پردازنده بازویی چیست؟ تحلیل مقایسه ای میکروکنترلرها با هسته ARM

با توجه به تعداد روزافزون برنامه‌هایی که تقاضای افزایش عملکرد پردازش داده را دارند، روندی به سمت افزایش تقاضا برای 32 بیت وجود دارد. میکروکنترلرها این نتیجه گیری توسط شرکت بازاریابی Semico انجام شده است که پیش بینی می کند غلبه 2 برابری ظرفیت بازار 32 بیتی را پیش بینی کند. میکروکنترلرهای 8 و 16 بیتی در سال 2007 در این راستا، هدف این مقاله ارائه روند کلی توسعه یکی از رایج ترین 32 بیتی است. هسته های ARM و ارزیابی مقایسه ای میکروکنترلرها بر اساس آنها از مقرون به صرفه ترین سازندگان در بازارهای CIS.

مروری بر معماری ARM

هسته میکروکنترلر ARM توسط شرکت انگلیسی به همین نام که در سال 1990 سازماندهی شد، توسعه یافت. نام ARM از «ماشین‌های پیشرفته RISC» گرفته شده است. لازم به ذکر است که این شرکت منحصراً در زمینه توسعه هسته های ریزپردازنده و واحدهای جانبی تخصص دارد، در حالی که امکانات تولیدی برای تولید میکروکنترلر ندارد. ARM طرح های خود را به صورت الکترونیکی ارائه می دهد که بر اساس آن مشتریان میکروکنترلرهای خود را طراحی می کنند. مشتریان این شرکت بیش از 60 شرکت تولید کننده نیمه هادی هستند که از جمله آنها می توان به تولید کنندگان محبوب در بازار نیمه هادی CIS مانند Altera، Analog Devices، Atmel، Cirrus Logic، Fujitsu، MagnaChip (Hynix)، Intel، Motorola، National Semiconductor، Philips، ST Microelect اشاره کرد. و تگزاس اینسترومنتز

در حال حاضر، معماری ARM پیشتاز است و 75 درصد از بازار 32 بیتی را پوشش می دهد. ریزپردازنده های RISC تعبیه شده شیوع این هسته با ماهیت استاندارد آن توضیح داده می شود، که به توسعه دهنده اجازه می دهد تا با انعطاف پذیری بیشتری از پیشرفت های نرم افزاری خود و شخص ثالث، هم هنگام جابجایی به یک هسته پردازنده جدید ARM و هم هنگام مهاجرت بین انواع مختلف میکروکنترلرهای ARM استفاده کند.

در حال حاضر، شش خانواده اصلی توسعه یافته اند (شکل 1 را ببینید): ARM7™، ARM9™، ARM9E™، ARM10™، ARM11™ و SecurCore™. خانواده های XScale™ و StrongARM® نیز با اینتل توسعه یافته اند.

به عنوان علاوه بر معماری ARM، چندین افزونه را می توان ادغام کرد:

• Thumb® - 16 بیتی مجموعه دستورالعملی که کارایی حافظه برنامه را بهبود می بخشد.
• DSP - مجموعه ای از دستورالعمل های حسابی برای پردازش سیگنال دیجیتال.
• Jazelle™ - افزونه برای اجرای مستقیم سخت افزاری دستورالعمل های جاوا.
• رسانه - افزونه ای برای 2-4 برابر سرعت پردازش سیگنال های صوتی و تصویری.

شکل 1. هسته های پردازنده ARM

سطوح رکوردی که معماری ARM از آن عبور کرده است سرعت بیش از 1 گیگاهرتز و مصرف ویژه 1 μW / MHz است. بسته به هدف، پردازنده های ARM به سه گروه تقسیم می شوند (شکل 2 را ببینید):

• پردازنده های سیستم عامل های پلت فرم باز در ارتباطات بی سیم، تصویربرداری و کاربردهای الکترونیک مصرف کننده.
• پردازنده‌هایی برای سیستم‌های عامل بی‌درنگ تعبیه‌شده برای برنامه‌های کاربردی ذخیره‌سازی انبوه، صنعتی، خودروسازی و شبکه.
• سیستم حفاظت از داده ها برای کارت های هوشمند و سیم کارت.

0.18μm (0.13μm)
هسته	حافظه پنهان	مساحت، میلی متر 2	مصرف ویژه mW/MHz	فرکانس، مگاهرتز
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)

شکل 2. داده های فنی برای هسته های پردازنده
ISE - شبیه ساز در مدار، RT - زمان واقعی، DSP - پردازشگر سیگنال دیجیتال، SIMD - داده های متعدد در یک دستورالعمل، TCM - حافظه جفت شده محکم (کش)، ETM - ماکروسل های ردیابی داخلی، VIC - کنترل کننده وقفه برداری، ASB , AHB - انواع لاستیک داخلی

وعده هسته ARM پس از اعلام انقلابی Atmel در کنفرانس توسعه دهندگان میکروکنترلر ARM که در سانتا کلارا (ایالات متحده آمریکا) در اکتبر 2004 برگزار شد، آشکار می شود. ماهیت این اعلامیه قصد Atmel برای انتشار 32 بیتی بود. میکروکنترلرهای AT91SAM7S با قیمت 8 بیت، هدف قرار دادن 8 بیت. برنامه های کاربردی برای گسترش عملکرد پردازش اطلاعات، در حالی که هزینه رقابتی خود را در همان سطح حفظ می کند.

مجموعه آموزش انگشت شست

32 بیتی پردازنده های ARM از 16 بیت قبلی پشتیبانی می کنند. توسعه با پشتیبانی از مجموعه دستورالعمل Thumb. با استفاده از 16 بیت دستورالعمل ها می توانند تا 35 درصد حافظه را در مقایسه با 32 بیتی معادل ذخیره کنند. کد، در حالی که تمام مزایای 32 بیتی را حفظ می کند. سیستم، به عنوان مثال، دسترسی به حافظه با 32 بیت. فضای آدرس

فناوری SIMD

فناوری SIMD (داده های متعدد در یک دستورالعمل) در گسترش رسانه استفاده می شود و هدف آن افزایش سرعت پردازش داده ها در برنامه هایی است که مصرف انرژی پایین مورد نیاز است. پسوندهای SIMD برای طیف وسیعی از نرم افزارها بهینه شده اند. کدک های صوتی / تصویری، جایی که آنها به شما امکان می دهند سرعت پردازش را 4 برابر افزایش دهید.

مجموعه دستورات DSP (DSP)

بسیاری از برنامه ها تقاضای زیادی برای سرعت پردازش سیگنال در زمان واقعی دارند. به طور سنتی، در چنین شرایطی، توسعه‌دهندگان به استفاده از پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) متوسل می‌شوند، که مصرف انرژی و هزینه را برای خود توسعه و دستگاه نهایی افزایش می‌دهد. برای رفع این کاستی ها، تعدادی از پردازنده های ARM دستورالعمل های DSP را یکپارچه کرده اند که 16 بیتی را اجرا می کنند. و 32 بیتی عملیات حسابی

تکنولوژی Jazelle®

فناوری ARM Jazelle برای برنامه هایی که از زبان برنامه نویسی جاوا پشتیبانی می کنند، هدف قرار می گیرد. این ترکیبی منحصر به فرد از عملکرد بالا، هزینه سیستم کم و نیازهای انرژی کم را ارائه می دهد که به طور همزمان با استفاده از یک پردازنده مشترک یا یک پردازنده جاوا اختصاصی قابل دستیابی نیست.

فناوری ARM Jazelle توسعه ای برای 32 بیت است. یک معماری RISC که به یک پردازنده ARM اجازه می دهد تا کد جاوا را در سخت افزار اجرا کند. در همان زمان، عملکرد بی نظیر اجرای کد جاوا با استفاده از معماری ARM به دست می آید. بنابراین، توسعه دهندگان این فرصت را دارند که برنامه های جاوا را آزادانه پیاده سازی کنند. سیستم عامل و کد برنامه، روی همان پردازنده.

فناوری Jazelle در حال حاضر در پردازنده‌های ARM زیر ادغام شده است: ARM1176JZ(F)-S، ARM1136J(F)-S، ARM1026EJ-S، ARM926EJ-S و ARM7EJ-S.

پردازنده های سنتی ARM از 2 مجموعه دستورالعمل پشتیبانی می کنند: در حالت ARM، دستورالعمل های 32 بیتی، و در حالت Thumb، محبوب ترین دستورالعمل ها به 16 بیت فشرده می شوند. قالب فناوری Jazelle این مفهوم را با افزودن یک مجموعه دستور العمل سوم جاوا که در حالت جدید جاوا فراخوانی می شود، گسترش می دهد.

فناوری مدیریت هوشمند انرژی

یکی از چالش‌های اصلی توسعه‌دهندگان دستگاه‌های قابل حمل (مانند تلفن‌های هوشمند، دستیارهای دیجیتال شخصی و پخش‌کننده‌های صوتی/تصویری) بهینه‌سازی مصرف انرژی است که می‌تواند بهبود بخشد. ویژگی های عملکرددستگاه تمام شده با افزایش عمر باتری یا کاهش اندازه دستگاه.

روش سنتی کاهش مصرف برق استفاده از حالت‌های اقتصادی اقتصادی مانند حالت بیکار (بیکار) یا خواب (خواب) است که در عمق غیرفعال کردن عناصر داخلی متفاوت است. به عنوان یک قاعده، حالت فعال عملکرد چنین سیستمی برای بدترین شرایط عملیاتی طراحی شده است و با حداکثر بار مشخص می شود، در نتیجه عمر باتری را به طور غیر ضروری کاهش می دهد. بنابراین، برای بهینه سازی بیشتر مصرف باتری، توسعه دهندگان توجه ویژه ای به مدیریت انرژی در حالت فعال دارند.

برای تسهیل این فرآیند، فناوری مدیریت انرژی هوشمند (IEM) برای پردازنده های ARM توسعه یافته است. این فناوری ترکیبی از قطعات سخت افزاری و نرم افزاری است که با هم کار می کنند تا مقیاس قدرت پویا را انجام دهند.

ماهیت روش کنترل دینامیکی ولتاژ منبع تغذیه مبتنی بر بیان مصرف انرژی پردازنده های CMOS است:

که در آن P کل مصرف برق، C ظرفیت سوئیچ، fc فرکانس پردازنده، ولتاژ منبع تغذیه، جریان نشتی در حالت استاتیک است. از این بیان به دست می آید که فرکانس و ولتاژ تغذیه را می توان برای تنظیم مصرف برق تغییر داد.

کاهش فرکانس برای کاهش مصرف انرژی به طور گسترده در میکروکنترلرها و سیستم های روی تراشه ها (PSoC) استفاده می شود، اما عیب این روش کاهش عملکرد نیست. روش کنترل دینامیکی ولتاژ منبع تغذیه مبتنی بر تغییر ولتاژ تغذیه است، اما اگر امکانات تنظیم تمام شود، از روش تنظیم فرکانس پردازنده به عنوان یک روش اضافی استفاده می شود.

میکروکنترلرهای مبتنی بر معماری ARM

جدول 1 کلیات را نشان می دهد ویژگی های مقایسه ایمیکروکنترلرهای ARM از معروف ترین و مقرون به صرفه ترین سازندگان: دستگاه آنالوگ، اتمل، فیلیپس نیمه هادی ها و تگزاس اینسترومنتز، و جدول 2 اطلاعات فنی آنها را با جزئیات بیشتری ارائه می دهد.

جدول 1. مقایسه میکروکنترلرهای ARM از سازندگان مختلف بر اساس ویژگی های کلیدی

TMS 470 (Texas Instruments)	AT91 (Atmel)	مبدل میکرو (میلادی)	LPC2000 (Philips)
سیستمیک:
هسته ARM7TDMI یک تقسیم کننده ساعت خارجی (ECP) به شما امکان می دهد یک دستگاه خارجی را با فرکانس دلخواه ساعت کنید	هسته ARM7TDMI/ARM920T اسیلاتور RC کالیبره شده داخلی اختیاری DMA برای تبادل داده بین دستگاه های جانبی و حافظه به طور قابل توجهی پردازنده را تخلیه می کند ساعت جداگانه فعال/غیرفعال برای هر وسیله جانبی (250 uA در صورت خاموش بودن) تثبیت کننده داخلی 1.8 ولت	هسته ARM7TDMI ژنراتور RC کالیبره داخلی (3±%)	هسته ARM7TDMI-S (مصرف خاص کمی بدتر از ARM7TDMI) نسخه هایی برای محدوده دمایی -40...+105 درجه سانتی گراد
حافظه:
حافظه فلش تا 1 مگابایت ماژول حفاظت از حافظه (MSM)	رم استاتیک اقتصادی (به عنوان مثال، AT91M40800 در 40 مگاهرتز با رم خارجی (12 ثانیه) 120 میلی آمپر مصرف می کند و AT91R40807 با رم داخلی 50 میلی آمپر تحت شرایط مشابه می گیرد).	برنامه فلش / حافظه داده تا 62 کیلوبایت با حفظ اطلاعات تا 100 سال و ماندگاری 100 هزار چرخه نوشتن / پاک کردن	فلش مموری 128 بیتی رابط شتاب دهنده برای کار در فرکانس 60 مگاهرتز
لوازم جانبی آنالوگ:
ADC چند بافر: - 10 بیت، 16 کانال، 1.75 میکرو ثانیه (نگهداری نمونه، تبدیل). - توانایی سازماندهی گروهی از کانال ها؛ - مدل های برنامه نویسی: سازگاری TMS470R1X ADC و بافر نتیجه تبدیل (FIFO). - حالت های عملیات: تبدیل، کالیبراسیون (جستجو برای نقطه میانی خطای بایاس ADC). - خودآزمایی (بررسی خطا در ورودی های آنالوگ)؛ خاموش شدن - سه کانال PDP؛ - شروع تبدیل، از جمله گروه، توسط رویداد خارجی یا تایمر. - خروجی برای تنظیم هر دو مرز تبدیل (خروجی های ADREFHI و ADREFLO).		سنسور دمای داخلی (± 3°C) 12 بیتی ADC - 1 میلیون مبدل در حالت های ثانویه تک پایانی یا دیفرانسیل کامل 12 بیتی DAC - سیگنال خروجی: ولتاژ - تقویت کننده بافر خروجی اختیاری. - نوسان کامل (ریل به ریل) مقایسه کننده (K) - 2 ورودی و خروجی متصل به پین ​​های ریزمدار	10 بیتی ADC مالتی پلکس: - زمان تبدیل 2.44 میکرو ثانیه (400 هزار تبدیل در ثانیه) - محدوده تبدیل 0 ... 3 ولت - توسط یک سیگنال یا تایمر خارجی راه اندازی می شود.
لوازم جانبی دیجیتال:
تایمر با کیفیت بالا (HET): - مجموعه ای از 21 دستورالعمل تخصصی برای کنترل تایمر. - یک میکروماشین تایمر از پیش تعریف شده تخصصی مرتبط با خطوط ورودی-خروجی. ژنراتور زاویه سخت افزار (HWAG) برای حل وظایف کنترل موتور: - همکاری با NO	ساعت واقعی با ورودی برق پشتیبان جداگانه تایمر دوره ای (PIT) برای تولید وقفه های همگام با زمان	ماتریس منطقی قابل برنامه ریزی - دو بلوک که 16 ورودی و 14 خروجی را به هم متصل می کند - 2 عنصر منطقی ورودی با هر تابع تبدیل معین سه فاز 16 بیتی ژنراتور PWM برای کنترل اینورتر/موتور - خروجی های ضد فاز در هر فاز با مکث غیر همپوشانی قابل تنظیم - فرکانس PWM قابل تنظیم	32 بیتی تایمر (کانال های ضبط لبه و کانال های مقایسه)، بلوک PWM (6 خروجی)، ساعت واقعی
رابط ها:
رابط های سریال کلاس 2 (C2SIa و C2SIb) - دریافت و انتقال داده ها در یک شبکه چند کارشناسی ارشد. - اتصال TMS470R1Vx با ریز مدارهای رابط آنالوگ خارجی؛ - بافر، تشخیص خطاها و خرابی ها، کالیبراسیون و غیره. کنترلرهای CAN - استاندارد (SCC): صندوق پستی برای 16 پیام؛ - کیفیت بالا (HECC): صندوق پستی برای 32 پیام. رابط DSP - مگا ماژول TMS470R1x و TMS320C54x DSP را متصل می کند ماژول گسترش اتوبوس (EBM): - پشتیبانی از 8 یا 16 بیت. حافظه خارجی؛ - عملکرد ورودی/خروجی عمومی زمانی که از گذرگاه خارجی استفاده نمی شود	رابط USB 2.0 رابط حافظه خارجی با خروجی های انتخاب تراشه خارجی قابل تنظیم کنترلر برنامه نویسی با سرعت بالا: - حالت های برنامه نویسی حافظه فلش سریال و موازی رابط های فلش کارت (RM9200)	رابط های سریال استاندارد (UART، SPI، I2C)	UART سازگار با 16C550 - پشتیبانی از سیگنال های مودم در یکی از UART ها رابط حافظه خارجی قابل تنظیم با 4 بانک و عرض داده 8/16/32

جدول 2. داده های فنی برای میکروکنترلرهای ARM از Atmel، دستگاه آنالوگ، تگزاس اینسترومنتز، فیلیپس نیمه هادی

نام	هسته	قاب	حافظه		لوازم جانبی						I/O	حداکثر h-ta، مگاهرتز
			فلش، کیلوبایت	رم، کیلوبایت	تایمر	ADC، ch/res	SPI/U(S)APP/ I2C	USB Dev/Host	می توان	دیگر
میکروکنترلرهای خانواده TMS470 از Texas Instruments
TMS470R1A64	ARM7TDMI	80 عدد LQFP	64	4	13	8/10	2/2/-	-	2	C2SI	40	48
	ARM7TDMI	100 عدد LQFP	128	8	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100 عدد LQFP	256	12	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100/144LQFP	288	16	12	12/10	2/2/1	-	2	C2SI، RAP، EBM، MSM	93	48
	ARM7TDMI	144 LQFP	512	32	32	16/10	2/2/-	-	2	RAP	87	60
	ARM7TDMI	144 LQFP	768	48	32	16/10	5/2/-	-	3	RAP	87	60
TMS470R1A1024	ARM7TDMI	144 LQFP	1024	64	12	12/10	5/2/1	-	2	DMA، EBM، MSM	93	60
خانواده اتمل AT91 ARM Thumb
	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 روبل 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، بین المللی 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، اترنت	60	55
	ARM920T	QFP208 BGA256	128	16	6		1/4/1	1/2		EBI، RTC، RTT، PIT، SDRAM، 3xSSC، MCI، اترنت	94	180
AT91SAM9261	ARM7TDMI	BGA217	32	160	3		3/3/1	1/2		EBI، RTT، PIT، int.SDRAM، 3xSSC، MCI	96	200
میکروکنترلرهای خانواده MicroConverter از دستگاه آنالوگ
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		5/12	1/1/2			4 x 12r. DAC، K، PLM	14	45
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		8/12	1/1/2			2 x 12r. DAC، K، PLM	13	45
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		10/12	1/1/2			K، PLM	13	45
	ARM7TDMI	CP-64	62	8		10/12	1/1/2			2 x 12p.DAC، 3ph. PWM، K، PLM	30	45
	ARM7TDMI	CP-64	62	8		12/12	1/1/2			3f. PWM، K، PLM	30	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		12/12	1/1/2			4 x 12p.DAC، PWM 3 فاز، K، PLM	40	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		16/12	1/1/2			3f. PWM، K، PLM	40	45
میکروکنترلرهای خانواده LPC2000 از شرکت فیلیپس Semiconductors
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	16	4		1/2/1			6 فصل PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	32	4		1/2/1			6 فصل PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	64	4		1/2/1			6 فصل PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 فصل PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 فصل PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 فصل PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 فصل PWM	46	60
2/2/1			6 فصل PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		2	6 فصل PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		4	6 فصل PWM	112	60

علیرغم استفاده از هسته مشترک ARM7TDMI در اکثر میکروکنترلرها، میکروکنترلرهای سازنده های مختلف تصویر کاملا واضحی دارند. دستگاه آنالوگ پیشرو بلامنازع در لوازم جانبی آنالوگ با 12 بیت است. کلاس ADC و DAC 1 مگاهرتز. Atmel به طور قابل توجهی در این مسیر عقب مانده است، که در توسعه ADC های فردی خود قبلاً مانع 2 گیگاهرتز را گرفته است، اما برای ادغام یک ADC مناسب در 32 بیت. میکروکنترلر، و نمی تواند. با این حال، این اشکال میکروکنترلرهای Atmel بر "دوستانه بودن" آنها (در هنگام استفاده از ژنراتور RC داخلی و تثبیت کننده، تنها یک ولتاژ تغذیه برای راه اندازی میکروکنترلر مورد نیاز است)، راندمان و مهمتر از همه، کم هزینه بودن آنها غلبه می کند. در بین میکروکنترلرهای مورد بحث، میکروکنترلرهای Atmel تنها مواردی هستند که دارای رابط USB هستند. میکروکنترلرهای TI با نمایندگی بیش از حد با هزینه متوسط ​​مشخص می شوند. با کار با میکروکنترلرهای TMS470 می توانید مطمئن باشید که منابع جانبی کافی هستند. میکروکنترلر LPC2000 (Philips) با توجه به معیارهای در نظر گرفته شده را می توان میانگین طلایی نامید. آنها با وجود UART ساخته شده در سنت فیلیپس و سازگار با استاندارد 16C550 UART متمایز می شوند و همچنین دارای یک رابط مودم و یک حالت کنترل ارتباط سخت افزاری با بافر FIFO است. در میان میکروکنترلرهای ARM فیلیپس، می‌توانید نمایندگانی را برای محدوده دمایی -40...+105 درجه سانتی‌گراد پیدا کنید.

32 بیتی میکروکنترلرها با هسته های جایگزین

وقتی صحبت از 32 بیت می شود. میکروکنترلرها، ناعادلانه است که دیگر 32 بیتی را ذکر نکنیم. جایگزین های هسته ARM در این زمینه باید هسته FR از فوجیتسو و M68000/M68300 از موتورولا را مشخص کرد.

هسته FR در تعداد زیادی از میکروکنترلرها (بیش از 40) که چندین خانواده را تشکیل می دهند استفاده می شود و دارای یک حالت تنظیم دستورالعمل 16 بیتی برای بهینه سازی استفاده از حافظه برنامه با حداقل کاهش عملکرد است که مشابه هسته ARM است. اندازه ROM و RAM تا 512 کیلوبایت می رسد، بسته به نوع، انواع تجهیزات جانبی استاندارد از جمله پشتیبانی می شود. 10 بیتی ADC، 12 بیتی PWM، رابط CAN، UART، و غیره. درست مانند مورد میکروکنترلرهای ARM، میکروکنترلرهای مبتنی بر هسته FR با سنت های رایجی که توسعه دهنده تعریف می کند و در سراسر خط میکروکنترلرها قابل تشخیص هستند، متمایز می شوند. در مورد فوجیتسو، این پشتیبانی سخت افزاری برای اندیانیسم، عملکرد جستجوی بیت سخت افزاری، بسیاری از کانال ها از همان نوع دستگاه های جانبی، و ورودی وقفه غیرقابل پوشش است. یک 10 بیت نسبتا مناسب در بسیاری از میکروکنترلرها ادغام شده است. ADC (زمان تبدیل 1.7 µs) و DAC (0.9 µs). در خانواده FRLite، رکورد مصرف انرژی ویژه 1 میلی آمپر / مگاهرتز ثبت شده است. خانواده FR 65E دارای حداکثر سرعت است که در آن فرکانس ساعت به 66 مگاهرتز می رسد.

32 بیتی میکروکنترلرهای موتورولا با پیاده سازی از مجموعه ای از ماژول های عملکردی استاندارد مشخص می شوند. میکروکنترلرهای خانواده 68300 عبارتند از: پردازنده 32 بیتی (CPU32)، ماژول های حافظه داخلی، ماژول رابط یکپارچه سازی سیستم (SIM)، ماژول رابط سریال (QSM)، پردازنده تایمر (TPU) یا ماژول تایمر (GPT)، مبدل دیجیتال آنالوگ. (ADC) و تعدادی دیگر. ماژول ها با استفاده از یک گذرگاه بین ماژول به یکدیگر متصل می شوند. پردازنده CPU32 مورد استفاده در میکروکنترلرهای خانواده 68300 از نظر عملکرد اصلی مشابه ریزپردازنده 32 بیتی MC68020 از خانواده 68000 است.برای استفاده در سیستم های ارتباطی، میکروکنترلرهایی تولید می شوند که حاوی یک ماژول پردازشگر RISC ارتباطی هستند که دارای مجموعه ای از ویژگی های خاص است. ابزارهای تبادل داده چنین کنترل کننده های ارتباطی (68360، 68302، 68356) نیز جزئی از خانواده 68300 هستند. از خانواده 68000 تقسیم منابع و قابلیت های آنها بسته به کلاس وظایفی است که حل می شود. این امر مستلزم اجرای دو دسته از وظایف است: کنترل عملکرد خود سیستم ریزپردازنده با کمک نرم افزار سیستم (سیستم عامل - سرپرست) و حل وظایف کاربر کاربردی. این باعث ایجاد حالت های عملکرد می شود: حالت سرپرست یا حالت کاربر. بسته به حالت، زمانی که برنامه ها اجرا می شوند، دسترسی به تمام یا بخشی از منابع میکروکنترلر مجاز است. حالت Supervisor امکان اجرای هر دستورالعملی را که توسط پردازنده اجرا می شود و دسترسی به همه رجیسترها را فراهم می کند. در حالت کاربر، اجرای تعدادی دستورالعمل و دسترسی به رجیسترهای خاص به منظور محدود کردن امکان چنین تغییراتی در وضعیت سیستم که ممکن است در اجرای برنامه‌های دیگر اختلال ایجاد کند یا نحوه عملکرد پردازنده را نقض کند، ممنوع است. توسط سرپرست تعیین شده است. یک استدلال قوی به نفع انتخاب میکروکنترلرهای موتورولا، محبوبیت بالای خانواده M68000 در زمان خود و سازگاری نرم افزاری میکروکنترلرهای M68000 و مدرن تر M68300 است که امکان استفاده از پیشرفت های نرم افزاری موجود در پیشرفت های جدید را فراهم می کند و در نتیجه زمان طراحی را کاهش می دهد.

• مزیت بدون شک هسته ARM استاندارد بودن آن است که به شما امکان می دهد از نرم افزارهای سایر میکروکنترلرهای سازگار استفاده کنید، دسترسی وسیع تری به ابزارهای طراحی داشته باشید یا راحت تر بین میکروکنترلرها مهاجرت کنید.
• علیرغم استفاده از هسته ARM یکسان در میکروکنترلرهای سازنده های مختلف، با این وجود، هر یک از آنها چهره خاص خود را دارند که با "دستور العمل" اصلی دستگاه های جانبی و اشغال موقعیت های رهبری در برخی از انواع دستگاه های جانبی به دست می آید، به عنوان مثال، برای دستگاه آنالوگ این مبدل دیجیتال آنالوگ است.
• هسته‌های ARM دارای یک نام‌گذاری و پویایی توسعه هستند، با این حال، از مقایسه نتیجه می‌گیرد که میکروکنترلرهای مبتنی بر هسته ARM7TDMI عمدتاً برای عموم در دسترس هستند. این را می توان به عنوان مثال با این واقعیت توضیح داد که حوزه اصلی مصرف میکروکنترلرهای ARM دستگاه ها و تجهیزات الکترونیکی خانگی، اداری، کاربر است که متأسفانه عمدتاً توسط OEM های خارجی تولید می شوند.
• بازار میکروکنترلرهای 32 بیتی از ظرفیت بالایی برخوردار است که در سال های آینده به صورت پویا رشد خواهد کرد، بنابراین، ما فقط باید مبارزه تولید کنندگان میکروکنترلر برای سهم این بازار را دنبال کنیم، اعلامیه ها را دنبال کنیم و زمان برای تسلط بر فناوری های جدید داشته باشیم. .

ادبیات

1. جی. ویلبرینک. تسهیل مهاجرت از میکروکنترلرهای 8 بیتی به 32 بیتی/Atmel Corporation -2004.
2. "Atmel اولین میکروکنترلر فلش ARM7 زیر 3 دلاری جهان را معرفی می کند"، اخبار Atmel در تاریخ 19/10/04، www.atmel.com.
3. Processor Cores Flyer//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03، صادر شده: می 2003.
4. مواد سایت www.arm.com

نام ARM مطمئناً توسط همه علاقمندان به فناوری تلفن همراه شنیده شده است. بسیاری این مخفف را به عنوان یک نوع پردازنده برای گوشی های هوشمند و تبلت ها می دانند، در حالی که برخی دیگر مشخص می کنند که این اصلا یک پردازنده نیست، بلکه معماری آن است. و مطمئناً تعداد کمی از مردم به تاریخچه ظهور ARM پرداختند. در این مقاله سعی می کنیم تمام این تفاوت های ظریف را درک کنیم و به شما بگوییم که چرا گجت های مدرن به پردازنده های ARM نیاز دارند.

گشتی کوتاه در تاریخ

هنگامی که برای "ARM" درخواست می شود، ویکی پدیا دو معنی برای این مخفف می دهد: Acorn RISC Machine و Advanced RISC Machines. بیایید به ترتیب شروع کنیم. در دهه 1980 شرکت Acorn Computers در انگلستان تاسیس شد که فعالیت خود را با ساخت کامپیوترهای شخصی آغاز کرد. در آن زمان بلوط را «سیب بریتانیایی» نیز می نامیدند. یک دوره تعیین کننده برای این شرکت در اواخر دهه 1980 بود، زمانی که مهندس ارشد آن از تصمیم دو فارغ التحصیل دانشگاه محلی برای ارائه نوع جدیدی از معماری پردازنده مجموعه دستورات کاهش یافته (RISC) استفاده کرد. اینگونه بود که اولین کامپیوتر مبتنی بر پردازنده Acorn Risc Machine ظاهر شد. موفقیت دیری نپایید. در سال 1990، انگلیسی ها با اپل قراردادی منعقد کردند و به زودی کار بر روی نسخه جدیدی از چیپست را آغاز کردند. در نتیجه، تیم توسعه شرکتی به نام Advanced RISC Machines، مشابه پردازنده، تشکیل داد. تراشه‌هایی با معماری جدید به عنوان Advanced Risc Machine یا به اختصار ARM نیز شناخته می‌شوند.

از سال 1998، Advanced Risc Machine با نام ARM Limited شناخته شد. در حال حاضر این شرکت مشغول تولید و فروش پردازنده های خود نیست. اصلی‌ترین و تنها فعالیت ARM Limited توسعه فناوری‌ها و فروش مجوز به شرکت‌های مختلف برای استفاده از معماری ARM است. برخی از تولیدکنندگان مجوزی را برای هسته‌های آماده خریداری می‌کنند، برخی دیگر مجوزی به اصطلاح «مجوز معماری» برای تولید پردازنده‌هایی با هسته‌های خود می‌خرند. از جمله این شرکت ها می توان به اپل، سامسونگ، کوالکام، nVidia، HiSilicon و غیره اشاره کرد. بر اساس برخی گزارش‌ها، ARM Limited با هر یک از این پردازنده‌ها 0.067 دلار درآمد کسب می‌کند. این رقم متوسط ​​و همچنین قدیمی است. هر سال تعداد هسته‌های بیشتری در چیپ‌ست‌ها وجود دارد و پردازنده‌های چند هسته‌ای جدید با قیمت تمام شده از نمونه‌های منسوخ بهتر عمل می‌کنند.

ویژگی های فنی تراشه های ARM

دو نوع معماری پردازنده مدرن وجود دارد: CISC(Complex Instruction Set Computing) و RISC(کاهش مجموعه دستورالعمل محاسباتی). معماری CISC به خانواده پردازنده های x86 (اینتل و AMD) اشاره دارد، در حالی که معماری RISC به خانواده ARM اشاره دارد. تفاوت رسمی اصلی بین RISC و CISC و بر این اساس، x86 و ARM، مجموعه دستورالعمل های کاهش یافته مورد استفاده در پردازنده های RISC است. بنابراین، برای مثال، هر دستورالعمل در معماری CISC به چندین دستورالعمل RISC تبدیل می شود. علاوه بر این، پردازنده های RISC از ترانزیستورهای کمتری استفاده می کنند و در نتیجه انرژی کمتری مصرف می کنند.

اولویت اصلی پردازنده های ARM نسبت عملکرد به مصرف انرژی است. ARM نسبت عملکرد بر وات بالاتری نسبت به x86 دارد. می توانید نیروی مورد نیاز خود را از 24 هسته x86 یا از صدها هسته ARM کوچک و کم مصرف دریافت کنید. البته، حتی قدرتمندترین پردازنده در معماری ARM نیز هرگز از نظر قدرت با Core i7 اینتل قابل مقایسه نخواهد بود. اما همان Core i7 اینتل به یک سیستم خنک کننده فعال نیاز دارد و هرگز در قاب گوشی جا نمی شود. در اینجا ARM خارج از رقابت است. از یک طرف، به نظر می رسد گزینه ای جذاب برای ساخت یک ابر کامپیوتر با استفاده از یک میلیون پردازنده ARM به جای هزار پردازنده x86 باشد. از سوی دیگر، این دو معماری را نمی توان به طور واضح با هم مقایسه کرد. از برخی جهات، مزیت برای ARM و از برخی جهات - برای x86 خواهد بود.

با این حال، فراخوانی پردازنده های تراشه های معماری ARM کاملاً صحیح نیست. آنها علاوه بر چندین هسته پردازنده، شامل اجزای دیگری نیز هستند. مناسب ترین عبارت «سیستم تک تراشه» یا «سیستم روی تراشه» (SoC) خواهد بود. سیستم های تک تراشه مدرن برای دستگاه های تلفن همراه شامل یک کنترل کننده رم، یک شتاب دهنده گرافیکی، یک رمزگشای ویدیویی، یک کدک صوتی و ماژول های ارتباط بی سیم است. همانطور که قبلا ذکر شد، اجزای تراشه ست جداگانه را می توان توسط سازنده های شخص ثالث توسعه داد. بارزترین نمونه این هسته‌های گرافیکی است که علاوه بر ARM Limited (گرافیک مالی) توسط Qualcomm (Adreno)، NVIDIA (GeForce ULP) و Imagination Technologies (PowerVR) در حال توسعه هستند.

در عمل به این شکل به نظر می رسد. اکثر دستگاه های تلفن همراه اندرویدی ارزان قیمت دارای چیپست های تولید شده توسط این شرکت هستند. مدیاتک، که تقریباً همیشه دستورالعمل های ARM Limited را دنبال می کند و آنها را با هسته های Cortex-A و گرافیک Mali (کمتر PowerVR) تکمیل می کند.

برندهای A برای دستگاه های پرچمدار خود اغلب از چیپست های تولید شده توسط کوالکام. به هر حال، آخرین تراشه های کوالکام اسنپدراگون (،) به هسته های کاملا سفارشی Kryo برای پردازنده مرکزی و Adreno برای شتاب دهنده گرافیکی مجهز شده اند.

مربوط به سیب، سپس برای آیفون و آیپد، این شرکت از تراشه های سری A خود با شتاب دهنده گرافیکی PowerVR استفاده می کند که توسط شرکت های شخص ثالث تولید می شوند. بنابراین، یک پردازنده 64 بیتی چهار هسته ای A10 Fusion و یک پردازنده گرافیکی PowerVR GT7600 نصب شده است.

معماری پردازنده های خانواده در زمان نگارش مقاله مرتبط در نظر گرفته می شود. ARMv8. این اولین باری بود که از مجموعه دستورالعمل های 64 بیتی استفاده کرد و بیش از 4 گیگابایت رم را پشتیبانی کرد. معماری ARMv8 با برنامه های 32 بیتی سازگار است. کارآمدترین و قدرتمندترین هسته پردازشی که توسط ARM Limited تا کنون ساخته شده است Cortex-A73و اکثر سازندگان SoC بدون تغییر از آن استفاده می کنند.

Cortex-A73 عملکرد 30٪ سریعتر از Cortex-A72 ارائه می دهد و از مجموعه کامل معماری های ARMv8 پشتیبانی می کند. حداکثر فرکانس هسته پردازنده 2.8 گیگاهرتز است.

دامنه استفاده از ARM

بزرگترین شکوه ARM توسعه دستگاه های تلفن همراه را به ارمغان آورد. در انتظار تولید انبوه گوشی های هوشمند و سایر تجهیزات قابل حمل، پردازنده های کم مصرف به کار آمدند. نقطه اوج توسعه ARM Limited در سال 2007 بود، زمانی که این شرکت بریتانیایی همکاری خود را با اپل تمدید کرد و مدتی بعد، شرکت کوپرتینویی اولین آیفون خود را با پردازنده معماری ARM معرفی کرد. متعاقباً، سیستم تک تراشه مبتنی بر معماری ARM به یک جزء ثابت تقریباً همه گوشی‌های هوشمند موجود در بازار تبدیل شده است.

مجموعه ARM Limited به هسته های خانواده Cortex-A محدود نمی شود. در واقع تحت برند Cortex سه سری هسته پردازنده وجود دارد که با حروف A، R، M. خانواده Core مشخص می شوند. Cortex-Aهمانطور که می دانیم، قوی ترین است. آنها عمدتا در گوشی های هوشمند، تبلت ها، ست تاپ باکس ها، گیرنده های ماهواره ای، سیستم های خودروسازی، روباتیک استفاده می شوند. هسته های پردازنده Cortex-Rبرای انجام وظایف با کارایی بالا در زمان واقعی بهینه شده اند، بنابراین چنین تراشه هایی در تجهیزات پزشکی، سیستم های امنیتی مستقل و رسانه های ذخیره سازی یافت می شوند. وظیفه اصلی خانواده است Cortex-Mسادگی و کم هزینه است. از نظر فنی، اینها ضعیف ترین هسته های پردازنده با کمترین مصرف انرژی هستند. پردازنده‌های مبتنی بر چنین هسته‌هایی تقریباً در همه جاهایی که دستگاه به حداقل قدرت و هزینه کم نیاز دارد استفاده می‌شود: سنسورها، کنترل‌کننده‌ها، آلارم‌ها، نمایشگرها، ساعت‌های هوشمند و سایر تجهیزات.

به طور کلی، اکثر دستگاه های امروزی، از کوچک تا بزرگ، که به CPU نیاز دارند، از تراشه های ARM استفاده می کنند. یک مزیت بزرگ این واقعیت است که معماری ARM توسط بسیاری از سیستم‌عامل‌های مبتنی بر لینوکس (از جمله Android و Chrome OS)، iOS و Windows (Windows Phone) پشتیبانی می‌شود.

رقابت در بازار و چشم انداز آینده

مسلما در حال حاضر ARM رقیب جدی ندارد. و به طور کلی، این به این دلیل است که ARM Limited در یک زمان خاص انتخاب درستی انجام داده است. اما این شرکت در همان ابتدای راه خود، پردازنده هایی برای رایانه های شخصی تولید کرد و حتی سعی کرد با اینتل رقابت کند. پس از اینکه ARM Limited جهت فعالیت های خود را تغییر داد، برای او نیز آسان نبود. سپس انحصار نرم افزار که توسط مایکروسافت نمایندگی می شود، با انعقاد قرارداد مشارکت با اینتل، هیچ شانسی برای تولید کنندگان دیگر، از جمله ARM Limited باقی نگذاشت - ویندوز به سادگی روی سیستم هایی با پردازنده های ARM کار نمی کرد. مهم نیست که چقدر متناقض به نظر می رسد، اما اکنون وضعیت ممکن است به طور چشمگیری تغییر کند و ویندوز از قبل آماده پشتیبانی از پردازنده های مبتنی بر این معماری است.

در پی موفقیت تراشه های ARM، اینتل تلاش کرد تا یک پردازنده رقابتی ایجاد کند و با یک تراشه وارد بازار شد. اتم اینتل. برای انجام این کار، زمان بسیار بیشتری نسبت به ARM Limited از او گرفت. این چیپست در سال 2011 وارد تولید شد، اما همانطور که می گویند قطار قبلاً ترک شده است. اینتل اتم یک پردازنده x86 CISC است. مهندسان این شرکت نسبت به ARM به مصرف انرژی کمتری دست یافته اند، با این حال، در حال حاضر، انواع نرم افزارهای موبایل سازگاری ضعیفی با معماری x86 دارند.

سال گذشته، اینتل چندین تصمیم کلیدی در توسعه بیشتر سیستم های تلفن همراه را رها کرد. در واقع یک شرکت برای دستگاه های تلفن همراه به عنوان آنها تبدیل به زیان ده. تنها سازنده بزرگی که گوشی های هوشمند خود را با چیپست های اتم اینتل همراه کرد، ایسوس بود. با این حال، اینتل اتم هنوز هم در نت‌بوک‌ها، نت‌تاپ‌ها و دیگر دستگاه‌های قابل حمل استفاده زیادی داشت.

موقعیت ARM Limited در بازار منحصر به فرد است. در حال حاضر، تقریباً همه تولید کنندگان از پیشرفت های آن استفاده می کنند. در عین حال، این شرکت کارخانه های خود را ندارد. این مانع از این نمی شود که او همتراز اینتل و AMD باشد. تاریخچه ARM شامل یک واقعیت عجیب دیگر است. این امکان وجود دارد که اکنون فناوری ARM متعلق به اپل باشد که در قلب شکل گیری ARM Limited قرار داشت. از قضا، در سال 1998، کوپرتینویی ها که دوران بحرانی را پشت سر می گذاشتند، سهام خود را فروختند. اکنون اپل به همراه سایر شرکت ها مجبور به خرید مجوز برای پردازنده های ARM مورد استفاده در آیفون و آیپد شده است.

اکنون پردازنده های ARM قادر به انجام وظایف جدی هستند. در کوتاه مدت، آنها در سرورها استفاده خواهند شد، به ویژه، مراکز داده فیس بوک و پی پال در حال حاضر چنین راه حل هایی دارند. در عصر اینترنت اشیا (IoT) و دستگاه‌های خانه هوشمند، تراشه‌های ARM حتی تقاضای بیشتری پیدا کرده‌اند. بنابراین جالب ترین چیز برای ARM هنوز در راه است.

اکثریت قریب به اتفاق گجت‌های مدرن از پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM استفاده می‌کنند که توسط شرکت محدود ARM به همین نام در حال توسعه است. جالب اینجاست که خود این شرکت پردازنده تولید نمی کند، بلکه تنها مجوز فناوری های خود را به تولیدکنندگان تراشه های شخص ثالث می دهد. علاوه بر این، این شرکت همچنین هسته‌های پردازنده Cortex و شتاب‌دهنده‌های گرافیکی Mali را توسعه می‌دهد که قطعاً در این ماده به آنها خواهیم پرداخت.

ARM Limited

شرکت ARM در واقع یک انحصارگر در زمینه خود است و اکثریت قریب به اتفاق گوشی‌های هوشمند و تبلت‌های مدرن در سیستم‌عامل‌های مختلف موبایل از پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM استفاده می‌کنند. تراشه‌سازان مجوز هسته‌ها، مجموعه‌های دستورالعمل و فناوری‌های مرتبط را از ARM می‌دهند و هزینه مجوزها بسته به نوع هسته‌های پردازنده (از راه‌حل‌های کم مصرف تا تراشه‌های چهار هسته‌ای و حتی هشت هسته‌ای پیشرفته) و هزینه‌های مجوزها به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است. اجزاء. صورت‌حساب درآمد سالانه ARM Limited در سال 2006، درآمدی معادل 161 میلیون دلار برای صدور مجوز حدود 2.5 میلیارد پردازنده (از 7.9 میلیارد دلار در سال 2011) نشان داد که تقریباً به 0.067 دلار برای هر تراشه تبدیل می‌شود. با این حال، به دلیل ذکر شده در بالا، به دلیل تفاوت قیمت مجوزهای مختلف، این رقم بسیار متوسط ​​است و از آن زمان تاکنون سود شرکت باید چندین برابر می شد.

در حال حاضر پردازنده های ARM بسیار گسترده شده اند. تراشه‌های این معماری در همه جا استفاده می‌شوند، تا سرورها، اما اغلب ARM را می‌توان در سیستم‌های جاسازی شده و موبایل، از کنترل‌کننده‌های دیسک سخت گرفته تا تلفن‌های هوشمند مدرن، تبلت‌ها و سایر ابزارها یافت.

هسته های کورتکس

ARM چندین خانواده از هسته ها را توسعه می دهد که برای کارهای مختلف استفاده می شوند. به عنوان مثال، پردازنده های مبتنی بر Cortex-Mx و Cortex-Rx (که در آن "x" یک رقم یا عددی است که شماره هسته دقیق را نشان می دهد) در سیستم های جاسازی شده و حتی دستگاه های مصرف کننده مانند روترها یا چاپگرها استفاده می شود.

ما در جزئیات به آنها نخواهیم پرداخت، زیرا در درجه اول به خانواده Cortex-Ax علاقه مندیم - تراشه هایی با چنین هسته هایی در سازنده ترین دستگاه ها، از جمله گوشی های هوشمند، تبلت ها و کنسول های بازی استفاده می شوند. ARM به طور مداوم بر روی هسته های جدید از خط Cortex-Ax کار می کند، اما در زمان نوشتن این مقاله، گوشی های هوشمند از موارد زیر استفاده می کنند:

هرچه این عدد بزرگتر باشد، عملکرد پردازنده بالاتر است و بر این اساس، کلاس دستگاه هایی که در آن استفاده می شود گران تر است. با این حال، شایان ذکر است که این قانون همیشه رعایت نمی شود: به عنوان مثال، تراشه های مبتنی بر هسته های Cortex-A7 عملکرد بالاتری نسبت به تراشه های مبتنی بر Cortex-A8 دارند. با این وجود، اگر پردازنده‌های Cortex-A5 تقریباً منسوخ در نظر گرفته می‌شوند و تقریباً هرگز در دستگاه‌های مدرن استفاده نمی‌شوند، پردازنده‌های Cortex-A15 را می‌توان در ارتباطات و تبلت‌های پرچمدار یافت. چندی پیش، ARM رسما از توسعه هسته های جدید، قدرتمندتر و در عین حال کم مصرف Cortex-A53 و Cortex-A57 خبر داد که با استفاده از فناوری و پشتیبانی ARM big.LITTLE روی یک تراشه ترکیب می شوند. مجموعه دستورالعمل ARMv8 ("نسخه معماری") ، اما در حال حاضر در دستگاه های مصرف کننده انبوه استفاده نمی شود. بیشتر تراشه‌های دارای هسته‌های Cortex می‌توانند چند هسته‌ای باشند و پردازنده‌های چهار هسته‌ای در گوشی‌های هوشمند پیشرفته مدرن در همه جا وجود دارند.

سازندگان بزرگ گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها معمولاً از پردازنده‌های سازنده تراشه‌های معروفی مانند کوالکام یا راه‌حل‌های خودشان استفاده می‌کنند که قبلاً بسیار محبوب شده‌اند (مثلاً سامسونگ و خانواده چیپ‌ست‌های Exynos آن)، اما از ویژگی‌های فنی گجت‌های اکثر شرکت‌های کوچک هستند. ، اغلب می توانید توضیحاتی مانند "پردازنده مبتنی بر Cortex-A7 @ 1GHz" یا "Dual-Core Cortex-A7 @ 1GHz" پیدا کنید، که به کاربر عادی چیزی نمی گوید. برای درک اینکه چه تفاوت هایی بین چنین هسته هایی وجود دارد، اجازه دهید بر روی آنها تمرکز کنیم.

هسته Cortex-A5 در پردازنده های ارزان قیمت برای دستگاه های مقرون به صرفه استفاده می شود. چنین دستگاه‌هایی فقط برای انجام طیف محدودی از وظایف و اجرای برنامه‌های کاربردی ساده طراحی شده‌اند، اما اصلاً برای برنامه‌ها و مخصوصاً بازی‌های پرمخاطب طراحی نشده‌اند. نمونه ای از گجت با پردازنده Cortex-A5 Highscreen Blast است که یک تراشه Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 حاوی دو هسته Cortex-A5 با کلاک 1.2 گیگاهرتز دریافت کرد.

پردازنده های Cortex-A7 قدرتمندتر از تراشه های Cortex-A5 و رایج تر هستند. چنین تراشه‌هایی بر اساس فناوری پردازش 28 نانومتری ساخته شده‌اند و دارای حافظه پنهان سطح دوم تا 4 مگابایت هستند. هسته های Cortex-A7 عمدتاً در گوشی های هوشمند مقرون به صرفه و دستگاه های میان رده ارزان قیمت مانند iconBIT Mercury Quad و به عنوان یک استثنا در Samsung Galaxy S IV GT-i9500 با پردازنده Exynos 5 Octa یافت می شوند - این چیپست از یک پردازنده چهار هسته ای کم مصرف در Cortex-A7.

هسته Cortex-A8 به اندازه "همسایگان" Cortex-A7 و Cortex-A9 رایج نیست، اما همچنان در گجت‌های مختلف سطح ابتدایی استفاده می‌شود. فرکانس ساعت کاری تراشه های Cortex-A8 می تواند از 600 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز متغیر باشد، اما گاهی اوقات سازندگان پردازنده ها را به فرکانس های بالاتر اورکلاک می کنند. یکی از ویژگی های هسته Cortex-A8 عدم پشتیبانی از تنظیمات چند هسته ای است (یعنی پردازنده های این هسته ها فقط می توانند تک هسته ای باشند) و آنها بر روی یک فناوری پردازش 65 نانومتری اجرا می شوند که قبلاً در نظر گرفته شده است. منسوخ شده

Cortex-A9

چند سال پیش، هسته‌های Cortex-A9 به عنوان راه‌حل برتر در نظر گرفته می‌شد و در تراشه‌های تک هسته‌ای سنتی و دو هسته‌ای قدرتمندتر، مانند Nvidia Tegra 2 و Texas Instruments OMAP4 استفاده می‌شد. در حال حاضر پردازنده های مبتنی بر Cortex-A9 که بر اساس فناوری پردازش 40 نانومتری ساخته شده اند، محبوبیت خود را از دست نمی دهند و در بسیاری از گوشی های هوشمند میان رده استفاده می شوند. فرکانس کاری چنین پردازنده هایی می تواند از 1 تا 2 گیگاهرتز یا بیشتر باشد، اما معمولاً به 1.2-1.5 گیگاهرتز محدود می شود.

در ژوئن 2013، ARM به طور رسمی هسته Cortex-A12 را معرفی کرد که مبتنی بر فناوری پردازش جدید 28 نانومتری است و برای جایگزینی هسته‌های Cortex-A9 در گوشی‌های هوشمند میان‌رده طراحی شده است. توسعه دهنده قول افزایش عملکرد 40 درصدی نسبت به Cortex-A9 را می دهد و علاوه بر این، هسته های Cortex-A12 می توانند در معماری ARM big.LITTLE به عنوان هسته های سازنده در کنار Cortex-A7 صرفه جویی در انرژی شرکت کنند، که این امکان را به شما می دهد. تولیدکنندگان تراشه های هشت هسته ای ارزان قیمت ایجاد می کنند. درست است، در زمان نگارش این مقاله، همه اینها فقط در برنامه است و تولید انبوه تراشه های Cortex-A12 هنوز ایجاد نشده است، اگرچه RockChip قبلاً اعلام کرده بود که قصد دارد یک پردازنده چهار هسته ای Cortex-A12 با فرکانس 1.8 گیگاهرتز

برای سال 2013، هسته Cortex-A15 و مشتقات آن بهترین راه حل هستند و در تراشه های ارتباطی پرچمدار تولید کنندگان مختلف استفاده می شوند. از جمله پردازنده های جدید ساخته شده بر اساس فناوری پردازش 28 نانومتری و مبتنی بر Cortex-A15 می توان به Samsung Exynos 5 Octa و Nvidia Tegra 4 اشاره کرد و این هسته اغلب به عنوان پلتفرمی برای اصلاحات سایر سازندگان عمل می کند. به عنوان مثال، آخرین پردازنده A6X اپل از هسته های سوئیفت استفاده می کند که اصلاحاتی از Cortex-A15 هستند. تراشه های مبتنی بر Cortex-A15 قادر به کار در فرکانس 1.5-2.5 گیگاهرتز هستند و پشتیبانی از بسیاری از استانداردهای شخص ثالث و توانایی آدرس دهی تا 1 ترابایت حافظه فیزیکی، استفاده از چنین پردازنده هایی را در رایانه ها ممکن می سازد. آیا نمی توان یک مینی کامپیوتر به اندازه کارت بانکی Raspberry Pi را به خاطر آورد).

سری Cortex-A50

در نیمه اول سال 2013، ARM خط جدیدی از تراشه ها به نام سری Cortex-A50 را معرفی کرد. هسته های این خط طبق نسخه جدید معماری یعنی ARMv8 ساخته می شوند و از مجموعه دستورالعمل های جدید پشتیبانی می کنند و 64 بیتی نیز خواهند شد. انتقال به عمق بیت جدید مستلزم بهینه سازی سیستم عامل ها و برنامه های کاربردی تلفن همراه است، اما، البته، پشتیبانی از ده ها هزار برنامه 32 بیتی باقی خواهد ماند. اپل اولین کسی بود که به معماری 64 بیتی روی آورد. آخرین دستگاه‌های این شرکت، مانند iPhone 5S، بر روی چنین پردازنده A7 ARM اپل کار می‌کنند. قابل توجه است که از هسته های Cortex استفاده نمی کند - آنها با هسته های خود سازنده به نام Swift جایگزین شده اند. یکی از دلایل واضح نیاز به سوئیچ به پردازنده های 64 بیتی، پشتیبانی از بیش از 4 گیگابایت رم و علاوه بر این، امکان کار با اعداد بسیار بزرگتر هنگام محاسبه است. البته، در حالی که این موضوع قبل از هر چیز مربوط به سرورها و رایانه های شخصی است، اما اگر چند سال دیگر گوشی های هوشمند و تبلت هایی با این میزان رم در بازار ظاهر شوند، تعجب نخواهیم کرد. تا به امروز، هیچ چیز در مورد برنامه‌هایی برای عرضه تراشه‌ها در معماری جدید و گوشی‌های هوشمند با استفاده از آن‌ها مشخص نیست، اما احتمالاً همانطور که سامسونگ قبلاً اعلام کرده است، چنین پردازنده‌هایی در سال 2014 پرچمدارانی دریافت خواهند کرد.

هسته Cortex-A53 این سری را باز می کند که "جانشین" مستقیم Cortex-A9 خواهد بود. پردازنده‌های مبتنی بر Cortex-A53 نسبت به تراشه‌های مبتنی بر Cortex-A9 در عملکرد به‌طور محسوسی برتری دارند، اما در عین حال مصرف انرژی پایینی نیز حفظ می‌شود. چنین پردازنده هایی را می توان هم به صورت جداگانه و هم در پیکربندی ARM big.LITTLE استفاده کرد و روی یک چیپست با پردازنده Cortex-A57 ترکیب شد.

عملکرد Cortex-A53، Cortex-A57

پردازنده های مبتنی بر Cortex-A57 که با استفاده از فناوری پردازش 20 نانومتری ساخته می شوند، در آینده نزدیک به قدرتمندترین پردازنده های ARM تبدیل خواهند شد. هسته جدید به طور قابل توجهی از نسل قبلی خود یعنی Cortex-A15 در معیارهای مختلف عملکرد بهتر است (مقایسه را در بالا مشاهده می کنید) و طبق گفته ARM که به طور جدی بازار رایانه های شخصی را هدف قرار داده است، راه حلی سودآور برای رایانه های اصلی (از جمله لپ تاپ) خواهد بود. ) نه فقط دستگاه های موبایل.

بازو بزرگ.کوچک

ARM به عنوان یک راه حل با تکنولوژی بالا برای مشکل مصرف انرژی پردازنده های مدرن، فناوری big.LITTLE را ارائه می دهد که ماهیت آن ترکیب انواع هسته های مختلف بر روی یک تراشه است، معمولاً تعداد واحدهای صرفه جویی در انرژی و بالا. عملکرد

سه طرح برای عملکرد انواع مختلف هسته‌ها روی یک تراشه وجود دارد: big.LITTLE (مهاجرت بین خوشه‌ها)، big.LITTLE IKS (مهاجرت بین هسته‌ها) و big.LITTLE MP (چند پردازش ناهمگن).

big.LITTLE (مهاجرت بین خوشه ها)

اولین چیپست مبتنی بر معماری ARM big.LITTLE پردازنده Samsung Exynos 5 Octa بود. از طرح اصلی big.LITTLE "4+4" استفاده می کند، که به معنای ترکیب در دو خوشه (از این رو نام طرح) روی یک تراشه چهار هسته Cortex-A15 با کارایی بالا برای برنامه ها و بازی های پرمصرف و چهار هسته انرژی است. ذخیره هسته های Cortex-A7 برای کارهای روزمره با اکثر برنامه ها، و در یک زمان فقط یک نوع هسته می تواند کار کند. جابجایی بین گروه‌های هسته‌ها تقریباً بلافاصله و به‌طور نامحسوس برای کاربر در حالت کاملاً خودکار اتفاق می‌افتد.

big.LITTLE IKS (مهاجرت بین هسته ها)

یک پیاده‌سازی پیچیده‌تر از معماری big.LITTLE ترکیبی از چندین هسته واقعی (معمولاً دو) در یک هسته مجازی است که توسط هسته سیستم عامل کنترل می‌شود، که تصمیم می‌گیرد از کدام هسته‌ها استفاده کند - کارآمد یا مولد. البته، چندین هسته مجازی نیز وجود دارد - تصویر نمونه ای از طرح IKS را نشان می دهد، که در آن هر یک از چهار هسته مجازی شامل یک هسته Cortex-A7 و Cortex-A15 است.

big.LITTLE MP (چند پردازش ناهمگن)

طرح big.LITTLE MP "پیشرفته ترین" طرح است - در آن هر هسته مستقل است و می تواند در صورت نیاز توسط هسته سیستم عامل روشن شود. این بدان معناست که اگر از چهار هسته Cortex-A7 و همان تعداد هسته Cortex-A15 در چیپست ساخته شده بر اساس معماری ARM big.LITTLE MP استفاده شود، هر 8 هسته می توانند به طور همزمان کار کنند، حتی اگر متفاوت باشند. انواع یکی از اولین پردازنده های این نوع، تراشه هشت هسته ای Mediatek - MT6592 بود که می تواند در فرکانس ساعت 2 گیگاهرتز کار کند و همچنین فیلم ها را با وضوح UltraHD ضبط و پخش کند.

آینده

بر اساس اطلاعات موجود، در آینده ای نزدیک، ARM به همراه سایر شرکت ها قصد دارد تا نسل بعدی تراشه های big.LITTLE را عرضه کند که از هسته های جدید Cortex-A53 و Cortex-A57 استفاده می کنند. علاوه بر این، سازنده چینی MediaTek قصد دارد پردازنده های مقرون به صرفه ای را در ARM big.LITTLE منتشر کند که طبق طرح "2 + 2" کار می کنند، یعنی از دو گروه دو هسته ای استفاده می کنند.

شتاب دهنده های گرافیکی مالی

ARM علاوه بر پردازنده ها، شتاب دهنده های گرافیکی خانواده مالی را نیز توسعه می دهد. همانند پردازنده‌ها، شتاب‌دهنده‌های گرافیکی با پارامترهای زیادی مانند سطح ضد aliasing، رابط باس، حافظه پنهان (حافظه فوق‌العاده سریع که برای افزایش سرعت استفاده می‌شود) و تعداد «هسته‌های گرافیکی» مشخص می‌شوند (اگرچه، همانطور که در در مقاله قبلی، این شکل، علیرغم شباهت با اصطلاحی که برای توصیف CPU به کار می رود، در مقایسه دو پردازنده گرافیکی، تأثیر چندانی بر عملکرد ندارد.

اولین شتاب دهنده گرافیکی ARM، Mali 55 بود که در حال حاضر استفاده نشده بود، که در گوشی لمسی ال جی Renoir (بله، معمولی ترین تلفن همراه) استفاده شد. GPU در بازی ها مورد استفاده قرار نمی گرفت - فقط برای ترسیم رابط، و با استانداردهای امروزی دارای ویژگی های ابتدایی بود، اما این او بود که به "جد" سری مالی تبدیل شد.

از آن زمان، پیشرفت راه طولانی را طی کرده است و اکنون APIهای پشتیبانی شده و استانداردهای بازی اهمیت کمی ندارند. به عنوان مثال، پشتیبانی از OpenGL ES 3.0 اکنون فقط در قدرتمندترین پردازنده‌ها مانند Qualcomm Snapdragon 600 و 800 اعلام شده است، و اگر در مورد محصولات ARM صحبت کنیم، این استاندارد توسط شتاب‌دهنده‌هایی مانند Mali-T604 پشتیبانی می‌شود. که اولین پردازنده گرافیکی ARM ساخته شده بر روی ریزمعماری جدید Midgard)، Mali-T624، Mali-T628، Mali-T678 و برخی دیگر از تراشه های مشابه از نظر ویژگی ها بود. یک یا یک GPU دیگر، به عنوان یک قاعده، ارتباط نزدیکی با هسته دارد، اما، با این وجود، به طور جداگانه نشان داده شده است، به این معنی که اگر کیفیت گرافیک در بازی ها برای شما مهم است، پس منطقی است که به نام آن نگاه کنید. شتاب دهنده در مشخصات گوشی هوشمند یا تبلت.

ARM همچنین دارای شتاب‌دهنده‌های گرافیکی برای گوشی‌های هوشمند میان‌رده است که رایج‌ترین آنها Mali-400 MP و Mali-450 MP هستند که در عملکرد نسبتاً پایین و مجموعه محدودی از APIها و استانداردهای پشتیبانی شده با برادران بزرگ‌ترشان متفاوت هستند. با وجود این، این پردازنده‌های گرافیکی همچنان در گوشی‌های هوشمند جدید مورد استفاده قرار می‌گیرند، برای مثال Zopo ZP998، که علاوه بر پردازنده هشت هسته‌ای MTK6592، شتاب‌دهنده گرافیکی Mali-450 MP4 (اصلاح‌شده Mali-450 MP) را دریافت کرد.

احتمالاً در پایان سال 2014، گوشی های هوشمند با آخرین شتاب دهنده های گرافیکی ARM ظاهر می شوند: Mali-T720، Mali-T760 و Mali-T760 MP که در اکتبر 2013 معرفی شدند. Mali-T720 باید GPU جدید برای گوشی های هوشمند ارزان قیمت و اولین پردازنده گرافیکی در این بخش باشد که از Open GL ES 3.0 پشتیبانی می کند. Mali-T760 به نوبه خود به یکی از قدرتمندترین شتاب دهنده های گرافیک موبایل تبدیل خواهد شد: با توجه به ویژگی های اعلام شده، پردازنده گرافیکی دارای 16 هسته پردازشی است و دارای قدرت پردازش واقعاً عظیم، 326 Gflops، اما در عین حال، چهار برابر کمتر است. مصرف برق نسبت به Mali-T604 که در بالا ذکر شد.

نقش CPU و GPU از ARM در بازار

علیرغم این واقعیت که ARM نویسنده و توسعه دهنده معماری به همین نام است، که، تکرار می کنیم، اکنون در اکثریت قریب به اتفاق پردازنده های موبایل استفاده می شود، راه حل های آن در قالب هسته ها و شتاب دهنده های گرافیکی در میان گوشی های هوشمند بزرگ محبوب نیست. تولید کنندگان به عنوان مثال، به درستی اعتقاد بر این است که ارتباطات پرچمدار در سیستم عامل اندروید باید یک پردازنده اسنپدراگون با هسته های Krait و یک شتاب دهنده گرافیکی Adreno از کوالکام داشته باشند، چیپست های همان شرکت در تلفن های هوشمند ویندوز فون استفاده می شوند و برخی از تولیدکنندگان ابزار، به عنوان مثال، اپل. ، هسته های خود را توسعه دهند. چرا این وضعیت فعلی است؟

شاید برخی از دلایل عمیق‌تر باشد، اما یکی از آنها عدم موقعیت‌یابی واضح CPU و GPU از ARM در بین محصولات سایر شرکت‌ها است که در نتیجه پیشرفت‌های این شرکت به عنوان اجزای اساسی برای استفاده در تلقی می‌شود. دستگاه‌های برند B، گوشی‌های هوشمند ارزان‌قیمت و ایجاد تصمیمات بالغ‌تر بر اساس آنها. به عنوان مثال، کوالکام تقریباً در هر ارائه تکرار می کند که یکی از اهداف اصلی آن هنگام ایجاد پردازنده های جدید کاهش مصرف انرژی است و هسته های Krait آن که توسط هسته های Cortex اصلاح می شوند، به طور مداوم نتایج عملکرد بالاتری را نشان می دهند. گفته‌ای مشابه برای چیپست‌های انویدیا که بر روی بازی‌ها متمرکز شده‌اند صادق است، اما در مورد پردازنده‌های اگزینوس سامسونگ و سری A از اپل، به دلیل نصب در گوشی‌های هوشمند همین شرکت‌ها، بازار خاص خود را دارند.

موارد فوق به هیچ وجه به این معنی نیست که پیشرفت های ARM به طور قابل توجهی بدتر از پردازنده ها و هسته های شخص ثالث است، اما رقابت در بازار در نهایت فقط به نفع خریداران گوشی های هوشمند است. می توانیم بگوییم که ARM برخی از موارد خالی را ارائه می دهد که با خرید مجوز برای آنها، سازندگان می توانند قبلاً آنها را به تنهایی تغییر دهند.

نتیجه

ریزپردازنده های معماری ARM به دلیل مصرف انرژی کم و قدرت پردازش نسبتاً زیاد، بازار دستگاه های تلفن همراه را با موفقیت تسخیر کرده اند. قبلاً سایر معماری‌های RISC مانند MIPS با ARM رقابت می‌کردند، اما اکنون تنها یک رقیب جدی برای آن باقی مانده است - اینتل با معماری x86، که به هر حال، اگرچه به طور فعال برای سهم بازار خود می‌جنگد، اما هنوز توسط هیچ یک از آنها درک نشده است. مصرف کنندگان یا بیشتر سازندگان به طور جدی، به خصوص زمانی که در واقع هیچ پرچمداری روی آن وجود ندارد (Lenovo K900 دیگر نمی تواند با جدیدترین گوشی های هوشمند برتر در پردازنده های ARM رقابت کند).

شما چه فکر می کنید، آیا کسی می تواند ARM را فشار دهد و سرنوشت این شرکت و معماری آن چگونه بیشتر خواهد شد؟

پردازنده چطوره چرا ARM آینده است؟غافلگیر کردن مصرف کننده مدرن الکترونیک بسیار دشوار است. ما قبلاً به این واقعیت عادت کرده ایم که جیب ما به طور قانونی توسط یک تلفن هوشمند اشغال شده است، یک لپ تاپ در یک کیف قرار دارد، یک ساعت "هوشمند" با اطاعت قدم ها را روی دست می شمارد، و هدفون هایی با سیستم کاهش نویز فعال گوش های ما را نوازش می کنند.

این یک چیز خنده دار است، اما ما عادت کرده ایم که نه یک، بلکه دو، سه یا چند کامپیوتر را همزمان حمل کنیم. به هر حال، این چیزی است که شما می توانید دستگاهی را که پردازنده دارد، بنامید. و مهم نیست که یک دستگاه خاص چگونه به نظر می رسد. یک تراشه مینیاتوری با غلبه بر مسیر توسعه پرتلاطم و سریع، مسئولیت کار خود را بر عهده دارد.

چرا موضوع پردازنده ها را مطرح کردیم؟ همه چیز ساده است. در طول ده سال گذشته، یک انقلاب واقعی در دنیای دستگاه های تلفن همراه رخ داده است.

تنها 10 سال تفاوت بین این دستگاه ها وجود دارد. اما نوکیا N95 در آن زمان برای ما یک دستگاه فضایی به نظر می رسید و امروز با بی اعتمادی خاصی به ARKit نگاه می کنیم.

اما همه چیز می توانست به گونه ای دیگر رقم بخورد و پنتیوم IV شکست خورده رویای نهایی یک خریدار معمولی باقی بماند.

ما سعی کردیم بدون عبارات فنی پیچیده کار کنیم و بگوییم که پردازنده چگونه کار می کند و بفهمیم کدام معماری آینده است.

1. چگونه همه چیز شروع شد

اولین پردازنده‌ها کاملاً متفاوت از چیزی بودند که وقتی درب واحد سیستم رایانه شخصی خود را باز می‌کنید می‌بینید.

به جای ریز مدارها در دهه 40 قرن بیستم، از رله های الکترومکانیکی استفاده شد که با لوله های خلاء تکمیل شد. لامپ ها به عنوان یک دیود عمل می کردند که می توان وضعیت آن را با کاهش یا افزایش ولتاژ در مدار تنظیم کرد. ساختارها به این شکل بودند:

برای کارکرد یک کامپیوتر غول پیکر، صدها و گاهی هزاران پردازنده مورد نیاز بود. اما، در عین حال، شما نمی توانید حتی یک ویرایشگر ساده مانند NotePad یا TestEdit را از مجموعه استاندارد ویندوز و macOS روی چنین رایانه ای اجرا کنید. کامپیوتر به سادگی قدرت کافی نخواهد داشت.

2. ظهور ترانزیستورها

اولین ترانزیستورهای اثر میدانی در سال 1928 ظاهر شدند. اما جهان تنها پس از ظهور به اصطلاح ترانزیستورهای دوقطبی که در سال 1947 کشف شد تغییر کرد.

در اواخر دهه 1940، فیزیکدان تجربی، والتر براتین و نظریه پرداز جان باردین، اولین ترانزیستور نقطه ای را توسعه دادند. در سال 1950، اولین ترانزیستور اتصالی جایگزین آن شد و در سال 1954، سازنده معروف Texas Instruments یک ترانزیستور سیلیکونی را معرفی کرد.

اما انقلاب واقعی در سال 1959 رخ داد، زمانی که دانشمند ژان هنری اولین ترانزیستور مسطح سیلیکونی (مسطح) را توسعه داد، که مبنایی برای مدارهای مجتمع یکپارچه شد.

بله، کمی مشکل است، پس بیایید کمی عمیق‌تر کنیم و به بخش تئوری بپردازیم.

3. ترانزیستور چگونه کار می کند

بنابراین، وظیفه یک قطعه الکتریکی به عنوان یک ترانزیستور، کنترل جریان است. به عبارت ساده تر، این کلید کوچک حیله گر جریان برق را کنترل می کند.

مزیت اصلی ترانزیستور نسبت به سوئیچ معمولی این است که نیازی به حضور شخص ندارد. آن ها چنین عنصری قادر است به طور مستقل جریان را کنترل کند. علاوه بر این، خیلی سریعتر از آن چیزی است که خودتان مدار الکتریکی را روشن یا خاموش کنید، کار می کند.

وظیفه کامپیوتر نمایش جریان الکتریکی به صورت اعداد است.

و اگر قبلاً وظیفه سوئیچینگ حالت ها توسط رله های الکتریکی ناشیانه، دست و پا گیر و ناکارآمد انجام می شد، اکنون ترانزیستور این کار معمول را بر عهده گرفته است.

از ابتدای دهه 60، ترانزیستورها شروع به ساختن از سیلیکون کردند، که باعث شد نه تنها پردازنده ها فشرده تر شوند، بلکه قابلیت اطمینان آنها نیز به میزان قابل توجهی افزایش یابد.

اما ابتدا بیایید به دیود بپردازیم

سیلیکون (با نام مستعار Si - "سیلیسیم" در جدول تناوبی) به دسته نیمه هادی ها تعلق دارد، به این معنی که از یک طرف جریان را بهتر از دی الکتریک منتقل می کند، از طرف دیگر این کار را بدتر از فلز انجام می دهد.

چه بخواهیم چه نخواهیم، ​​اما برای درک کار و تاریخچه بیشتر توسعه پردازنده ها، باید در ساختار یک اتم سیلیکون فرو برویم. نترسید، اجازه دهید آن را کوتاه و بسیار واضح بیان کنیم.

وظیفه ترانزیستور تقویت سیگنال ضعیف به دلیل منبع تغذیه اضافی است.

اتم سیلیکون دارای چهار الکترون است که به لطف آنها پیوندهایی (و به طور دقیق، پیوندهای کووالانسی) با همان سه اتم نزدیک تشکیل می دهد و یک شبکه بلوری را تشکیل می دهد. در حالی که بیشتر الکترون ها در پیوند هستند، بخش کوچکی از آنها می توانند از طریق شبکه کریستالی حرکت کنند. به دلیل این انتقال جزئی الکترون ها است که سیلیکون به عنوان نیمه هادی طبقه بندی شد.

اما چنین حرکت ضعیفی از الکترون‌ها اجازه استفاده از ترانزیستور را در عمل نمی‌دهد، بنابراین دانشمندان تصمیم گرفتند عملکرد ترانزیستورها را با دوپینگ یا به عبارت ساده‌تر، اضافه کردن اتم‌ها به شبکه کریستالی سیلیکون با آرایش مشخصه الکترون‌ها، افزایش دهند.

بنابراین آنها شروع به استفاده از ناخالصی 5 ظرفیتی فسفر کردند که به دلیل آن ترانزیستورهای نوع n بدست آمد. وجود یک الکترون اضافی باعث شد که حرکت آنها تسریع شود و جریان جریان افزایش یابد.

هنگام دوپینگ ترانزیستورهای نوع p، بور، که شامل سه الکترون است، به چنین کاتالیزوری تبدیل شد. به دلیل عدم وجود یک الکترون، حفره‌هایی در شبکه کریستالی ظاهر می‌شوند (نقش بار مثبت را بازی می‌کنند)، اما با توجه به اینکه الکترون‌ها قادر به پر کردن این حفره‌ها هستند، رسانایی سیلیکون به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.

فرض کنید یک ویفر سیلیکونی گرفته ایم و یک قسمت آن را با ناخالصی نوع p و قسمت دیگر را با ناخالصی نوع n دوپ کرده ایم. بنابراین ما یک دیود - عنصر اصلی ترانزیستور - دریافت کردیم.

اکنون الکترون های واقع در قسمت n تمایل دارند به سمت حفره های واقع در قسمت p بروند. در این حالت، سمت n دارای بار منفی خفیف و سمت p دارای بار مثبت خواهد بود. میدان الکتریکی تشکیل شده در نتیجه این "گرانش" - مانع - از حرکت بیشتر الکترون ها جلوگیری می کند.

اگر منبع تغذیه را طوری به دیود وصل کنید که "-" سمت p صفحه را لمس کند و "+" سمت n را لمس کند، به دلیل این که سوراخ‌ها می‌شوند، جریان جریان ممکن نخواهد بود. به تماس منفی منبع نیرو جذب می شود و الکترون ها به سمت مثبت جذب می شوند و پیوند بین الکترون های p و n به دلیل انبساط لایه ترکیبی از بین می رود.

اما اگر منبع تغذیه را با ولتاژ کافی برعکس وصل کنید، یعنی. "+" از منبع به سمت p و "-" به سمت n، الکترون های قرار گرفته در سمت n توسط قطب منفی دفع می شوند و به سمت p رانده می شوند و حفره هایی را در p- اشغال می کنند. منطقه

اما اکنون الکترون ها به سمت قطب مثبت منبع نیرو جذب می شوند و از طریق سوراخ های p به حرکت خود ادامه می دهند. این پدیده بایاس رو به جلو دیود نامیده می شود.

دیود + دیود = ترانزیستور

به خودی خود، ترانزیستور را می توان به عنوان دو دیود متصل به یکدیگر در نظر گرفت. در این صورت، ناحیه p (منطقه ای که سوراخ ها در آن قرار دارند) برای آنها رایج می شود و "پایه" نامیده می شود.

ترانزیستور N-P-N دارای دو ناحیه n با الکترون های اضافی است - آنها همچنین "گسترش کننده" و "گردآورنده" هستند و یک منطقه ضعیف با سوراخ - منطقه p که "پایه" نامیده می شود.

اگر یک منبع تغذیه (بیایید آن را V1 بنامیم) به n ناحیه ترانزیستور (بدون توجه به قطب) وصل کنید، یک دیود بایاس معکوس خواهد شد و ترانزیستور در حالت خاموش خواهد بود.

اما، به محض اینکه منبع تغذیه دیگری را وصل می کنیم (بیایید آن را V2 بنامیم)، مخاطب "+" را روی منطقه p "مرکزی" (پایه)، و تماس "-" را به منطقه n (امیتر) تنظیم می کنیم. برخی از الکترون ها از طریق زنجیره تشکیل شده مجدد (V2) جریان می یابند و قسمت توسط ناحیه n مثبت جذب می شود. در نتیجه، الکترون ها به ناحیه کلکتور جریان می یابند و جریان الکتریکی ضعیفی تقویت می شود.

بازدم

4. پس چگونه یک کامپیوتر واقعا کار می کند؟

و حالا مهمترین چیز.

بسته به ولتاژ اعمال شده، ترانزیستور می تواند باز یا بسته باشد. اگر ولتاژ برای غلبه بر مانع پتانسیل کافی نباشد (همان مورد در محل اتصال صفحات p و n) - ترانزیستور در حالت بسته خواهد بود - در حالت "خاموش" یا به زبان سیستم باینری، " 0”.

با ولتاژ کافی، ترانزیستور روشن می شود و مقدار "روشن" یا "1" را به صورت باینری دریافت می کنیم.

این حالت 0 یا 1 در صنعت کامپیوتر "بیت" نامیده می شود.

آن ها ما ویژگی اصلی همان سوئیچ را دریافت می کنیم که راه را به رایانه ها برای بشر باز کرد!

در اولین کامپیوتر دیجیتال الکترونیکی ENIAC یا به عبارت ساده تر اولین کامپیوتر از حدود 18 هزار لامپ تریود استفاده شد. اندازه کامپیوتر با زمین تنیس قابل مقایسه بود و وزن آن 30 تن بود.

برای درک نحوه عملکرد پردازنده، دو نکته کلیدی دیگر وجود دارد که باید درک کنید.

لحظه 1. بنابراین، ما تصمیم گرفتیم که بیت چیست. اما با کمک آن، ما فقط می‌توانیم دو ویژگی از چیزی را بدست آوریم: یا «بله» یا «نه». برای اینکه کامپیوتر یاد بگیرد که ما را بهتر درک کند، ترکیبی از 8 بیت (0 یا 1) را ارائه کردند که آنها را بایت نامیدند.

با استفاده از یک بایت، می توانید یک عدد از صفر تا 255 را رمزگذاری کنید. با استفاده از این 255 عدد - ترکیبی از صفر و یک، می توانید هر چیزی را رمزگذاری کنید.

لحظه 2. وجود اعداد و حروف بدون هیچ منطقی چیزی به ما نمی دهد. به همین دلیل است که مفهوم عملگرهای منطقی ظاهر شد.

با اتصال فقط دو ترانزیستور به روشی خاص، می توانید چندین عمل منطقی را همزمان انجام دهید: "و"، "یا". ترکیب مقدار ولتاژ هر ترانزیستور و نوع اتصال آنها به شما این امکان را می دهد که ترکیب های مختلفی از صفر و یک را بدست آورید.

با تلاش برنامه نویسان، مقادیر صفر و یک، سیستم باینری، شروع به ترجمه به اعشار کردند تا بتوانیم بفهمیم رایانه دقیقاً چه می گوید. و برای وارد کردن دستورات، اعمال معمول ما، مانند وارد کردن حروف از صفحه کلید، به عنوان یک زنجیره باینری از دستورات نشان داده می شود.

به عبارت ساده، تصور کنید که یک جدول مطابقت وجود دارد، مثلا ASCII، که در آن هر حرف با ترکیبی از 0 و 1 مطابقت دارد. ترانزیستورها به گونه ای سوئیچ می شوند که موارد زیر روی صفحه ظاهر می شود: بیشترین حرف نوشته شده روی کلید.

5. و مسابقه ترانزیستورها شروع شد

پس از اینکه مهندس رادیوی بریتانیایی جفری دامر در سال 1952 پیشنهاد داد که ساده ترین قطعات الکترونیکی را در یک کریستال نیمه هادی یکپارچه قرار دهند، صنعت کامپیوتر جهشی به جلو انجام داد.

از مدارهای مجتمع پیشنهادی Dahmer، مهندسان به سرعت به ریزتراشه‌ها روی آوردند که مبتنی بر ترانزیستور بودند. به نوبه خود، چندین مورد از این تراشه ها قبلاً خود پردازنده را تشکیل می دادند.

البته ابعاد این گونه پردازنده ها شباهت چندانی به پردازنده های امروزی ندارد. به علاوه تا سال 1964 همه پردازنده ها یک مشکل داشتند. آنها به یک رویکرد فردی نیاز داشتند - زبان برنامه نویسی خودشان برای هر پردازنده.

1964 IBM System/360. کامپیوتر سازگار با کد برنامه نویسی جهانی یک مجموعه دستورالعمل برای یک مدل پردازنده می تواند برای دیگری استفاده شود.

دهه 70 ظهور اولین ریزپردازنده ها. پردازنده تک تراشه اینتل. اینتل 4004 - 10 میکرومتر TPU، 2300 ترانزیستور، 740 کیلوهرتز.

1973 اینتل 4040 و اینتل 8008. 3000 ترانزیستور، 740 کیلوهرتز برای اینتل 4040 و 3500 ترانزیستور در 500 کیلوهرتز برای اینتل 8008.

1974 اینتل 8080. 6 میکرومتر TPU و 6000 ترانزیستور. فرکانس ساعت حدود 5000 کیلوهرتز است. این پردازنده بود که در کامپیوتر Altair-8800 استفاده شد. نسخه داخلی اینتل 8080 پردازنده KR580VM80A است که توسط موسسه تحقیقات میکرودیوایس های کیف توسعه یافته است. 8 بیت

1976 اینتل 8080. 3 میکرومتر TPU و 6500 ترانزیستور. فرکانس ساعت 6 مگاهرتز 8 بیت

1976 Zilog Z80. TPU 3 میکرون و ترانزیستور 8500. فرکانس ساعت تا 8 مگاهرتز 8 بیت

1978 اینتل 8086. 3 میکرومتر TPU و 29000 ترانزیستور. فرکانس ساعت حدود 25 مگاهرتز است. مجموعه دستورات x86 که هنوز در حال استفاده است. 16 بیت

1980 اینتل 80186. 3 میکرومتر TPU و 134000 ترانزیستور. فرکانس ساعت - تا 25 مگاهرتز. 16 بیت

1982 اینتل 80286. 1.5 میکرومتر TPU و 134000 ترانزیستور. فرکانس - تا 12.5 مگاهرتز. 16 بیت

1982 موتورولا 68000. ترانزیستورهای 3 میکرومتری و 84000. این پردازنده در کامپیوتر اپل لیزا استفاده می شد.

1985 اینتل 80386. 1.5 میکرومتر Tp و 275000 ترانزیستور. فرکانس - تا 33 مگاهرتز در نسخه 386SX.

به نظر می رسد که لیست می تواند به طور نامحدود ادامه یابد، اما پس از آن مهندسان اینتل با مشکل جدی مواجه شدند.

در اواخر دهه 80. در اوایل دهه 60، یکی از بنیانگذاران اینتل، گوردون مور، به اصطلاح "قانون مور" را تدوین کرد. به نظر می رسد این است:

هر 24 ماه، تعداد ترانزیستورهای یک تراشه مدار مجتمع دو برابر می شود.

سخت است که این قانون را قانون بنامیم. دقیق تر است که آن را مشاهده تجربی بنامیم. مور با مقایسه سرعت توسعه فناوری، به این نتیجه رسید که روند مشابهی می تواند شکل بگیرد.

اما قبلاً در طول توسعه نسل چهارم پردازنده‌های i486 اینتل، مهندسان با این واقعیت روبرو بودند که قبلاً به سقف عملکرد رسیده بودند و دیگر نمی‌توانستند پردازنده‌های بیشتری را در همان منطقه در خود جای دهند. در آن زمان تکنولوژی اجازه این کار را نمی داد.

به عنوان یک راه حل، یک نوع با استفاده از تعدادی عنصر اضافی پیدا شد:

حافظه کش؛

نوار نقاله;

پردازنده داخلی؛

ضرب کننده

بخشی از بار محاسباتی بر دوش این چهار گره افتاد. در نتیجه ظاهر حافظه کش از یک طرف طراحی پردازنده را پیچیده و از طرف دیگر بسیار قدرتمندتر شد.

پردازنده Intel i486 قبلاً از 1.2 میلیون ترانزیستور تشکیل شده بود و حداکثر فرکانس عملکرد آن به 50 مگاهرتز می رسید.

در سال 1995، AMD به توسعه پیوست و سریعترین پردازنده Am5x86 سازگار با i486 را در آن زمان با معماری 32 بیتی منتشر کرد. قبلاً بر اساس فناوری فرآیند 350 نانومتری تولید می شد و تعداد پردازنده های نصب شده به 1.6 میلیون قطعه رسید. فرکانس ساعت به 133 مگاهرتز افزایش یافته است.

اما سازندگان تراشه جرأت افزایش بیشتر تعداد پردازنده‌های نصب شده روی یک تراشه و توسعه معماری آرمان‌شهری CISC (محاسبات مجموعه دستورالعمل‌های پیچیده) را نداشتند. در عوض، دیوید پترسون، مهندس آمریکایی، بهینه سازی عملکرد پردازنده ها را پیشنهاد کرد و تنها ضروری ترین دستورالعمل های محاسباتی را باقی گذاشت.

بنابراین سازندگان پردازنده به پلتفرم RISC (Reduced Instruction Set Computing) روی آوردند.اما حتی این نیز کافی نبود.

در سال 1991، پردازنده 64 بیتی R4000 منتشر شد که در فرکانس 100 مگاهرتز کار می کرد. سه سال بعد، پردازنده R8000 ظاهر شد و دو سال بعد، R10000 با سرعت کلاک تا 195 مگاهرتز. به موازات آن، بازار پردازنده های SPARC توسعه یافت که ویژگی معماری آن عدم وجود دستورالعمل های ضرب و تقسیم بود.

سازندگان تراشه به جای مبارزه بر سر تعداد ترانزیستورها، شروع به بازنگری در معماری کار خود کردند. رد دستورات "غیر ضروری"، اجرای دستورالعمل ها در یک چرخه، وجود رجیسترهای ارزش عمومی و خط لوله باعث شد تا فرکانس ساعت و قدرت پردازنده ها بدون تحریف تعداد ترانزیستورها به سرعت افزایش یابد.

در اینجا فقط چند مورد از معماری هایی که بین سال های 1980 و 1995 ظاهر شده اند آورده شده است:

آنها بر اساس پلت فرم RISC، و در برخی موارد، استفاده جزئی و ترکیبی از پلت فرم CISC بودند. اما توسعه فناوری بار دیگر تراشه‌سازان را به ادامه ساخت پردازنده‌ها سوق داد.

در آگوست 1999، AMD K7 Athlon وارد بازار شد که با استفاده از فناوری فرآیند 250 نانومتری و شامل 22 میلیون ترانزیستور تولید شد. بعداً این نوار به 38 میلیون پردازنده افزایش یافت. سپس، تا 250 میلیون، پردازنده تکنولوژیکی افزایش یافت، فرکانس ساعت افزایش یافت. اما، همانطور که فیزیک می گوید، برای هر چیزی محدودیتی وجود دارد.

7. پایان رقابت ترانزیستور نزدیک است

در سال 2007، گوردون مور یک بیانیه بسیار صریح بیان کرد:

قانون مور به زودی اعمال نخواهد شد. نصب تعداد نامحدود پردازنده به طور نامحدود غیرممکن است. دلیل این امر ماهیت اتمی ماده است.

با چشم غیر مسلح قابل توجه است که دو سازنده پیشرو تراشه AMD و Intel طی چند سال گذشته به وضوح سرعت توسعه پردازنده را کاهش داده اند. دقت فرآیند فناوری تنها به چند نانومتر افزایش یافته است، اما امکان قرار دادن پردازنده‌های بیشتری نیز وجود ندارد.

و در حالی که سازندگان نیمه هادی تهدید به راه اندازی ترانزیستورهای چندلایه، ترسیم موازی با حافظه 3DNand، رقیب جدی در معماری x86 دیواری 30 سال پیش ظاهر شد.

8. آنچه در انتظار پردازنده های "عادی" است

قانون مور از سال 2016 باطل شده است. این به طور رسمی توسط بزرگترین سازنده پردازنده اینتل اعلام شد. دو برابر کردن 100 درصد قدرت محاسباتی هر دو سال یکبار دیگر برای سازندگان تراشه امکان پذیر نیست.

و اکنون سازندگان پردازنده چندین گزینه بی‌نظیر دارند.

اولین گزینه کامپیوترهای کوانتومی است. قبلاً تلاش هایی برای ساخت رایانه ای صورت گرفته است که از ذرات برای نمایش اطلاعات استفاده می کند. چندین دستگاه کوانتومی مشابه در جهان وجود دارد، اما آنها فقط می توانند با الگوریتم هایی با پیچیدگی کم کنار بیایند.

علاوه بر این، عرضه سریالی چنین دستگاه هایی در دهه های آینده دور از ذهن است. گران، ناکارآمد و... کند!

بله، رایانه‌های کوانتومی انرژی بسیار کمتری نسبت به همتایان مدرن خود مصرف می‌کنند، اما تا زمانی که توسعه‌دهندگان و سازندگان قطعات به فناوری جدید روی بیاورند، سرعت آنها نیز کندتر خواهد بود.

گزینه دوم پردازنده هایی با لایه های ترانزیستور هستند. هم اینتل و هم AMD به طور جدی به این فناوری فکر کرده اند. آنها قصد دارند به جای یک لایه ترانزیستور از چند لایه استفاده کنند. به نظر می‌رسد در سال‌های آینده، پردازنده‌هایی ظاهر شوند که نه تنها تعداد هسته‌ها و فرکانس ساعت، بلکه تعداد لایه‌های ترانزیستور نیز در آنها مهم باشد.

راه حل حق حیات دارد و به این ترتیب انحصارگران می توانند تا چند دهه دیگر مصرف کننده را دوشیده باشند، اما در نهایت، این فناوری دوباره به سقف خواهد رسید.

امروز، با درک پیشرفت سریع معماری ARM، اینتل یک اعلامیه بی سر و صدا از خانواده تراشه های Ice Lake منتشر کرد. این پردازنده ها بر اساس فرآیند 10 نانومتری ساخته می شوند و پایه ای برای گوشی های هوشمند، تبلت ها و دستگاه های تلفن همراه خواهند بود. اما در سال 2019 اتفاق خواهد افتاد.

9. ARM آینده است بنابراین، معماری x86 در سال 1978 ظاهر شد و متعلق به نوع پلت فرم CISC است. آن ها به خودی خود حاکی از وجود دستورالعمل برای همه موارد است. تطبیق پذیری نقطه قوت اصلی x86 است.

اما، در همان زمان، همه کاره بودن شوخی بی رحمانه ای با این پردازنده ها بازی کرد. x86 چندین معایب کلیدی دارد:

پیچیدگی دستورات و سردرگمی صریح آنها؛

مصرف انرژی بالا و انتشار گرما

برای عملکرد بالا، باید با بهره وری انرژی خداحافظی می کردم. علاوه بر این، دو شرکت در حال حاضر روی معماری x86 کار می‌کنند که می‌توان آن را با خیال راحت به انحصارگران نسبت داد. اینها اینتل و AMD هستند. فقط آنها می توانند پردازنده های x86 تولید کنند، به این معنی که فقط آنها بر توسعه فناوری ها حکومت می کنند.

در همان زمان، چندین شرکت در توسعه ARM (Arcon Risk Machine) مشارکت دارند. در سال 1985، توسعه دهندگان پلت فرم RISC را به عنوان پایه ای برای توسعه بیشتر معماری انتخاب کردند.

برخلاف CISC، RISC شامل طراحی یک پردازنده با حداقل تعداد دستورالعمل های مورد نیاز، اما حداکثر بهینه سازی است. پردازنده‌های RISC بسیار کوچک‌تر از CISC، کارآمدتر و ساده‌تر هستند.

علاوه بر این، ARM در ابتدا تنها به عنوان رقیب x86 ایجاد شد. توسعه دهندگان وظیفه ساخت معماری ای را که کارآمدتر از x86 است را تعیین کردند.

از دهه 40، مهندسان فهمیده اند که یکی از کارهای اولویت دار کار بر روی کاهش اندازه رایانه ها و اول از همه، خود پردازنده ها است. اما تقریباً 80 سال پیش، به سختی کسی می توانست تصور کند که یک کامپیوتر تمام عیار کوچکتر از یک جعبه کبریت باشد.

برای کاربران شکاکی که از خطوط برتر Geekbench عبور می کنند، فقط می خواهم به شما یادآوری کنم: در فناوری تلفن همراه، اندازه اول از همه مهم است.

یک شیرینی با یک پردازنده 18 هسته ای قدرتمند که "معماری ARM را تکه تکه می کند" روی میز قرار دهید و سپس آیفون خود را در کنار آن قرار دهید. تفاوت را احساس کنید؟

11. به جای خروجی

پوشش تاریخ 80 ساله توسعه رایانه ها در یک ماده غیرممکن است. اما پس از خواندن این مقاله، می توانید درک کنید که چگونه عنصر اصلی هر کامپیوتر - پردازنده - چیده شده است و در سال های آینده چه انتظاراتی از بازار دارید.

البته اینتل و AMD روی افزایش بیشتر تعداد ترانزیستورها در یک تراشه و ترویج ایده عناصر چند لایه کار خواهند کرد.

اما آیا شما به عنوان یک مشتری به چنین قدرتی نیاز دارید؟

فکر نمی‌کنم از عملکرد یک آی‌پد پرو یا یک آیفون X پرچم‌دار ناراضی باشید. فکر نمی‌کنم از عملکرد مولتی‌کوک خود در آشپزخانه یا کیفیت تصویر یک 4K 65 اینچی ناراضی باشید. تلویزیون. اما همه این دستگاه ها از پردازنده هایی در معماری ARM استفاده می کنند.

ویندوز قبلاً رسماً اعلام کرده است که با علاقه به سمت ARM نگاه می کند. این شرکت در ویندوز 8.1 از این معماری پشتیبانی می‌کرد و اکنون به طور فعال روی یک تراشه با سازنده پیشرو تراشه‌های ARM کوالکام کار می‌کند.

گوگل همچنین موفق شد به ARM نگاه کند - سیستم عامل Chrome OS از این معماری پشتیبانی می کند. چندین توزیع لینوکس به طور همزمان ظاهر شده اند که با این معماری نیز سازگار هستند. و این تازه اولشه.

و فقط برای لحظه ای سعی کنید تصور کنید که ترکیب یک پردازنده ARM کم مصرف با یک باتری گرافن چقدر لذت بخش خواهد بود. این معماری است که امکان دستیابی به ابزارهای ارگونومیک سیار را فراهم می کند که می توانند آینده را دیکته کنند.

دنیای کامپیوتر به سرعت در حال تغییر است. رایانه های شخصی رومیزی رتبه اول را در رتبه بندی فروش به لپ تاپ ها از دست داده اند و در شرف واگذاری بازار به تبلت ها و سایر دستگاه های تلفن همراه هستند. 10 سال پیش ما برای مگا هرتز خالص، قدرت واقعی و عملکرد ارزش قائل بودیم. اکنون برای تسخیر بازار، پردازنده باید نه تنها سریع، بلکه اقتصادی نیز باشد. بسیاری ARM را معماری قرن بیست و یکم می دانند. آیا اینطور است؟

جدید - قدیمی به خوبی فراموش شده

روزنامه‌نگاران، به دنبال افراد روابط عمومی ARM، اغلب این معماری را به عنوان چیزی کاملاً جدید معرفی می‌کنند که باید x86 موهای خاکستری را مدفون کند.

در واقع ARM و x86 که بر اساس آن ساخته شده اند پردازنده های اینتل، AMD و VIA، نصب شده در لپ تاپ ها و رایانه های شخصی رومیزی، عملاً هم سن هستند. اولین تراشه x86 در سال 1978 عرضه شد. پروژه ARM به طور رسمی در سال 1983 شروع شد، اما بر اساس پیشرفت هایی بود که تقریباً همزمان با ایجاد x86 انجام شد.

ARM های اولیه متخصصان را با ظرافت خود تحت تأثیر قرار می دادند، اما با عملکرد نسبتاً پایین خود، نمی توانستند بازاری را فتح کنند که سرعت بالایی را می طلبید و به عملکرد توجهی نداشتند. برای افزایش محبوبیت ARM باید شرایط خاصی وجود داشت.

در اواخر دهه هشتاد و نود، با روغن نسبتاً ارزان خود، SUVهای عظیم با موتورهای قدرتمند 6 لیتری مورد تقاضا بودند. تعداد کمی از مردم به ماشین های الکتریکی علاقه مند بودند. اما امروزه که قیمت هر بشکه نفت بیش از 100 دلار است، خودروهای بزرگ با موتورهای حریص فقط برای ثروتمندان است، بقیه عجله دارند تا به خودروهای کم مصرف روی بیاورند. اتفاق مشابهی در مورد ARM رخ داد. هنگامی که مسئله تحرک و کارایی مطرح شد، مشخص شد که معماری تقاضای زیادی دارد.

پردازنده "ریسک".

ARM یک معماری RISC است. از مجموعه ای کاهش یافته از دستورات استفاده می کند - RISC (کامپیوتر مجموعه دستورات کاهش یافته). این نوع معماری در اواخر دهه هفتاد و تقریباً همزمان با معرفی x86 اینتل ظاهر شد.

مهندسان در حین آزمایش با کامپایلرها و پردازنده های میکروکد شده مختلف، متوجه شدند که در برخی موارد، توالی دستورات ساده سریعتر از یک عملیات پیچیده است. تصمیم گرفته شد معماری ایجاد شود که شامل کار با مجموعه محدودی از دستورالعمل های ساده باشد که رمزگشایی و اجرای آن حداقل زمان می برد.

یکی از اولین پروژه ها برای پردازنده های RISC توسط گروهی از دانشجویان و معلمان دانشگاه برکلی در سال 1981 اجرا شد. درست در این زمان، شرکت انگلیسی Acorn با چالش روزگار مواجه شد. این کامپیوترهای آموزشی میکرو بی بی سی را تولید کرد که در Foggy Albion بسیار محبوب بودند و بر اساس پردازنده 6502 بودند. اما به زودی این رایانه های خانگی شروع به شکست دادن به ماشین های پیشرفته تر کردند. بلوط خطر از دست دادن بازار را داشت. مهندسان این شرکت که با کار دانشجویی روی پردازنده‌های RISC آشنا شدند، به این نتیجه رسیدند که کنار آمدن با ایجاد تراشه خود بسیار ساده است. در سال 1983 پروژه Acorn RISC Machine شروع شد که بعداً به ARM تبدیل شد. سه سال بعد، اولین پردازنده عرضه شد.

اولین اسلحه ها

او فوق العاده ساده بود. اولین تراشه‌های ARM حتی فاقد دستورالعمل‌های ضرب و تقسیم بودند، که به نظر می‌رسید مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های بیشتر باشد دستورالعمل های ساده. یکی دیگر از ویژگی های تراشه ها اصول کار با حافظه بود: تمام عملیات با داده ها فقط در رجیسترها انجام می شد. در همان زمان، پردازنده با به اصطلاح پنجره ثبت کار می کرد، یعنی فقط می توانست به بخشی از تمام ثبات های موجود دسترسی داشته باشد که اساساً جهانی بودند و کار آنها به حالتی که پردازنده در آن قرار داشت بستگی داشت. این به اولین نسخه های ARM اجازه داد تا کش را کنار بگذارند.

علاوه بر این، با ساده‌سازی مجموعه‌های دستورالعمل، معماران توانستند بدون تعدادی بلوک دیگر کار کنند. به عنوان مثال، در اولین ARM، هیچ میکروکدی وجود نداشت و همچنین یک واحد ممیز شناور، FPU وجود داشت. تعداد کل ترانزیستورها در اولین ARM 30000 بود.در x86 مشابه چندین بار یا حتی یک مرتبه بیشتر بود. صرفه جویی انرژی اضافی با اجرای دستورات مشروط به دست می آید. یعنی اگر یک واقعیت مربوطه در رجیستر وجود داشته باشد این یا آن عملیات انجام می شود. این به پردازنده کمک می کند تا از "ژست های بیش از حد" جلوگیری کند. تمام دستورالعمل ها به صورت متوالی اجرا می شوند. در نتیجه، ARM عملکرد خود را از دست داد، اما نه به طور قابل توجهی، در حالی که مصرف انرژی به طور قابل توجهی افزایش یافت.

اصول اولیه ساخت معماری مانند اولین ARM ها باقی می ماند: کار با داده ها فقط در ثبات ها، مجموعه ای از دستورالعمل ها کاهش یافته، حداقل ماژول های اضافی. همه اینها معماری را با مصرف انرژی کم و عملکرد نسبتاً بالا فراهم می کند.

به منظور افزایش آن، ARM چندین مجموعه دستورالعمل اضافی را در سال های گذشته معرفی کرده است. همراه با ARM کلاسیک، Thumb، Thumb 2، Jazelle وجود دارد. دومی برای سرعت بخشیدن به اجرای کد جاوا طراحی شده است.

Cortex - پیشرفته ترین ARM

Cortex - معماری های مدرن برای دستگاه های تلفن همراه، سیستم های تعبیه شده و میکروکنترلرها. بر این اساس، CPU ها به عنوان Cortex-A، تعبیه شده - Cortex-R و میکروکنترلرها - Cortex-M تعیین می شوند. همه آنها بر اساس معماری ARMv7 هستند.

پیشرفته ترین و قدرتمندترین معماری در خط ARM Cortex-A15 است. فرض بر این است که بر اساس آن، عمدتا مدل های دو یا چهار هسته ای تولید می شود. Cortex-A15 از تمام ARM های قبلی از نظر تعداد و کیفیت بلوک ها نزدیک ترین به x86 است.

Cortex-A15 مبتنی بر هسته‌های پردازنده مجهز به FPU و مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های NEON SIMD است که برای سرعت بخشیدن به پردازش داده‌های چندرسانه‌ای طراحی شده‌اند. هسته ها دارای یک خط لوله 13 مرحله ای هستند، آنها از اجرای دستورالعمل ها به صورت رایگان، مجازی سازی مبتنی بر ARM پشتیبانی می کنند.

Cortex-A15 از سیستم آدرس دهی حافظه توسعه یافته پشتیبانی می کند. ARM یک معماری 32 بیتی باقی می ماند، اما مهندسان این شرکت یاد گرفته اند که چگونه آدرس های 64 بیتی یا سایر آدرس دهی های توسعه یافته را به یک پردازنده 32 بیتی قابل درک تبدیل کنند. این فناوری Long Physical Address Extensions نام دارد. به لطف او، Cortex-A15 از نظر تئوری می تواند تا 1 ترابایت حافظه را آدرس دهی کند.

هر هسته مجهز به کش سطح اول است. علاوه بر این، تا 4 مگابایت حافظه پنهان L2 توزیع شده با تاخیر کم وجود دارد. این پردازنده مجهز به یک گذرگاه منسجم 128 بیتی است که می توان از آن برای ارتباط با سایر بلوک ها و تجهیزات جانبی استفاده کرد.

هسته هایی که زیربنای Cortex-A15 هستند، تکامل یافته Cortex-A9 هستند. ساختار مشابهی دارند.

Cortex-A9 برخلاف Cortex-A15 در دو نسخه چند هسته ای و تک هسته ای قابل تولید است. حداکثر فرکانس 2.0 گیگاهرتز است، Cortex-A15 امکان ایجاد تراشه هایی با فرکانس 2.5 گیگاهرتز را پیشنهاد می کند. تراشه‌های مبتنی بر آن با استفاده از فرآیندهای تولیدی 40 نانومتری و نازک‌تر تولید خواهند شد. Cortex-A9 در فناوری های پردازش 65 و 40 نانومتری موجود است.

Cortex-A9، مانند Cortex-A15، برای استفاده در گوشی‌های هوشمند و تبلت‌های با کارایی بالا طراحی شده است، اما برای کاربردهای جدی‌تر، به عنوان مثال، در سرورها، بسیار سخت است. فقط Cortex-A15 دارای مجازی سازی سخت افزاری، آدرس دهی حافظه گسترده است. علاوه بر این، مجموعه دستورات NEON Advanced SIMD و FPU در Cortex-A9 عناصر اختیاری هستند، در حالی که در Cortex-A15 اجباری هستند.

Cortex-A8 در آینده به تدریج از صحنه محو خواهد شد، اما در حال حاضر این گزینه تک هسته ای در گوشی های هوشمند ارزان قیمت استفاده می شود. یک راه حل کم هزینه با فرکانس های 600 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز یک معماری متعادل است. دارای یک FPU است، از اولین نسخه SIMD NEON پشتیبانی می کند. Cortex-A8 یک فرآیند تولید واحد را در نظر می گیرد - 65 نانومتر.

ARM نسل های قبلی

پردازنده های ARM11 در بازار موبایل بسیار رایج هستند. آنها بر اساس معماری ARMv6 و تغییرات آن هستند. با خطوط لوله 8-9 مرحله ای، پشتیبانی Jazelle، که پردازش کد جاوا را تسریع می کند، دستورالعمل های SIMD، Thumb-2، مشخص می شود.

پردازنده های XScale، ARM10E، ARM9E بر اساس معماری ARMv5 و تغییرات آن ساخته شده اند. حداکثر طول خط لوله 6 مرحله است، Thumb، Jazelle DBX، Enhanced DSP. تراشه های XScale یک کش سطح دوم دارند. پردازنده‌ها از اواسط دهه 2000 در گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شدند و امروزه می‌توان آنها را در برخی از تلفن‌های همراه ارزان قیمت یافت.

ARM9TDMI، ARM8، StrongARM نمایندگان ARMv4 هستند که دارای خط لوله 3-5 مرحله ای است و Thumb را پشتیبانی می کند. به عنوان مثال، ARMv4 در آی پادهای کلاسیک اولیه یافت شد.

ARM6 و ARM7 ARMv3 هستند. در این معماری، بلوک FPU برای اولین بار ظاهر شد، آدرس دهی حافظه 32 بیتی پیاده سازی شد و نه مانند نمونه های اولیه معماری، 26 بیتی. به طور رسمی، ARMv2 و ARMv1 تراشه های 32 بیتی بودند، اما در واقعیت آنها به طور فعال فقط با فضای آدرس 26 بیتی کار می کردند. کش برای اولین بار در ARMv2 ظاهر شد.

نام آنها لژیون است

Acorn در ابتدا قرار نبود به یک بازیگر در بازار پردازنده تبدیل شود. وظیفه پروژه ARM ایجاد تراشه ای از تولید خود برای تولید رایانه بود - این ایجاد رایانه شخصی در Acorn بود که تجارت اصلی آن در نظر گرفته می شد.

از گروهی از توسعه دهندگان، ARM به لطف اپل به یک شرکت تبدیل شده است. در سال 1990، اپل با VLSI و Acorn برای توسعه یک پردازنده اقتصادی برای اولین کامپیوتر دستی نیوتن همکاری کرد. برای این اهداف، یک شرکت جداگانه ایجاد شد که نام پروژه داخلی Acorn - ARM را دریافت کرد.

با مشارکت اپل، پردازنده ARM6 ایجاد شد که نزدیک ترین به تراشه های مدرن توسعه دهنده انگلیسی است. در همان زمان، DEC توانست معماری ARM6 را به ثبت برساند و شروع به تولید تراشه با نام تجاری StrongARM کرد. چند سال بعد، این فناوری به عنوان بخشی از یک اختلاف حق اختراع دیگر به اینتل منتقل شد. غول ریزپردازنده آنالوگ خود را بر اساس ARM ایجاد کرده است - پردازنده XScale. اما در اواسط دهه قبل، اینتل با تمرکز انحصاری بر x86، از شر این "دارایی غیر اصلی" خلاص شد. XScale توسط Marvell که قبلاً مجوز ARM را دریافت کرده است، تصاحب شده است.

ARM که به تازگی در جهان ظاهر شد در ابتدا قادر به تولید پردازنده نبود. مدیریت او راه دیگری را برای کسب درآمد انتخاب کرد. ویژگی معماری ARM سادگی و انعطاف پذیری بود. در ابتدا، هسته حتی از حافظه پنهان محروم شد، بنابراین، متعاقبا، ماژول های اضافی، از جمله FPU، کنترلرها از نزدیک در پردازنده ادغام نشدند، اما، همانطور که بود، روی پایه آویزان شدند.

بر این اساس، ARM به یک طراح هوشمند دست یافت که به شرکت‌های دارای فناوری پیشرفته اجازه می‌داد تا پردازنده‌ها یا میکروکنترلرهایی را برای نیازهای خود ایجاد کنند. این کار با کمک به اصطلاح coprocessors انجام می شود که می تواند عملکرد استاندارد را گسترش دهد. در مجموع، این معماری از 16 پردازنده مشترک (با شماره گذاری از 0 تا 15) پشتیبانی می کند، اما عدد 15 برای یک پردازنده مشترک که عملکردهای مدیریت حافظه پنهان و حافظه را انجام می دهد، رزرو شده است.

لوازم جانبی با نگاشت رجیسترهای خود به فضای حافظه پردازنده یا کمک پردازنده به تراشه ARM متصل می شوند. به عنوان مثال، یک تراشه پردازش تصویر ممکن است از یک هسته نسبتا ساده مبتنی بر ARM7TDMI و یک پردازنده کمکی تشکیل شده باشد که رمزگشایی HDTV را ارائه می دهد.

ARM مجوز معماری خود را آغاز کرده است. شرکت‌های دیگری از جمله Texas Instruments، Marvell، Qualcomm، Freescale و همچنین شرکت‌های کاملا غیر هسته‌ای مانند سامسونگ، نوکیا، نینتندو یا کانن، قبلاً در اجرای آن در سیلیکون مشارکت داشته‌اند.

فقدان کارخانه‌های خود و همچنین حق‌الامتیاز چشمگیر به ARM اجازه داد تا در توسعه نسخه‌های جدید معماری انعطاف‌پذیرتر باشد. این شرکت آنها را مانند کیک های داغ پخت و وارد طاقچه های جدید شد. علاوه بر گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها، این معماری در پردازنده‌های تخصصی مانند ناوبری GPS، دوربین‌های دیجیتال و دوربین‌های فیلم‌برداری نیز استفاده می‌شود. بر اساس آن، کنترل کننده های صنعتی و تراشه های دیگر برای سیستم های تعبیه شده ایجاد می شود.

سیستم مجوز ARM یک هایپرمارکت واقعی میکروالکترونیک است. این شرکت نه تنها معماری های جدید، بلکه منسوخ شده را نیز مجوز می دهد. دومی را می توان برای ایجاد میکروکنترلر یا تراشه برای دستگاه های کم هزینه استفاده کرد. به طور طبیعی، سطح حق امتیاز بستگی به درجه تازگی و پیچیدگی نوع معماری مورد علاقه سازنده دارد. به طور سنتی، فرآیندهای فنی که ARM برای آنها پردازنده‌ها را توسعه می‌دهد، 1-2 پله عقب‌تر از فرآیندهایی هستند که برای x86 مرتبط در نظر گرفته می‌شوند. بهره وری انرژی بالای معماری باعث می شود که کمتر به گذار به استانداردهای فنی جدید وابسته باشد. اینتل و AMD به دنبال ساخت تراشه‌های نازک‌تر برای افزایش سرعت ساعت و تعداد هسته‌ها و در عین حال حفظ اندازه فیزیکی و مصرف انرژی هستند. ARM به طور طبیعی نیاز به توان کمتری دارد و همچنین عملکرد بیشتری را در هر وات ارائه می دهد.

ویژگی های پردازنده های NVIDIA، TI، Qualcomm، Marvell

توسعه دهندگان با صدور مجوز ARM به سمت راست و چپ، موقعیت معماری خود را به هزینه صلاحیت های شرکا تقویت کردند. NVIDIA Tegra را می توان یک نمونه کلاسیک در این مورد دانست. این خط از سیستم‌های روی تراشه مبتنی بر معماری ARM است، اما NVIDIA قبلاً پیشرفت‌های بسیار جدی خود را در زمینه گرافیک سه‌بعدی و منطق سیستم داشته است.

ARM به مجوز دهندگان خود اختیارات گسترده ای برای طراحی مجدد معماری می دهد. بر این اساس، مهندسان NVIDIA توانستند نقاط قوت ARM (محاسبات CPU) و محصولات خود را در Tegra ترکیب کنند - کار با گرافیک سه بعدی و غیره. در نتیجه، Tegra بالاترین عملکرد سه بعدی را در کلاس خود دارد. آنها 25 تا 30 درصد سریعتر از PowerVR مورد استفاده سامسونگ و تگزاس اینسترومنتز هستند و تقریباً دو برابر سریعتر از Adreno کوالکام هستند.

سایر تولید کنندگان پردازنده های مبتنی بر معماری ARM در حال تقویت بلوک های اضافی خاص، بهبود تراشه ها به منظور دستیابی به فرکانس ها و عملکرد بالاتر هستند.

به عنوان مثال، کوالکام از طراحی مرجع ARM استفاده نمی کند. مهندسان این شرکت به طور جدی آن را دوباره طراحی کردند و آن را Scorpio نامیدند - این او است که زیربنای تراشه های اسنپدراگون است. تا حدی، طراحی به منظور تسلط بر فرآیندهای فنی ظریف‌تر نسبت به استاندارد IP ARM، دوباره طراحی شده است. در نتیجه اولین اسنپدراگون ها با استانداردهای 45 نانومتری تولید شدند که فرکانس های بالاتری را در اختیار آنها قرار داد. و نسل جدید این پردازنده ها با 2.5 گیگاهرتز اعلام شده حتی ممکن است سریع ترین در بین آنالوگ های مبتنی بر ARM Cortex-A9 باشد. کوالکام همچنین از هسته گرافیکی Adreno خود بر اساس طرح های به دست آمده از AMD استفاده می کند. بنابراین به نوعی اسنپدراگون و تگرا در سطح ژنتیکی دشمن هستند.

سامسونگ هنگام ایجاد مرغ مگس خوار، مسیر بهینه سازی معماری را نیز در پیش گرفت. کره ای ها به همراه Intrinsity منطق را تغییر دادند که باعث کاهش تعداد دستورالعمل های مورد نیاز برای انجام برخی عملیات شد. بنابراین می توان 5-10 درصد از بهره وری را به دست آورد. علاوه بر این، یک کش سطح دوم پویا و یک پسوند چند رسانه ای ARM NEON اضافه شد. کره ای ها از PowerVR SGX540 به عنوان ماژول گرافیکی استفاده می کردند.

Texas Instruments در سری جدید OMAP مبتنی بر معماری ARM Cortex-A یک ماژول ویژه IVA که مسئول تسریع پردازش تصویر است اضافه کرده است. این به شما امکان می دهد تا داده های دریافتی از دوربین داخلی سنسور را به سرعت پردازش کنید. علاوه بر این، به ISP متصل است و به شتاب ویدئو کمک می کند. OMAP همچنین از گرافیک PowerVR استفاده می کند.

Apple A4 دارای حافظه نهان بزرگ 512 کیلوبایتی، گرافیک PowerVR است و هسته ARM بر اساس نوعی از معماری طراحی شده توسط سامسونگ است.

اپل A5 دو هسته‌ای که در اوایل سال 2011 در آی‌پد 2 عرضه شد، بر اساس معماری ARM Cortex-A9 است، درست همانطور که آخرین بار توسط سامسونگ بهینه‌سازی شده بود. در مقایسه با A4، تراشه جدید دو برابر حافظه نهان L2 دارد - به 1 مگابایت افزایش یافته است. این پردازنده شامل یک کنترلر رم دو کاناله و بلوک ویدیویی بهبود یافته است. در نتیجه عملکرد آن در برخی کارها دو برابر اپل A4 است.

مارول تراشه‌های مبتنی بر معماری Sheeva خود را ارائه می‌کند که با بررسی دقیق‌تر مشخص می‌شود که ترکیبی از XScale است که زمانی از اینتل و ARM خریداری شده است. این تراشه ها نسبت به همتایان خود حافظه کش زیادی دارند و به یک ماژول مالتی مدیا مخصوص مجهز هستند.

در حال حاضر، دارندگان مجوز ARM تنها تراشه‌هایی را بر اساس معماری ARM Cortex-A9 تولید می‌کنند. در عین حال، اگرچه به شما امکان ایجاد انواع چهار هسته ای را می دهد، NVIDIA، Apple، Texas Instruments و سایرین هنوز به مدل هایی با یک یا دو هسته محدود می شوند. علاوه بر این، تراشه ها در فرکانس های تا 1.5 گیگاهرتز کار می کنند. Cortex-A9 به شما امکان می دهد پردازنده های دو گیگاهرتزی بسازید، اما باز هم، سازندگان در تلاش برای افزایش سریع فرکانس نیستند - زیرا در حال حاضر، بازار به اندازه کافی پردازنده های دو هسته ای با فرکانس 1.5 گیگاهرتز خواهد داشت.

پردازنده های مبتنی بر Cortex-A15 باید واقعاً چند هسته ای شوند، اما اگر معرفی شوند، روی کاغذ. ظاهر آنها در سیلیکون را باید در سال آینده انتظار داشت.

پردازنده های فعلی دارای مجوز ARM مبتنی بر Cortex-A9:

x86 - رقیب اصلی

x86 نماینده معماری CISC است. آنها از مجموعه کامل دستورات استفاده می کنند. یک دستورالعمل در این مورد چندین عملیات سطح پایین را انجام می دهد. کد برنامه، بر خلاف ARM، فشرده تر است، اما به سرعت اجرا نمی شود و به منابع بیشتری نیاز دارد. علاوه بر این، از همان ابتدا، x86s مجهز به تمام بلوک های لازم بود که هم تطبیق پذیری و هم شکم پرستی آنها را نشان می داد. انرژی اضافی صرف اجرای بی قید و شرط و موازی دستورات شد. این به شما امکان می دهد به مزیت سرعت دست یابید، اما برخی از عملیات ها بیکار هستند زیرا شرایط قبلی را برآورده نمی کنند.

اینها x86 کلاسیک بودند، اما با شروع با 80486، اینتل به طور واقعی یک هسته RISC داخلی ایجاد کرد که دستورالعمل‌های CISC را اجرا می‌کرد، که قبلاً به دستورالعمل‌های ساده‌تری تجزیه شده بود. پردازنده های مدرن اینتل و AMD طراحی یکسانی دارند.

ویندوز 8 و ARM

ARM و x86 امروزه کمتر از 30 سال پیش با هم تفاوت دارند، اما هنوز بر اساس اصول متفاوتی هستند که آنها را در بخش های مختلف بازار پردازنده ها جدا می کند. اگر کامپیوتر خود تغییر نمی کرد، شاید معماری ها هرگز با هم تلاقی نمی کردند.

تحرک و کارایی به منصه ظهور رسید، توجه بیشتری به گوشی های هوشمند و تبلت ها معطوف شد. اپل از ابزارهای موبایل و زیرساخت های مرتبط با آنها پول زیادی به دست می آورد. مایکروسافت نمی خواهد عقب بماند و برای دومین سال تلاش می کند تا در بازار تبلت ها جایگاهی برای خود دست و پا کند. گوگل خیلی خوب عمل می کند.

رایانه رومیزی اول از همه به یک ابزار کار تبدیل می شود ، طاقچه رایانه خانگی توسط تبلت ها و دستگاه های تخصصی اشغال می شود. در این شرایط مایکروسافت قرار است قدمی بی سابقه بردارد. . کاملاً مشخص نیست که این به چه چیزی منجر خواهد شد. ما دو نسخه از سیستم عامل را دریافت خواهیم کرد، یا نسخه ای که با هر دو معماری کار می کند. آیا x86 مایکروسافت از Bury ARM پشتیبانی می کند یا خیر؟

هنوز اطلاعات کمی وجود دارد. مایکروسافت ویندوز 8 را بر روی یک دستگاه مبتنی بر ARM در طول نمایشگاه CES 2011 نشان داد. استیو بالمر نشان داد که در پلتفرم ARM، می‌توانید از ویندوز برای تماشای ویدیوها، کار با تصاویر، استفاده از اینترنت استفاده کنید - اینترنت اکسپلورر حتی با شتاب سخت‌افزاری کار می‌کند - اتصال USB دستگاه هایی برای چاپ اسناد مهمترین نکته در این دمو اجرای مایکروسافت آفیس بر روی ARM بدون ماشین مجازی بود. این ارائه سه گجت مبتنی بر پردازنده‌های کوالکام، تگزاس اینسترومنت و انویدیا را نشان داد. ویندوز دارای پوسته استاندارد "هفت" بود، اما نمایندگان مایکروسافت هسته سیستم جدید و بازطراحی شده ای را اعلام کردند.

با این حال، ویندوز نه تنها یک سیستم عامل ساخته شده توسط مهندسان مایکروسافت است، بلکه میلیون ها برنامه نیز هست. برخی از نرم افزارها برای افراد در بسیاری از حرفه ها حیاتی هستند. به عنوان مثال، بسته Adobe CS. آیا این شرکت از نسخه ARM-Windows نرم افزار پشتیبانی می کند یا هسته جدید به Photoshop و سایر برنامه های محبوب اجازه می دهد تا بر روی رایانه هایی با NVIDIA Tegra یا تراشه های مشابه بدون تغییر کد اضافی اجرا شوند؟

علاوه بر این، یک سوال در مورد کارت های ویدئویی وجود دارد. اکنون کارت‌های ویدئویی برای لپ‌تاپ‌ها با بهینه‌سازی مصرف انرژی تراشه‌های گرافیکی رومیزی ساخته می‌شوند - از نظر معماری یکسان هستند. در همان زمان، اکنون یک کارت گرافیک چیزی شبیه به "کامپیوتر در یک کامپیوتر" است - دارای رم فوق سریع و تراشه محاسباتی خود است که به طور قابل توجهی از پردازنده های معمولی در کارهای خاص بهتر عمل می کند. ناگفته نماند که بهینه سازی متناظر اپلیکیشن های کار با گرافیک سه بعدی برای آن ها انجام شده است. بله، و برنامه های مختلف ویرایش ویدیو و ویرایشگرهای گرافیکی (به ویژه فتوشاپ نسخه CS4) و اخیراً مرورگرها نیز از شتاب سخت افزاری GPU استفاده می کنند.

البته در سیستم‌های اندروید، می‌گو، بلک‌بری، iOS و سایر سیستم‌های موبایل، بهینه‌سازی لازم برای شتاب‌دهنده‌های مختلف موبایل (دقیقاً فوق‌موبایل) موجود در بازار انجام شده است. با این حال، آنها در ویندوز پشتیبانی نمی شوند. البته درایورها نوشته خواهند شد (و قبلاً نوشته شده است - پردازنده های سری Intel Atom Z500 با یک چیپ ست عرضه می شوند که هسته گرافیکی "تلفن هوشمند" PowerVR SGX 535 در آن ادغام شده است)، اما بهینه سازی برنامه ها برای آنها ممکن است دیر باشد، اگر اصلا اتفاق می افتد

بدیهی است که "ARM روی دسکتاپ" واقعاً فعال نخواهد شد. مگر در سیستم های کم مصرف که در آن به اینترنت دسترسی داشته باشند و فیلم تماشا کنند. روی نت تاپ به طور کلی. بنابراین ARM فقط در تلاش است تا در جایگاهی که اینتل اتم اشغال کرده و جایی که AMD اکنون با پلتفرم Brazos خود فعالانه در حال پیشرفت است، حرکت کند. و به نظر می رسد که او بخشی از آن است. مگر اینکه هر دو شرکت پردازنده با چیزی بسیار رقابتی "شلیک" کنند.

در جاهایی، Intel Atom و ARM در حال حاضر در حال رقابت هستند. آنها برای ایجاد فضای ذخیره سازی شبکه و سرورهای کم مصرف که می توانند به یک دفتر یا آپارتمان کوچک خدمت کنند استفاده می شوند. همچنین چندین پروژه خوشه تجاری بر اساس تراشه های اقتصادی اینتل وجود دارد. ویژگی های پردازنده های جدید مبتنی بر ARM Cortex-A9 امکان استفاده از آنها را برای پشتیبانی از زیرساخت ها فراهم می کند. بنابراین، ظرف چند سال می‌توانیم سرورهای ARM یا ARM-NAS را برای شبکه‌های محلی کوچک دریافت کنیم و ظهور وب سرورهای کم مصرف را نمی‌توان رد کرد.

اولین اسپارینگ

رقیب اصلی ARM از سمت x86 Intel Atom است و اکنون می توانید . مقایسه x86 و ARM توسط ون اسمیت، که بسته‌های آزمایشی OpenSourceMark، miniBench و یکی از نویسندگان همکار SiSoftware Sandra را ایجاد کرد، انجام شد. Atom N450، Freescale i.MX515 (Cortex-A8)، VIA Nano L3050 در این مسابقه شرکت کردند. فرکانس تراشه های x86 کاهش یافته بود، اما به دلیل حافظه پیشرفته تر، همچنان دارای مزیت بودند.

نتایج بسیار جالب بود. تراشه ARM در عملیات اعداد صحیح به سرعت رقبای خود عمل کرد و در عین حال انرژی کمتری مصرف کرد. اینجا هیچ چیز تعجب آور نیست. در ابتدا، معماری بسیار سریع و اقتصادی بود. در عملیات ممیز شناور، ARM x86 را از دست داد. بلوک سنتی قدرتمند FPU موجود برای تراشه های اینتل و AMD در اینجا تأثیر گذاشته است. به یاد بیاورید که نسبتاً اخیراً در ARM ظاهر شد. وظایفی که بر روی FPU قرار می گیرند جایگاه قابل توجهی را در زندگی یک کاربر مدرن اشغال می کنند - اینها بازی ها، رمزگذاری ویدئو و صدا و سایر عملیات پخش است. البته تست های انجام شده توسط ون اسمیت امروز دیگر چندان مرتبط نیستند. ARM نقاط ضعف معماری خود را در نسخه های Cortex-A9 و مخصوصاً Cortex-A15 به طور قابل توجهی افزایش داده است، به عنوان مثال، می توانند دستورالعمل ها را بدون قید و شرط اجرا کنند و اجرای وظایف را موازی کنند.

چشم انداز ARM

بنابراین در نهایت باید از چه معماری استفاده کنید، ARM یا x86؟ بهتر است روی هر دو شرط بندی کنید. امروز ما در شرایط فرمت مجدد بازار کامپیوتر زندگی می کنیم. در سال 2008، نت‌بوک‌ها آینده روشنی را پیش‌بینی کردند. قرار بود لپ‌تاپ‌های کامپکت ارزان، به‌ویژه در پس‌زمینه بحران جهانی، کامپیوتر اصلی اکثر کاربران باشند. اما پس از آن بهبود اقتصادی آغاز شد و آی پد آمد. تبلت ها اکنون پادشاهان بازار هستند. با این حال، تبلت به عنوان یک کنسول سرگرمی خوب است، اما استفاده از آن در درجه اول به دلیل ورودی لمسی بسیار راحت نیست - نوشتن این مقاله در iPad بسیار دشوار و طولانی خواهد بود. آیا تبلت ها در آزمون زمان مقاومت می کنند؟ شاید در چند سال آینده ما با یک اسباب بازی جدید بیاییم.

اما با این حال، در بخش موبایل، که عملکرد بالا مورد نیاز نیست و فعالیت کاربر عمدتاً به سرگرمی محدود می شود و به کار مربوط نمی شود، ARM به x86 ترجیح داده می شود. آنها سطح قابل قبولی از عملکرد و همچنین عمر باتری عالی را ارائه می دهند. تلاش های اینتل برای یادآوری Atom تاکنون ناموفق بوده است. ARM نوار جدیدی را برای عملکرد در هر وات تنظیم می کند. به احتمال زیاد، ARM در گجت های فشرده موبایل موفق خواهد بود. در بازار نت بوک، آنها همچنین می توانند رهبر شوند، اما در اینجا همه چیز نه چندان به توسعه دهندگان پردازنده، بلکه به مایکروسافت و گوگل بستگی دارد. اگر اولی پشتیبانی معمولی ARM را در ویندوز 8 اجرا کند و دومی سیستم عامل کروم را به ذهن متبادر می کند. تاکنون، کتاب‌های هوشمند ارائه‌شده توسط کوالکام بازاری نداشته‌اند. نت‌بوک‌های مبتنی بر x86 زنده ماندند.

همانطور که توسط ARM برنامه ریزی شده است، پیشرفتی در این مسیر باید توسط معماری Cortex-A15 ایجاد شود. این شرکت پردازنده‌های دو هسته‌ای و چهار هسته‌ای مبتنی بر آن را با فرکانس 1.0-2.0 گیگاهرتز برای سیستم‌های سرگرمی خانگی توصیه می‌کند که یک پخش کننده رسانه، تلویزیون سه بعدی و پایانه اینترنتی را ترکیب می‌کند. تراشه های چهار هسته ای با فرکانس 1.5-2.5 گیگاهرتز می توانند اساس سرورهای خانگی و وب شوند. در نهایت، جاه طلبانه ترین مورد استفاده برای Cortex-A15 زیرساخت بی سیم است. می تواند از تراشه های چهار هسته ای یا بیشتر با فرکانس 1.5-2.5 گیگاهرتز استفاده کند.

اما در حال حاضر، اینها فقط یک برنامه هستند. Cortex-A15 در سپتامبر سال گذشته به ARM معرفی شد. Cortex-A9 در اکتبر 2007 توسط این شرکت نمایش داده شد، دو سال بعد این شرکت نسخه A9 را با قابلیت افزایش فرکانس تراشه ها تا 2.0 گیگاهرتز ارائه کرد. برای مقایسه، NVIDIA Tegra 2 - یکی از محبوب ترین راه حل های مبتنی بر Cortex-A9 - تنها در ژانویه سال گذشته منتشر شد. خب، اولین ابزارهای مبتنی بر آن، کاربران پس از شش ماه دیگر توانستند آن را احساس کنند.

بخش رایانه های شخصی در حال کار و راه حل های با کارایی بالا برای x86 باقی می ماند. این به معنای مرگ معماری نخواهد بود، اما از نظر پولی، اینتل و AMD باید خود را برای از دست دادن بخشی از درآمدی که نصیب سازندگان پردازنده های ARM می شود، آماده کنند.