бъдат привлечени от отрицателния контакт на източника на енергия, а електроните към положителния, и връзката между p и n електроните ще бъде загубена поради разширяването на комбинирания слой.
Но ако свържете захранването с достатъчно напрежение обратното, т.е. "+" от източника към p-страната и "-" към n-страната, електроните, поставени от n-страната, ще бъдат отблъснати от отрицателния полюс и избутани към p-страната, заемайки дупки в p- регион.
Но сега електроните са привлечени от положителния полюс на източника на енергия и те продължават да се движат през р-дупките. Това явление се нарича отклонение напред на диода.
диод + диод = транзистор
Сам по себе си транзисторът може да се разглежда като два диода, свързани един към друг. В този случай p-областта (тази, където са разположени дупките) става обща за тях и се нарича „база“.
Транзисторът N-P-N има две n-области с допълнителни електрони - те също са "емитер" и "колектор" и една, слаба област с дупки - p-областта, наречена "база".
Ако свържете захранване (нека го наречем V1) към n-области на транзистора (независимо от полюса), един диод ще бъде с обратно отклонение и транзисторът ще бъде в изключено състояние.
Но веднага щом свържем друг източник на захранване (да го наречем V2), като настроим контакта "+" към "централната" p-област (база), а контакта "-" към n-областта (емитер), част от електроните ще преминат през отново образуваната верига (V2), а частта ще бъде привлечена от положителната n-област. В резултат на това електроните ще влязат в колекторната област и слабият електрически ток ще бъде усилен.
Издишайте!
4. И така, как всъщност работи компютърът?
И сега най-важното.
В зависимост от приложеното напрежение, транзисторът може да бъде отворен или затворен. Ако напрежението е недостатъчно за преодоляване на потенциалната бариера (същата на кръстовището на p и n плочи) - транзисторът ще бъде в затворено състояние - в състояние „изключено“ или, на езика на двоичната система, „ 0”.
При достатъчно напрежение транзисторът се включва и получаваме стойността "включено" или "1" в двоичен код.
Това състояние, 0 или 1, се нарича "бит" в компютърната индустрия.
Тези. получаваме основното свойство на самия превключвател, който отвори пътя към компютрите за човечеството!
В първия електронен цифров компютър ENIAC или, по-просто, първият компютър, са използвани около 18 хиляди триодни лампи. Размерът на компютъра беше сравним с тенис корт, а теглото му беше 30 тона.
За да разберете как работи процесорът, трябва да разберете още две ключови точки.
Момент 1. И така, ние решихме какво е бит. Но с негова помощ можем да получим само две характеристики на нещо: или „да“, или „не“. За да може компютърът да се научи да ни разбира по-добре, те измислиха комбинация от 8 бита (0 или 1), които нарекоха байт.
С помощта на байт можете да кодирате число от нула до 255. Използвайки тези 255 числа - комбинации от нули и единици, можете да кодирате всичко.
Момент 2. Наличието на цифри и букви без никаква логика не би ни дало нищо. Ето защо се появи концепцията за логически оператори.
Свързвайки само два транзистора по определен начин, можете да постигнете няколко логически действия наведнъж: „и“, „или“. Комбинацията от количеството напрежение на всеки транзистор и вида на тяхното свързване ви позволява да получите различни комбинации от нули и единици.
С усилията на програмистите, стойностите на нули и единици, двоичната система, започнаха да се превеждат в десетична, за да можем да разберем какво точно „казва“ компютърът. А за въвеждане на команди обичайните ни действия, като въвеждане на букви от клавиатурата, се представят като двоична верига от команди.
Просто казано, представете си, че има таблица за съответствие, да речем, ASCII, в която всяка буква съответства на комбинация от 0 и 1. Натиснахте бутон на клавиатурата и в този момент на процесора, благодарение на програмата, транзисторите се превключват по такъв начин, че най-изписаната буква на ключа.
5. И транзисторната надпревара започна
След като британският радиоинженер Джефри Дамер предлага през 1952 г. да се поставят най-простите електронни компоненти в монолитен полупроводников кристал, компютърната индустрия предприема скок напред.
От интегралните схеми, предложени от Дамер, инженерите бързо преминаха към микрочипове, които бяха базирани на транзистори. От своя страна няколко от тези чипове вече формираха самия процесор.
Разбира се, размерите на такива процесори не са много подобни на съвременните. Освен това до 1964 г. всички процесори имаха един проблем. Те изискваха индивидуален подход - собствен език за програмиране за всеки процесор.
1964 IBM System/360. Компютър, съвместим с универсален програмен код. Набор от инструкции за един модел процесор може да се използва за друг.
70-те години Появата на първите микропроцесори. Едночипов процесор от Intel. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 транзистора, 740 kHz.
1973 Intel 4040 и Intel 8008. 3000 транзистора, 740 kHz за Intel 4040 и 3500 транзистора при 500 kHz за Intel 8008.
1974 Intel 8080. 6 µm TPU и 6000 транзистора. Тактовата честота е около 5000 kHz. Именно този процесор беше използван в компютъра Altair-8800. Домашното копие на Intel 8080 е процесорът KR580VM80A, разработен от Киевския изследователски институт по микроустройства. 8 бита
1976 Intel 8080. 3 µm TPU и 6500 транзистора. Тактова честота 6 MHz. 8 бита
1976 Zilog Z80. 3 микрона TPU и 8500 транзистора. Тактова честота до 8 MHz. 8 бита
1978 Intel 8086. 3 µm TPU и 29 000 транзистора. Тактовата честота е около 25 MHz. Наборът от инструкции x86, който все още се използва днес. 16 бита
1980 Intel 80186. 3 µm TPU и 134 000 транзистора. Тактова честота - до 25 MHz. 16 бита
1982 Intel 80286. 1,5 µm TPU и 134 000 транзистора. Честота - до 12,5 MHz. 16 бита
1982 Motorola 68000. 3 µm и 84 000 транзистора. Този процесор е използван в компютъра Apple Lisa.
1985 Intel 80386. 1,5 µm Tp и 275 000 транзистора. Честота - до 33 MHz във версия 386SX.
Изглежда, че списъкът може да бъде продължен за неопределено време, но тогава инженерите на Intel се сблъскаха със сериозен проблем.
Излезе в края на 80-те. Още в началото на 60-те години един от основателите на Intel, Гордън Мур, формулира така наречения „закон на Мур“. Звучи така:
На всеки 24 месеца броят на транзисторите в чипа на интегрална схема се удвоява.
Трудно е този закон да се нарече закон. По-точно би било да го наречем емпирично наблюдение. Сравнявайки темповете на развитие на технологиите, Мур заключи, че може да се формира подобна тенденция.
Но още по време на разработването на четвъртото поколение процесори Intel i486, инженерите бяха изправени пред факта, че вече са достигнали тавана на производителността и вече не могат да поставят повече процесори в същата област. По това време технологиите не позволяваха това.
Като решение беше намерен вариант с помощта на редица допълнителни елементи:
кеш-памет;
конвейер;
вграден копроцесор;
множител.
Част от изчислителния товар падна върху плещите на тези четири възела. В резултат на това появата на кеш паметта, от една страна, усложни дизайна на процесора, от друга страна, той стана много по-мощен.
Процесорът Intel i486 вече се състои от 1,2 милиона транзистора, а максималната честота на неговата работа достига 50 MHz.
През 1995 г. AMD се присъедини към разработката и пусна най-бързия i486-съвместим процесор Am5x86 по това време на 32-битова архитектура. Той вече е произведен по 350-нанометровия технологичен процес, а броят на инсталираните процесори достигна 1,6 милиона броя. Тактовата честота се е увеличила до 133 MHz.
Но производителите на чипове не посмяха да преследват допълнително увеличаване на броя на процесорите, инсталирани на чип и да разработят вече утопичната CISC (Complex Instruction Set Computing) архитектура. Вместо това американският инженер Дейвид Патерсън предложи да се оптимизира работата на процесорите, оставяйки само най-необходимите изчислителни инструкции.
Така производителите на процесори преминаха към платформата RISC (Reduced Instruction Set Computing), но дори това не беше достатъчно.
През 1991 г. излиза 64-битовият процесор R4000, работещ на честота от 100 MHz. Три години по-късно се появява процесорът R8000, а две години по-късно и R10000 с тактова честота до 195 MHz. Успоредно с това се развива пазарът на процесори SPARC, чиято архитектурна характеристика е липсата на инструкции за умножение и деление.
Вместо да се борят за броя на транзисторите, производителите на чипове започнаха да преосмислят архитектурата на своята работа. Отхвърлянето на "ненужни" команди, изпълнението на инструкции в един цикъл, наличието на регистри с обща стойност и конвейерство направи възможно бързото увеличаване на тактовата честота и мощността на процесорите, без да се нарушава броят на транзисторите.
Ето само някои от архитектурите, появили се между 1980 и 1995 г.:
Те бяха базирани на платформата RISC, а в някои случаи и на частично комбинирано използване на платформата CISC. Но развитието на технологиите отново подтикна производителите на чипове да продължат да изграждат процесори.
През август 1999 г. AMD K7 Athlon навлезе на пазара, произведен по 250 nm технологичен процес и включващ 22 милиона транзистора. По-късно летвата беше повишена до 38 милиона процесора. След това, до 250 милиона, технологичният процесор се увеличи, тактовата честота се увеличи. Но както казва физиката, всичко има граници.
7. Краят на състезанието за транзистор е близо
През 2007 г. Гордън Мур направи много грубо изявление:
Законът на Мур скоро ще спре да се прилага. Невъзможно е да инсталирате неограничен брой процесори за неопределено време. Причината за това е атомната природа на материята.
С невъоръжено око се забелязва, че двата водещи производителя на чипове AMD и Intel явно забавиха темпото на развитие на процесора през последните няколко години. Точността на технологичния процес се е увеличила само до няколко нанометра, но е невъзможно да се поставят още повече процесори.
И докато производителите на полупроводници заплашват да пуснат многослойни транзистори, правейки паралел с 3DN и паметта, сериозен конкурент се появи в оградената x86 архитектура преди 30 години.
8. Какво очаква "обикновените" процесори
Законът на Мур е анулиран от 2016 г. Това обяви официално най-големият производител на процесори Intel. Удвояването на изчислителната мощност със 100% на всеки две години вече не е възможно за производителите на чипове.
И сега производителите на процесори имат няколко необещаващи опции.
Първият вариант са квантовите компютри. Вече има опити за изграждане на компютър, който използва частици за представяне на информация. В света има няколко подобни квантови устройства, но те могат да се справят само с алгоритми с ниска сложност.
Освен това за серийното пускане на подобни устройства през следващите десетилетия не може да се говори. Скъпо, неефективно и... бавно!
Да, квантовите компютри консумират много по-малко енергия от съвременните си колеги, но също така ще бъдат по-бавни, докато разработчиците и производителите на компоненти не преминат към нови технологии.
Вторият вариант са процесори със слоеве от транзистори. И Intel, и AMD са помислили сериозно за тази технология. Вместо един слой транзистори, те планират да използват няколко. Изглежда, че през следващите години може да се появят процесори, в които не само броят на ядрата и тактовата честота ще бъдат важни, но и броят на транзисторните слоеве.
Решението има право на живот и по този начин монополистите ще могат да доят потребителя още няколко десетилетия, но в крайна сметка технологията отново ще удари тавана.
Днес, осъзнавайки бързото развитие на ARM архитектурата, Intel направи тихо съобщение за семейството чипове Ice Lake. Процесорите ще се произвеждат по 10-нанометров процес и ще станат основа за смартфони, таблети и мобилни устройства. Но това ще се случи през 2019 г.
9. ARM е бъдещето И така, архитектурата x86 се появи през 1978 г. и принадлежи към типа платформа CISC. Тези. само по себе си това предполага наличието на инструкции за всички случаи. Универсалността е основната силна страна на x86.
Но в същото време гъвкавостта изигра жестока шега с тези процесори. x86 има няколко ключови недостатъка:
сложността на командите и тяхното откровено объркване;
висока консумация на енергия и отделяне на топлина.
За висока производителност трябваше да се сбогувам с енергийната ефективност. Освен това две компании в момента работят върху архитектурата x86, която спокойно може да се припише на монополисти. Това са Intel и AMD. Само те могат да произвеждат x86 процесори, което означава, че само те управляват развитието на технологиите.
В същото време няколко компании участват в разработването на ARM (Arcon Risk Machine). Още през 1985 г. разработчиците избраха RISC платформата като основа за по-нататъшно развитие на архитектурата.
За разлика от CISC, RISC включва проектиране на процесор с минимално необходимия брой инструкции, но максимална оптимизация. RISC процесорите са много по-малки от CISC, по-енергийно ефективни и по-прости.
Освен това ARM първоначално е създаден единствено като конкурент на x86. Разработчиците поставят задачата да изградят архитектура, която е по-ефективна от x86.
Още от 40-те години инженерите разбраха, че една от приоритетните задачи е да се работи за намаляване на размера на компютрите и преди всичко на самите процесори. Но преди почти 80 години едва ли някой можеше да си представи, че пълноценният компютър ще бъде по-малък от кибритена кутия.
За скептичните потребители, които тръгват през първите редове на Geekbench, просто искам да ви напомня: в мобилните технологии размерът е това, което е от значение на първо място.
Поставете блокче за бонбони с мощен 18-ядрен процесор, който „разкъсва ARM архитектурата на парчета“ на масата и след това поставете вашия iPhone до него. Почувствай разликата?
11. Вместо изход
Невъзможно е да се обхване 80-годишната история на развитието на компютрите в един материал. Но след като прочетете тази статия, ще можете да разберете как е подреден основният елемент на всеки компютър - процесорът и какво да очаквате от пазара през следващите години.
Разбира се, Intel и AMD ще работят за по-нататъшно увеличаване на броя на транзисторите на един чип и насърчаване на идеята за многослойни елементи.
Но имате ли нужда от такава мощност като клиент?
Не мисля, че сте недоволни от производителността на iPad Pro или водещия iPhone X. Не мисля, че сте недоволни от работата на вашата мултикукър в кухнята или качеството на картината на 65-инчов 4K телевизор. Но всички тези устройства използват процесори на ARM архитектура.
Windows вече официално обяви, че гледа към ARM с интерес. Компанията включи поддръжка за тази архитектура още в Windows 8.1 и сега активно работи върху тандем с водещия производител на ARM чипове Qualcomm.
Google също успя да разгледа ARM - операционната система Chrome OS поддържа тази архитектура. Появиха се няколко Linux дистрибуции наведнъж, които също са съвместими с тази архитектура. И това е само началото.
И просто се опитайте за момент да си представите колко приятно ще бъде да комбинирате енергийно ефективен ARM процесор с графенова батерия. Именно тази архитектура ще направи възможно получаването на мобилни ергономични джаджи, които могат да диктуват бъдещето.
Компютърният свят се променя бързо. Настолните компютри загубиха първото място в класацията по продажби на лаптопите и са на път да се откажат от пазара на таблети и други мобилни устройства. Преди 10 години оценявахме чистия мегахерц, реалната мощност и производителност. Сега, за да завладее пазара, процесорът трябва да бъде не само бърз, но и икономичен. Мнозина смятат ARM за архитектурата на 21-ви век. Така е?
Ново - добре забравено старо
Журналистите, следвайки пиарите на ARM, често представят тази архитектура като нещо съвсем ново, което трябва да погребе сивокосия x86.
Всъщност ARM и x86, на базата на които са изградени Intel процесори, AMD и VIA, инсталирани в лаптопи и настолни компютри, са на практика на една и съща възраст. Първият x86 чип е пуснат през 1978 г. Проектът ARM официално стартира през 1983 г., но се основава на разработки, които се извършват почти едновременно със създаването на x86.
Ранните ARM впечатляваха специалистите с финеса си, но с относително ниската си производителност не можеха да завладеят пазар, който изисква високи скорости и не обръщаше внимание на ефективността на работа. Трябваше да има определени условия, за да нарасне популярността на ARM.
В началото на осемдесетте и деветдесетте години, с тяхното сравнително евтино масло, бяха търсени огромни SUV с мощни 6-литрови двигатели. Малко хора се интересуваха от електрически автомобили. Но в днешно време, когато един барел петрол струва повече от 100 долара, големите коли с ненаситни двигатели са само за богатите, останалите бързат да преминат към икономични автомобили. Подобно нещо се случи и с ARM. Когато възникна въпросът за мобилността и ефективността, архитектурата се оказа много търсена.
"Риск" процесор
ARM е RISC архитектура. Той използва намален набор от команди - RISC (компютър с намален набор от инструкции). Този тип архитектура се появи в края на седемдесетте, приблизително по същото време, когато Intel представи своя x86.
Докато експериментираха с различни компилатори и микрокодирани процесори, инженерите забелязаха, че в някои случаи последователностите от прости инструкции са по-бързи от една сложна операция. Беше решено да се създаде архитектура, която да включва работа с ограничен набор от прости инструкции, чието декодиране и изпълнение ще отнеме минимум време.
Един от първите проекти за RISC процесори е реализиран от група студенти и преподаватели от университета в Бъркли през 1981 г. Точно по това време британската компания Acorn се изправи пред предизвикателството на времето. Той произвежда образователни компютри BBC Micro, които бяха много популярни в Foggy Albion, базирани на процесора 6502. Но скоро тези домашни компютри започнаха да губят пред по-модерните машини. Acorn рискуваше да загуби пазара. Инженерите на компанията, след като се запознаха със студентската работа върху RISC процесори, решиха, че ще бъде доста лесно да се справят със създаването на собствен чип. През 1983 г. стартира проектът Acorn RISC Machine, който по-късно се превърна в ARM. Три години по-късно излиза първият процесор.
Първи ARMs
Той беше изключително прост. Първите ARM чипове дори бяха лишени от инструкции за умножение и деление, които изглеждаха като набор от повече прости инструкции. Друга особеност на чиповете бяха принципите на работа с паметта: всички операции с данни можеха да се извършват само в регистри. В същото време процесорът работеше с така наречения прозорец на регистъра, тоест имаше достъп само до част от всички налични регистри, които по същество бяха универсални и работата им зависеше от режима, в който се намира процесорът. Това позволи на първите версии на ARM да изоставят кеша.
Освен това, опростявайки наборите от инструкции, архитектите успяха да се справят без редица други блокове. Например, в първия ARM изобщо нямаше микрокод, както и единица с плаваща запетая, FPU. Общият брой на транзисторите в първия ARM беше 30 000. В подобни x86 имаше няколко пъти или дори порядък повече. Допълнителни икономии на енергия се постигат чрез условно изпълнение на команди. Тоест, тази или онази операция ще бъде извършена, ако има съответен факт в регистъра. Това помага на процесора да избягва "прекомерни жестове". Всички инструкции се изпълняват последователно. В резултат на това ARM загуби в производителността, но не значително, като същевременно спечели значително в консумацията на енергия.
Основните принципи на изграждане на архитектурата остават същите като при първите ARM: работа с данни само в регистри, намален набор от инструкции, минимум допълнителни модули. Всичко това осигурява на архитектурата ниска консумация на енергия при относително висока производителност.
За да го увеличи, ARM въведе няколко допълнителни набора от инструкции през последните години. Наред с класическия ARM има Thumb, Thumb 2, Jazelle. Последният е предназначен да ускори изпълнението на Java код.
Cortex - най-модерната ARM
Cortex - модерни архитектури за мобилни устройства, вградени системи и микроконтролери. Съответно процесорите са обозначени като Cortex-A, вградените - Cortex-R и микроконтролерите - Cortex-M. Всички те са базирани на архитектурата ARMv7.
Най-модерната и мощна архитектура в линията ARM е Cortex-A15. Предполага се, че на негова база ще се произвеждат предимно дву- или четириядрени модели. Cortex-A15 от всички предишни ARM е най-близо до x86 по отношение на броя и качеството на блоковете.
Cortex-A15 се основава на процесорни ядра, оборудвани с FPU и набор от NEON SIMD инструкции, предназначени да ускорят обработката на мултимедийни данни. Ядрата имат 13-степенен конвейер, поддържат изпълнението на инструкции в свободен ред, ARM-базирана виртуализация.
Cortex-A15 поддържа разширена система за адресиране на паметта. ARM остава 32-битова архитектура, но инженерите на компанията са се научили как да конвертират 64-битово или друго разширено адресиране в 32-битов разбираем процесор. Технологията се нарича разширения за дълги физически адреси. Благодарение на нея Cortex-A15 теоретично може да адресира до 1 TB памет.
Всяко ядро е оборудвано с кеш памет от първо ниво. Освен това има до 4 MB разпределен L2 кеш с ниска латентност. Процесорът е оборудван със 128-битова кохерентна шина, която може да се използва за комуникация с други блокове и периферни устройства.
Ядрата, които стоят в основата на Cortex-A15, са еволюция на Cortex-A9. Те имат подобна структура.
Cortex-A9, за разлика от Cortex-A15, може да се произвежда както в многоядрени, така и в едноядрени версии. Максималната честота е 2,0 GHz, Cortex-A15 предлага възможност за създаване на чипове, работещи с честота от 2,5 GHz. Чиповете, базирани на него, ще се произвеждат по 40 nm и по-тънки производствени процеси. Cortex-A9 се предлага в 65 и 40 nm процесни технологии.
Cortex-A9, подобно на Cortex-A15, е предназначен за използване във високопроизводителни смартфони и таблети, но е твърде труден за по-сериозни приложения, например в сървъри. Само Cortex-A15 има хардуерна виртуализация, адресиране с разширена памет. В допълнение, наборът от инструкции NEON Advanced SIMD и FPU в Cortex-A9 са незадължителни елементи, докато те са задължителни в Cortex-A15.
Cortex-A8 постепенно ще изчезне от сцената в бъдеще, но засега тази едноядрена опция ще намери приложение в бюджетните смартфони. Едно евтино решение с честоти от 600 MHz до 1 GHz е балансирана архитектура. Има FPU, поддържа първата версия на SIMD NEON. Cortex-A8 предполага един производствен процес - 65 nm.
ARM предишни поколения
Процесорите ARM11 са доста често срещани на пазара на мобилни устройства. Те са базирани на архитектурата ARMv6 и нейните модификации. Характеризира се с 8-9-степенни конвейери, поддръжка на Jazelle, която ускорява обработката на Java код, стрийминг SIMD инструкции, Thumb-2.
Процесорите XScale, ARM10E, ARM9E са базирани на архитектурата ARMv5 и нейните модификации. Максималната дължина на тръбопровода е 6 степени, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Чиповете XScale имат кеш памет от второ ниво. Процесорите се използват в смартфоните от средата на 2000-те, а днес те могат да бъдат намерени в някои евтини мобилни телефони.
ARM9TDMI, ARM8, StrongARM са представители на ARMv4, който има 3-5 етапен конвейер, поддържа Thumb. ARMv4, например, беше намерен в ранните класически iPod.
ARM6 и ARM7 са ARMv3. В тази архитектура блокът FPU се появи за първи път, беше реализирано 32-битово адресиране на паметта, а не 26-битово, както в първите образци на архитектурата. Формално ARMv2 и ARMv1 бяха 32-битови чипове, но в действителност те активно работеха само с 26-битово адресно пространство. Кешът се появи за първи път в ARMv2.
Името им е легион
Първоначално Acorn нямаше да стане играч на пазара на процесори. Задачата на проекта ARM беше да бъде създаването на чип от собствено производство за производство на компютри - именно създаването на компютър в Acorn се смяташе за негов основен бизнес.
От група разработчици, ARM се превърна в компания благодарение на Apple. През 1990 г. Apple си партнира с VLSI и Acorn, за да разработи икономичен процесор за първия ръчен компютър Newton. За тези цели беше създадена отделна компания, която получи името на вътрешния проект Acorn - ARM.
С участието на Apple беше създаден процесорът ARM6, който е най-близък до съвременните чипове на английския разработчик. В същото време DEC успя да патентова архитектурата ARM6 и започна да произвежда чипове под марката StrongARM. Няколко години по-късно технологията беше прехвърлена на Intel като част от друг патентен спор. Микропроцесорният гигант създаде собствен аналог на базата на ARM – процесора XScale. Но в средата на предишното десетилетие Intel се отърва от този „неосновен актив“, фокусирайки се изключително върху x86. XScale е поет от Marvell, която вече е лицензирала ARM.
Новопоявилият се в света ARM в началото не беше в състояние да се занимава с производството на процесори. Ръководството й избра различен начин да печели пари. Архитектурата на ARM се характеризираше с простота и гъвкавост. Първоначално ядрото дори беше лишено от кеш, следователно впоследствие допълнителни модули, включително FPU, контролери не бяха тясно интегрирани в процесора, а бяха като че ли окачени на основата.
Съответно, ARM се сдоби с интелигентен дизайнер, който позволи на технологично напреднали компании да създават процесори или микроконтролери за своите нужди. Това става с помощта на така наречените копроцесори, които могат да разширят стандартната функционалност. Общо архитектурата поддържа до 16 копроцесора (номерирани от 0 до 15), но номерът 15 е запазен за копроцесор, който изпълнява функции за управление на кеша и паметта.
Периферните устройства се свързват към ARM чипа, като съпоставят своите регистри с паметта на процесора или копроцесора. Например, чип за обработка на изображения може да се състои от сравнително просто ядро, базирано на ARM7TDMI, и копроцесор, който осигурява HDTV декодиране.
ARM започна да лицензира своята архитектура. Други компании вече са участвали в внедряването му в силиций, включително Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, но също и напълно неосновни като Samsung, Nokia, Nintendo или Canon.
Липсата на собствени фабрики, както и впечатляващите хонорари, позволиха на ARM да бъде по-гъвкав при разработването на нови версии на архитектурата. Компанията ги изпича като топъл хляб, влизайки в нови ниши. В допълнение към смартфоните и таблетите, архитектурата се използва в специализирани процесори, като GPS навигатори, цифрови фотоапарати и видеокамери. На негова основа се създават индустриални контролери и други чипове за вградени системи.
Системата за лицензиране на ARM е истински хипермаркет за микроелектроника. Компанията лицензира не само нови, но и остарели архитектури. Последните могат да се използват за създаване на микроконтролери или чипове за евтини устройства. Естествено, нивото на авторските възнаграждения зависи от степента на новост и сложност на архитектурния вариант, който представлява интерес за производителя. Традиционно техническите процеси, за които ARM разработва процесори, са 1-2 стъпки зад тези, които се считат за релевантни за x86. Високата енергийна ефективност на архитектурата я прави по-малко зависима от прехода към нови технически стандарти. Intel и AMD се стремят да направят по-тънки чипове, за да увеличат тактовата честота и броя на ядрата, като същевременно поддържат физически размер и консумация на енергия. ARM има по-ниски изисквания за мощност и също така осигурява повече производителност на ват.
Характеристики на процесорите NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell
Чрез лицензиране на ARM отдясно и отляво, разработчиците укрепиха позицията на своята архитектура за сметка на компетенциите на партньорите. NVIDIA Tegra може да се счита за класически пример в този случай. Тази линия системи-на-чип е базирана на ARM архитектурата, но NVIDIA вече има свои собствени много сериозни разработки в областта на триизмерната графика и системната логика.
ARM дава на своите лицензодатели широки правомощия да препроектират архитектурата. Съответно инженерите на NVIDIA успяха да комбинират силните страни на ARM (CPU изчисления) и собствените си продукти в Tegra – работа с триизмерна графика и т.н. В резултат на това Tegra има най-високата 3D производителност в своя клас. Те са с 25-30% по-бързи от PowerVR, използвани от Samsung и Texas Instruments, и са почти два пъти по-бързи от Adreno на Qualcomm.
Други производители на процесори, базирани на ARM архитектурата, укрепват някои допълнителни блокове, подобряват чиповете, за да постигнат по-високи честоти и производителност.
Например, Qualcomm не използва референтния дизайн на ARM. Инженерите на компанията сериозно го преработиха и го нарекоха Scorpio – именно той стои в основата на чиповете Snapdragon. Отчасти дизайнът е преработен, за да се овладеят по-фините технически процеси от стандартния IP ARM. В резултат на това първите Snapdragon са произведени при 45 nm стандарти, което им осигурява по-високи честоти. А новото поколение на тези процесори с декларираните 2,5 GHz дори може да се превърне в най-бързите сред аналозите, базирани на ARM Cortex-A9. Qualcomm също използва собствено графично ядро Adreno, базирано на дизайни, придобити от AMD. Така че в известен смисъл Snapdragon и Tegra са врагове на генетично ниво.
При създаването на Hummingbird Samsung също пое пътя на оптимизиране на архитектурата. Корейците, заедно с Intrinsity, промениха логиката, което намали броя на инструкциите, необходими за извършване на някои операции. Така беше възможно да се спечелят 5-10% от производителността. Освен това бяха добавени динамичен кеш от второ ниво и мултимедийно разширение ARM NEON. Корейците използваха PowerVR SGX540 като графичен модул.
Texas Instruments в новата серия OMAP, базирана на архитектурата ARM Cortex-A, добави специален IVA модул, отговорен за ускоряване на обработката на изображения. Тя ви позволява бързо да обработвате данните, идващи от вградената камера на сензора. Освен това той е свързан с интернет доставчика и допринася за ускорението на видеото. OMAP също използва графика PowerVR.
Apple A4 има голям 512KB кеш памет, PowerVR графика, а самото ядро на ARM е базирано на вариант на архитектурата, преработен от Samsung.
Двуядрен Apple A5, който дебютира в iPad 2 в началото на 2011 г., е базиран на архитектурата ARM Cortex-A9, точно както беше оптимизиран от Samsung последния път. В сравнение с A4, новият чип има два пъти по-голямо количество от L2 кеша – той е увеличен до 1 MB. Процесорът съдържа двуканален RAM контролер и има подобрен видео блок. В резултат на това производителността му при някои задачи е два пъти по-висока от тази на Apple A4.
Marvell предлага чипове, базирани на собствената си архитектура Sheeva, която при по-внимателно разглеждане се оказва хибрид на XScale, веднъж закупен от Intel, и ARM. Тези чипове имат голяма кеш памет в сравнение с техните колеги и са оборудвани със специален мултимедиен модул.
Понастоящем лицензополучателите на ARM произвеждат само чипове, базирани на архитектурата ARM Cortex-A9. В същото време, въпреки че ви позволява да създавате четириядрени варианти, NVIDIA, Apple, Texas Instruments и други все още са ограничени до модели с едно или две ядра. Освен това чиповете работят на честоти до 1,5 GHz. Cortex-A9 ви позволява да правите процесори от два GHz, но отново производителите не се стремят към бързо увеличаване на честотите - засега пазарът ще има достатъчно двуядрени процесори на 1,5 GHz.
Процесорите, базирани на Cortex-A15, трябва да станат наистина многоядрени, но ако бъдат обявени, тогава на хартия. Появата им в силиций трябва да се очаква догодина.
Текущи базирани на Cortex-A9 ARM лицензионни процесори:
x86 - основният съперник
x86 е представител на CISC архитектурите. Те използват пълния набор от команди. Една инструкция в този случай изпълнява няколко операции от ниско ниво. Програмният код, за разлика от ARM, е по-компактен, но не работи толкова бързо и изисква повече ресурси. Освен това от самото начало x86s бяха оборудвани с всички необходими блокове, което предполагаше както тяхната гъвкавост, така и лакомия. Допълнителна енергия беше изразходвана за безусловно, паралелно изпълнение на команди. Това ви позволява да постигнете предимство в скоростта, но някои операции са неактивни, защото не отговарят на предишните условия.
Това бяха класическите x86, но вече започвайки с 80486, Intel де факто създаде вътрешно RISC ядро, което изпълняваше CISC инструкции, предварително разложени на по-прости инструкции. Съвременните процесори на Intel и AMD имат същия дизайн.
Windows 8 и ARM
ARM и x86 днес се различават преди по-малко от 30 години, но все още се основават на различни принципи, което ги разделя в различни ниши на пазара на процесори. Архитектурите може би никога нямаше да се пресекат, ако самият компютър не се беше променил.
Мобилността и ефективността излязоха на преден план, повече внимание беше отделено на смартфоните и таблетите. Apple прави много пари от мобилни джаджи и свързаната с тях инфраструктура. Microsoft не иска да бъде изоставен и вече втора година се опитва да се наложи на пазара на таблети. Google се справя доста добре.
Настолният компютър става преди всичко работещ инструмент, нишата на домакинския компютър е заета от таблети и специализирани устройства. При тези условия Microsoft ще предприеме безпрецедентна стъпка. . Не е съвсем ясно до какво ще доведе това. Ще получим две версии на операционната система или една, която ще работи и с двете архитектури. Ще поддържа ли x86 на Microsoft ARM или не?
Все още има малко информация. Microsoft демонстрира Windows 8 на ARM-базирано устройство по време на CES 2011. Стив Балмър показа, че на платформата ARM можете да използвате Windows за гледане на видеоклипове, работа с изображения, използване на интернет - Internet Explorer дори работи с хардуерно ускорение - свържете USB устройства за отпечатване на документи. Най-важното в тази демонстрация беше Microsoft Office да работи на ARM без виртуална машина. Презентацията показа три джаджи, базирани на процесори Qualcomm, Texas Instruments и NVIDIA. Windows имаше стандартна обвивка "седем", но представители на Microsoft обявиха ново, преработено системно ядро.
Въпреки това, Windows е не само операционна система, създадена от инженерите на Microsoft, но и милиони програми. Някои софтуери са от решаващо значение за хората в много професии. Например пакетът Adobe CS. Ще поддържа ли компанията ARM-Windows версията на софтуера или новото ядро ще позволи на Photoshop и други популярни приложения да работят на компютри с NVIDIA Tegra или подобни чипове без допълнителни модификации на кода?
Освен това има въпрос с видеокартите. Сега видеокартите за лаптопи се правят чрез оптимизиране на консумацията на енергия на графичните чипове за настолни компютри – архитектурно те са еднакви. В същото време сега видеокартата е нещо като „компютър в компютъра“ – тя има собствена свръхбърза RAM и собствен изчислителен чип, който значително превъзхожда конвенционалните процесори при специфични задачи. Разбира се, за тях е направена съответна оптимизация на приложенията, работещи с 3D графика. Да, и различни програми за редактиране на видео и графични редактори (по-специално Photoshop от версия CS4), а напоследък браузърите също използват хардуерно ускорение на GPU.
Разбира се, в Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS и други мобилни системи е направена необходимата оптимизация за различни мобилни (по-точно ултрамобилни) ускорители на пазара. Те обаче не се поддържат в Windows. Драйверите, разбира се, ще бъдат написани (и вече написани - процесорите от серията Intel Atom Z500 се доставят с чипсет, където е интегрирано графичното ядро PowerVR SGX 535 на "смартфона", но оптимизацията на приложенията за тях може да закъснее, ако изобщо .
Очевидно "ARM на работния плот" наистина няма да изтече. Освен в системи с ниска мощност, на които ще имат достъп до интернет и ще гледат филми. Като цяло на неттоповете. Така че ARM само се опитва да замахне в нишата, която Intel Atom зае и където AMD сега активно настоява със своята платформа Brazos. И тя изглежда е част от това. Освен ако и двете процесорни компании не "стрелят" с нещо много конкурентно.
На места Intel Atom и ARM вече се конкурират. Използват се за създаване на мрежови хранилища и сървъри с ниска мощност, които могат да обслужват малък офис или апартамент. Има и няколко търговски клъстерни проекта, базирани на икономични чипове на Intel. Характеристиките на новите процесори, базирани на ARM Cortex-A9, позволяват те да бъдат използвани за поддръжка на инфраструктурата. По този начин след няколко години можем да получим ARM сървъри или ARM-NAS за малки локални мрежи и не може да се изключи появата на уеб сървъри с ниска мощност.
Първи спаринг
Основният съперник на ARM от страна на x86 е Intel Atom и сега можете да добавите . Сравнението на x86 и ARM беше направено от Ван Смит, който създаде тестови пакети OpenSourceMark, miniBench и един от съавторите на SiSoftware Sandra. В надпреварата участваха Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Честотите на x86 чиповете бяха намалени, но те все още имаха предимство поради по-напредналата памет.
Резултатите бяха много интересни. ARM чипът се оказа толкова бърз, колкото и конкурентите си в целочислени операции, като същевременно консумира по-малко енергия. Тук няма нищо изненадващо. Първоначално архитектурата беше едновременно доста бърза и икономична. При операции с плаваща запетая ARM загуби x86. Традиционно мощният FPU блок, наличен за чипове на Intel и AMD, се отрази тук. Припомнете си, че се появи в ARM сравнително наскоро. Задачите, които попадат върху FPU, заемат значително място в живота на съвременния потребител - това са игри, видео и аудио кодиране и други стрийминг операции. Разбира се, тестовете, проведени от Ван Смит, днес вече не са толкова актуални. ARM значително увеличи слабостите на своята архитектура във версиите на Cortex-A9 и особено на Cortex-A15, които, например, вече могат да изпълняват инструкции безусловно, паралелизирайки изпълнението на задачи.
ARM перспектива
И така, каква архитектура трябва да използвате, ARM или x86? Най-добре би било да заложите и на двете. Днес живеем в условия на преформатиране на компютърния пазар. През 2008 г. нетбуците предричаха светло бъдеще. Евтините компактни лаптопи трябваше да се превърнат в основен компютър за повечето потребители, особено на фона на световната криза. Но тогава започна икономическото възстановяване и дойде iPad. Таблетите сега са кралете на пазара. Въпреки това, таблетът е добър като конзола за забавление, но не е много удобен за работа на първо място поради сензорното въвеждане - писането на тази статия на iPad би било много трудно и дълго. Ще издържат ли таблетите изпитанието на времето? Може би след няколко години ще измислим нова играчка.
Но все пак в мобилния сегмент, където не се изисква висока производителност и активността на потребителите е ограничена основно до забавление и не е свързана с работа, ARM изглежда за предпочитане пред x86. Те осигуряват приемливо ниво на производителност, както и страхотен живот на батерията. Опитите на Intel да напомни за Atom досега бяха неуспешни. ARM поставя нова лента за производителност на ват. Най-вероятно ARM ще има успех в компактните мобилни джаджи. На пазара на нетбуци те също могат да станат лидери, но тук всичко зависи не толкова от разработчиците на процесори, а от Microsoft и Google. Ако първият реализира нормална поддръжка на ARM в Windows 8, а вторият ще напомни за Chrome OS. Досега смартбуците, предлагани от Qualcomm, не са направили пазар. Нетбуците, базирани на x86, оцеляха.
Пробив в тази посока, както планира ARM, трябва да направи архитектурата Cortex-A15. Компанията препоръчва базирани на него дву- и четириядрени процесори с честота 1,0-2,0 GHz за системи за домашно забавление, които ще комбинират медиен плейър, 3D телевизор и интернет терминал. Четириядрени чипове с честота 1,5-2,5 GHz могат да станат основата на домашни и уеб сървъри. И накрая, най-амбициозният случай на използване на Cortex-A15 е безжичната инфраструктура. Може да използва чипове с четири или повече ядра, с честота 1,5-2,5 GHz.
Но засега това са само планове. Cortex-A15 беше представен на ARM през септември миналата година. Cortex-A9 беше показан от компанията през октомври 2007 г., две години по-късно компанията представи версията A9 с възможност за увеличаване на честотата на чиповете до 2.0 GHz. За сравнение, NVIDIA Tegra 2 - едно от най-популярните решения, базирани на Cortex-A9 - беше пуснато едва през януари миналата година. Е, първите джаджи, базирани на него, потребителите успяха да усетят след още шест месеца.
Сегментът от работещи компютри и високопроизводителни решения ще остане за x86. Това няма да означава смърт на архитектурата, но в парично изражение Intel и AMD трябва да се подготвят за загубата на част от приходите, които ще отидат при производителите на ARM процесори.
