Τι είναι ένας επεξεργαστής βραχίονα. Συγκριτική ανάλυση μικροελεγκτών με πυρήνα ARM

Λόγω του συνεχώς αυξανόμενου αριθμού εφαρμογών που θέτουν αυξημένες απαιτήσεις για την απόδοση επεξεργασίας δεδομένων, υπάρχει μια τάση προς την αύξηση της ζήτησης για 32-bit. μικροελεγκτές. Αυτό το συμπέρασμα βγήκε από την εταιρεία μάρκετινγκ Semico, η οποία προβλέπει διπλάσια υπεροχή της χωρητικότητας της αγοράς 32 bit. μικροελεγκτές άνω των 8 και 16 bit. το 2007. Από αυτή την άποψη, ο σκοπός αυτού του άρθρου είναι να παρουσιάσει τις γενικές τάσεις ανάπτυξης ενός από τα πιο κοινά 32-bit. Πυρήνες ARM και δίνουν μια συγκριτική αξιολόγηση μικροελεγκτών με βάση αυτούς από τους πιο οικονομικούς κατασκευαστές στις αγορές της ΚΑΚ.

Επισκόπηση της αρχιτεκτονικής ARM

Ο πυρήνας μικροελεγκτή ARM αναπτύχθηκε από την αγγλική εταιρεία με το ίδιο όνομα, που οργανώθηκε το 1990. Το όνομα ARM προέρχεται από το "Advanced RISC Machines". Να σημειωθεί ότι η εταιρεία ειδικεύεται αποκλειστικά στην ανάπτυξη πυρήνων μικροεπεξεργαστών και περιφερειακών μονάδων, ενώ δεν διαθέτει εγκαταστάσεις παραγωγής για την παραγωγή μικροελεγκτών. Η ARM παραδίδει τα σχέδιά της σε ηλεκτρονική μορφή, με βάση την οποία οι πελάτες σχεδιάζουν τους δικούς τους μικροελεγκτές. Οι πελάτες της εταιρείας είναι πάνω από 60 εταιρείες κατασκευής ημιαγωγών, μεταξύ των οποίων είναι δημοφιλείς κατασκευαστές στην αγορά ημιαγωγών της ΚΑΚ όπως Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelect και Texas Instruments.

Επί του παρόντος, η αρχιτεκτονική ARM πρωτοστατεί και καλύπτει το 75% της αγοράς των 32 bit. ενσωματωμένοι μικροεπεξεργαστές RISC. Η επικράτηση αυτού του πυρήνα εξηγείται από την τυπική φύση του, η οποία επιτρέπει στον προγραμματιστή να χρησιμοποιεί πιο ευέλικτα τις δικές του και τις εξελίξεις λογισμικού τρίτων, τόσο κατά τη μετάβαση σε έναν νέο πυρήνα επεξεργαστή ARM όσο και κατά τη μετάβαση μεταξύ διαφορετικών τύπων μικροελεγκτών ARM.

Επί του παρόντος, έχουν αναπτυχθεί έξι μεγάλες οικογένειες (βλ. Εικόνα 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ και SecurCore™. Οι οικογένειες XScale™ και StrongARM® έχουν επίσης αναπτυχθεί με την Intel.

Ως προσθήκη στην αρχιτεκτονική ARM, μπορούν να ενσωματωθούν διάφορες επεκτάσεις:

• Thumb® - 16-bit ένα σύνολο εντολών που βελτιώνει την απόδοση της μνήμης του προγράμματος.
• DSP - ένα σύνολο αριθμητικών οδηγιών για την επεξεργασία ψηφιακού σήματος.
• Jazelle™ - επέκταση για την απευθείας εκτέλεση εντολών Java μέσω υλικού.
• Μέσα - μια επέκταση για 2-4 φορές την ταχύτητα επεξεργασίας σημάτων ήχου και βίντεο.

Εικόνα 1. Πυρήνες επεξεργαστή ARM

Τα επίπεδα ρεκόρ που έχει διασχίσει η αρχιτεκτονική ARM είναι η ταχύτητα άνω του 1 GHz και η ειδική κατανάλωση 1 μW / MHz. Ανάλογα με το σκοπό, οι επεξεργαστές ARM χωρίζονται σε τρεις ομάδες (βλ. Εικόνα 2):

• Επεξεργαστές για λειτουργικά συστήματα ανοιχτής πλατφόρμας σε εφαρμογές ασύρματων επικοινωνιών, απεικόνισης και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης.
• Επεξεργαστές για ενσωματωμένα λειτουργικά συστήματα σε πραγματικό χρόνο για μαζική αποθήκευση, βιομηχανικές, αυτοκινητοβιομηχανίες και εφαρμογές δικτύου.
• Σύστημα προστασίας δεδομένων για έξυπνες κάρτες και κάρτες SIM.

0,18 μm (0,13 μm)
Πυρήνας	Κρύπτη	Εμβαδόν, mm 2	Ειδική κατανάλωση mW/MHz	Συχνότητα, 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)

Εικόνα 2. Τεχνικά δεδομένα για πυρήνες επεξεργαστή
ISE - in-circuit emulator, RT - πραγματικός χρόνος, DSP - επεξεργαστής ψηφιακού σήματος, SIMD - πολλαπλά δεδομένα σε μία εντολή, TCM - στενά συζευγμένη μνήμη (cache), ETM - ενσωματωμένα μακροστοιχεία ίχνους, VIC - διανυσματικός ελεγκτής διακοπής, ASB , AHB - τύποι εσωτερικών ελαστικών

Η υπόσχεση του πυρήνα ARM γίνεται εμφανής μετά την επαναστατική ανακοίνωση της Atmel στο συνέδριο προγραμματιστών μικροελεγκτών ARM που πραγματοποιήθηκε στη Σάντα Κλάρα (ΗΠΑ) τον Οκτώβριο του 2004. Η ουσία της ανακοίνωσης ήταν η πρόθεση της Atmel να κυκλοφορήσει 32-bit. Μικροελεγκτές AT91SAM7S στην τιμή των 8-bit, με στόχο τα 8-bit. εφαρμογές για επέκταση της λειτουργικότητας της επεξεργασίας πληροφοριών, διατηρώντας παράλληλα το ανταγωνιστικό τους κόστος στο ίδιο επίπεδο.

Σετ οδηγιών αντίχειρα

32-bit Οι επεξεργαστές ARM υποστηρίζουν προηγούμενα 16-bit. ανάπτυξη υποστηρίζοντας το σύνολο εντολών Thumb. Χρήση 16-bit Οι οδηγίες μπορούν να εξοικονομήσουν έως και 35% μνήμη σε σύγκριση με το αντίστοιχο 32-bit. κώδικα, διατηρώντας παράλληλα όλα τα πλεονεκτήματα των 32-bit. σύστημα, για παράδειγμα, πρόσβαση στη μνήμη με 32-bit. χώρο διευθύνσεων.

Τεχνολογία SIMD

Η τεχνολογία SIMD (πολλαπλά δεδομένα σε μία εντολή) χρησιμοποιείται στην επέκταση μέσων και στοχεύει στην αύξηση της ταχύτητας επεξεργασίας δεδομένων σε εφαρμογές όπου απαιτείται χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Οι επεκτάσεις SIMD είναι βελτιστοποιημένες για ένα ευρύ φάσμα λογισμικού, συμ. κωδικοποιητές ήχου / βίντεο, όπου σας επιτρέπουν να αυξήσετε την ταχύτητα επεξεργασίας κατά 4 φορές.

Σύνολο εντολών DSP (DSP)

Πολλές εφαρμογές θέτουν υψηλές απαιτήσεις στην ταχύτητα επεξεργασίας σήματος σε πραγματικό χρόνο. Παραδοσιακά, σε τέτοιες περιπτώσεις, οι προγραμματιστές καταφεύγουν στη χρήση ενός επεξεργαστή ψηφιακού σήματος (DSP), ο οποίος αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος τόσο της ίδιας της ανάπτυξης όσο και της τελικής συσκευής. Για την εξάλειψη αυτών των αδυναμιών, ορισμένοι επεξεργαστές ARM έχουν ενσωματώσει εντολές DSP που εκτελούν 16-bit. και 32-bit. αριθμητικές πράξεις.

Τεχνολογία Jazelle®

Η τεχνολογία ARM Jazelle απευθύνεται σε εφαρμογές που υποστηρίζουν τη γλώσσα προγραμματισμού Java. Προσφέρει έναν μοναδικό συνδυασμό υψηλής απόδοσης, χαμηλού κόστους συστήματος και χαμηλών απαιτήσεων ενέργειας που δεν μπορούν να επιτευχθούν ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας έναν συμεπεξεργαστή ή έναν αποκλειστικό επεξεργαστή Java.

Η τεχνολογία ARM Jazelle είναι μια επέκταση στα 32-bit. Μια αρχιτεκτονική RISC που επιτρέπει σε έναν επεξεργαστή ARM να εκτελεί κώδικα Java σε υλικό. Ταυτόχρονα, επιτυγχάνεται αξεπέραστη απόδοση εκτέλεσης κώδικα Java με χρήση της αρχιτεκτονικής ARM. Έτσι, οι προγραμματιστές έχουν την ευκαιρία να εφαρμόσουν ελεύθερα εφαρμογές Java, συμ. λειτουργικά συστήματα και κώδικας εφαρμογής, στον ίδιο επεξεργαστή.

Η τεχνολογία Jazelle είναι επί του παρόντος ενσωματωμένη στους ακόλουθους επεξεργαστές ARM: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S και ARM7EJ-S.

Οι παραδοσιακοί επεξεργαστές ARM υποστηρίζουν 2 σύνολα εντολών: στη λειτουργία ARM, οδηγίες 32 bit και στη λειτουργία Thumb, οι πιο δημοφιλείς οδηγίες συμπιέζονται σε 16 bit. μορφή. Η τεχνολογία Jazelle επεκτείνεται σε αυτήν την ιδέα προσθέτοντας ένα τρίτο σύνολο εντολών Java που καλείται στη νέα λειτουργία Java.

Ευφυής Τεχνολογία Διαχείρισης Ενέργειας

Μία από τις κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι προγραμματιστές φορητών συσκευών (όπως έξυπνα τηλέφωνα, προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί και συσκευές αναπαραγωγής ήχου/βίντεο) είναι η βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας, η οποία μπορεί να βελτιώσει χαρακτηριστικά απόδοσηςτελικής συσκευής παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας ή μειώνοντας το μέγεθος της συσκευής.

Η παραδοσιακή μέθοδος μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας είναι η χρήση οικονομικών τρόπων λειτουργίας, όπως η αδράνεια (αδράνεια) ή η αναστολή λειτουργίας (αδράνεια), οι οποίες διαφέρουν ως προς το βάθος απενεργοποίησης των εσωτερικών στοιχείων. Κατά κανόνα, ο ενεργός τρόπος λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος έχει σχεδιαστεί για τις χειρότερες συνθήκες λειτουργίας και χαρακτηρίζεται από μέγιστο φορτίο, μειώνοντας έτσι άσκοπα τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Επομένως, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω η κατανάλωση της μπαταρίας, οι προγραμματιστές δίνουν ιδιαίτερη προσοχή στη διαχείριση ενέργειας σε ενεργή λειτουργία.

Για να διευκολυνθεί αυτή η διαδικασία, η τεχνολογία Intelligent Energy Manager (IEM) έχει αναπτυχθεί για επεξεργαστές ARM. Αυτή η τεχνολογία είναι ένας συνδυασμός στοιχείων υλικού και λογισμικού που συνεργάζονται για την εκτέλεση δυναμικής κλίμακας ισχύος.

Η ουσία της μεθόδου δυναμικού ελέγχου της τάσης τροφοδοσίας βασίζεται στην έκφραση της κατανάλωσης ισχύος των επεξεργαστών CMOS:

όπου P είναι η συνολική κατανάλωση ισχύος, C είναι η χωρητικότητα μεταγωγής, fc είναι η συχνότητα του επεξεργαστή, είναι η τάση τροφοδοσίας, είναι το ρεύμα διαρροής σε στατική λειτουργία. Από την έκφραση προκύπτει ότι η συχνότητα και η τάση τροφοδοσίας μπορούν να μεταβληθούν για να ρυθμίσουν την κατανάλωση ισχύος.

Η μείωση της συχνότητας για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας χρησιμοποιείται ευρέως σε μικροελεγκτές και συστήματα σε τσιπ (PSoC), αλλά το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου δεν είναι η μείωση της απόδοσης. Η μέθοδος δυναμικού ελέγχου της τάσης τροφοδοσίας βασίζεται στη μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας, ωστόσο, εάν εξαντληθούν οι δυνατότητες ρύθμισης, τότε η μέθοδος ρύθμισης της συχνότητας του επεξεργαστή χρησιμοποιείται ως πρόσθετη μέθοδος.

Μικροελεγκτές βασισμένοι στην αρχιτεκτονική ARM

Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τη γενική Συγκριτικά χαρακτηριστικάΜικροελεγκτές ARM από τους πιο γνωστούς και οικονομικούς κατασκευαστές: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors και Texas Instruments, και ο Πίνακας 2 παρουσιάζει τα τεχνικά τους στοιχεία με περισσότερες λεπτομέρειες.

Πίνακας 1. Σύγκριση μικροελεγκτών ARM από διαφορετικούς κατασκευαστές κατά βασικά χαρακτηριστικά

TMS 470 (Texas Instruments)	AT91 (Atmel)	Micro Converter (AD)	LPC2000 (Philips)
Συστήματος:
Πυρήνας ARM7TDMI Ένας εξωτερικός διαιρέτης ρολογιού (ECP) σάς επιτρέπει να χρονομετράτε μια εξωτερική συσκευή στην επιθυμητή συχνότητα	Πυρήνας ARM7TDMI/ARM920T Προαιρετικός ενσωματωμένος βαθμονομημένος ταλαντωτής RC Το DMA για ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ περιφερειακών συσκευών και μνήμης εκφορτώνει σημαντικά τον επεξεργαστή Ενεργοποίηση/απενεργοποίηση ξεχωριστού ρολογιού για κάθε περιφερειακό (250 uA αν είναι όλα απενεργοποιημένα) Ενσωματωμένος σταθεροποιητής 1,8V	Πυρήνας ARM7TDMI Ενσωματωμένη βαθμονομημένη γεννήτρια RC (± 3%)	Πυρήνας ARM7TDMI-S (ελαφρώς χειρότερη ειδική κατανάλωση από τον ARM7TDMI) Εκδόσεις για εύρος θερμοκρασίας -40…+105°C
Μνήμη:
Μνήμη Flash έως 1 MB Μονάδα προστασίας μνήμης (MSM)	Οικονομική στατική RAM (για παράδειγμα, η AT91M40800 στα 40 MHz με εξωτερική RAM (12ns) αντλεί 120 mA και η AT91R40807 με εσωτερική RAM αντλεί 50 mA υπό τις ίδιες συνθήκες).	Πρόγραμμα Flash/μνήμη δεδομένων έως 62 KB με διατήρηση δεδομένων έως και 100 χρόνια και αντοχή 100 χιλιάδων κύκλων εγγραφής/διαγραφής	Μνήμη flash με 128-bit διεπαφή επιταχυντή για λειτουργία σε συχνότητα 60 MHz
Αναλογικά περιφερειακά:
Multibuffer ADC: - 10 bit, 16 κανάλια, 1,75 µs (αναμονή δείγματος, μετατροπή). - τη δυνατότητα οργάνωσης ομάδων καναλιών. - μοντέλα προγραμματισμού: TMS470R1X συμβατότητα ADC και προσωρινή αποθήκευση αποτελεσμάτων μετατροπής (FIFO). - τρόποι λειτουργίας: μετατροπή, βαθμονόμηση (αναζήτηση για το μέσο του σφάλματος μεροληψίας ADC). - αυτοέλεγχος (έλεγχος σφαλμάτων στις αναλογικές εισόδους). ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ. - τρία κανάλια PDP. - έναρξη μετατροπής, συμπ. ομάδα, με εξωτερικό συμβάν ή χρονόμετρο. - έξοδοι για τον καθορισμό και των δύο ορίων μετασχηματισμού (έξοδοι ADREFHI και ADREFLO).		Ενσωματωμένος αισθητήρας θερμοκρασίας (± 3°С) 12-bit ADC - 1 εκατομμύριο μετατροπείς σε δευτερεύουσες - μονού ή πλήρους διαφορικές λειτουργίες 12-bit DAC - σήμα εξόδου: τάση - προαιρετικός ενισχυτής buffer εξόδου. - ταλάντευση με πλήρη ισχύ (σιδηροτροχιά σε ράγα) Συγκριτής (K) - 2 είσοδοι και έξοδοι συνδεδεμένες στις ακίδες του μικροκυκλώματος	10-bit πολυπλεξίας ADC: - χρόνος μετατροπής 2,44 µs (400 χιλιάδες μετατροπές ανά δευτερόλεπτο) - εύρος μετατροπής 0 ... 3V - ενεργοποιείται από εξωτερικό σήμα ή χρονοδιακόπτη
Ψηφιακά περιφερειακά:
Χρονοδιακόπτης υψηλής ποιότητας (HET): - ένα σετ 21 εξειδικευμένων οδηγιών για τον έλεγχο του χρονοδιακόπτη. - μια εξειδικευμένη προκαθορισμένη μικρομηχανή χρονοδιακόπτη που σχετίζεται με γραμμές εισόδου-εξόδου. Γεννήτρια γωνίας υλικού (HWAG) για την επίλυση εργασιών ελέγχου κινητήρα: - συνεργασία με NO	Ρολόι πραγματικού χρόνου με ξεχωριστή εφεδρική είσοδο ισχύος Χρονοδιακόπτης περιοδικού διαστήματος (PIT) για τη δημιουργία χρονικά συγχρονισμένων διακοπών	Προγραμματιζόμενος λογικός πίνακας - δύο μπλοκ που συνδέουν 16 εισόδους και 14 εξόδους - 2 λογικό στοιχείο εισόδου με οποιαδήποτε δεδομένη συνάρτηση μετατροπής Τριφασικό 16-bit Γεννήτρια PWM για έλεγχο μετατροπέα/μοτέρ - αντιφασικές έξοδοι σε κάθε φάση με ρυθμιζόμενη μη επικαλυπτόμενη παύση - ρυθμιζόμενη συχνότητα PWM	32-bit χρονόμετρα (κανάλια λήψης άκρων και κανάλια σύγκρισης), μπλοκ PWM (6 έξοδοι), ρολόι πραγματικού χρόνου
Διεπαφές:
Σειριακές διεπαφές 2ης κατηγορίας (C2SIa και C2SIb) - λήψη και μετάδοση δεδομένων σε ένα δίκτυο πολλαπλών κύριων. - σύνδεση του TMS470R1Vx με μικροκυκλώματα εξωτερικής αναλογικής διεπαφής. - buffering, ανίχνευση σφαλμάτων και σπασίματος, βαθμονόμηση κ.λπ. Ελεγκτές CAN - στάνταρ (SCC): γραμματοκιβώτιο για 16 μηνύματα. - υψηλής ποιότητας (HECC): γραμματοκιβώτιο για 32 μηνύματα. Διεπαφή DSP - συνδέει mega module TMS470R1x και TMS320C54x DSP Μονάδα επέκτασης διαύλου (EBM): - υποστήριξη 8 ή 16-bit. εξωτερική μνήμη; - Λειτουργία I/O γενικής χρήσης όταν δεν χρησιμοποιείται εξωτερικός δίαυλος	Διασύνδεση USB 2.0 Διασύνδεση εξωτερικής μνήμης με διαμορφώσιμες εξόδους επιλογής εξωτερικών τσιπ Ελεγκτής προγραμματισμού υψηλής ταχύτητας: - Λειτουργίες προγραμματισμού σειριακής και παράλληλης μνήμης Flash Διεπαφές καρτών Flash (RM9200)	Τυπικές σειριακές διεπαφές (UART, SPI, I2C)	Συμβατό με 16C550 UART - υποστήριξη για σήματα μόντεμ σε ένα από τα UART Ρυθμιζόμενη διεπαφή εξωτερικής μνήμης με 4 τράπεζες και πλάτος δεδομένων 8/16/32

Πίνακας 2. Τεχνικά δεδομένα για μικροελεγκτές ARM από την Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors

Ονομα	Πυρήνας	Πλαίσιο	Μνήμη		Περιφερειακά						I/O	Μέγιστη. h-ta, MHz
			Flash, KB	RAM, KB	Μετρών την ώραν	ADC, ch / res	SPI/U(S)APP/ I2C	USB Dev/Host	ΜΠΟΡΩ	Αλλα
Μικροελεγκτές της οικογένειας TMS470 από την Texas Instruments
TMS470R1A64	ARM7TDMI	80 LQFPs	64	4	13	8/10	2/2/-	-	2	C2SI	40	48
	ARM7TDMI	100 LQFPs	128	8	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100 LQFPs	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	ΚΤΥΠΗΜΑ	87	60
	ARM7TDMI	144 LQFP	768	48	32	16/10	5/2/-	-	3	ΚΤΥΠΗΜΑ	87	60
TMS470R1A1024	ARM7TDMI	144 LQFP	1024	64	12	12/10	5/2/1	-	2	DMA, EBM, MSM	93	60
Η οικογένεια ARM Thumb της Atmel AT91
	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 ρούβλια DAC	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, ενθ. 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
Μικροελεγκτές της οικογένειας MicroConverter από την Αναλογική Συσκευή
	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			3στ. PWM, K, PLM	30	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		12/12	1/1/2			4 x 12p.DAC, 3-φασικό PWM, K, PLM	40	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		16/12	1/1/2			3στ. PWM, K, PLM	40	45
Μικροελεγκτές της οικογένειας LPC2000 της Philips Semiconductors
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	16	4		1/2/1			6 κεφ. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	32	4		1/2/1			6 κεφ. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	64	4		1/2/1			6 κεφ. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 κεφ. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 κεφ. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 κεφ. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 κεφ. PWM	46	60
2/2/1			6 κεφ. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		2	6 κεφ. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		4	6 κεφ. PWM	112	60

Παρά τη χρήση του κοινού πυρήνα ARM7TDMI στους περισσότερους μικροελεγκτές, οι μικροελεγκτές διαφορετικών κατασκευαστών έχουν ένα αρκετά καθαρό πορτρέτο. Η Analog Device είναι ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης στα αναλογικά περιφερειακά με 12-bit. Κατηγορία ADC και DAC 1MHz. Η Atmel υστερεί αισθητά σε αυτή την κατεύθυνση, η οποία στην ανάπτυξη μεμονωμένων ADC έχει ήδη πάρει το φράγμα των 2 GHz, αλλά για να ενσωματώσει ένα αξιοπρεπές ADC στα 32-bit. μικροελεγκτή και δεν μπορούσε. Ωστόσο, αυτό το μειονέκτημα των μικροελεγκτών Atmel ξεπερνά τη "φιλικότητα" τους (κατά τη χρήση της ενσωματωμένης γεννήτριας RC και σταθεροποιητή, απαιτείται μόνο μία τάση τροφοδοσίας για την εκκίνηση του μικροελεγκτή), την απόδοση και το πιο σημαντικό, το χαμηλό κόστος. Μεταξύ των εν λόγω μικροελεγκτών, οι μικροελεγκτές Atmel είναι οι μόνοι που περιέχουν διασύνδεση USB. Οι μικροελεγκτές TI χαρακτηρίζονται από υπερβολική αντιπροσωπευτικότητα με μέτριο κόστος. Δουλεύοντας με μικροελεγκτές TMS470, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι οι περιφερειακοί πόροι είναι επαρκείς. Οι μικροελεγκτές LPC2000 (Philips) μπορούν να ονομαστούν ο χρυσός μέσος όρος σύμφωνα με τα εξεταζόμενα κριτήρια. Διακρίνονται από την παρουσία ενός UART που κατασκευάζεται σύμφωνα με την παράδοση της Philips και το οποίο είναι συμβατό με το πρότυπο 16C550 UART, ενώ διαθέτει επίσης διεπαφή μόντεμ και λειτουργία ελέγχου επικοινωνίας υλικού με buffering FIFO. Μεταξύ των μικροελεγκτών ARM της Philips, μπορείτε να βρείτε αντιπροσώπους για εκτεταμένο εύρος θερμοκρασίας -40…+105°C.

32-bit μικροελεγκτές με εναλλακτικούς πυρήνες

Όταν πρόκειται για 32-bit. μικροελεγκτές, θα ήταν άδικο να μην αναφέρουμε άλλα 32-bit. εναλλακτικές στον πυρήνα ARM. Από αυτή την άποψη, πρέπει να ξεχωρίσουμε τον πυρήνα FR της Fujitsu και τον M68000/M68300 της Motorola.

Ο πυρήνας FR χρησιμοποιείται σε έναν τεράστιο αριθμό μικροελεγκτών (πάνω από 40) που σχηματίζουν πολλές οικογένειες και διαθέτει λειτουργία συνόλου εντολών 16-bit για τη βελτιστοποίηση της χρήσης της μνήμης του προγράμματος με ελάχιστη υποβάθμιση της απόδοσης, η οποία είναι ίδια με τον πυρήνα ARM. Το μέγεθος της ROM και της RAM φτάνει έως και τα 512 kB, ανάλογα με τον τύπο, υποστηρίζεται μια ποικιλία τυπικών περιφερειακών, συμπεριλαμβανομένων. 10-bit ADC, 12-bit PWM, διασύνδεση CAN, UART κ.λπ. Όπως και στην περίπτωση των μικροελεγκτών ARM, οι μικροελεγκτές που βασίζονται στον πυρήνα FR διακρίνονται από κοινές παραδόσεις που ορίζει ο προγραμματιστής και οι οποίες είναι αναγνωρίσιμες σε όλη τη σειρά μικροελεγκτών. Στην περίπτωση του Fujitsu, πρόκειται για υποστήριξη υλικού για endianism, μια λειτουργία αναζήτησης bit υλικού, πολλά κανάλια του ίδιου τύπου περιφερειακών συσκευών και μια είσοδο διακοπής που δεν μπορεί να καλύψει. Ένα αρκετά αξιοπρεπές 10-bit είναι ενσωματωμένο σε πολλούς μικροελεγκτές. ADC (χρόνος μετατροπής 1,7 μs) και DAC (0,9 μs). Στην οικογένεια FRLite, έχει σημειωθεί ρεκόρ ειδικής κατανάλωσης ισχύος 1 mA / MHz. Η οικογένεια FR 65E έχει τη μέγιστη ταχύτητα, στην οποία η συχνότητα ρολογιού φτάνει τα 66 MHz.

32-bit Οι μικροελεγκτές Motorola χαρακτηρίζονται από υλοποίηση από ένα σύνολο τυπικών λειτουργικών μονάδων. Οι μικροελεγκτές της οικογένειας 68300 περιλαμβάνουν: επεξεργαστή 32 bit (CPU32), μονάδες εσωτερικής μνήμης, μονάδα διασύνδεσης ενοποίησης συστήματος (SIM), μονάδα σειριακής διεπαφής (QSM), επεξεργαστή χρονοδιακόπτη (TPU) ή μονάδα χρονοδιακόπτη (GPT), αναλογικό ψηφιακό μετατροπέα (ADC) και πλήθος άλλων. Οι μονάδες συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός διαύλου intermodule. Ο επεξεργαστής CPU32 που χρησιμοποιείται σε μικροελεγκτές της οικογένειας 68300 είναι παρόμοιος στις κύριες λειτουργίες του με τον μικροεπεξεργαστή 32-bit MC68020 της οικογένειας 68000. Για χρήση σε συστήματα επικοινωνίας, παράγονται μικροελεγκτές που περιέχουν μια μονάδα επεξεργαστή επικοινωνίας RISC που έχει ένα σύνολο ειδικών εργαλεία για την ανταλλαγή δεδομένων. Τέτοιοι ελεγκτές επικοινωνίας (68360, 68302, 68356) αποτελούν επίσης μέρος της οικογένειας 68300. της οικογένειας 68000 είναι ο διαχωρισμός των πόρων και των δυνατοτήτων τους ανάλογα με την κατηγορία των εργασιών που επιλύονται. Αυτό συνεπάγεται την υλοποίηση δύο κατηγοριών εργασιών: έλεγχο της λειτουργίας του ίδιου του συστήματος μικροεπεξεργαστή με τη βοήθεια λογισμικού συστήματος (λειτουργικό σύστημα - επόπτης) και επίλυση εφαρμοζόμενων εργασιών χρήστη. Αυτό οδηγεί σε τρόπους λειτουργίας: λειτουργία επόπτη ή λειτουργία χρήστη. Ανάλογα με τη λειτουργία, όταν εκτελούνται προγράμματα, επιτρέπεται η πρόσβαση σε όλους ή σε μέρος των πόρων του μικροελεγκτή. Η λειτουργία επόπτη επιτρέπει την εκτέλεση οποιωνδήποτε εντολών που εφαρμόζονται από τον επεξεργαστή και την πρόσβαση σε όλους τους καταχωρητές. Στη λειτουργία χρήστη, η εκτέλεση ορισμένων εντολών και η πρόσβαση σε ορισμένα μητρώα απαγορεύεται προκειμένου να περιοριστεί η πιθανότητα τέτοιων αλλαγών στην κατάσταση του συστήματος που ενδέχεται να παρεμποδίσουν την εκτέλεση άλλων προγραμμάτων ή να παραβιάσουν τον τρόπο λειτουργίας του επεξεργαστή ορίζεται από τον επόπτη. Ένα ισχυρό επιχείρημα υπέρ της επιλογής μικροελεγκτών Motorola είναι η υψηλή δημοτικότητα της οικογένειας M68000 στην εποχή της και η συμβατότητα λογισμικού των M68000 και πιο σύγχρονων μικροελεγκτών M68300, που επιτρέπει τη χρήση υπαρχουσών εξελίξεων λογισμικού σε νέες εξελίξεις, μειώνοντας έτσι τον χρόνο σχεδιασμού.

• Το αναμφισβήτητο πλεονέκτημα του πυρήνα ARM είναι η τυπότητά του, η οποία σας επιτρέπει να χρησιμοποιείτε λογισμικό από άλλους συμβατούς μικροελεγκτές, να έχετε ευρύτερη πρόσβαση σε εργαλεία σχεδίασης ή πιο εύκολη μετακίνηση μεταξύ μικροελεγκτών.
• Παρά τη χρήση του ίδιου πυρήνα ARM σε μικροελεγκτές διαφορετικών κατασκευαστών, ωστόσο, καθένας από αυτούς έχει το δικό του πρόσωπο, το οποίο επιτυγχάνεται με την αρχική "συνταγή" περιφερειακών συσκευών και την κατάληψη ηγετικών θέσεων σε ορισμένους τύπους περιφερειακών συσκευών, για παράδειγμα, για Αναλογική Συσκευή, αυτός είναι ένας ψηφιακός-αναλογικός μετατροπέας.
• Οι πυρήνες ARM έχουν αντιπροσωπευτική ονοματολογία και δυναμική ανάπτυξης, ωστόσο, από τη σύγκριση προκύπτει ότι οι μικροελεγκτές που βασίζονται στον πυρήνα ARM7TDMI είναι κυρίως διαθέσιμοι για το ευρύ κοινό. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί, για παράδειγμα, από το γεγονός ότι ο κύριος τομέας κατανάλωσης μικροελεγκτών ARM είναι οικιακές, γραφειακές, ηλεκτρονικές συσκευές και εξοπλισμός χρηστών, οι οποίοι, δυστυχώς, παράγονται κυρίως από ξένους OEM.
• Η αγορά μικροελεγκτών 32 bit έχει υψηλή χωρητικότητα, η οποία θα αναπτυχθεί δυναμικά τα επόμενα χρόνια, επομένως, πρέπει απλώς να παρακολουθήσουμε τον αγώνα των κατασκευαστών μικροελεγκτών για το μερίδιο αυτής της αγοράς, να ακολουθήσουμε τις ανακοινώσεις και να έχουμε χρόνο να κυριαρχήσουμε στις νέες τεχνολογίες .

Βιβλιογραφία

1. J. Wilbrink. Διευκόλυνση της μετάβασης από μικροελεγκτές 8-bit σε 32-bit/Atmel Corporation -2004.
2. "Η Atmel παρουσιάζει τον Πρώτο Παγκόσμιο Μικροελεγκτή Flash ARM7 Sub $3", ειδήσεις της Atmel στις 19/10/04, www.atmel.com.
3. Processor Cores Flyer//Αναφορά: ARM DOI 0111-4/05.03, Έκδοση: Μάιος 2003.
4. Υλικά τοποθεσίας www.arm.com

Το όνομα ARM έχει σίγουρα ακουστεί από όλους όσους ενδιαφέρονται για την κινητή τεχνολογία. Πολλοί κατανοούν αυτή τη συντομογραφία ως έναν τύπο επεξεργαστή για smartphone και tablet, ενώ άλλοι διευκρινίζουν ότι δεν πρόκειται για επεξεργαστή, αλλά για την αρχιτεκτονική του. Και σίγουρα λίγοι άνθρωποι ασχολήθηκαν με την ιστορία της εμφάνισης του ARM. Σε αυτό το άρθρο, θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε όλες αυτές τις αποχρώσεις και να σας πούμε γιατί τα σύγχρονα gadget χρειάζονται επεξεργαστές ARM.

Μια σύντομη εκδρομή στην ιστορία

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

Από το 1998, η Advanced Risc Machine έγινε γνωστή ως ARM Limited. Αυτή τη στιγμή, η εταιρεία δεν ασχολείται με την παραγωγή και πώληση των δικών της μεταποιητών. Η κύρια και μοναδική δραστηριότητα της ARM Limited είναι η ανάπτυξη τεχνολογιών και η πώληση αδειών χρήσης σε διάφορες εταιρείες για τη χρήση της αρχιτεκτονικής ARM. Μερικοί κατασκευαστές αγοράζουν άδεια για πυρήνες εκτός ραφιού, άλλοι τη λεγόμενη «αρχιτεκτονική άδεια» για την παραγωγή επεξεργαστών με τους δικούς τους πυρήνες. Αυτές οι εταιρείες περιλαμβάνουν τις Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon και άλλες. Σύμφωνα με ορισμένες αναφορές, η ARM Limited κερδίζει 0,067 $ σε κάθε τέτοιο επεξεργαστή. Αυτός ο αριθμός είναι μέσος και επίσης ξεπερασμένος. Κάθε χρόνο υπάρχουν όλο και περισσότεροι πυρήνες στα chipsets και οι νέοι πολυπύρηνες επεξεργαστές ξεπερνούν σε απόδοση τα απαρχαιωμένα δείγματα σε κόστος.

Τεχνικά χαρακτηριστικά των τσιπ ARM

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

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

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

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

Οι επωνυμίες A για τις ναυαρχίδες τους χρησιμοποιούν συχνά chipset που κατασκευάζονται από Qualcomm. Παρεμπιπτόντως, τα τελευταία τσιπ Qualcomm Snapdragon (,) είναι εξοπλισμένα με πλήρως προσαρμοσμένους πυρήνες Kryo για τον κεντρικό επεξεργαστή και Adreno για τον επιταχυντή γραφικών.

Σχετικά με μήλο, στη συνέχεια για το iPhone και το iPad, η εταιρεία χρησιμοποιεί τα δικά της τσιπ της σειράς Α με επιταχυντή γραφικών PowerVR, τα οποία παράγονται από τρίτες εταιρείες. Έτσι, εγκαθίστανται ένας τετραπύρηνος επεξεργαστής A10 Fusion 64 bit και ένας επεξεργαστής γραφικών PowerVR GT7600.

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

Το Cortex-A73 προσφέρει 30% ταχύτερη απόδοση από το Cortex-A72 και υποστηρίζει το πλήρες σύνολο αρχιτεκτονικών ARMv8. Η μέγιστη συχνότητα του πυρήνα του επεξεργαστή είναι 2,8 GHz.

Πεδίο χρήσης του ARM

Η μεγαλύτερη δόξα της ARM έφερε την ανάπτυξη των φορητών συσκευών. Εν αναμονή της μαζικής παραγωγής smartphone και άλλου φορητού εξοπλισμού, ήρθαν χρήσιμοι ενεργειακά αποδοτικοί επεξεργαστές. Το αποκορύφωμα της ανάπτυξης της ARM Limited ήταν το 2007, όταν η βρετανική εταιρεία ανανέωσε τη συνεργασία της με την Apple και λίγο αργότερα, η εταιρεία Cupertino παρουσίασε το πρώτο της iPhone με επεξεργαστή αρχιτεκτονικής ARM. Στη συνέχεια, το σύστημα ενός τσιπ που βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM έχει γίνει ένα αμετάβλητο στοιχείο σχεδόν όλων των smartphone της αγοράς.

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

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

Ανταγωνισμός στην αγορά και προοπτικές για το μέλλον

Ομολογουμένως, αυτή τη στιγμή η ARM δεν έχει σοβαρούς ανταγωνιστές. Και σε γενικές γραμμές, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ARM Limited έκανε τη σωστή επιλογή σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Αλλά στην αρχή του ταξιδιού της, η εταιρεία παρήγαγε επεξεργαστές για υπολογιστές και μάλιστα προσπάθησε να ανταγωνιστεί την Intel. Αφού η ARM Limited άλλαξε την κατεύθυνση των δραστηριοτήτων της, δεν ήταν επίσης εύκολο για αυτήν. Στη συνέχεια, ο μονοπώλιος λογισμικού που εκπροσωπείται από τη Microsoft, έχοντας συνάψει συμφωνία συνεργασίας με την Intel, δεν άφησε καμία ευκαιρία για άλλους κατασκευαστές, συμπεριλαμβανομένης της ARM Limited - τα Windows απλά δεν λειτουργούσαν σε συστήματα με επεξεργαστές ARM. Όσο παράδοξο κι αν ακούγεται, αλλά τώρα η κατάσταση μπορεί να αλλάξει δραματικά και τα Windows είναι ήδη έτοιμα να υποστηρίξουν επεξεργαστές που βασίζονται σε αυτήν την αρχιτεκτονική.

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

Πέρυσι, η Intel εγκατέλειψε αρκετές βασικές αποφάσεις για την περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών συστημάτων. Στην πραγματικότητα μια εταιρεία για φορητές συσκευές καθώς έχουν καταστεί ασύμφορη. Ο μόνος μεγάλος κατασκευαστής που συνέδεσε τα smartphone του με chipset Intel Atom ήταν η ASUS. Ωστόσο, η Intel Atom εξακολουθούσε να χρησιμοποιείται μαζικά σε netbooks, nettops και άλλες φορητές συσκευές.

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

Τώρα οι επεξεργαστές ARM είναι ικανοί να εκτελούν σοβαρές εργασίες. Βραχυπρόθεσμα, θα χρησιμοποιηθούν σε διακομιστές, συγκεκριμένα, τα κέντρα δεδομένων Facebook και PayPal έχουν ήδη τέτοιες λύσεις. Στην εποχή του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και των έξυπνων οικιακών συσκευών, τα τσιπ ARM ​​έχουν γίνει ακόμη πιο περιζήτητα. Έτσι, το πιο ενδιαφέρον πράγμα για την ARM δεν έχει έρθει ακόμη.

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

ARM Limited

Η εταιρεία ARM, στην πραγματικότητα, είναι μονοπώλιο στον τομέα της και η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων smartphone και tablet σε διάφορα λειτουργικά συστήματα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιεί επεξεργαστές βασισμένους στην αρχιτεκτονική ARM. Οι κατασκευαστές τσιπ αδειοδοτούν μεμονωμένους πυρήνες, σετ εντολών και σχετικές τεχνολογίες από την ARM και το κόστος των αδειών ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τον τύπο των πυρήνων επεξεργαστή (από λύσεις προϋπολογισμού χαμηλής κατανάλωσης έως τσιπ τετραπύρηνων και ακόμη και οκτώ πυρήνων αιχμής) και επιπλέον συστατικά. Η ετήσια κατάσταση λογαριασμού αποτελεσμάτων του 2006 της ARM Limited έδειξε έσοδα 161 εκατομμυρίων δολαρίων για την αδειοδότηση περίπου 2,5 δισεκατομμυρίων επεξεργαστών (από 7,9 δισεκατομμύρια δολάρια το 2011), που μεταφράζεται σε περίπου 0,067 δολάρια ανά τσιπ. Ωστόσο, για τον λόγο που προαναφέρθηκε, αυτό είναι ένα πολύ μέσο ποσοστό λόγω της διαφοράς στις τιμές για διάφορες άδειες και έκτοτε τα κέρδη της εταιρείας θα έπρεπε να έχουν πολλαπλασιαστεί.

Επί του παρόντος, οι επεξεργαστές ARM είναι πολύ διαδεδομένοι. Τα τσιπ σε αυτήν την αρχιτεκτονική χρησιμοποιούνται παντού, μέχρι τους διακομιστές, αλλά τις περισσότερες φορές το ARM μπορεί να βρεθεί σε ενσωματωμένα και κινητά συστήματα, από ελεγκτές σκληρού δίσκου έως σύγχρονα smartphone, tablet και άλλα gadget.

Πυρήνες φλοιού

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

Δεν θα σταθούμε λεπτομερώς σε αυτά, επειδή μας ενδιαφέρει πρωτίστως η οικογένεια Cortex-Ax - τσιπ με τέτοιους πυρήνες χρησιμοποιούνται στις πιο παραγωγικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των smartphone, των tablet και των κονσολών παιχνιδιών. Η ARM εργάζεται συνεχώς σε νέους πυρήνες από τη σειρά Cortex-Ax, αλλά τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές, τα smartphone χρησιμοποιούν τα ακόλουθα:

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

Οι μεγάλοι κατασκευαστές smartphone και tablet συνήθως χρησιμοποιούν επεξεργαστές από γνωστούς κατασκευαστές chip όπως η Qualcomm ή δικές τους λύσεις που έχουν ήδη γίνει αρκετά δημοφιλείς (για παράδειγμα, η Samsung και η οικογένεια των chipset Exynos), αλλά μεταξύ των τεχνικών χαρακτηριστικών των gadget των περισσότερων μικρών εταιρειών , μπορείτε συχνά να βρείτε περιγραφές όπως "επεξεργαστής που βασίζεται σε Cortex-A7 @ 1 GHz" ή "Dual Core Cortex-A7 @ 1 GHz", οι οποίες δεν θα πουν τίποτα στον μέσο χρήστη. Για να καταλάβουμε ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ τέτοιων πυρήνων, ας εστιάσουμε στους κύριους.

Ο πυρήνας Cortex-A5 χρησιμοποιείται σε φθηνούς επεξεργαστές για τις πιο οικονομικές συσκευές. Τέτοιες συσκευές έχουν σχεδιαστεί μόνο για να εκτελούν ένα περιορισμένο εύρος εργασιών και να εκτελούν απλές εφαρμογές, αλλά δεν είναι καθόλου σχεδιασμένες για προγράμματα έντασης πόρων και, ειδικά, παιχνίδια. Ένα παράδειγμα gadget με επεξεργαστή Cortex-A5 είναι το Highscreen Blast, το οποίο έλαβε ένα τσιπ Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 που περιέχει δύο πυρήνες Cortex-A5 χρονισμένους στα 1,2 GHz.

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

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

Cortex-A9

Πριν από μερικά χρόνια, οι πυρήνες Cortex-A9 θεωρούνταν η κορυφαία λύση και χρησιμοποιήθηκαν τόσο σε παραδοσιακά μονοπύρηνα όσο και σε πιο ισχυρά τσιπ διπλού πυρήνα, όπως το Nvidia Tegra 2 και το Texas Instruments OMAP4. Επί του παρόντος, οι επεξεργαστές που βασίζονται στο Cortex-A9, κατασκευασμένοι σύμφωνα με την τεχνολογία διαδικασίας 40 νανομέτρων, δεν χάνουν δημοτικότητα και χρησιμοποιούνται σε πολλά smartphone μεσαίας κατηγορίας. Η συχνότητα λειτουργίας τέτοιων επεξεργαστών μπορεί να είναι από 1 έως 2 ή περισσότερα gigahertz, αλλά συνήθως περιορίζεται στα 1,2-1,5 GHz.

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

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

Σειρά Cortex-A50

Το πρώτο εξάμηνο του 2013, η ARM παρουσίασε μια νέα σειρά τσιπ που ονομάζεται σειρά Cortex-A50. Οι πυρήνες αυτής της γραμμής θα κατασκευαστούν σύμφωνα με τη νέα έκδοση της αρχιτεκτονικής, ARMv8, και θα υποστηρίζουν νέα σύνολα εντολών, ενώ θα γίνουν και 64-bit. Η μετάβαση σε ένα νέο βάθος bit θα απαιτήσει βελτιστοποίηση λειτουργικών συστημάτων και εφαρμογών για κινητά, αλλά, φυσικά, θα παραμείνει υποστήριξη για δεκάδες χιλιάδες εφαρμογές 32 bit. Η Apple ήταν η πρώτη που μεταπήδησε στην αρχιτεκτονική 64-bit. Οι πιο πρόσφατες συσκευές της εταιρείας, όπως το iPhone 5S, λειτουργούν με έναν τέτοιο επεξεργαστή Apple A7 ARM. Είναι αξιοσημείωτο ότι δεν χρησιμοποιεί πυρήνες Cortex - αντικαθίστανται με πυρήνες του ίδιου του κατασκευαστή που ονομάζονται Swift. Ένας από τους προφανείς λόγους για την ανάγκη μετάβασης σε επεξεργαστές 64-bit είναι η υποστήριξη για περισσότερα από 4 GB μνήμης RAM και, επιπλέον, η δυνατότητα λειτουργίας με πολύ μεγαλύτερους αριθμούς κατά τον υπολογισμό. Φυσικά, ενώ αυτό είναι σχετικό, πρώτα απ 'όλα, για διακομιστές και υπολογιστές, αλλά δεν θα εκπλαγούμε εάν smartphone και tablet με αυτήν την ποσότητα μνήμης RAM εμφανιστούν στην αγορά σε λίγα χρόνια. Μέχρι σήμερα, τίποτα δεν είναι γνωστό για τα σχέδια κυκλοφορίας τσιπ σε νέα αρχιτεκτονική και smartphone που τα χρησιμοποιούν, αλλά είναι πιθανό ότι τέτοιοι επεξεργαστές θα λάβουν ναυαρχίδες το 2014, όπως έχει ήδη ανακοινώσει η Samsung.

Ο πυρήνας Cortex-A53 ανοίγει τη σειρά, ο οποίος θα είναι ο άμεσος «διάδοχος» του Cortex-A9. Οι επεξεργαστές που βασίζονται στο Cortex-A53 είναι αισθητά ανώτεροι σε απόδοση από τα τσιπ που βασίζονται στο Cortex-A9, αλλά ταυτόχρονα διατηρείται χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τέτοιοι επεξεργαστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο μεμονωμένα όσο και στη διαμόρφωση ARM big.LITTLE, που συνδυάζονται στο ίδιο chipset με έναν επεξεργαστή Cortex-A57

Performance Cortex-A53, Cortex-A57

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

ΜΠΡΑΚΙ μεγάλο.ΛΙΓΟ

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

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

big.LITTLE (μετανάστευση μεταξύ συστάδων)

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

big.LITTLE IKS (μετανάστευση μεταξύ πυρήνων)

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

big.LITTLE MP (ετερογενής πολυεπεξεργασία)

Το σχήμα big.LITTLE MP είναι το πιο "προηγμένο" - σε αυτό κάθε πυρήνας είναι ανεξάρτητος και μπορεί να ενεργοποιηθεί από τον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος όπως απαιτείται. Αυτό σημαίνει ότι εάν χρησιμοποιηθούν τέσσερις πυρήνες Cortex-A7 και ο ίδιος αριθμός πυρήνων Cortex-A15, σε ένα chipset που βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM big.LITTLE MP, και οι 8 πυρήνες θα μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα, παρόλο που είναι διαφορετικοί τύπους. Ένας από τους πρώτους επεξεργαστές αυτού του τύπου ήταν το τσιπ οκτώ πυρήνων της Mediatek - MT6592, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει σε συχνότητα ρολογιού 2 GHz, καθώς και να εγγράψει και να παίξει βίντεο σε ανάλυση UltraHD.

Μελλοντικός

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

Επιταχυντές γραφικών Mali

Εκτός από επεξεργαστές, η ARM αναπτύσσει επίσης επιταχυντές γραφικών της οικογένειας Mali. Όπως και οι επεξεργαστές, οι επιταχυντές γραφικών χαρακτηρίζονται από πολλές παραμέτρους, όπως το επίπεδο anti-aliasing, η διεπαφή διαύλου, η κρυφή μνήμη (εξαιρετικά γρήγορη μνήμη που χρησιμοποιείται για την αύξηση της ταχύτητας) και ο αριθμός των «πυρήνων γραφικών» (αν και, όπως γράψαμε σε προηγούμενο άρθρο, αυτό το σχήμα, παρά την ομοιότητα με τον όρο που χρησιμοποιείται για την περιγραφή της CPU, έχει ελάχιστη έως καθόλου επίδραση στην απόδοση κατά τη σύγκριση δύο GPU).

Ο πρώτος επιταχυντής γραφικών ARM ήταν το αχρησιμοποίητο πλέον Mali 55, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στο τηλέφωνο αφής LG Renoir (ναι, το πιο συνηθισμένο κινητό τηλέφωνο). Η GPU δεν χρησιμοποιήθηκε σε παιχνίδια - μόνο για τη σχεδίαση της διεπαφής και είχε πρωτόγονα χαρακτηριστικά με τα σημερινά πρότυπα, αλλά ήταν αυτός που έγινε ο "πρόγονος" της σειράς Mali.

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

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

Πιθανώς, στα τέλη του 2014, θα πρέπει να εμφανιστούν smartphone με τους πιο πρόσφατους επιταχυντές γραφικών ARM: Mali-T720, Mali-T760 και Mali-T760 MP, τα οποία παρουσιάστηκαν τον Οκτώβριο του 2013. Το Mali-T720 θα πρέπει να είναι η νέα GPU για smartphone χαμηλού επιπέδου και η πρώτη GPU σε αυτό το τμήμα που υποστηρίζει το Open GL ES 3.0. Το Mali-T760, με τη σειρά του, θα γίνει ένας από τους πιο ισχυρούς επιταχυντές γραφικών για κινητά: σύμφωνα με τα δηλωμένα χαρακτηριστικά, η GPU έχει 16 πυρήνες επεξεργασίας και έχει μια πραγματικά τεράστια επεξεργαστική ισχύ, 326 Gflops, αλλά ταυτόχρονα, τέσσερις φορές λιγότερο κατανάλωση ενέργειας από το Mali-T604 που αναφέρθηκε παραπάνω.

Ο ρόλος της CPU και της GPU από την ARM στην αγορά

Παρά το γεγονός ότι η ARM είναι ο συγγραφέας και ο προγραμματιστής της ομώνυμης αρχιτεκτονικής, η οποία, επαναλαμβάνουμε, χρησιμοποιείται τώρα στη συντριπτική πλειοψηφία των επεξεργαστών κινητών, οι λύσεις της με τη μορφή πυρήνων και επιταχυντών γραφικών δεν είναι δημοφιλείς στα μεγάλα smartphone κατασκευαστές. Για παράδειγμα, ορθώς πιστεύεται ότι οι ναυαρχίδες επικοινωνίας στο λειτουργικό σύστημα Android θα πρέπει να διαθέτουν επεξεργαστή Snapdragon με πυρήνες Krait και επιταχυντή γραφικών Adreno από την Qualcomm, chipset από την ίδια εταιρεία χρησιμοποιούνται σε smartphone Windows Phone και ορισμένοι κατασκευαστές gadget, για παράδειγμα, η Apple , αναπτύσσουν τους δικούς τους πυρήνες. . Γιατί είναι αυτή η τρέχουσα κατάσταση;

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

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

συμπέρασμα

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

Τι πιστεύετε, θα μπορέσει κάποιος να ωθήσει την ARM και πώς θα εξελιχθεί περαιτέρω η μοίρα αυτής της εταιρείας και της αρχιτεκτονικής της;

Πώς είναι ο επεξεργαστής. Γιατί η ARM είναι το μέλλον;Ο σύγχρονος καταναλωτής ηλεκτρονικών είναι πολύ δύσκολο να εκπλαγεί. Είμαστε ήδη συνηθισμένοι στο γεγονός ότι η τσέπη μας είναι νόμιμα κατειλημμένη από ένα smartphone, ένας φορητός υπολογιστής βρίσκεται σε μια τσάντα, ένα «έξυπνο» ρολόι μετράει υπάκουα τα βήματα στο χέρι και τα ακουστικά με ενεργό σύστημα μείωσης θορύβου χαϊδεύουν τα αυτιά μας.

Είναι αστείο, αλλά έχουμε συνηθίσει να κουβαλάμε όχι έναν, αλλά δύο, τρεις ή περισσότερους υπολογιστές ταυτόχρονα. Άλλωστε, έτσι μπορείτε να ονομάσετε μια συσκευή που έχει επεξεργαστή. Και δεν έχει σημασία πώς μοιάζει μια συγκεκριμένη συσκευή. Ένα μικροσκοπικό τσιπ είναι υπεύθυνο για τη δουλειά του, έχοντας ξεπεράσει μια ταραχώδη και γρήγορη πορεία ανάπτυξης.

Γιατί θέσαμε το θέμα των επεξεργαστών; Όλα είναι απλά. Τα τελευταία δέκα χρόνια, υπήρξε μια πραγματική επανάσταση στον κόσμο των φορητών συσκευών.

Υπάρχουν μόνο 10 χρόνια διαφορά μεταξύ αυτών των συσκευών. Αλλά το Nokia N95 τότε μας φαινόταν μια διαστημική συσκευή και σήμερα βλέπουμε το ARKit με κάποια δυσπιστία

Αλλά όλα θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί διαφορετικά και το ταλαιπωρημένο Pentium IV θα παρέμενε το απόλυτο όνειρο ενός απλού αγοραστή.

Προσπαθήσαμε να κάνουμε χωρίς περίπλοκους τεχνικούς όρους και να πούμε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής και να μάθουμε ποια αρχιτεκτονική είναι το μέλλον.

1. Πώς ξεκίνησαν όλα

Οι πρώτοι επεξεργαστές ήταν εντελώς διαφορετικοί από αυτό που μπορείτε να δείτε όταν ανοίγετε το καπάκι της μονάδας συστήματος του υπολογιστή σας.

Αντί για μικροκυκλώματα στη δεκαετία του '40 του ΧΧ αιώνα, χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρομηχανικά ρελέ, συμπληρωμένα με σωλήνες κενού. Οι λαμπτήρες λειτουργούσαν ως δίοδος, η κατάσταση της οποίας μπορούσε να ρυθμιστεί με μείωση ή αύξηση της τάσης στο κύκλωμα. Οι δομές έμοιαζαν ως εξής:

Για τη λειτουργία ενός γιγαντιαίου υπολογιστή χρειάζονταν εκατοντάδες, μερικές φορές χιλιάδες επεξεργαστές. Αλλά, ταυτόχρονα, δεν θα μπορούσατε να εκτελέσετε ούτε ένα απλό πρόγραμμα επεξεργασίας όπως το NotePad ή το TestEdit από το τυπικό σύνολο Windows και macOS σε έναν τέτοιο υπολογιστή. Ο υπολογιστής απλά δεν θα είχε αρκετή ισχύ.

2. Η έλευση των τρανζίστορ

Τα πρώτα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου εμφανίστηκαν το 1928. Αλλά ο κόσμος άλλαξε μόνο μετά την εμφάνιση των λεγόμενων διπολικών τρανζίστορ, που ανακαλύφθηκαν το 1947.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1940, ο πειραματικός φυσικός Walter Brattain και ο θεωρητικός John Bardeen ανέπτυξαν το πρώτο τρανζίστορ σημείου. Το 1950, αντικαταστάθηκε από το πρώτο τρανζίστορ διακλάδωσης και το 1954, ο γνωστός κατασκευαστής Texas Instruments ανακοίνωσε ένα τρανζίστορ πυριτίου.

Αλλά η πραγματική επανάσταση ήρθε το 1959, όταν ο επιστήμονας Jean Henri ανέπτυξε το πρώτο επίπεδο (επίπεδο) τρανζίστορ πυριτίου, το οποίο έγινε η βάση για μονολιθικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ναι, είναι λίγο δύσκολο, οπότε ας σκάψουμε λίγο πιο βαθιά και ας ασχοληθούμε με το θεωρητικό μέρος.

3. Πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ

Έτσι, το καθήκον ενός τέτοιου ηλεκτρικού στοιχείου όπως ένα τρανζίστορ είναι να ελέγχει το ρεύμα. Με απλά λόγια, αυτός ο μικρός δύσκολος διακόπτης ελέγχει τη ροή του ηλεκτρισμού.

Το κύριο πλεονέκτημα ενός τρανζίστορ έναντι ενός συμβατικού διακόπτη είναι ότι δεν απαιτεί την παρουσία ενός ατόμου. Εκείνοι. ένα τέτοιο στοιχείο είναι ικανό να ελέγχει ανεξάρτητα το ρεύμα. Επιπλέον, λειτουργεί πολύ πιο γρήγορα από ό,τι θα ενεργοποιούσατε ή θα απενεργοποιούσατε μόνοι σας το ηλεκτρικό κύκλωμα.

Το καθήκον του υπολογιστή είναι να αναπαραστήσει το ηλεκτρικό ρεύμα με τη μορφή αριθμών.

Και αν νωρίτερα το έργο της εναλλαγής καταστάσεων εκτελούνταν από αδέξια, ογκώδη και αναποτελεσματικά ηλεκτρικά ρελέ, τώρα το τρανζίστορ έχει αναλάβει αυτή τη συνηθισμένη εργασία.

Από τις αρχές της δεκαετίας του '60, τα τρανζίστορ άρχισαν να κατασκευάζονται από πυρίτιο, γεγονός που επέτρεψε όχι μόνο να γίνουν οι επεξεργαστές πιο συμπαγείς, αλλά και να αυξηθεί σημαντικά η αξιοπιστία τους.

Αλλά πρώτα, ας ασχοληθούμε με τη δίοδο

Το πυρίτιο (γνωστό και ως Si - «πυρίτιο» στον περιοδικό πίνακα) ανήκει στην κατηγορία των ημιαγωγών, που σημαίνει ότι, αφενός, μεταδίδει ρεύμα καλύτερα από ένα διηλεκτρικό, αφετέρου, το κάνει χειρότερα από το μέταλλο. .

Είτε μας αρέσει είτε όχι, αλλά για να κατανοήσουμε τη δουλειά και την περαιτέρω ιστορία της ανάπτυξης των επεξεργαστών, θα πρέπει να βουτήξουμε στη δομή ενός ατόμου πυριτίου. Μην φοβάστε, ας το κάνουμε σύντομο και πολύ σαφές.

Το καθήκον του τρανζίστορ είναι να ενισχύσει ένα αδύναμο σήμα λόγω μιας πρόσθετης πηγής ισχύος.

Το άτομο πυριτίου έχει τέσσερα ηλεκτρόνια, χάρη στα οποία σχηματίζει δεσμούς (ή, για την ακρίβεια, ομοιοπολικούς δεσμούς) με τα ίδια κοντινά τρία άτομα, σχηματίζοντας ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Ενώ τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια είναι σε δεσμό, ένα μικρό μέρος τους μπορεί να κινηθεί μέσα από το κρυσταλλικό πλέγμα. Λόγω αυτής της μερικής μεταφοράς ηλεκτρονίων, το πυρίτιο ταξινομήθηκε ως ημιαγωγός.

Αλλά μια τέτοια ασθενής κίνηση ηλεκτρονίων δεν θα επέτρεπε τη χρήση τρανζίστορ στην πράξη, έτσι οι επιστήμονες αποφάσισαν να αυξήσουν την απόδοση των τρανζίστορ με ντόπινγκ ή, πιο απλά, προσθέτοντας άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου με μια χαρακτηριστική διάταξη ηλεκτρονίων.

Άρχισαν λοιπόν να χρησιμοποιούν μια 5-σθενή ακαθαρσία φωσφόρου, λόγω της οποίας ελήφθησαν τρανζίστορ τύπου n. Η παρουσία ενός επιπλέον ηλεκτρονίου κατέστησε δυνατή την επιτάχυνση της κίνησής τους, αυξάνοντας τη ροή του ρεύματος.

Όταν τα τρανζίστορ τύπου p ντόπινγκ, το βόριο, το οποίο περιλαμβάνει τρία ηλεκτρόνια, έγινε ένας τέτοιος καταλύτης. Λόγω της απουσίας ενός ηλεκτρονίου, εμφανίζονται οπές στο κρυσταλλικό πλέγμα (παίζουν το ρόλο ενός θετικού φορτίου), αλλά λόγω του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να γεμίσουν αυτές τις οπές, η αγωγιμότητα του πυριτίου αυξάνεται σημαντικά.

Ας υποθέσουμε ότι πήραμε μια γκοφρέτα πυριτίου και βάλαμε ένα μέρος της με μια ακαθαρσία τύπου p και το άλλο με μια ακαθαρσία τύπου n. Έτσι πήραμε μια δίοδο - το βασικό στοιχείο ενός τρανζίστορ.

Τώρα τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο n-τμήμα θα τείνουν να πάνε στις οπές που βρίσκονται στο p-τμήμα. Σε αυτή την περίπτωση, η πλευρά n θα έχει ένα ελαφρύ αρνητικό φορτίο και η πλευρά p θα έχει θετικό φορτίο. Το ηλεκτρικό πεδίο που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα αυτής της «βαρύτητας» - το φράγμα - θα εμποδίσει την περαιτέρω κίνηση των ηλεκτρονίων.

Εάν συνδέσετε μια πηγή ρεύματος στη δίοδο με τέτοιο τρόπο ώστε το "-" να αγγίζει την πλευρά p της πλάκας και το "+" να αγγίζει την πλευρά n, η ροή ρεύματος δεν θα είναι δυνατή λόγω του γεγονότος ότι οι οπές θα να έλκονται από την αρνητική επαφή της πηγής ισχύος, και τα ηλεκτρόνια στη θετική, και ο δεσμός μεταξύ των ηλεκτρονίων p και n θα χαθεί λόγω της διαστολής του συνδυασμένου στρώματος.

Αν όμως συνδέσετε το τροφοδοτικό με επαρκή τάση αντίστροφα, π.χ. "+" από την πηγή στην πλευρά p, και "-" στην πλευρά n, τα ηλεκτρόνια που τοποθετούνται στην πλευρά n θα απωθηθούν από τον αρνητικό πόλο και θα ωθηθούν στην πλευρά p, καταλαμβάνοντας οπές στο p- περιοχή.

Αλλά τώρα τα ηλεκτρόνια έλκονται από τον θετικό πόλο της πηγής ενέργειας και συνεχίζουν να κινούνται μέσα από τις οπές p. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται μπροστινή πόλωση της διόδου.

δίοδος + δίοδος = τρανζίστορ

Από μόνο του, το τρανζίστορ μπορεί να θεωρηθεί ως δύο δίοδοι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, η περιοχή p (αυτή όπου βρίσκονται οι τρύπες) γίνεται κοινή για αυτούς και ονομάζεται «βάση».

Το τρανζίστορ N-P-N έχει δύο n-περιοχές με πρόσθετα ηλεκτρόνια - είναι επίσης ο "εκπομπός" και ο "συλλέκτης" και μια, ασθενής περιοχή με οπές - η περιοχή p, που ονομάζεται "βάση".

Εάν συνδέσετε ένα τροφοδοτικό (ας το ονομάσουμε V1) σε n-περιοχές του τρανζίστορ (ανεξάρτητα από τον πόλο), μια δίοδος θα έχει αντίστροφη πόλωση και το τρανζίστορ θα είναι σε κατάσταση απενεργοποίησης.

Αλλά, μόλις συνδέσουμε μια άλλη πηγή ρεύματος (ας την ονομάσουμε V2), ρυθμίζοντας την επαφή "+" στην "κεντρική" περιοχή p (βάση) και την επαφή "-" στην περιοχή n (εκπομπός), μερικά από τα ηλεκτρόνια θα ρέουν μέσω της σχηματισμένης και πάλι αλυσίδας (V2) και το τμήμα θα έλκεται από τη θετική n-περιοχή. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν στην περιοχή του συλλέκτη και ένα ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα θα ενισχυθεί.

Αποπνέω!

4. Λοιπόν, πώς λειτουργεί πραγματικά ένας υπολογιστής;

Και τώρα το πιο σημαντικό.

Ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση, το τρανζίστορ μπορεί να είναι είτε ανοιχτό είτε κλειστό. Εάν η τάση είναι ανεπαρκής για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού (το ίδιο στη διασταύρωση των πλακών p και n) - το τρανζίστορ θα είναι σε κλειστή κατάσταση - στην κατάσταση "off" ή, στη γλώσσα του δυαδικού συστήματος, " 0”.

Με αρκετή τάση, το τρανζίστορ ανάβει και παίρνουμε την τιμή "on" ή "1" δυαδικά.

Αυτή η κατάσταση, 0 ή 1, ονομάζεται "bit" στη βιομηχανία υπολογιστών.

Εκείνοι. παίρνουμε την κύρια ιδιότητα του ίδιου του διακόπτη που άνοιξε το δρόμο στους υπολογιστές για την ανθρωπότητα!

Στον πρώτο ηλεκτρονικό ψηφιακό υπολογιστή ENIAC, ή, πιο απλά, στον πρώτο υπολογιστή, χρησιμοποιήθηκαν περίπου 18 χιλιάδες λαμπτήρες τριόδου. Το μέγεθος του υπολογιστή ήταν συγκρίσιμο με ένα γήπεδο τένις και το βάρος του ήταν 30 τόνοι.

Για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής, υπάρχουν δύο ακόμη βασικά σημεία που πρέπει να κατανοήσετε.

Στιγμή 1. Λοιπόν, αποφασίσαμε τι είναι το bit. Αλλά με τη βοήθειά του, μπορούμε να πάρουμε μόνο δύο χαρακτηριστικά από κάτι: είτε «ναι» ή «όχι». Για να μάθει ο υπολογιστής να μας καταλαβαίνει καλύτερα, κατέληξαν σε έναν συνδυασμό 8 bit (0 ή 1), τον οποίο ονόμασαν byte.

Χρησιμοποιώντας ένα byte, μπορείτε να κωδικοποιήσετε έναν αριθμό από το μηδέν έως το 255. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους 255 αριθμούς - συνδυασμούς μηδενικών και μονάδων, μπορείτε να κωδικοποιήσετε οτιδήποτε.

Στιγμή 2. Η παρουσία αριθμών και γραμμάτων χωρίς καμία λογική δεν θα μας έδινε τίποτα. Γι' αυτό εμφανίστηκε η έννοια των λογικών τελεστών.

Συνδέοντας μόνο δύο τρανζίστορ με συγκεκριμένο τρόπο, μπορείτε να επιτύχετε πολλές λογικές ενέργειες ταυτόχρονα: "και", "ή". Ο συνδυασμός της ποσότητας τάσης σε κάθε τρανζίστορ και του τύπου της σύνδεσής τους σάς επιτρέπει να λαμβάνετε διαφορετικούς συνδυασμούς μηδενικών και μονάδων.

Με τις προσπάθειες των προγραμματιστών, οι τιμές των μηδενικών και των μονάδων, το δυαδικό σύστημα, άρχισαν να μεταφράζονται σε δεκαδικά, ώστε να καταλάβουμε τι ακριβώς «λέει» ο υπολογιστής. Και για να εισάγουμε εντολές, οι συνήθεις ενέργειες μας, όπως η εισαγωγή γραμμάτων από το πληκτρολόγιο, αντιπροσωπεύονται ως μια δυαδική αλυσίδα εντολών.

Με απλά λόγια, φανταστείτε ότι υπάρχει ένας πίνακας αντιστοιχίας, ας πούμε, ASCII, στον οποίο κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε συνδυασμό 0 και 1. Πατήσατε ένα κουμπί στο πληκτρολόγιο και εκείνη τη στιγμή στον επεξεργαστή, χάρη στο πρόγραμμα, τα τρανζίστορ άλλαξαν με τέτοιο τρόπο ώστε στην οθόνη εμφανίστηκαν τα εξής: το πιο γραμμένο γράμμα στο κλειδί.

5. Και ξεκίνησε η κούρσα των τρανζίστορ

Αφού ο Βρετανός μηχανικός ραδιοφώνου Geoffrey Dahmer πρότεινε το 1952 να τοποθετηθούν τα πιο απλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε ένα μονολιθικό κρύσταλλο ημιαγωγών, η βιομηχανία των υπολογιστών έκανε ένα άλμα προς τα εμπρός.

Από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που πρότεινε ο Dahmer, οι μηχανικοί μεταπήδησαν γρήγορα σε μικροτσίπ, τα οποία βασίζονταν σε τρανζίστορ. Με τη σειρά τους, αρκετά από αυτά τα τσιπ αποτελούσαν ήδη τον ίδιο τον επεξεργαστή.

Φυσικά, οι διαστάσεις τέτοιων επεξεργαστών δεν μοιάζουν πολύ με τους σύγχρονους. Επιπλέον, μέχρι το 1964, όλοι οι επεξεργαστές είχαν ένα πρόβλημα. Απαιτούσαν μια ατομική προσέγγιση - τη δική τους γλώσσα προγραμματισμού για κάθε επεξεργαστή.

1964 IBM System/360. Υπολογιστής συμβατός με Universal Code Programming. Ένα σύνολο εντολών για ένα μοντέλο επεξεργαστή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ένα άλλο.

δεκαετία του '70. Η εμφάνιση των πρώτων μικροεπεξεργαστών. Επεξεργαστής ενός τσιπ από την Intel. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 τρανζίστορ, 740 kHz.

1973 Intel 4040 και Intel 8008. 3.000 τρανζίστορ, 740 kHz για τον Intel 4040 και 3.500 τρανζίστορ στα 500 kHz για τον Intel 8008.

1974 Intel 8080. 6 μm TPU και 6000 τρανζίστορ. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 5.000 kHz. Ήταν αυτός ο επεξεργαστής που χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Altair-8800. Το εγχώριο αντίγραφο του Intel 8080 είναι ο επεξεργαστής KR580VM80A, που αναπτύχθηκε από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Μικροσυσκευών του Κιέβου. 8 bit

1976 Intel 8080. 3 μm TPU και 6500 τρανζίστορ. Συχνότητα ρολογιού 6 MHz. 8 bit

1976 Zilog Z80. TPU 3 micron και τρανζίστορ 8500. Συχνότητα ρολογιού έως 8 MHz. 8 bit

1978 Intel 8086. 3 μm TPU και 29.000 τρανζίστορ. Η συχνότητα ρολογιού είναι περίπου 25 MHz. Το σετ εντολών x86 που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. 16 bit

1980 Intel 80186. 3 μm TPU και 134.000 τρανζίστορ. Συχνότητα ρολογιού - έως 25 MHz. 16 bit

1982 Intel 80286. 1,5 μm TPU και 134.000 τρανζίστορ. Συχνότητα - έως 12,5 MHz. 16 bit

1982 Motorola 68000. Τρανζίστορ 3 μm και 84.000. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιήθηκε στον υπολογιστή Apple Lisa.

1985 Intel 80386. 1,5 μm Tp και 275.000 τρανζίστορ. Συχνότητα - έως 33 MHz στην έκδοση 386SX.

Φαίνεται ότι η λίστα θα μπορούσε να συνεχιστεί επ' αόριστον, αλλά στη συνέχεια οι μηχανικοί της Intel αντιμετώπισαν ένα σοβαρό πρόβλημα.

Κυκλοφόρησε στα τέλη της δεκαετίας του '80. Πίσω στις αρχές της δεκαετίας του '60, ένας από τους ιδρυτές της Intel, ο Gordon Moore, διατύπωσε τον λεγόμενο «Νόμο του Moore». Ακούγεται κάπως έτσι:

Κάθε 24 μήνες, ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται.

Είναι δύσκολο να ονομάσουμε αυτόν τον νόμο νόμο. Θα ήταν πιο ακριβές να το ονομάσουμε εμπειρική παρατήρηση. Συγκρίνοντας τον ρυθμό ανάπτυξης της τεχνολογίας, ο Moore συμπέρανε ότι μια παρόμοια τάση θα μπορούσε να διαμορφωθεί.

Όμως ήδη κατά την ανάπτυξη της τέταρτης γενιάς επεξεργαστών Intel i486, οι μηχανικοί αντιμετώπισαν το γεγονός ότι είχαν ήδη φτάσει στο ανώτατο όριο απόδοσης και δεν μπορούσαν πλέον να χωρέσουν περισσότερους επεξεργαστές στην ίδια περιοχή. Εκείνη την εποχή, η τεχνολογία δεν το επέτρεπε αυτό.

Ως λύση, βρέθηκε μια παραλλαγή χρησιμοποιώντας έναν αριθμό πρόσθετων στοιχείων:

προσωρινή μνήμη;

μετακομιστής;

ενσωματωμένος συνεπεξεργαστής?

πολλαπλασιαστής.

Μέρος του υπολογιστικού φορτίου έπεσε στους ώμους αυτών των τεσσάρων κόμβων. Ως αποτέλεσμα, η εμφάνιση της προσωρινής μνήμης, αφενός, περιέπλεξε τον σχεδιασμό του επεξεργαστή, από την άλλη, έγινε πολύ πιο ισχυρός.

Ο επεξεργαστής Intel i486 αποτελούνταν ήδη από 1,2 εκατομμύρια τρανζίστορ και η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του έφτασε τα 50 MHz.

Το 1995, η AMD εντάχθηκε στην ανάπτυξη και κυκλοφόρησε τον ταχύτερο επεξεργαστή Am5x86 συμβατό με i486 εκείνη την εποχή σε αρχιτεκτονική 32 bit. Είχε ήδη κατασκευαστεί σύμφωνα με την τεχνολογία διεργασίας των 350 νανόμετρων και ο αριθμός των εγκατεστημένων επεξεργαστών έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια τεμάχια. Η συχνότητα ρολογιού έχει αυξηθεί στα 133 MHz.

Αλλά οι κατασκευαστές chip δεν τόλμησαν να συνεχίσουν να αυξάνουν περαιτέρω τον αριθμό των επεξεργαστών που είναι εγκατεστημένοι σε ένα τσιπ και να αναπτύξουν την ήδη ουτοπική αρχιτεκτονική CISC (Complex Instruction Set Computing). Αντίθετα, ο Αμερικανός μηχανικός David Patterson πρότεινε τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των επεξεργαστών, αφήνοντας μόνο τις πιο απαραίτητες υπολογιστικές οδηγίες.

Έτσι, οι κατασκευαστές επεξεργαστών μεταπήδησαν στην πλατφόρμα RISC (Reduced Instruction Set Computing), αλλά ούτε αυτό ήταν αρκετό.

Το 1991 κυκλοφόρησε ο επεξεργαστής 64-bit R4000, ο οποίος λειτουργούσε σε συχνότητα 100 MHz. Τρία χρόνια αργότερα, εμφανίζεται ο επεξεργαστής R8000 και δύο χρόνια αργότερα, ο R10000 με ταχύτητες ρολογιού έως και 195 MHz. Παράλληλα, αναπτύχθηκε η αγορά των επεξεργαστών SPARC, το αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό της οποίας ήταν η απουσία οδηγιών πολλαπλασιασμού και διαίρεσης.

Αντί να τσακώνονται για τον αριθμό των τρανζίστορ, οι κατασκευαστές τσιπ άρχισαν να επανεξετάζουν την αρχιτεκτονική της δουλειάς τους. Η απόρριψη των "περιττών" εντολών, η εκτέλεση εντολών σε έναν κύκλο, η παρουσία καταχωρητών γενικής αξίας και η διοχέτευση κατέστησαν δυνατή τη γρήγορη αύξηση της συχνότητας ρολογιού και της ισχύος των επεξεργαστών χωρίς παραμόρφωση του αριθμού των τρανζίστορ.

Εδώ είναι μερικές μόνο από τις αρχιτεκτονικές που εμφανίστηκαν μεταξύ 1980 και 1995:

Βασίστηκαν στην πλατφόρμα RISC, και σε ορισμένες περιπτώσεις, σε μερική, συνδυασμένη χρήση της πλατφόρμας CISC. Αλλά η ανάπτυξη της τεχνολογίας ώθησε για άλλη μια φορά τους κατασκευαστές τσιπ να συνεχίσουν να δημιουργούν επεξεργαστές.

Τον Αύγουστο του 1999, το AMD K7 Athlon εισήλθε στην αγορά, που κατασκευάστηκε με τεχνολογία διεργασίας 250 nm και περιλαμβάνει 22 εκατομμύρια τρανζίστορ. Αργότερα, ο πήχης ανέβηκε στα 38 εκατομμύρια επεξεργαστές. Στη συνέχεια, έως και 250 εκατομμύρια, ο τεχνολογικός επεξεργαστής αυξήθηκε, η συχνότητα ρολογιού αυξήθηκε. Αλλά, όπως λέει η φυσική, υπάρχει ένα όριο σε όλα.

7. Το τέλος του διαγωνισμού τρανζίστορ πλησιάζει

Το 2007, ο Γκόρντον Μουρ έκανε μια πολύ ωμή δήλωση:

Ο νόμος του Μουρ σύντομα θα πάψει να ισχύει. Είναι αδύνατο να εγκαταστήσετε απεριόριστο αριθμό επεξεργαστών επ' αόριστον. Ο λόγος για αυτό είναι η ατομική φύση της ύλης.

Είναι αντιληπτό με γυμνό μάτι ότι οι δύο κορυφαίοι κατασκευαστές τσιπ AMD και Intel έχουν σαφώς επιβραδύνει τον ρυθμό ανάπτυξης επεξεργαστών τα τελευταία χρόνια. Η ακρίβεια της τεχνολογικής διαδικασίας έχει αυξηθεί σε λίγα μόνο νανόμετρα, αλλά είναι αδύνατο να τοποθετηθούν ακόμη περισσότεροι επεξεργαστές.

Και ενώ οι κατασκευαστές ημιαγωγών απειλούν να λανσάρουν πολυστρωματικά τρανζίστορ, κάνοντας έναν παραλληλισμό με τη μνήμη 3DN και, ένας σοβαρός ανταγωνιστής εμφανίστηκε στην αρχιτεκτονική x86 με τοίχο πριν από 30 χρόνια.

8. Τι περιμένει τους «κανονικούς» επεξεργαστές

Ο νόμος του Μουρ έχει ακυρωθεί από το 2016. Αυτό ανακοινώθηκε επίσημα από τον μεγαλύτερο κατασκευαστή επεξεργαστών Intel. Ο διπλασιασμός της υπολογιστικής ισχύος κατά 100% κάθε δύο χρόνια δεν είναι πλέον δυνατός για τους κατασκευαστές τσιπ.

Και τώρα οι κατασκευαστές επεξεργαστών έχουν πολλές απρόβλεπτες επιλογές.

Η πρώτη επιλογή είναι οι κβαντικοί υπολογιστές. Έχουν ήδη γίνει προσπάθειες να κατασκευαστεί ένας υπολογιστής που χρησιμοποιεί σωματίδια για την αναπαράσταση πληροφοριών. Υπάρχουν πολλές παρόμοιες κβαντικές συσκευές στον κόσμο, αλλά μπορούν να αντιμετωπίσουν μόνο αλγόριθμους χαμηλής πολυπλοκότητας.

Επιπλέον, η σειριακή κυκλοφορία τέτοιων συσκευών τις επόμενες δεκαετίες αποκλείεται. Ακριβό, αναποτελεσματικό και… αργό!

Ναι, οι κβαντικοί υπολογιστές καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια από τους σύγχρονους ομολόγους τους, αλλά θα είναι επίσης πιο αργοί έως ότου οι προγραμματιστές και οι κατασκευαστές εξαρτημάτων στραφούν στη νέα τεχνολογία.

Η δεύτερη επιλογή είναι επεξεργαστές με στρώματα τρανζίστορ. Τόσο η Intel όσο και η AMD έχουν σκεφτεί σοβαρά αυτήν την τεχνολογία. Αντί για ένα στρώμα τρανζίστορ, σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν πολλά. Φαίνεται ότι τα επόμενα χρόνια, ενδέχεται να εμφανιστούν επεξεργαστές στους οποίους όχι μόνο ο αριθμός των πυρήνων και η συχνότητα του ρολογιού θα είναι σημαντικός, αλλά και ο αριθμός των στρωμάτων τρανζίστορ.

Η λύση έχει δικαίωμα στη ζωή, και έτσι οι μονοπωλητές θα μπορούν να αρμέγουν τον καταναλωτή για άλλες δύο δεκαετίες, αλλά, στο τέλος, η τεχνολογία θα χτυπήσει ξανά ταβάνι.

Σήμερα, συνειδητοποιώντας την ταχεία ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής ARM, η Intel έκανε μια ήσυχη ανακοίνωση για την οικογένεια των τσιπ της Ice Lake. Οι επεξεργαστές θα κατασκευαστούν με διαδικασία 10 νανομέτρων και θα αποτελέσουν τη βάση για smartphone, tablet και φορητές συσκευές. Θα γίνει όμως το 2019.

9. Το ARM είναι το μέλλον Έτσι, η αρχιτεκτονική x86 εμφανίστηκε το 1978 και ανήκει στον τύπο πλατφόρμας CISC. Εκείνοι. από μόνο του, συνεπάγεται την ύπαρξη οδηγιών για όλες τις περιπτώσεις. Η ευελιξία είναι το κύριο δυνατό σημείο του x86.

Αλλά, την ίδια στιγμή, η ευελιξία έπαιξε ένα σκληρό αστείο με αυτούς τους επεξεργαστές. Το x86 έχει πολλά βασικά μειονεκτήματα:

η πολυπλοκότητα των εντολών και η ειλικρινής σύγχυσή τους.

υψηλή κατανάλωση ενέργειας και απελευθέρωση θερμότητας.

Για υψηλές επιδόσεις, έπρεπε να πω αντίο στην ενεργειακή απόδοση. Επιπλέον, δύο εταιρείες εργάζονται επί του παρόντος στην αρχιτεκτονική x86, η οποία μπορεί να αποδοθεί με ασφάλεια σε μονοπώλια. Αυτά είναι η Intel και η AMD. Μόνο αυτοί μπορούν να παράγουν επεξεργαστές x86, που σημαίνει ότι μόνο αυτοί κυβερνούν την ανάπτυξη των τεχνολογιών.

Παράλληλα, αρκετές εταιρείες ασχολούνται με την ανάπτυξη του ARM (Arcon Risk Machine). Το 1985, οι προγραμματιστές επέλεξαν την πλατφόρμα RISC ως βάση για περαιτέρω ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής.

Σε αντίθεση με το CISC, το RISC περιλαμβάνει το σχεδιασμό ενός επεξεργαστή με τον ελάχιστο απαιτούμενο αριθμό εντολών, αλλά τη μέγιστη βελτιστοποίηση. Οι επεξεργαστές RISC είναι πολύ μικρότεροι από τον CISC, πιο αποδοτικοί και απλούστεροι.

Επιπλέον, το ARM δημιουργήθηκε αρχικά αποκλειστικά ως ανταγωνιστής του x86. Οι προγραμματιστές έθεσαν το καθήκον να δημιουργήσουν μια αρχιτεκτονική που είναι πιο αποτελεσματική από την x86.

Από τη δεκαετία του '40, οι μηχανικοί κατάλαβαν ότι ένα από τα καθήκοντα προτεραιότητας είναι να εργαστούν για τη μείωση του μεγέθους των υπολογιστών και, πρώτα απ 'όλα, των ίδιων των επεξεργαστών. Αλλά σχεδόν πριν από 80 χρόνια, σχεδόν κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι ένας πλήρης υπολογιστής θα ήταν μικρότερος από ένα σπιρτόκουτο.

Για τους δύσπιστους χρήστες που διασχίζουν τις κορυφαίες γραμμές του Geekbench, θέλω απλώς να σας υπενθυμίσω: στην τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας, το μέγεθος είναι αυτό που μετράει πρώτα απ' όλα.

Τοποθετήστε μια μπάρα ζαχαρωτών με έναν ισχυρό επεξεργαστή 18 πυρήνων που «σκίζει την αρχιτεκτονική ARM» στο τραπέζι και, στη συνέχεια, τοποθετήστε το iPhone σας δίπλα της. Νιώθεις τη διαφορά;

11. Αντί για έξοδο

Είναι αδύνατο να καλύψουμε την 80χρονη ιστορία της ανάπτυξης των υπολογιστών σε ένα υλικό. Αλλά αφού διαβάσετε αυτό το άρθρο, θα μπορείτε να καταλάβετε πώς είναι τοποθετημένο το κύριο στοιχείο οποιουδήποτε υπολογιστή - ο επεξεργαστής και τι να περιμένετε από την αγορά τα επόμενα χρόνια.

Φυσικά, η Intel και η AMD θα εργαστούν για την περαιτέρω αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ και την προώθηση της ιδέας των στοιχείων πολλαπλών επιπέδων.

Αλλά εσείς, ως πελάτης, χρειάζεστε τέτοια δύναμη;

Δεν νομίζω ότι είστε δυσαρεστημένοι με την απόδοση ενός iPad Pro ή ενός κορυφαίου iPhone X. Δεν νομίζω ότι είστε δυσαρεστημένοι με την απόδοση του πολυκουζινιού σας στην κουζίνα σας ή την ποιότητα εικόνας ενός 65 ιντσών 4K ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ. Αλλά όλες αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούν επεξεργαστές στην αρχιτεκτονική ARM.

Τα Windows έχουν ήδη ανακοινώσει επίσημα ότι κοιτάζουν με ενδιαφέρον την ARM. Η εταιρεία περιλάμβανε υποστήριξη για αυτήν την αρχιτεκτονική στα Windows 8.1 και τώρα εργάζεται ενεργά σε συνδυασμό με την κορυφαία εταιρεία παραγωγής chip ARM Qualcomm.

Η Google κατάφερε επίσης να εξετάσει το ARM - το λειτουργικό σύστημα Chrome OS υποστηρίζει αυτήν την αρχιτεκτονική. Έχουν εμφανιστεί πολλές διανομές Linux ταυτόχρονα, οι οποίες είναι επίσης συμβατές με αυτήν την αρχιτεκτονική. Και αυτό είναι μόνο η αρχή.

Και απλώς προσπαθήστε για λίγο να φανταστείτε πόσο ευχάριστο θα είναι να συνδυάζετε έναν ενεργειακά αποδοτικό επεξεργαστή ARM με μια μπαταρία γραφενίου. Αυτή η αρχιτεκτονική είναι που θα καταστήσει δυνατή την απόκτηση κινητών εργονομικών gadget που μπορούν να υπαγορεύσουν το μέλλον.

Ο κόσμος των υπολογιστών αλλάζει ραγδαία. Οι επιτραπέζιοι υπολογιστές έχουν χάσει την πρώτη θέση στην κατάταξη πωλήσεων έναντι των φορητών υπολογιστών και πρόκειται να εγκαταλείψουν την αγορά σε tablet και άλλες κινητές συσκευές. Πριν από 10 χρόνια εκτιμούσαμε τα καθαρά megahertz, την πραγματική δύναμη και την απόδοση. Τώρα, για να κατακτήσει την αγορά, ο επεξεργαστής πρέπει να είναι όχι μόνο γρήγορος, αλλά και οικονομικός. Πολλοί θεωρούν ότι το ARM είναι η αρχιτεκτονική του 21ου αιώνα. Είναι έτσι?

Νέο - καλά ξεχασμένο παλιό

Οι δημοσιογράφοι, ακολουθώντας τους ανθρώπους του ARM PR, παρουσιάζουν συχνά αυτή την αρχιτεκτονική ως κάτι εντελώς νέο, που θα έπρεπε να θάβει το γκριζομάλλη x86.

Μάλιστα, ARM και x86, βάσει των οποίων κατασκευάζονται Επεξεργαστές Intel, AMD και VIA, εγκατεστημένα σε φορητούς υπολογιστές και επιτραπέζιους υπολογιστές, έχουν σχεδόν την ίδια ηλικία. Το πρώτο τσιπ x86 κυκλοφόρησε το 1978. Το έργο ARM ξεκίνησε επίσημα το 1983, αλλά βασίστηκε σε εξελίξεις που πραγματοποιήθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα με τη δημιουργία του x86.

Τα πρώτα ARM εντυπωσίασαν τους ειδικούς με τη φινέτσα τους, αλλά με τις σχετικά χαμηλές επιδόσεις τους, δεν μπορούσαν να κατακτήσουν μια αγορά που απαιτούσε υψηλές ταχύτητες και δεν έδινε σημασία στην απόδοση. Έπρεπε να υπάρχουν ορισμένες προϋποθέσεις για να εκτοξευθεί η δημοτικότητα της ARM.

Στις αρχές της δεκαετίας του ογδόντα και του ενενήντα, με το σχετικά φθηνό λάδι τους, τεράστια SUV με ισχυρούς κινητήρες 6 λίτρων ήταν περιζήτητα. Λίγοι ενδιαφέρθηκαν για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Αλλά στις μέρες μας, που ένα βαρέλι πετρελαίου κοστίζει πάνω από 100 δολάρια, τα μεγάλα αυτοκίνητα με αδηφάγους κινητήρες είναι μόνο για τους πλούσιους, τα υπόλοιπα βιάζονται να στραφούν σε αυτοκίνητα με οικονομία καυσίμου. Κάτι παρόμοιο έγινε και με την ARM. Όταν προέκυψε το ζήτημα της κινητικότητας και της αποτελεσματικότητας, η αρχιτεκτονική αποδείχθηκε ότι είχε μεγάλη ζήτηση.

Επεξεργαστής "κίνδυνος".

Το ARM είναι μια αρχιτεκτονική RISC. Χρησιμοποιεί ένα μειωμένο σύνολο εντολών - RISC (reduced instruction set computer). Αυτός ο τύπος αρχιτεκτονικής εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του εβδομήντα, περίπου την ίδια εποχή που η Intel παρουσίασε το x86 της.

Ενώ πειραματίζονταν με διάφορους μεταγλωττιστές και μικροκωδικοποιημένους επεξεργαστές, οι μηχανικοί παρατήρησαν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ακολουθίες απλών εντολών ήταν ταχύτερες από μια μεμονωμένη σύνθετη λειτουργία. Αποφασίστηκε να δημιουργηθεί μια αρχιτεκτονική που θα περιλάμβανε εργασία με ένα περιορισμένο σύνολο απλών εντολών, η αποκωδικοποίηση και η εκτέλεση των οποίων θα απαιτούσε ελάχιστο χρόνο.

Ένα από τα πρώτα έργα για επεξεργαστές RISC εφαρμόστηκε από μια ομάδα φοιτητών και καθηγητών από το Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ το 1981. Αυτή ακριβώς την περίοδο, η βρετανική εταιρεία Acorn αντιμετώπισε την πρόκληση των καιρών. Παρήγαγε εκπαιδευτικούς υπολογιστές BBC Micro, οι οποίοι ήταν πολύ δημοφιλείς στο Foggy Albion, βασισμένοι στον επεξεργαστή 6502. Αλλά σύντομα αυτοί οι οικικοί υπολογιστές άρχισαν να χάνουν από πιο προηγμένα μηχανήματα. Η Acorn κινδύνευσε να χάσει την αγορά. Οι μηχανικοί της εταιρείας, έχοντας εξοικειωθεί με την εργασία των φοιτητών στους επεξεργαστές RISC, αποφάσισαν ότι θα ήταν πολύ απλό να αντιμετωπίσουν τη δημιουργία του δικού τους τσιπ. Το 1983 ξεκίνησε το έργο Acorn RISC Machine, το οποίο αργότερα μετατράπηκε σε ARM. Τρία χρόνια αργότερα, κυκλοφόρησε ο πρώτος επεξεργαστής.

Πρώτοι ΟΠΛΑ

Ήταν εξαιρετικά απλός. Τα πρώτα τσιπ ARM ​​στερούνταν ακόμη και εντολών πολλαπλασιασμού και διαίρεσης, που φαινόταν να είναι ένα σύνολο περισσότερων απλές οδηγίες. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των τσιπ ήταν οι αρχές της εργασίας με τη μνήμη: όλες οι λειτουργίες με δεδομένα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν μόνο σε καταχωρητές. Ταυτόχρονα, ο επεξεργαστής δούλευε με το λεγόμενο παράθυρο μητρώου, δηλαδή μπορούσε να έχει πρόσβαση μόνο σε ένα μέρος όλων των διαθέσιμων καταχωρητών, οι οποίοι ήταν βασικά καθολικοί και η εργασία τους εξαρτιόταν από τη λειτουργία στην οποία βρισκόταν ο επεξεργαστής. Αυτό επέτρεψε στις πρώτες εκδόσεις του ARM να εγκαταλείψουν την κρυφή μνήμη.

Επιπλέον, απλοποιώντας τα σύνολα οδηγιών, οι αρχιτέκτονες μπόρεσαν να κάνουν χωρίς πολλά άλλα μπλοκ. Για παράδειγμα, στο πρώτο ARM, δεν υπήρχε καθόλου μικροκώδικας, καθώς και μια μονάδα κινητής υποδιαστολής, η FPU. Ο συνολικός αριθμός των τρανζίστορ στο πρώτο ARM ήταν 30.000. Σε παρόμοιο x86, υπήρχαν αρκετές φορές, ή ακόμα και μια τάξη μεγέθους περισσότερες. Επιπρόσθετη εξοικονόμηση ενέργειας επιτυγχάνεται με την εκτέλεση εντολών υπό όρους. Δηλαδή, αυτή ή αυτή η λειτουργία θα εκτελεστεί εάν υπάρχει αντίστοιχο γεγονός στο μητρώο. Αυτό βοηθά τον επεξεργαστή να αποφύγει τις «υπερβολικές χειρονομίες». Όλες οι εντολές εκτελούνται διαδοχικά. Ως αποτέλεσμα, η ARM έχασε σε απόδοση, αλλά όχι σημαντικά, ενώ κέρδισε σημαντικά στην κατανάλωση ενέργειας.

Οι βασικές αρχές της κατασκευής της αρχιτεκτονικής παραμένουν οι ίδιες όπως και στα πρώτα ARM: εργασία με δεδομένα μόνο σε μητρώα, μειωμένο σύνολο εντολών, ελάχιστες πρόσθετες ενότητες. Όλα αυτά παρέχουν στην αρχιτεκτονική χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε σχετικά υψηλή απόδοση.

Για να το αυξήσει, η ARM έχει εισαγάγει πολλά πρόσθετα σετ εντολών τα τελευταία χρόνια. Μαζί με το κλασικό ARM, υπάρχουν οι Thumb, Thumb 2, Jazelle. Το τελευταίο έχει σχεδιαστεί για να επιταχύνει την εκτέλεση του κώδικα Java.

Cortex - το πιο προηγμένο ARM

Cortex - σύγχρονες αρχιτεκτονικές για φορητές συσκευές, ενσωματωμένα συστήματα και μικροελεγκτές. Αντίστοιχα, οι CPU ορίζονται ως Cortex-A, ενσωματωμένοι - Cortex-R και μικροελεγκτές - Cortex-M. Όλα βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARMv7.

Η πιο προηγμένη και ισχυρή αρχιτεκτονική στη σειρά ARM είναι το Cortex-A15. Υποτίθεται ότι στη βάση του θα παραχθούν κυρίως μοντέλα δύο ή τετραπύρηνων. Το Cortex-A15 όλων των προηγούμενων ARM είναι το πλησιέστερο στο x86 όσον αφορά τον αριθμό και την ποιότητα των μπλοκ.

Το Cortex-A15 βασίζεται σε πυρήνες επεξεργαστή εξοπλισμένους με FPU και ένα σύνολο οδηγιών NEON SIMD που έχουν σχεδιαστεί για να επιταχύνουν την επεξεργασία δεδομένων πολυμέσων. Οι πυρήνες έχουν αγωγό 13 σταδίων, υποστηρίζουν την εκτέλεση εντολών σε ελεύθερη σειρά, εικονικοποίηση βασισμένη σε ARM.

Το Cortex-A15 υποστηρίζει σύστημα διευθυνσιοδότησης εκτεταμένης μνήμης. Το ARM παραμένει μια αρχιτεκτονική 32-bit, αλλά οι μηχανικοί της εταιρείας έχουν μάθει πώς να μετατρέπουν 64-bit ή άλλες εκτεταμένες διευθύνσεις σε έναν κατανοητό επεξεργαστή 32-bit. Η τεχνολογία ονομάζεται Long Physical Address Extensions. Χάρη σε αυτήν, το Cortex-A15 μπορεί θεωρητικά να αντιμετωπίσει έως και 1 TB μνήμης.

Κάθε πυρήνας είναι εξοπλισμένος με μια κρυφή μνήμη πρώτου επιπέδου. Επιπλέον, υπάρχει έως και 4 MB κατανεμημένης προσωρινής μνήμης L2 χαμηλής καθυστέρησης. Ο επεξεργαστής είναι εξοπλισμένος με έναν συνεκτικό δίαυλο 128-bit που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία με άλλα μπλοκ και περιφερειακά.

Οι πυρήνες που βρίσκονται κάτω από το Cortex-A15 είναι μια εξέλιξη του Cortex-A9. Έχουν παρόμοια δομή.

Το Cortex-A9, σε αντίθεση με το Cortex-A15, μπορεί να παραχθεί τόσο σε εκδόσεις πολλαπλών όσο και σε μονοπύρηνες εκδόσεις. Η μέγιστη συχνότητα είναι 2,0 GHz, το Cortex-A15 προτείνει τη δυνατότητα δημιουργίας τσιπ που λειτουργούν σε συχνότητα 2,5 GHz. Τα τσιπ που θα βασίζονται σε αυτό θα κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας διαδικασίες παραγωγής 40 nm και λεπτότερες. Το Cortex-A9 είναι διαθέσιμο σε τεχνολογίες διαδικασίας 65 και 40 nm.

Το Cortex-A9, όπως και το Cortex-A15, έχει σχεδιαστεί για χρήση σε smartphone και tablet υψηλής απόδοσης, αλλά είναι πολύ σκληρό για πιο σοβαρές εφαρμογές, για παράδειγμα, σε διακομιστές. Μόνο το Cortex-A15 διαθέτει εικονικοποίηση υλικού, διευθυνσιοδότηση εκτεταμένης μνήμης. Επιπλέον, το σετ εντολών NEON Advanced SIMD και το FPU στο Cortex-A9 είναι προαιρετικά στοιχεία, ενώ είναι υποχρεωτικά στο Cortex-A15.

Το Cortex-A8 θα εξαφανιστεί σταδιακά από τη σκηνή στο μέλλον, αλλά προς το παρόν αυτή η επιλογή ενός πυρήνα θα βρει χρήση σε οικονομικά smartphone. Μια λύση χαμηλού κόστους με συχνότητες από 600 MHz έως 1 GHz είναι μια ισορροπημένη αρχιτεκτονική. Διαθέτει FPU, υποστηρίζει την πρώτη έκδοση του SIMD NEON. Το Cortex-A8 προϋποθέτει μια ενιαία διαδικασία κατασκευής - 65 nm.

ARM προηγούμενες γενιές

Οι επεξεργαστές ARM11 είναι αρκετά διαδεδομένοι στην αγορά κινητής τηλεφωνίας. Βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARMv6 και τις τροποποιήσεις της. Χαρακτηρίζεται από αγωγούς 8-9 σταδίων, υποστήριξη Jazelle, που επιταχύνει την επεξεργασία του κώδικα Java, ροή οδηγιών SIMD, Thumb-2.

Οι επεξεργαστές XScale, ARM10E, ARM9E βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARMv5 και τις τροποποιήσεις της. Το μέγιστο μήκος αγωγού είναι 6 στάδια, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Τα τσιπ XScale διαθέτουν κρυφή μνήμη δεύτερου επιπέδου. Επεξεργαστές χρησιμοποιήθηκαν σε smartphone από τα μέσα της δεκαετίας του 2000 και σήμερα μπορούν να βρεθούν σε μερικά φθηνά κινητά τηλέφωνα.

Οι ARM9TDMI, ARM8, StrongARM είναι εκπρόσωποι του ARMv4, το οποίο διαθέτει αγωγό 3-5 σταδίων, υποστηρίζει τον Thumb. Το ARMv4, για παράδειγμα, βρέθηκε στα πρώιμα κλασικά iPod.

Το ARM6 και το ARM7 είναι ARMv3. Σε αυτήν την αρχιτεκτονική, το μπλοκ FPU εμφανίστηκε για πρώτη φορά, εφαρμόστηκε διευθυνσιοδότηση μνήμης 32 bit και όχι 26 bit, όπως στα πρώτα δείγματα της αρχιτεκτονικής. Επίσημα, το ARMv2 και το ARMv1 ήταν τσιπ 32 bit, αλλά στην πραγματικότητα λειτουργούσαν ενεργά μόνο με χώρο διευθύνσεων 26 bit. Η προσωρινή μνήμη εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο ARMv2.

Το όνομά τους είναι λεγεώνα

Η Acorn δεν επρόκειτο αρχικά να γίνει παίκτης στην αγορά επεξεργαστών. Το έργο του έργου ARM ήταν να δημιουργήσει ένα τσιπ δικής του παραγωγής για την παραγωγή υπολογιστών - ήταν η δημιουργία ενός υπολογιστή στο Acorn που θεωρήθηκε η κύρια επιχείρησή του.

Από μια ομάδα προγραμματιστών, η ARM έγινε εταιρεία χάρη στην Apple. Το 1990, η Apple συνεργάστηκε με τις VLSI και Acorn για να αναπτύξει έναν οικονομικό επεξεργαστή για τον πρώτο φορητό υπολογιστή Newton. Για τους σκοπούς αυτούς, δημιουργήθηκε μια ξεχωριστή εταιρεία, η οποία έλαβε το όνομα του εσωτερικού έργου Acorn - ARM.

Με τη συμμετοχή της Apple, δημιουργήθηκε ο επεξεργαστής ARM6, ο οποίος είναι ο πλησιέστερος στα σύγχρονα τσιπ του Άγγλου προγραμματιστή. Ταυτόχρονα, η DEC μπόρεσε να κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την αρχιτεκτονική ARM6 και άρχισε να παράγει τσιπ με την επωνυμία StrongARM. Μερικά χρόνια αργότερα, η τεχνολογία μεταφέρθηκε στην Intel ως μέρος μιας άλλης διαφωνίας για διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Ο γίγαντας των μικροεπεξεργαστών έχει δημιουργήσει το δικό του ανάλογο που βασίζεται στο ARM - τον επεξεργαστή XScale. Όμως, στα μέσα της προηγούμενης δεκαετίας, η Intel απαλλάχθηκε από αυτό το «μη βασικό στοιχείο», εστιάζοντας αποκλειστικά στο x86. Το XScale έχει αναλάβει η Marvell, η οποία έχει ήδη αδειοδοτήσει την ARM.

Η ARM που εμφανίστηκε πρόσφατα στον κόσμο στην αρχή δεν ήταν σε θέση να ασχοληθεί με την παραγωγή επεξεργαστών. Η διοίκηση της επέλεξε έναν διαφορετικό τρόπο για να βγάλει χρήματα. Η αρχιτεκτονική ARM χαρακτηριζόταν από απλότητα και ευελιξία. Αρχικά, ο πυρήνας στερήθηκε ακόμη και από μια προσωρινή μνήμη, επομένως, στη συνέχεια, πρόσθετες μονάδες, συμπεριλαμβανομένου του FPU, οι ελεγκτές δεν ενσωματώθηκαν στενά στον επεξεργαστή, αλλά, όπως ήταν, κρεμάστηκαν στη βάση.

Αντίστοιχα, η ARM πήρε στα χέρια της έναν ευφυή σχεδιαστή που επέτρεψε στις τεχνολογικά προηγμένες εταιρείες να δημιουργήσουν επεξεργαστές ή μικροελεγκτές για τις ανάγκες τους. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια των λεγόμενων συνεπεξεργαστών, οι οποίοι μπορούν να επεκτείνουν την τυπική λειτουργικότητα. Συνολικά, η αρχιτεκτονική υποστηρίζει έως και 16 συνεπεξεργαστές (αριθμημένοι από το 0 έως το 15), αλλά ο αριθμός 15 προορίζεται για έναν συνεπεξεργαστή που εκτελεί λειτουργίες κρυφής μνήμης και διαχείρισης μνήμης.

Τα περιφερειακά συνδέονται στο τσιπ ARM ​​αντιστοιχίζοντας τους καταχωρητές τους στο χώρο μνήμης του επεξεργαστή ή του συνεπεξεργαστή. Για παράδειγμα, ένα τσιπ επεξεργασίας εικόνας μπορεί να αποτελείται από έναν σχετικά απλό πυρήνα που βασίζεται σε ARM7TDMI και έναν συνεπεξεργαστή που παρέχει αποκωδικοποίηση HDTV.

Η ARM έχει αρχίσει να αδειοδοτεί την αρχιτεκτονική της. Άλλες εταιρείες έχουν ήδη εμπλακεί στην υλοποίησή του σε πυρίτιο, όπως η Texas Instruments, η Marvell, η Qualcomm, η Freescale, αλλά και εντελώς μη βασικές εταιρείες όπως η Samsung, η Nokia, η Nintendo ή η Canon.

Η έλλειψη δικών εργοστασίων, καθώς και τα εντυπωσιακά δικαιώματα, επέτρεψαν στην ARM να είναι πιο ευέλικτη στην ανάπτυξη νέων εκδόσεων της αρχιτεκτονικής. Η παρέα τα έψηνε σαν ζεστά κέικ, μπαίνοντας σε νέες θέσεις. Εκτός από smartphone και tablet, η αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται σε εξειδικευμένους επεξεργαστές, όπως πλοηγούς GPS, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και βιντεοκάμερες. Στη βάση του, δημιουργούνται βιομηχανικοί ελεγκτές και άλλα τσιπ για ενσωματωμένα συστήματα.

Το σύστημα αδειών ARM είναι μια πραγματική υπεραγορά μικροηλεκτρονικών. Η εταιρεία αδειοδοτεί όχι μόνο νέες, αλλά και απαρχαιωμένες αρχιτεκτονικές. Το τελευταίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μικροελεγκτών ή τσιπ για συσκευές χαμηλού κόστους. Φυσικά, το επίπεδο των δικαιωμάτων εξαρτάται από τον βαθμό καινοτομίας και πολυπλοκότητας της αρχιτεκτονικής παραλλαγής που ενδιαφέρει τον κατασκευαστή. Παραδοσιακά, οι τεχνικές διαδικασίες για τις οποίες η ARM αναπτύσσει επεξεργαστές είναι 1-2 βήματα πίσω από αυτές που θεωρούνται σχετικές για το x86. Η υψηλή ενεργειακή απόδοση της αρχιτεκτονικής την καθιστά λιγότερο εξαρτημένη από τη μετάβαση σε νέα τεχνικά πρότυπα. Η Intel και η AMD προσπαθούν να φτιάξουν λεπτότερα τσιπ για να αυξήσουν τις ταχύτητες ρολογιού και τον αριθμό πυρήνων διατηρώντας παράλληλα το φυσικό μέγεθος και την κατανάλωση ενέργειας. Το ARM έχει εγγενώς χαμηλότερες απαιτήσεις ισχύος και επίσης προσφέρει μεγαλύτερη απόδοση ανά watt.

Χαρακτηριστικά των επεξεργαστών NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell

Με την αδειοδότηση της ARM δεξιά και αριστερά, οι προγραμματιστές ενίσχυσαν τη θέση της αρχιτεκτονικής τους σε βάρος των αρμοδιοτήτων των συνεργατών. Το NVIDIA Tegra μπορεί να θεωρηθεί κλασικό παράδειγμα σε αυτή την περίπτωση. Αυτή η σειρά συστημάτων-σε-τσιπ βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM, αλλά η NVIDIA είχε ήδη τις δικές της πολύ σοβαρές εξελίξεις στον τομέα των τρισδιάστατων γραφικών και της λογικής του συστήματος.

Η ARM δίνει στους δικαιοδόχους της ευρεία εξουσία να επανασχεδιάσουν την αρχιτεκτονική. Αντίστοιχα, οι μηχανικοί της NVIDIA μπόρεσαν να συνδυάσουν τα δυνατά σημεία του ARM (CPU computing) και των δικών τους προϊόντων στο Tegra - εργασία με τρισδιάστατα γραφικά κ.λπ. Ως αποτέλεσμα, το Tegra έχει την υψηλότερη απόδοση 3D στην κατηγορία του. Είναι 25-30% πιο γρήγορα από το PowerVR που χρησιμοποιείται από τη Samsung και την Texas Instruments και είναι σχεδόν διπλάσια από το Adreno της Qualcomm.

Άλλοι κατασκευαστές επεξεργαστών που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARM ενισχύουν ορισμένα πρόσθετα μπλοκ, βελτιώνοντας τα τσιπ προκειμένου να επιτύχουν υψηλότερες συχνότητες και επιδόσεις.

Για παράδειγμα, η Qualcomm δεν χρησιμοποιεί το σχέδιο αναφοράς ARM. Οι μηχανικοί της εταιρείας το επανασχεδίασαν σοβαρά και το ονόμασαν Σκορπιό - είναι αυτός που βρίσκεται κάτω από τα τσιπ Snapdragon. Εν μέρει, η σχεδίαση έχει επανασχεδιαστεί για να κατακτήσει τις πιο λεπτές τεχνικές διαδικασίες από αυτές που προβλέπονται από το τυπικό IP ARM. Ως αποτέλεσμα, τα πρώτα Snapdragon παρήχθησαν σε πρότυπα 45 nm, τα οποία τους παρείχαν υψηλότερες συχνότητες. Και η νέα γενιά αυτών των επεξεργαστών με τα δηλωμένα 2,5 GHz μπορεί ακόμη και να γίνει η ταχύτερη μεταξύ των αναλόγων που βασίζονται στο ARM Cortex-A9. Η Qualcomm χρησιμοποιεί επίσης τον δικό της πυρήνα γραφικών Adreno, βασισμένο σε σχέδια που αποκτήθηκαν από την AMD. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο, το Snapdragon και το Tegra είναι εχθροί σε γενετικό επίπεδο.

Η Samsung, όταν δημιούργησε το Hummingbird, πήρε επίσης τον δρόμο της βελτιστοποίησης της αρχιτεκτονικής. Οι Κορεάτες, μαζί με το Intrinsity, άλλαξαν τη λογική, η οποία μείωσε τον αριθμό των εντολών που απαιτούνται για την εκτέλεση κάποιων λειτουργιών. Έτσι ήταν δυνατό να κερδίσουμε το 5-10% της παραγωγικότητας. Επιπλέον, προστέθηκαν μια δυναμική κρυφή μνήμη δεύτερου επιπέδου και μια επέκταση πολυμέσων ARM NEON. Οι Κορεάτες χρησιμοποίησαν το PowerVR SGX540 ως μονάδα γραφικών.

Η Texas Instruments στη νέα σειρά OMAP που βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM Cortex-A έχει προσθέσει μια ειδική μονάδα IVA υπεύθυνη για την επιτάχυνση της επεξεργασίας εικόνας. Σας επιτρέπει να επεξεργάζεστε γρήγορα τα δεδομένα που προέρχονται από την ενσωματωμένη κάμερα με αισθητήρα. Επιπλέον, συνδέεται με τον ISP και συμβάλλει στην επιτάχυνση βίντεο. Το OMAP χρησιμοποιεί επίσης γραφικά PowerVR.

Το Apple A4 διαθέτει μεγάλη κρυφή μνήμη 512 KB, γραφικά PowerVR και ο ίδιος ο πυρήνας ARM βασίζεται σε μια παραλλαγή της αρχιτεκτονικής που επανασχεδιάστηκε από τη Samsung.

Το dual-core Apple A5, το οποίο έκανε το ντεμπούτο του στο iPad 2 στις αρχές του 2011, βασίζεται στην αρχιτεκτονική ARM Cortex-A9, όπως ακριβώς βελτιστοποιήθηκε από τη Samsung την προηγούμενη φορά. Σε σύγκριση με το A4, το νέο τσιπ έχει διπλάσια ποσότητα cache L2 - έχει αυξηθεί στο 1 MB. Ο επεξεργαστής περιέχει ελεγκτή μνήμης RAM δύο καναλιών και έχει βελτιωμένο μπλοκ βίντεο. Ως αποτέλεσμα, η απόδοσή του σε ορισμένες εργασίες είναι διπλάσια από αυτή του Apple A4.

Η Marvell προσφέρει τσιπ που βασίζονται στη δική της αρχιτεκτονική Sheeva, η οποία μετά από πιο προσεκτική εξέταση αποδεικνύεται ότι είναι ένα υβρίδιο του XScale, που κάποτε αγοράστηκε από την Intel και την ARM. Αυτά τα τσιπ έχουν μεγάλη μνήμη cache σε σύγκριση με τα αντίστοιχα και είναι εξοπλισμένα με ειδική μονάδα πολυμέσων.

Επί του παρόντος, οι κάτοχοι άδειας ARM παράγουν μόνο τσιπ που βασίζονται στην αρχιτεκτονική ARM Cortex-A9. Ταυτόχρονα, αν και σας επιτρέπει να δημιουργείτε παραλλαγές τετραπλού πυρήνα, η NVIDIA, η Apple, η Texas Instruments και άλλες εξακολουθούν να περιορίζονται σε μοντέλα με έναν ή δύο πυρήνες. Επιπλέον, τα τσιπ λειτουργούν σε συχνότητες έως και 1,5 GHz. Το Cortex-A9 σάς επιτρέπει να δημιουργείτε επεξεργαστές δύο GHz, αλλά και πάλι, οι κατασκευαστές δεν προσπαθούν να αυξήσουν γρήγορα τις συχνότητες - προς το παρόν, η αγορά θα έχει αρκετούς επεξεργαστές διπλού πυρήνα στα 1,5 GHz.

Οι επεξεργαστές που βασίζονται στο Cortex-A15 θα πρέπει να γίνουν πραγματικά πολυπύρηνες, αλλά αν ανακοινωθούν, τότε σε χαρτί. Η εμφάνισή τους σε πυρίτιο θα πρέπει να αναμένεται την επόμενη χρονιά.

Τρέχοντες επεξεργαστές δικαιούχου άδειας ARM που βασίζονται στο Cortex-A9:

x86 - ο κύριος αντίπαλος

Το x86 είναι αντιπροσωπευτικό των αρχιτεκτονικών CISC. Χρησιμοποιούν το πλήρες σύνολο εντολών. Μία εντολή σε αυτήν την περίπτωση εκτελεί πολλές λειτουργίες χαμηλού επιπέδου. Ο κώδικας προγράμματος, σε αντίθεση με το ARM, είναι πιο συμπαγής, αλλά δεν εκτελείται τόσο γρήγορα και απαιτεί περισσότερους πόρους. Επιπλέον, από την αρχή, τα x86 ήταν εξοπλισμένα με όλα τα απαραίτητα μπλοκ, τα οποία υποδήλωναν τόσο την ευελιξία όσο και τη λαιμαργία τους. Ξοδεύτηκε πρόσθετη ενέργεια για την άνευ όρων, παράλληλη εκτέλεση εντολών. Αυτό σας επιτρέπει να επιτύχετε ένα πλεονέκτημα ταχύτητας, αλλά ορισμένες λειτουργίες είναι σε αδράνεια επειδή δεν πληρούν τις προηγούμενες συνθήκες.

Αυτά ήταν τα κλασικά x86, αλλά ξεκινώντας με το 80486, η Intel de facto δημιούργησε έναν εσωτερικό πυρήνα RISC που εκτελούσε εντολές CISC, που προηγουμένως είχαν αποσυντεθεί σε απλούστερες εντολές. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές Intel και AMD έχουν τον ίδιο σχεδιασμό.

Windows 8 και ARM

Το ARM και το x86 σήμερα διαφέρουν λιγότερο από 30 χρόνια πριν, αλλά εξακολουθούν να βασίζονται σε διαφορετικές αρχές, που τα χωρίζει σε διαφορετικές θέσεις της αγοράς επεξεργαστών. Οι αρχιτεκτονικές δεν θα μπορούσαν ποτέ να διασταυρωθούν αν ο ίδιος ο υπολογιστής δεν είχε αλλάξει.

Η κινητικότητα και η αποτελεσματικότητα ήρθαν στο προσκήνιο, δόθηκε μεγαλύτερη προσοχή στα smartphone και τα tablet. Η Apple κερδίζει πολλά χρήματα από φορητές συσκευές και την υποδομή που συνδέεται με αυτά. Η Microsoft δεν θέλει να μείνει πίσω και προσπαθεί να κερδίσει έδαφος στην αγορά των tablet για δεύτερη χρονιά. Η Google τα πάει πολύ καλά.

Ο επιτραπέζιος υπολογιστής γίνεται πρώτα απ 'όλα ένα εργαλείο εργασίας, η θέση ενός οικιακού υπολογιστή καταλαμβάνεται από tablet και εξειδικευμένες συσκευές. Υπό αυτές τις συνθήκες, η Microsoft πρόκειται να κάνει ένα πρωτοφανές βήμα. . Δεν είναι απολύτως σαφές σε τι θα οδηγήσει αυτό. Θα λάβουμε δύο εκδόσεις του λειτουργικού συστήματος ή μία που θα λειτουργεί και με τις δύο αρχιτεκτονικές. Θα υποστηρίζει το x86 της Microsoft το Bury ARM ή όχι;

Υπάρχουν ελάχιστες πληροφορίες ακόμα. Η Microsoft παρουσίασε τα Windows 8 σε μια συσκευή που βασίζεται σε ARM κατά τη διάρκεια της CES 2011. Ο Steve Ballmer έδειξε ότι στην πλατφόρμα ARM, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα Windows για να παρακολουθήσετε βίντεο, να εργαστείτε με εικόνες, να χρησιμοποιήσετε το Διαδίκτυο - Ο Internet Explorer εργάστηκε ακόμη και με επιτάχυνση υλικού - συνδέστε ένα USB συσκευές για την εκτύπωση εγγράφων. Το πιο σημαντικό σε αυτήν την επίδειξη ήταν η εκτέλεση του Microsoft Office σε ARM χωρίς εικονική μηχανή. Η παρουσίαση παρουσίασε τρία gadget βασισμένα σε επεξεργαστές Qualcomm, Texas Instruments και NVIDIA. Τα Windows είχαν ένα τυπικό κέλυφος "επτά", αλλά οι εκπρόσωποι της Microsoft ανακοίνωσαν έναν νέο, επανασχεδιασμένο πυρήνα συστήματος.

Ωστόσο, τα Windows δεν είναι μόνο ένα λειτουργικό σύστημα κατασκευασμένο από μηχανικούς της Microsoft, είναι επίσης εκατομμύρια προγράμματα. Κάποιο λογισμικό είναι κρίσιμο για άτομα σε πολλά επαγγέλματα. Για παράδειγμα, το πακέτο Adobe CS. Θα υποστηρίξει η εταιρεία την έκδοση του λογισμικού ARM-Windows ή ο νέος πυρήνας θα επιτρέψει στο Photoshop και άλλες δημοφιλείς εφαρμογές να εκτελούνται σε υπολογιστές με NVIDIA Tegra ή παρόμοια τσιπ χωρίς πρόσθετες τροποποιήσεις κώδικα;

Επιπλέον, υπάρχει μια ερώτηση με τις κάρτες βίντεο. Τώρα οι κάρτες γραφικών για φορητούς υπολογιστές κατασκευάζονται με τη βελτιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας των τσιπ γραφικών επιτραπέζιων υπολογιστών - αρχιτεκτονικά είναι ίδιες. Ταυτόχρονα, τώρα μια κάρτα βίντεο είναι κάτι σαν "υπολογιστής μέσα σε υπολογιστή" - έχει τη δική της εξαιρετικά γρήγορη μνήμη RAM και το δικό της υπολογιστικό τσιπ, το οποίο ξεπερνά σημαντικά τους συμβατικούς επεξεργαστές σε συγκεκριμένες εργασίες. Είναι αυτονόητο ότι για αυτούς έχει γίνει αντίστοιχη βελτιστοποίηση εφαρμογών που λειτουργούν με τρισδιάστατα γραφικά. Ναι, και διάφορα προγράμματα επεξεργασίας βίντεο και επεξεργαστές γραφικών (ιδίως, το Photoshop από την έκδοση CS4), και πιο πρόσφατα, τα προγράμματα περιήγησης χρησιμοποιούν επίσης επιτάχυνση υλικού GPU.

Φυσικά, σε Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS και άλλα συστήματα κινητής τηλεφωνίας, έχει γίνει η απαραίτητη βελτιστοποίηση για διάφορους κινητούς (ακριβέστερα, υπερκινητούς) επιταχυντές της αγοράς. Ωστόσο, δεν υποστηρίζονται στα Windows. Τα προγράμματα οδήγησης, φυσικά, θα είναι γραμμένα (και έχουν ήδη γραφτεί - οι επεξεργαστές της σειράς Intel Atom Z500 παρέχονται με ένα chipset, όπου είναι ενσωματωμένος ο πυρήνας γραφικών PowerVR SGX 535 "smartphone), αλλά η βελτιστοποίηση εφαρμογών για αυτούς μπορεί να καθυστερήσει, αν καθόλου .

Προφανώς, το "ARM on the desktop" δεν θα απογειωθεί πραγματικά. Εκτός αν πρόκειται για συστήματα χαμηλής κατανάλωσης στα οποία θα έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο και θα παρακολουθούν ταινίες. Σε nettops γενικά. Έτσι, η ARM προσπαθεί απλώς να κάνει μια ταλάντευση στη θέση που έχει καταλάβει η Intel Atom και όπου η AMD πιέζει τώρα ενεργά με την πλατφόρμα της Brazos. Και φαίνεται να είναι μέρος της. Εκτός αν και οι δύο εταιρείες επεξεργαστών «πυροβολήσουν» με κάτι πολύ ανταγωνιστικό.

Κατά τόπους, η Intel Atom και η ARM ανταγωνίζονται ήδη. Χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αποθηκευτικών χώρων δικτύου και διακομιστών χαμηλής κατανάλωσης που μπορούν να εξυπηρετήσουν ένα μικρό γραφείο ή διαμέρισμα. Υπάρχουν επίσης αρκετά εμπορικά έργα συμπλέγματος που βασίζονται σε οικονομικά τσιπ της Intel. Τα χαρακτηριστικά των νέων επεξεργαστών που βασίζονται στον ARM Cortex-A9 τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη της υποδομής. Έτσι, σε μερικά χρόνια μπορούμε να αποκτήσουμε διακομιστές ARM ή ARM-NAS για μικρά τοπικά δίκτυα και δεν μπορεί να αποκλειστεί η εμφάνιση διακομιστών ιστού χαμηλής κατανάλωσης.

Πρώτο σπάρινγκ

Ο κύριος αντίπαλος της ARM από την πλευρά του x86 είναι το Intel Atom και τώρα μπορείτε να προσθέσετε το . Η σύγκριση του x86 και του ARM πραγματοποιήθηκε από τον Van Smith, ο οποίος δημιούργησε πακέτα δοκιμής OpenSourceMark, miniBench και έναν από τους συν-συγγραφείς του SiSoftware Sandra. Στον αγώνα συμμετείχαν οι Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Οι συχνότητες των τσιπ x86 μειώθηκαν, αλλά παρόλα αυτά είχαν ένα πλεονέκτημα λόγω της πιο προηγμένης μνήμης.

Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενδιαφέροντα. Το τσιπ ARM ​​αποδείχθηκε εξίσου γρήγορο με τους ανταγωνιστές του στις λειτουργίες ακέραιων αριθμών, ενώ κατανάλωνε λιγότερη ενέργεια. Δεν υπάρχει τίποτα περίεργο εδώ. Αρχικά, η αρχιτεκτονική ήταν αρκετά γρήγορη και οικονομική. Σε λειτουργίες κινητής υποδιαστολής, το ARM έχασε το x86. Το παραδοσιακά ισχυρό μπλοκ FPU που διατίθεται για τσιπ Intel και AMD έχει επηρεάσει εδώ. Θυμηθείτε ότι εμφανίστηκε στο ARM σχετικά πρόσφατα. Οι εργασίες που εμπίπτουν στο FPU καταλαμβάνουν σημαντική θέση στη ζωή ενός σύγχρονου χρήστη - αυτά είναι παιχνίδια, κωδικοποίηση βίντεο και ήχου και άλλες λειτουργίες ροής. Φυσικά, οι δοκιμές που έκανε ο Van Smith δεν είναι πλέον τόσο επίκαιρες σήμερα. Η ARM αύξησε σημαντικά τις αδυναμίες της αρχιτεκτονικής της στις εκδόσεις Cortex-A9 και ειδικά Cortex-A15, οι οποίες, για παράδειγμα, μπορούν ήδη να εκτελούν οδηγίες άνευ όρων, παραλληλίζοντας την εκτέλεση εργασιών.

Προοπτική ARM

Λοιπόν, ποια αρχιτεκτονική πρέπει να χρησιμοποιήσετε τελικά, ARM ή x86; Το καλύτερο θα ήταν να στοιχηματίσετε και στα δύο. Σήμερα ζούμε σε συνθήκες αναδιαμόρφωσης της αγοράς υπολογιστών. Το 2008, τα netbooks προέβλεπαν ένα λαμπρό μέλλον. Οι φτηνοί μικροί φορητοί υπολογιστές θα έπρεπε να έχουν γίνει ο κύριος υπολογιστής για τους περισσότερους χρήστες, ειδικά στο πλαίσιο της παγκόσμιας κρίσης. Αλλά μετά άρχισε η οικονομική ανάκαμψη και ήρθε το iPad. Τα tablet είναι πλέον οι βασιλιάδες της αγοράς. Ωστόσο, το tablet είναι καλό ως κονσόλα ψυχαγωγίας, αλλά δεν είναι πολύ βολικό στη χρήση, κυρίως λόγω της εισαγωγής αφής - η σύνταξη αυτού του άρθρου στο iPad θα ήταν πολύ δύσκολη και μακρά. Θα αντέξουν τα tablet στη δοκιμασία του χρόνου; Ίσως σε μερικά χρόνια θα έχουμε ένα νέο παιχνίδι.

Ωστόσο, στο τμήμα των κινητών, όπου δεν απαιτείται υψηλή απόδοση και η δραστηριότητα των χρηστών περιορίζεται κυρίως στην ψυχαγωγία και δεν σχετίζεται με την εργασία, το ARM φαίνεται προτιμότερο από το x86. Παρέχουν ένα αποδεκτό επίπεδο απόδοσης, καθώς και μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Οι προσπάθειες της Intel να φέρει στο μυαλό της την Atom ήταν μέχρι στιγμής ανεπιτυχείς. Το ARM θέτει μια νέα μπάρα για απόδοση ανά watt. Πιθανότατα, η ARM θα είναι επιτυχημένη σε μικρού μεγέθους φορητές συσκευές. Στην αγορά netbook, μπορούν επίσης να γίνουν ηγέτες, αλλά εδώ όλα εξαρτώνται όχι τόσο από τους προγραμματιστές επεξεργαστών, αλλά από τη Microsoft και την Google. Εάν το πρώτο υλοποιεί κανονική υποστήριξη ARM στα Windows 8, και το δεύτερο θα φέρει στο μυαλό το Chrome OS. Μέχρι στιγμής, τα smartbook που προσφέρει η Qualcomm δεν έχουν κάνει αγορά. Τα netbook βασισμένα στο x86 επέζησαν.

Μια σημαντική ανακάλυψη προς αυτή την κατεύθυνση, όπως σχεδιάστηκε από την ARM, θα πρέπει να γίνει από την αρχιτεκτονική Cortex-A15. Η εταιρεία προτείνει επεξεργαστές διπλού και τετραπύρηνου βασισμένου σε αυτό με συχνότητα 1,0-2,0 GHz για συστήματα οικιακής ψυχαγωγίας που θα συνδυάζουν media player, τηλεόραση 3D και τερματικό Internet. Τετραπύρηνα τσιπ με συχνότητα 1,5-2,5 GHz μπορούν να γίνουν η βάση των οικιακών και web servers. Τέλος, η πιο φιλόδοξη περίπτωση χρήσης του Cortex-A15 είναι η ασύρματη υποδομή. Μπορεί να χρησιμοποιήσει τσιπ με τέσσερις ή περισσότερους πυρήνες, με συχνότητα 1,5-2,5 GHz.

Αλλά προς το παρόν, αυτά είναι απλώς σχέδια. Το Cortex-A15 παρουσιάστηκε στην ARM τον Σεπτέμβριο του περασμένου έτους. Το Cortex-A9 παρουσιάστηκε από την εταιρεία τον Οκτώβριο του 2007, δύο χρόνια αργότερα η εταιρεία παρουσίασε την έκδοση A9 με δυνατότητα αύξησης της συχνότητας των τσιπ έως και 2,0 GHz. Για σύγκριση, το NVIDIA Tegra 2 - μια από τις πιο δημοφιλείς λύσεις που βασίζεται στο Cortex-A9 - κυκλοφόρησε μόλις τον περασμένο Ιανουάριο. Λοιπόν, τα πρώτα gadget που βασίστηκαν σε αυτό, οι χρήστες μπόρεσαν να αισθανθούν μετά από άλλους έξι μήνες.

Το τμήμα των λειτουργικών υπολογιστών και των λύσεων υψηλής απόδοσης θα παραμείνει για το x86. Αυτό δεν θα σημαίνει τον θάνατο της αρχιτεκτονικής, αλλά από άποψη χρημάτων, η Intel και η AMD θα πρέπει να προετοιμαστούν για την απώλεια μέρους των εσόδων που θα πάνε στους κατασκευαστές επεξεργαστών ARM.