Mi az a karprocesszor. ARM maggal rendelkező mikrokontrollerek összehasonlító elemzése

Az adatfeldolgozási teljesítményre megnövekedett igényeket támasztó alkalmazások egyre növekvő száma miatt a tendencia a 32 bites igények növekedése felé mutat. mikrokontrollerek. Erre a következtetésre jutott a Semico marketingcég, amely a 32 bites piaci kapacitás 2-szeres túlsúlyát jósolja. 8 és 16 bites feletti mikrokontrollerek. 2007-ben. Ezzel kapcsolatban jelen cikk célja az egyik legelterjedtebb 32 bites általános fejlesztési irányzatok bemutatása. ARM magokat, és összehasonlító értékelést ad a FÁK piacain a legkedvezőbb árú gyártók mikrokontrollereiről.

Az ARM architektúra áttekintése

Az ARM mikrokontroller magját az azonos nevű angol cég fejlesztette ki 1990-ben. Az ARM név az „Advanced RISC Machines” szóból származik. Megjegyzendő, hogy a cég kizárólag mikroprocesszor-magok és perifériás egységek fejlesztésére szakosodott, míg mikrokontrollerek gyártására nem rendelkezik gyártóberendezéssel. Az ARM elektronikus formában szállítja a terveit, amelyek alapján az ügyfelek saját mikrokontrollereket terveznek. A cég ügyfelei több mint 60 félvezetőgyártó cég, köztük olyan népszerű gyártók a FÁK félvezető piacán, mint az Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics és a Texas Instruments.

Jelenleg az ARM architektúra áll az élen, és a 32 bites piac 75%-át fedi le. beágyazott RISC mikroprocesszorok. Ennek a magnak az elterjedtségét a szabványos jellege magyarázza, amely lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy rugalmasabban tudja használni mind a saját, mind a harmadik féltől származó szoftverfejlesztéseket, mind új ARM processzormagra váltáskor, mind a különböző típusú ARM mikrokontrollerek közötti migráció során.

Jelenleg hat nagy családot fejlesztettek ki (lásd az 1. ábrát): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ és SecurCore™. Az XScale™ és StrongARM® családokat szintén az Intellel fejlesztették ki.

Az ARM architektúra kiegészítéseként számos bővítmény integrálható:

• Thumb® – 16 bites egy utasításkészlet, amely javítja a programmemória hatékonyságát;
• DSP - számtani utasítások készlete a digitális jelfeldolgozáshoz;
• Jazelle™ - kiterjesztés a Java utasítások hardveres közvetlen végrehajtásához;
• Média - az audio- és videojelek feldolgozási sebességének 2-4-szeresének kiterjesztése.

1. ábra: ARM processzormagok

Az ARM architektúra rekordszintje az 1 GHz feletti sebesség és az 1 μW / MHz fajlagos fogyasztás. A céltól függően az ARM processzorok három csoportra oszthatók (lásd 2. ábra):

• Processzorok nyílt platform operációs rendszerekhez vezeték nélküli kommunikációs, képalkotási és fogyasztói elektronikai alkalmazásokban.
• Processzorok beágyazott valós idejű operációs rendszerekhez tömegtároláshoz, ipari, autóipari és hálózati alkalmazásokhoz.
• Adatvédelmi rendszer intelligens kártyákhoz és SIM-kártyákhoz.

0,18 µm (0,13 µm)
Mag	Gyorsítótár	Terület, mm 2	Fajlagos fogyasztás mW/MHz	Frekvencia, 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)

2. ábra Processzormagok műszaki adatai
ISE - in-circuit emulátor, RT - valós idejű, DSP - digitális jelfeldolgozó, SIMD - több adat egy utasításban, TCM - szorosan csatolt memória (cache), ETM - beépített nyomkövetési makrocellák, VIC - vektorizált megszakításvezérlő, ASB , AHB - belső gumik típusai

Az ARM mag ígérete az Atmel forradalmi bejelentése után válik nyilvánvalóvá az ARM mikrokontroller fejlesztői konferencián, amelyet 2004 októberében Santa Clarában (USA) tartottak. A bejelentés lényege az Atmel 32 bites kiadásának szándéka volt. AT91SAM7S mikrokontrollerek 8 bites áron, 8 bitesre célozva. alkalmazások az információfeldolgozás funkcionalitásának bővítésére, miközben versenyképes költségeiket változatlan szinten tartják.

Hüvelykujj utasításkészlet

32 bites Az ARM processzorok támogatják a korábbi 16 biteseket. fejlesztés a Thumb utasításkészlet támogatásával. 16 bites használatával utasításokkal akár 35% memóriát takaríthat meg a megfelelő 32 biteshez képest. kódot, miközben megtartja a 32 bites összes előnyét. rendszer például a 32 bites memória elérése. címtér.

SIMD technológia

A SIMD (multiple data in one instruction) technológiát az adathordozók bővítésében használják, és célja az adatfeldolgozás sebességének növelése olyan alkalmazásokban, ahol alacsony energiafogyasztás szükséges. A SIMD bővítmények a szoftverek széles skálájához vannak optimalizálva, pl. audio / video kodekek, ahol lehetővé teszik a feldolgozási sebesség 4-szeres növelését.

DSP utasításkészlet (DSP)

Számos alkalmazás magas követelményeket támaszt a valós idejű jelfeldolgozás sebességével szemben. Hagyományosan ilyen helyzetekben a fejlesztők digitális jelfeldolgozó processzort (DSP) használnak, ami növeli magának a fejlesztésnek és a végberendezésnek az energiafogyasztását és költségét. E hiányosságok kiküszöbölésére számos ARM processzor integrált DSP-utasításokat tartalmaz, amelyek 16 bitesen hajtanak végre. és 32 bites. aritmetikai műveletek.

Jazelle® technológia

Az ARM Jazelle technológia olyan alkalmazásokat céloz meg, amelyek támogatják a Java programozási nyelvet. Egyedülálló kombinációját kínálja a nagy teljesítménynek, az alacsony rendszerköltségnek és az alacsony energiaigénynek, amelyet nem lehet egyszerre elérni társprocesszorral vagy dedikált Java processzorral.

Az ARM Jazelle technológia a 32 bites kiterjesztése. RISC architektúra, amely lehetővé teszi, hogy az ARM processzor Java kódot hajtson végre hardveren. Ugyanakkor felülmúlhatatlan teljesítmény érhető el az ARM architektúrát használó Java kód végrehajtásában. Így a fejlesztőknek lehetőségük van Java alkalmazások szabad implementálására, pl. operációs rendszereket és alkalmazáskódot, ugyanazon a processzoron.

A Jazelle technológia jelenleg a következő ARM processzorokba van integrálva: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S és ARM7EJ-S.

A hagyományos ARM processzorok 2 utasításkészletet támogatnak: ARM módban 32 bites utasításokat, hüvelykujj módban pedig a legnépszerűbb utasításokat 16 bitesre tömörítik. formátum. A Jazelle technológia kibővíti ezt a koncepciót egy harmadik Java utasításkészlet hozzáadásával, amelyet az új Java módban hívnak meg.

Intelligens energiagazdálkodási technológia

A hordozható eszközök (például okostelefonok, személyi digitális asszisztensek és audio-/videolejátszók) fejlesztői előtt álló egyik fő kihívás az energiafogyasztás optimalizálása, ami javíthatja az energiafogyasztást. teljesítmény jellemzők kész készüléket az akkumulátor élettartamának meghosszabbításával vagy az eszköz méretének csökkentésével.

Az energiafogyasztás csökkentésének hagyományos módszere a gazdaságos működési módok, például az üresjárat (tétlen) vagy az alvás (alvó) használata, amelyek a belső elemek deaktiválási mélységében különböznek. Általános szabály, hogy egy ilyen rendszer aktív üzemmódját a legrosszabb működési feltételekre tervezték, és maximális terhelés jellemzi, ezáltal szükségtelenül csökkenti az akkumulátor élettartamát. Ezért az akkumulátorfogyasztás további optimalizálása érdekében a fejlesztők kiemelt figyelmet fordítanak az aktív módban történő energiagazdálkodásra.

Ennek a folyamatnak a megkönnyítésére az Intelligent Energy Manager (IEM) technológiát fejlesztették ki az ARM processzorokhoz. Ez a technológia olyan hardver- és szoftverkomponensek kombinációja, amelyek együtt működnek a dinamikus teljesítményskálázás érdekében.

A tápfeszültség dinamikus szabályozásának módszerének lényege a CMOS processzorok energiafogyasztásának kifejezésén alapul:

ahol P a teljes fogyasztás, C a kapcsolt kapacitás, fc a processzor frekvenciája, a tápfeszültség, a szivárgó áram statikus üzemmódban. A kifejezésből következik, hogy a frekvencia és a tápfeszültség változtatható az energiafogyasztás beállításához.

Az energiafogyasztás csökkentését célzó frekvenciacsökkentést széles körben alkalmazzák a mikrokontrollerekben és a chipeken (PSoC) működő rendszerekben, de ennek a módszernek nem hátránya a teljesítmény csökkenése. A tápfeszültség dinamikus szabályozásának módja a tápfeszültség változtatásán alapul, azonban ha a beállítási lehetőségek kimerültek, akkor kiegészítő módszerként a processzorfrekvencia beállítási módszert alkalmazzuk.

ARM architektúrán alapuló mikrokontrollerek

Az 1. táblázat az általánost mutatja be Összehasonlító jellemzők A legismertebb és legkedvezőbb árú gyártók ARM mikrokontrollerei: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors és Texas Instruments, ezek műszaki adatait a 2. táblázat mutatja be részletesebben.

1. táblázat: Különböző gyártók ARM mikrovezérlőinek összehasonlítása a legfontosabb jellemzők szerint

TMS 470 (Texas Instruments)	AT91 (Atmel)	Mikrokonverter (AD)	LPC2000 (Philips)
Szisztémás:
ARM7TDMI mag A külső óraelosztó (ECP) lehetővé teszi, hogy egy külső eszközt a kívánt frekvencián órajelezzen	ARM7TDMI/ARM920T mag Opcionális beépített kalibrált RC oszcillátor A perifériák és a memória közötti adatcseréhez a DMA jelentősen megterheli a processzort Külön óra engedélyezése/letiltása minden perifériához (250 uA, ha minden ki van kapcsolva) Beépített 1,8V stabilizátor	ARM7TDMI mag Beépített kalibrált RC generátor (± 3%)	ARM7TDMI-S mag (kicsit rosszabb fajlagos fogyasztás, mint az ARM7TDMI) Változatok -40…+105°C hőmérséklet-tartományhoz
Memória:
Flash memória 1 MB-ig Memóriavédelmi modul (MSM)	Gazdaságos statikus RAM (például az AT91M40800 40 MHz-en külső RAM-mal (12ns) 120 mA-t, a belső RAM-mal rendelkező AT91R40807 pedig 50 mA-t vesz fel azonos feltételek mellett).	Flash program/adatmemória 62 KB-ig akár 100 év adatmegőrzéssel és 100 ezer írási/törlési ciklus kitartásával	Flash memória 128 bites gyorsító interfész 60 MHz frekvencián történő működéshez
Analóg perifériák:
Többpufferes ADC: - 10 bit, 16 csatorna, 1,75 µs (mintatartás, átalakítás); - csatornacsoportok szervezésének képessége; - programozási modellek: TMS470R1X ADC kompatibilitás és konverziós eredmény pufferelés (FIFO); - működési módok: átalakítás, kalibrálás (az ADC torzítási hiba felezőpontjának keresése); - önteszt (analóg bemenetek hibaellenőrzése); Leállitás. - három PDP csatorna; - az átalakítás kezdete, beleértve csoport, külső esemény vagy időzítő szerint; - kimenetek mindkét transzformációs határ beállításához (ADREFHI és ADREFLO kimenetek).		Beépített hőmérséklet-érzékelő (± 3°С) 12 bites ADC - 1 millió konverter sec - egyvégű vagy teljes differenciál üzemmódban 12 bites DAC - kimeneti jel: feszültség - opcionális kimeneti puffererősítő; - teljes teljesítményű lengés (síntől sínig) Komparátor (K) - 2 bemenet és kimenet csatlakozik a mikroáramkör érintkezőihez	10 bites multiplex ADC: - konverziós idő 2,44 µs (400 ezer konverzió másodpercenként) - konverziós tartomány 0 ... 3V - külső jel vagy időzítő indítja
Digitális perifériák:
Kiváló minőségű időzítő (HET): - 21 speciális utasításkészlet az időzítő vezérléséhez; - egy speciális előre meghatározott időzítő mikrogép, amely bemeneti-kimeneti vonalakhoz kapcsolódik. Hardveres szöggenerátor (HWAG) motorvezérlési feladatok megoldására: - együttműködés a NO-val	Valós idejű óra külön tartalék táp bemenettel Periodikus intervallum időzítő (PIT) időszinkronizált megszakítások generálására	Programozható logikai mátrix - két blokk, amelyek 16 bemenetet és 14 kimenetet kötnek össze - 2 bemeneti logikai elem tetszőleges konverziós funkcióval Háromfázisú 16 bites PWM generátor inverter/motor vezérléshez - Fázisgátló kimenetek minden fázison állítható, átfedésmentes szünettel - Állítható PWM frekvencia	32 bites időzítők (élrögzítő csatornák és összehasonlító csatornák), ​​PWM blokk (6 kimenet), valós idejű óra
Interfészek:
2. osztályú soros interfészek (C2SIa és C2SIb) - adatok fogadása és továbbítása több fős hálózatban; - TMS470R1Vx csatlakoztatása külső analóg interfész mikroáramkörökhöz; - pufferelés, hibák és törések észlelése, kalibrálás stb. CAN vezérlők - standard (SCC): postafiók 16 üzenet számára; - kiváló minőség (HECC): postafiók 32 üzenet számára. DSP interfész - TMS470R1x és TMS320C54x DSP mega modult csatlakoztat Buszbővítő modul (EBM): - 8 vagy 16 bites támogatás. külső memória; - általános célú I/O funkció, ha nem használ külső buszt	USB 2.0 interfész Külső memória interfész konfigurálható külső chipválasztó kimenetekkel Nagy sebességű programozó vezérlő: - Soros és párhuzamos Flash memória programozási módok Flash kártya interfészek (RM9200)	Szabványos soros interfészek (UART, SPI, I2C)	16C550 kompatibilis UART - modemjelek támogatása az egyik UART-on Konfigurálható külső memória interfész 4 bankkal és 8/16/32 adatszélességgel

2. táblázat: Az Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors ARM mikrokontrollereinek műszaki adatai

Név	Mag	Keret	memória		Perifériák						I/O	Max. h-ta, MHz
			Flash, KB	RAM, KB	Időzítő	ADC, ch/res	SPI/U(S)APP/ I2C	USB Dev/Host	TUD	Egyéb
A Texas Instruments TMS470 család mikrovezérlői
TMS470R1A64	ARM7TDMI	80 LQFP	64	4	13	8/10	2/2/-	-	2	C2SI	40	48
	ARM7TDMI	100 LQFP	128	8	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100 LQFP	256	12	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100/144LQFP	288	16	12	12/10	2/2/1	-	2	C2SI, RAP, EBM, MSM	93	48
	ARM7TDMI	144 LQFP	512	32	32	16/10	2/2/-	-	2	RAP	87	60
	ARM7TDMI	144 LQFP	768	48	32	16/10	5/2/-	-	3	RAP	87	60
TMS470R1A1024	ARM7TDMI	144 LQFP	1024	64	12	12/10	5/2/1	-	2	DMA, EBM, MSM	93	60
Az Atmel AT91 ARM hüvelykujj családja
	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 rubel 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, int. 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
A MicroConverter család mikrovezérlői az analóg eszközről
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		5/12	1/1/2			4 x 12r. DAC, K, PLM	14	45
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		8/12	1/1/2			2 x 12r. DAC, K, PLM	13	45
	ARM7TDMI	CP-40	62	8		10/12	1/1/2			K, PLM	13	45
	ARM7TDMI	CP-64	62	8		10/12	1/1/2			2 x 12p.DAC, 3ph. PWM, K, PLM	30	45
	ARM7TDMI	CP-64	62	8		12/12	1/1/2			3f. PWM, K, PLM	30	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		12/12	1/1/2			4 x 12p.DAC, 3 fázisú PWM, K, PLM	40	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		16/12	1/1/2			3f. PWM, K, PLM	40	45
A Philips Semiconductors LPC2000 család mikrovezérlői
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	16	4		1/2/1			6 ch. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	32	4		1/2/1			6 ch. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	64	4		1/2/1			6 ch. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 ch. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 ch. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 ch. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 ch. PWM	46	60
2/2/1			6 ch. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		2	6 ch. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		4	6 ch. PWM	112	60

Annak ellenére, hogy a legtöbb mikrokontrollerben a közös ARM7TDMI magot használják, a különböző gyártók mikrokontrollerei meglehetősen tiszta képet mutatnak. Az Analog Device vitathatatlanul vezető szerepet tölt be a 12 bites analóg perifériák terén. ADC és DAC osztály 1MHz. Ebben az irányban érezhetően le van maradva az Atmel, amely az egyes ADC-k fejlesztésében már átvette a 2 GHz-es gátat, de egy tisztességes ADC-t integrál 32 bitesbe. mikrokontroller, és nem lehetett. Az Atmel mikrokontrollerek ez a hátránya azonban felülmúlja a "barátságukat" (a beépített RC generátor és stabilizátor használatakor csak egy tápfeszültség szükséges a mikrokontroller elindításához), hatékonyságukat, és ami a legfontosabb, alacsony költségüket. A szóban forgó mikrokontrollerek közül egyedül az Atmel mikrokontrollerek tartalmaznak USB interfészt. A TI mikrokontrollereket túlzott reprezentativitás jellemzi, mérsékelt költségek mellett. TMS470 mikrokontrollerekkel dolgozva biztos lehet benne, hogy a perifériás erőforrások elegendőek. Az LPC2000 (Philips) mikrokontrollerek a figyelembe vett kritériumok szerint az arany középútnak nevezhetők. Megkülönböztetik őket a Philips hagyományai szerint készült UART jelenléte, amely kompatibilis a szabványos 16C550 UART-mal, valamint modem interfésszel és hardveres kommunikációs vezérlési móddal rendelkezik FIFO puffereléssel. A Philips ARM mikrokontrollerek között a kiterjesztett -40…+105°C hőmérsékleti tartomány képviselői is megtalálhatók.

32 bites mikrokontrollerek alternatív magokkal

Ha a 32 bitesről van szó. mikrokontrollerek, igazságtalan lenne nem említeni más 32 biteseket. alternatívák az ARM maghoz. Ebből a szempontból a Fujitsu FR magját és a Motorola M68000/M68300-at kell kiemelni.

Az FR magot számos mikrokontrollerben használják (több mint 40), amelyek több családot alkotnak, és 16 bites utasításkészlet-móddal rendelkezik a programmemória-használat optimalizálása érdekében, minimális teljesítménycsökkenéssel, ami megegyezik az ARM maggal. A ROM és a RAM mérete eléri az 512 kB-ot, típustól függően számos szabványos perifériát támogat, pl. 10 bites ADC, 12 bites PWM, CAN interfész, UART stb. Az ARM mikrokontrollerekhez hasonlóan az FR magra épülő mikrokontrollereket is a fejlesztő által lefektetett közös hagyományok különböztetik meg, amelyek a mikrokontrollerek teljes sorában felismerhetők. A Fujitsu esetében ez az endianizmus hardveres támogatása, hardveres bitkereső funkció, sok azonos típusú periféria csatorna és egy nem maszkolható megszakítási bemenet. Egy meglehetősen tisztességes 10 bites sok mikrokontrollerbe van integrálva. ADC (konverziós idő 1,7 µs) és DAC (0,9 µs). Az FRLite családban rekordot állítottak fel az 1mA / MHz fajlagos energiafogyasztás tekintetében. Az FR 65E család a legnagyobb sebességgel rendelkezik, amelyben az órajel frekvencia eléri a 66 MHz-et.

32 bites A Motorola mikrokontrollereket a szabványos funkcionális modulokból történő megvalósítás jellemzi. A 68300 család mikrokontrollerei a következőket tartalmazzák: 32 bites processzor (CPU32), belső memóriamodulok, rendszerintegrációs interfész modul (SIM), soros interfész modul (QSM), időzítő processzor (TPU) vagy időzítő modul (GPT), analóg digitális konverter (ADC) és számos más. A modulok intermodul-buszon keresztül kapcsolódnak egymáshoz. A 68300 család mikrokontrollereiben használt CPU32 processzor fő funkcióit tekintve hasonló a 68000 család 32 bites MC68020 mikroprocesszorához. Kommunikációs rendszerekben való felhasználásra olyan mikrokontrollereket gyártanak, amelyek egy kommunikációs RISC processzor modult tartalmaznak, amely speciális készlettel rendelkezik. eszközök az adatcseréhez. Az ilyen kommunikációs vezérlők (68360, 68302, 68356) szintén a 68300-as család részét képezik, a 68000-es családból erőforrásaik és képességeik megosztása a megoldandó feladatok osztályától függően. Ez két feladatosztály megvalósítását jelenti: magának a mikroprocesszoros rendszernek a működésének vezérlését rendszerszoftver segítségével (operációs rendszer - supervisor), valamint az alkalmazott felhasználói feladatok megoldását. Ez működési módokat eredményez: felügyelő mód vagy felhasználói mód. Az üzemmódtól függően a programok végrehajtása során a mikrokontroller erőforrásainak egészéhez vagy egy részéhez való hozzáférés engedélyezett. A felügyelő mód lehetővé teszi a processzor által végrehajtott utasítások végrehajtását és az összes regiszterhez való hozzáférést. Felhasználói módban bizonyos parancsok végrehajtása és egyes regiszterekhez való hozzáférés tilos, hogy korlátozzák a rendszer állapotában bekövetkező olyan változások lehetőségét, amelyek megzavarhatják más programok végrehajtását, vagy megsérthetik a processzor felügyelő által beállított működési módját. . Erős érv a Motorola mikrokontrollerek választása mellett az M68000 család a maga idejében nagy népszerűség, valamint az M68000 és a korszerűbb M68300 mikrokontrollerek szoftverkompatibilitása, amely lehetővé teszi a meglévő szoftverfejlesztések új fejlesztésekben történő felhasználását, ezzel csökkentve a tervezési időt.

• Az ARM mag kétségtelen előnye a szabványos jellege, amely lehetővé teszi más kompatibilis mikrokontrollerek szoftvereinek használatát, szélesebb körű hozzáférést a tervezési eszközökhöz, vagy könnyebben migrálhat a mikrokontrollerek között.
• Annak ellenére, hogy ugyanazt az ARM magot használják a különböző gyártók mikrovezérlőiben, mindegyiknek megvan a maga arca, amelyet a perifériaeszközök eredeti "receptje" ér el, és vezető pozíciókat foglal el bizonyos típusú perifériás eszközökben, például az Analog Device esetében ez a digitális-analóg konverter.
• Az ARM magok reprezentatív nómenklatúrával és fejlesztési dinamikával rendelkeznek, azonban az összehasonlításból az következik, hogy az ARM7TDMI magra épülő mikrokontrollerek elsősorban a nagyközönség számára elérhetőek. Ez például azzal magyarázható, hogy az ARM mikrokontrollerek fő fogyasztási területe a háztartási, irodai, felhasználói elektronikai eszközök és berendezések, amelyeket sajnos főleg külföldi OEM-ek gyártanak.
• A 32 bites mikrokontrollerek piaca nagy kapacitású, ami a következő években dinamikusan növekedni fog, ezért már csak követnünk kell a mikrokontrollergyártók küzdelmét a piaci részesedésért, követni a bejelentéseket, és van időnk az új technológiák elsajátítására. .

Irodalom

1. J. Wilbrink. A 8 bitesről a 32 bites mikrovezérlőkre való átállás megkönnyítése/Atmel Corporation -2004.
2. "Az Atmel bemutatja a világ első 3 dolláros ARM7 flash mikrokontrollerjét", Atmel hírek 04.10.19-én, www.atmel.com.
3. Processzormagok szórólapja//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03, Kiadva: 2003. május.
4. Az oldal anyagai www.arm.com

Az ARM nevet minden bizonnyal mindenki hallotta, akit érdekel a mobil technológia. Sokan ezt a rövidítést az okostelefonok és táblagépek processzorának egy típusaként értelmezik, míg mások azt mondják, hogy ez egyáltalán nem processzor, hanem architektúrája. És bizony kevesen mélyedtek el az ARM megjelenésének történetében. Ebben a cikkben megpróbáljuk megérteni ezeket az árnyalatokat, és elmondjuk, miért van szükség a modern eszközökhöz ARM processzorokra.

Rövid kirándulás a történelembe

Amikor az "ARM" szóra kérdezik, a Wikipédia két jelentést ad ennek a rövidítésnek: Acorn RISC Machine és Advanced RISC Machines. Kezdjük sorban. Az 1980-as években az Egyesült Királyságban megalakult az Acorn Computers, amely személyi számítógépek megalkotásával kezdte meg tevékenységét. Abban az időben a makkot "brit almának" is hívták. A vállalat számára döntő időszak az 1980-as évek végén következett be, amikor főmérnöke kihasználta két helyi egyetemet végzett hallgató döntését, és újfajta csökkentett utasításkészletű (RISC) processzorarchitektúrát dolgozott ki. Így jelent meg az első Acorn Risc Machine processzorra épülő számítógép. A siker nem váratott sokáig. 1990-ben a britek megállapodást kötöttek az Apple-lel, és hamarosan elkezdtek dolgozni a lapkakészlet új verzióján. Ennek eredményeként a fejlesztőcsapat a processzorhoz hasonlóan Advanced RISC Machines néven céget alapított. Az új architektúrájú chipek Advanced Risc Machine, vagy röviden ARM néven is ismertté váltak.

1998 óta az Advanced Risc Machine ARM Limited néven vált ismertté. A cég jelenleg nem foglalkozik saját feldolgozóinak gyártásával és értékesítésével. Az ARM Limited fő és egyetlen tevékenysége technológiák fejlesztése és licencek értékesítése különböző cégek számára az ARM architektúra használatához. Egyes gyártók licencet vásárolnak készmagokhoz, mások úgynevezett "építészeti licencet" vásárolnak saját maggal rendelkező processzorok gyártásához. E cégek közé tartozik az Apple, a Samsung, a Qualcomm, az nVidia, a HiSilicon és mások. Egyes jelentések szerint az ARM Limited minden ilyen processzoron 0,067 dollárt keres. Ez a szám átlagos és egyben elavult is. Évről évre egyre több mag található a lapkakészletekben, és az új többmagos processzorok költségükön felülmúlják az elavult mintákat.

Az ARM chipek műszaki jellemzői

Kétféle modern processzorarchitektúra létezik: CISC(Complex Instruction Set Computing) és RISC(Reduced Instruction Set Computing). A CISC architektúra az x86 processzorcsaládra (Intel és AMD), míg a RISC architektúra az ARM családra utal. A fő formai különbség a RISC és a CISC, illetve ennek megfelelően az x86 és az ARM között a RISC processzorokban használt csökkentett utasításkészlet. Így például a CISC architektúrában minden utasítás több RISC utasítássá alakul. Ezenkívül a RISC processzorok kevesebb tranzisztort használnak, és így kevesebb energiát fogyasztanak.

Az ARM processzorok fő prioritása a teljesítmény és az energiafogyasztás aránya. Az ARM teljesítmény/watt aránya magasabb, mint az x86. A szükséges teljesítményt 24 x 86 magból vagy több száz kis, alacsony fogyasztású ARM magból kaphatja. Természetesen még az ARM architektúra legerősebb processzora sem lesz teljesítményében összehasonlítható az Intel Core i7-tel. De ugyanannak az Intel Core i7-nek aktív hűtőrendszerre van szüksége, és soha nem fog beleférni a telefontokba. Itt az ARM versenyen kívül van. Egyrészt vonzó lehetőségnek tűnik, ha ezer x86-os processzor helyett millió ARM processzort használó szuperszámítógépet építhet. Másrészt a két architektúra nem hasonlítható egyértelműen össze. Bizonyos szempontból az előny az ARM számára lesz, bizonyos szempontból pedig az x86 számára.

Az ARM architektúra chip-processzorok hívása azonban nem teljesen helyes. Számos processzormag mellett más alkatrészeket is tartalmaznak. A legmegfelelőbb kifejezés az „egy chipes rendszer” vagy a „rendszer egy chipen” (SoC) lenne. A mobileszközök modern egychipes rendszerei RAM-vezérlőt, grafikus gyorsítót, videodekódert, audiokodeket és vezeték nélküli kommunikációs modulokat tartalmaznak. Mint korábban említettük, az egyes lapkakészlet-összetevőket külső gyártók is fejleszthetik. Ennek legszembetűnőbb példája a grafikus magok, amelyeket az ARM Limited (Mali grafika) mellett a Qualcomm (Adreno), az NVIDIA (GeForce ULP) és az Imagination Technologies (PowerVR) fejleszt.

A gyakorlatban ez így néz ki. A legtöbb olcsó Android-mobileszköz a cég által gyártott lapkakészlettel érkezik. MediaTek, amely szinte kivétel nélkül követi az ARM Limited utasításait, és kiegészíti azokat Cortex-A magokkal és Mali grafikával (ritkábban PowerVR-rel).

Az A-márkák zászlóshajójukhoz gyakran olyan lapkakészleteket használnak, amelyeket a Qualcomm. A legújabb Qualcomm Snapdragon lapkák (,) egyébként teljesen egyedi Kryo magokkal vannak felszerelve a központi processzorhoz, és Adreno-val a grafikus gyorsítóhoz.

Vonatkozó alma, majd az iPhone-hoz és iPad-hez a cég saját A-sorozatú, PowerVR grafikus gyorsítóval ellátott chipjeit használja, amelyeket külső cégek gyártanak. Tehát egy 64 bites négymagos A10 Fusion processzor és egy PowerVR GT7600 grafikus processzor van telepítve.

A család feldolgozóinak architektúrája relevánsnak tekinthető a cikk írásakor. ARMv8. Ez volt az első, amely 64 bites utasításkészletet használt, és több mint 4 GB RAM-ot támogat. Az ARMv8 architektúra visszafelé kompatibilis a 32 bites alkalmazásokkal. Az ARM Limited által eddig kifejlesztett leghatékonyabb és legerősebb processzormag az Cortex-A73, és a legtöbb SoC-gyártó változatlanul használja.

A Cortex-A73 30%-kal gyorsabb teljesítményt nyújt, mint a Cortex-A72, és támogatja az ARMv8 architektúrák teljes készletét. A processzormag maximális frekvenciája 2,8 GHz.

Az ARM felhasználási köre

Az ARM legnagyobb dicsőségét a mobileszközök fejlesztése hozta. Az okostelefonok és egyéb hordozható berendezések tömeggyártására számítva jól jöttek az energiatakarékos processzorok. Az ARM Limited fejlesztésének csúcspontja 2007 volt, amikor a brit cég megújította partnerségét az Apple-lel, majd nem sokkal később a cupertinói cég bemutatta első ARM architektúrájú processzoros iPhone-ját. Ezt követően az ARM architektúrára épülő egylapkás rendszer szinte az összes piacon lévő okostelefon állandó elemévé vált.

Az ARM Limited portfóliója nem korlátozódik a Cortex-A magcsaládra. Valójában a Cortex márka alatt három processzormag-sorozat található, amelyeket A, R, M betűkkel jelölnek. Core család Cortex-A, mint már tudjuk, a legerősebb. Főleg okostelefonokban, táblagépekben, set-top boxokban, műholdvevőkben, autóipari rendszerekben, robotikában használják őket. Processzor magok Cortex-R A nagy teljesítményű feladatok valós időben történő elvégzésére optimalizáltak, így az ilyen chipek megtalálhatók az orvosi berendezésekben, az autonóm biztonsági rendszerekben és az adathordozókban. A család fő feladata Cortex-M az egyszerűség és az alacsony költség. Technikailag ezek a leggyengébb processzormagok a legalacsonyabb energiafogyasztással. Az ilyen magokra épülő processzorokat szinte mindenhol alkalmazzák, ahol az eszköz minimális áramot és alacsony költséget igényel: érzékelők, vezérlők, riasztók, kijelzők, okosórák és egyéb berendezések.

Általánosságban elmondható, hogy a mai készülékek többsége, a kicsitől a nagyig, amelyek CPU-t igényelnek, ARM chipeket használnak. Óriási plusz az a tény, hogy az ARM architektúrát számos Linux alapú operációs rendszer (beleértve az Android és Chrome OS), iOS és Windows (Windows Phone) támogatja.

Verseny a piacon és a jövő kilátásai

El kell ismerni, hogy az ARM-nek jelenleg nincs komoly versenytársa. És nagyjából ez annak a ténynek köszönhető, hogy az ARM Limited egy bizonyos időpontban helyesen választott. Ám útja legelején a cég processzorokat gyártott PC-k számára, és még az Intellel is megpróbálta felvenni a versenyt. Miután az ARM Limited megváltoztatta tevékenységének irányát, szintén nem volt könnyű dolga. Ezután a Microsoft által képviselt szoftvermonopolista, miután partnerségi megállapodást kötött az Intellel, nem hagyott esélyt más gyártóknak, köztük az ARM Limited-nek - a Windows egyszerűen nem működött az ARM processzorokkal rendelkező rendszereken. Bármilyen paradoxon is hangzik, de most a helyzet drámaian megváltozhat, és a Windows már készen áll az ezen az architektúrán alapuló processzorok támogatására.

Az ARM chipek sikere nyomán az Intel kísérletet tett egy versenyképes processzor létrehozására, és egy chippel lépett a piacra Intel Atom. Ehhez sokkal több időbe telt, mint az ARM Limitednek. A chipset 2011-ben indult a gyártásba, de ahogy mondani szokták, a vonat már elment. Az Intel Atom egy x86-os CISC processzor. A cég mérnökei alacsonyabb energiafogyasztást értek el, mint az ARM, de jelenleg számos mobilszoftver rosszul alkalmazkodik az x86 architektúrához.

Tavaly az Intel több kulcsfontosságú döntéstől is lemondott a mobilrendszerek továbbfejlesztése terén. Valójában egy mobil eszközökkel foglalkozó cég, mivel veszteségessé váltak. Az egyetlen nagy gyártó, amely okostelefonjait Intel Atom lapkakészletekkel csomagolta, az ASUS volt. Az Intel Atom azonban továbbra is tömegesen használatos netbookokban, nettopokon és más hordozható eszközökben.

Az ARM Limited pozíciója a piacon egyedülálló. Jelenleg szinte minden gyártó használja a fejlesztéseit. Ugyanakkor a cégnek nincsenek saját gyárai. Ez nem akadályozza meg abban, hogy egy szinten álljon az Intellel és az AMD-vel. Az ARM története egy másik érdekes tényt is tartalmaz. Lehetséges, hogy most az ARM technológia az Apple-é lehet, amely az ARM Limited megalakulásának középpontjában állt. Ironikus módon 1998-ban a válságos időszakokat átélő cupertinóiak eladták részesedésüket. Az Apple most más cégekkel együtt kénytelen licencet vásárolni az iPhone-ban és iPadben használt ARM processzorokhoz.

Az ARM processzorok ma már komoly feladatok elvégzésére is képesek. Rövid távon szervereken is használatba kerülnek, elsősorban a Facebook és a PayPal adatközpontjaiban vannak már ilyen megoldások. A dolgok internete (IoT) és az intelligens otthoni eszközök korszakában az ARM-chipek iránt még nagyobb a kereslet. Tehát az ARM számára a legérdekesebb dolog még hátra van.

A modern kütyük túlnyomó többsége ARM architektúrán alapuló processzorokat használ, amelyet az azonos nevű ARM Limited cég fejleszt. Érdekesség, hogy a cég maga nem gyárt processzorokat, hanem csak a technológiáit licenceli harmadik fél chipgyártóknak. Emellett a cég Cortex processzormagokat és Mali grafikus gyorsítókat is fejleszt, amikre ebben az anyagban mindenképpen kitérünk.

ARM Limited

Az ARM cég tulajdonképpen monopolista a maga területén, és a különböző mobil operációs rendszereken futó modern okostelefonok és táblagépek túlnyomó többsége ARM architektúrán alapuló processzorokat használ. A chipgyártók egyedi magokat, utasításkészleteket és kapcsolódó technológiákat licencelnek az ARM-től, a licencek költsége pedig jelentősen eltér a processzormagok típusától (az alacsony fogyasztású költségvetési megoldásoktól a legmodernebb négymagos, sőt nyolcmagos chipekig) és további alkatrészek. Az ARM Limited 2006-os éves eredménykimutatása 161 millió dollár bevételt mutatott körülbelül 2,5 milliárd processzor licenceléséből (a 2011-es 7,9 milliárd dollárhoz képest), ami chipenként körülbelül 0,067 dollárt jelent. Ez azonban a fentebb kifejtett okból kifolyólag igen átlagos adat a különböző licencek árkülönbsége miatt, és azóta a cég profitjának többszörösére kellett volna nőnie.

Jelenleg az ARM processzorok nagyon elterjedtek. Az ezen az architektúrán lévő chipeket mindenhol használják, egészen a szerverekig, de leggyakrabban az ARM beágyazott és mobil rendszerekben található meg, a merevlemez-vezérlőktől a modern okostelefonokig, táblagépekig és egyéb kütyükig.

Cortex magok

Az ARM több magcsaládot fejleszt, amelyeket különféle feladatokhoz használnak. Például a Cortex-Mx és Cortex-Rx alapú processzorokat (ahol az "x" egy számjegy vagy a mag pontos számát jelző szám) használják beágyazott rendszerekben, sőt fogyasztói eszközökben is, például útválasztókban vagy nyomtatókban.

Nem foglalkozunk velük részletesen, mert elsősorban a Cortex-Ax család érdekel minket - az ilyen magokkal rendelkező chipeket a legproduktívabb eszközökben használják, beleértve az okostelefonokat, táblagépeket és játékkonzolokat. Az ARM folyamatosan dolgozik a Cortex-Ax vonal új magjain, de a cikk írásakor az okostelefonok a következőket használják:

Minél nagyobb a szám, annál nagyobb a processzor teljesítménye, és ennek megfelelően annál drágább az eszközosztály, amelyben használják. Érdemes azonban megjegyezni, hogy ezt a szabályt nem mindig tartják be: például a Cortex-A7 magokra épülő chipek teljesítménye nagyobb, mint a Cortex-A8-on alapulóké. Ennek ellenére, ha a Cortex-A5 processzorok már szinte elavultnak számítanak, és szinte soha nem használják a modern eszközökben, akkor a Cortex-A15 processzorok megtalálhatók a zászlóshajó kommunikátorokban és táblagépekben. Nem is olyan régen az ARM hivatalosan is bejelentette új, erősebb és egyben energiatakarékos Cortex-A53 és Cortex-A57 magok kifejlesztését, amelyeket egyetlen chipen kombinálnak majd az ARM big.LITTLE technológia és támogatás segítségével. az ARMv8 utasításkészlet („architektúra verzió”), de jelenleg nem használják tömegfogyasztói eszközökben. A legtöbb Cortex magos chip lehet többmagos, és a négymagos processzorok mindenütt megtalálhatók a modern csúcskategóriás okostelefonokban.

Az okostelefonok és táblagépek nagy gyártói általában olyan ismert chipgyártók processzorait használják, mint a Qualcomm, vagy saját megoldásaikat, amelyek már igen népszerűvé váltak (például a Samsung és Exynos lapkakészlet-családja), de a legtöbb kisvállalat kütyüinek műszaki jellemzői közé tartozik. , gyakran találhat olyan leírásokat, mint például „Cortex-A7 alapú processzor 1 GHz-en” vagy „Kétmagos Cortex-A7 @ 1 GHz”, amelyek az átlagfelhasználónak semmit sem mondanak el. Annak érdekében, hogy megértsük, mi a különbség az ilyen magok között, összpontosítsunk a főbbekre.

A Cortex-A5 magot olcsó processzorokban használják a legtakarékosabb eszközökhöz. Az ilyen eszközöket csak korlátozott számú feladat elvégzésére és egyszerű alkalmazások futtatására tervezték, de egyáltalán nem erőforrásigényes programokra és különösen játékokra. Cortex-A5 processzorral szerelt kütyü például a Highscreen Blast, amely egy Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 chipet kapott, amely két Cortex-A5 magot tartalmaz 1,2 GHz-en.

A Cortex-A7 processzorok erősebbek, mint a Cortex-A5 chipek, és gyakoribbak. Az ilyen chipek 28 nanométeres folyamattechnológiával készülnek, és nagy, akár 4 megabájtos második szintű gyorsítótárral rendelkeznek. A Cortex-A7 magok főként a pénztárcabarát okostelefonokban és alacsony költségű középkategóriás eszközökben találhatók meg, mint például az iconBIT Mercury Quad, és kivételként az Exynos 5 Octa processzorral felszerelt Samsung Galaxy S IV GT-i9500-ban – ez a lapkakészlet energiatakarékos négymagos processzor a Cortex-A7-en.

A Cortex-A8 mag nem olyan elterjedt, mint „szomszédai”, a Cortex-A7 és a Cortex-A9, de még mindig használják különféle belépő szintű kütyükben. A Cortex-A8 chipek működési órajel-frekvenciája 600 MHz-től 1 GHz-ig terjedhet, de néha a gyártók a processzorokat magasabb frekvenciákra is túlhajtják. A Cortex-A8 mag sajátossága a többmagos konfigurációk támogatásának hiánya (azaz ezeken a magokon a processzorok csak egymagosak lehetnek), és 65 nanométeres folyamattechnológiával hajtják végre, ami már számításba jön. elavult.

Cortex-A9

Néhány évvel ezelőtt a Cortex-A9 magokat tartották a legjobb megoldásnak, és mind a hagyományos egymagos, mind az erősebb kétmagos chipekben, például az Nvidia Tegra 2-ben és a Texas Instruments OMAP4-ben egyaránt használták. Jelenleg a 40 nanométeres folyamattechnológiával készült Cortex-A9 alapú processzorok nem veszítenek népszerűségükből, és sok középkategóriás okostelefonban használják. Az ilyen processzorok működési frekvenciája 1-2 vagy több gigahertz lehet, de általában 1,2-1,5 GHz-re korlátozódik.

2013 júniusában az ARM hivatalosan is bemutatta a Cortex-A12 magot, amely egy új, 28 nm-es folyamattechnológián alapul, és a középkategóriás okostelefonokban a Cortex-A9 magok helyettesítésére szolgál. A fejlesztő 40%-os teljesítménynövekedést ígér a Cortex-A9-hez képest, ráadásul a Cortex-A12 magok produktívként vehetnek részt az ARM big.LITTLE architektúrában az energiatakarékos Cortex-A7 mellett, ami lehetővé teszi majd. a gyártók olcsó nyolcmagos chipek létrehozására. Igaz, a cikk írásakor mindez még csak a tervek között szerepel, és a Cortex-A12 chipek tömeggyártása még nem alakult ki, bár a RockChip már bejelentette, hogy egy négymagos Cortex-A12 processzort kíván kiadni. 1,8 GHz-es frekvencia.

2013-ban a Cortex-A15 mag és származékai jelentik a csúcsmegoldást, és különféle gyártók zászlóshajó kommunikátor chipjeiben használják. A 28 nm-es folyamattechnológiával készült, Cortex-A15-re épülő új processzorok között megtalálható a Samsung Exynos 5 Octa és az Nvidia Tegra 4, és ez a mag gyakran platformként szolgál más gyártók módosításaihoz. Például az Apple legújabb A6X processzora Swift magokat használ, amelyek a Cortex-A15 módosításai. A Cortex-A15 chipjei 1,5-2,5 GHz-es frekvencián képesek működni, és számos harmadik féltől származó szabvány támogatása, valamint az akár 1 TB fizikai memória megcímzésének képessége lehetővé teszi az ilyen processzorok használatát számítógépekben (hogyan lehet nem emlékszik egy mini-számítógépre akkora, mint egy banki Raspberry Pi kártya).

Cortex-A50 sorozat

2013 első felében az ARM bemutatta a Cortex-A50 sorozat néven új chipsort. Ennek a vonalnak a magjai az architektúra új verziója, az ARMv8 szerint készülnek, és támogatni fogják az új utasításkészleteket, valamint 64 bitesek lesznek. Az új bitmélységre való átállás megköveteli a mobil operációs rendszerek és alkalmazások optimalizálását, de természetesen megmarad a több tízezer 32 bites alkalmazás támogatása. Az Apple volt az első, aki átváltott a 64 bites architektúrára. A cég legújabb eszközei, mint például az iPhone 5S, pont ilyen Apple A7 ARM processzoron futnak. Figyelemre méltó, hogy nem használ Cortex magokat – ezeket a gyártó saját Swift magjaira cserélik. A 64 bites processzorokra való átállás egyik nyilvánvaló oka a több mint 4 GB RAM támogatása, és ezen felül a számításnál sokkal nagyobb számokkal való működés. Természetesen, bár ez elsősorban a szerverekre és a PC-kre vonatkozik, de nem fogunk meglepődni, ha néhány éven belül megjelennek a piacon ekkora RAM-mal rendelkező okostelefonok és táblagépek. Egyelőre semmit sem lehet tudni arról, hogy új architektúrára és az azokat használó okostelefonokra terveznék kiadni a chipeket, de valószínű, hogy 2014-ben zászlóshajókat kapnak az ilyen processzorok, ahogy a Samsung már bejelentette.

A Cortex-A53 mag nyitja a sorozatot, amely a Cortex-A9 közvetlen „utódja” lesz. A Cortex-A53 alapú processzorok teljesítményében észrevehetően felülmúlják a Cortex-A9 alapú chipeket, ugyanakkor az alacsony energiafogyasztás megmarad. Az ilyen processzorok külön-külön és az ARM big.LITTLE konfigurációban is használhatók, ugyanazon a lapkakészleten kombinálva a Cortex-A57 processzorral

Teljesítmény Cortex-A53, Cortex-A57

A 20 nanométeres technológiával készülő Cortex-A57 processzorai a közeljövőben a legerősebb ARM processzorokká válhatnak. Az új mag jelentősen felülmúlja elődjét, a Cortex-A15-öt különböző teljesítménymutatókban (az összehasonlítást fentebb láthatja), és a PC-piacot komolyan megcélzó ARM szerint nyereséges megoldás lesz a mainstream számítógépek (beleértve a laptopokat is) számára. , nem csak mobileszközökön.

KAR nagy.KICSI

A modern processzorok energiafogyasztási problémájának csúcstechnológiás megoldásaként az ARM a big.LITTLE technológiát kínálja, melynek lényege, hogy egy chipen különböző típusú magokat kombinálnak, általában ugyanannyi energiatakarékos és nagy- teljesítmény magok.

Három séma létezik a különböző típusú magok egyetlen chipen történő működésére: big.LITTLE (migráció a klaszterek között), big.LITTLE IKS (migráció a magok között) és big.LITTLE MP (heterogén többfeldolgozás).

big.LITTLE (migráció a klaszterek között)

Az első ARM big.LITTLE architektúrára épülő lapkakészlet a Samsung Exynos 5 Octa processzor volt. Az eredeti big.LITTLE „4+4” sémát használja, ami két klasztert jelent (innen a séma neve) egy chipen, négy nagy teljesítményű Cortex-A15 magból erőforrás-igényes alkalmazásokhoz és játékokhoz, valamint négy energiatakarékossághoz. Cortex-A7 magok a mindennapi munkához a legtöbb programmal, és egyszerre csak egyféle kernel tud működni. A magcsoportok közötti váltás teljesen automatikus üzemmódban szinte azonnal és észrevétlenül történik a felhasználó számára.

big.LITTLE IKS (migráció a magok között)

A big.LITTLE architektúra egy összetettebb megvalósítása több valós mag (általában kettő) egy virtuális magnak a kombinációja, amelyet az operációs rendszer kernelje vezérel, és amely eldönti, hogy melyik magot használja – energiahatékony vagy produktív. Természetesen több virtuális mag is létezik – az illusztráció egy IKS-séma példáját mutatja, ahol mind a négy virtuális mag egy Cortex-A7 és Cortex-A15 magot tartalmaz.

big.LITTLE MP (heterogén többfeldolgozás)

A big.LITTLE MP séma a legfejlettebb – ebben minden mag független, és az operációs rendszer magja szükség szerint bekapcsolhatja. Ez azt jelenti, hogy ha négy Cortex-A7 magot és ugyanannyi Cortex-A15 magot használunk, akkor az ARM big.LITTLE MP architektúrára épített lapkakészletben mind a 8 mag képes lesz egyidejűleg működni, annak ellenére, hogy különbözőek. típusok. Az egyik első ilyen típusú processzor a Mediatek nyolcmagos - MT6592 - chipje volt, amely 2 GHz-es órajelen is képes működni, valamint UltraHD felbontású videók rögzítésére és lejátszására.

Jövő

A jelenleg rendelkezésre álló információk szerint a közeljövőben az ARM más cégekkel együtt új generációs big.LITTLE chipek kiadását tervezi, amelyek az új Cortex-A53 és Cortex-A57 magokat használják majd. Ezenkívül a kínai MediaTek gyártó költségvetési processzorokat fog kiadni az ARM big.LITTLE-n, amelyek a „2 + 2” séma szerint működnek, vagyis két két magból álló csoportot használnak.

Mali grafikus gyorsítók

Az ARM a processzorok mellett a Mali család grafikus gyorsítóit is fejleszti. A processzorokhoz hasonlóan a grafikus gyorsítókat is számos paraméter jellemzi, mint például az élsimítás szintje, a busz interfész, a gyorsítótár (sebesség növelésére használt ultragyors memória) és a „grafikus magok” száma (bár ahogy írtuk egy Az előző cikkben ez az ábra, annak ellenére, hogy hasonló a CPU leírására használt kifejezéssel, alig vagy egyáltalán nincs hatással a teljesítményre, ha két GPU-t hasonlítunk össze).

Az első ARM grafikus gyorsító a már nem használt Mali 55 volt, amelyet az LG Renoir érintőtelefonban (igen, a leghétköznapibb mobiltelefonban) használtak. A GPU-t játékokban nem használták – csak az interfész megrajzolására, és a mai mércével mérve primitív karakterisztikával bírt, de ő lett a Mali sorozat „őse”.

Azóta a fejlődés nagy utat tett meg, és most a támogatott API-k és játékszabványok nem kis jelentőséggel bírnak. Például az OpenGL ES 3.0 támogatását már csak a legerősebb processzorokban jelentették be, mint a Qualcomm Snapdragon 600 és 800, és ha már az ARM termékekről beszélünk, a szabványt olyan gyorsítók támogatják, mint a Mali-T604 (ő volt). aki az első ARM GPU, amely új mikroarchitektúrára készült Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 és néhány más, hasonló jellemzőkkel rendelkező chipre. Egyik vagy másik GPU általában szorosan kapcsolódik a maghoz, de ennek ellenére külön van feltüntetve, ami azt jelenti, hogy ha a játékokban a grafika minősége fontos Önnek, akkor érdemes megnézni a nevét. a gyorsító egy okostelefon vagy táblagép specifikációiban.

Az ARM középkategóriás okostelefonokhoz is rendelkezik grafikus gyorsítókkal, amelyek közül a leggyakoribb a Mali-400 MP és a Mali-450 MP, amelyek viszonylag alacsony teljesítményben, valamint korlátozott API-készletben és támogatott szabványokban különböznek idősebb testvéreiktől. Ennek ellenére ezeket a GPU-kat továbbra is használják az új okostelefonokban, például a Zopo ZP998-ban, amely a nyolcmagos MTK6592 processzor mellett a Mali-450 MP4 grafikus gyorsítót (a Mali-450 MP továbbfejlesztett módosítása) is megkapta.

Vélhetően 2014 végén meg kell jelenniük a legújabb ARM grafikus gyorsítókkal szerelt okostelefonoknak: a 2013 októberében bemutatott Mali-T720, Mali-T760 és Mali-T760 MP. A Mali-T720 az alacsony kategóriás okostelefonok új GPU-ja, és ebben a szegmensben az első GPU, amely támogatja az Open GL ES 3.0-t. A Mali-T760 pedig az egyik legerősebb mobil grafikus gyorsító lesz: a deklarált jellemzők szerint a GPU 16 processzormaggal rendelkezik, és valóban hatalmas, 326 Gflop feldolgozási teljesítménnyel rendelkezik, ugyanakkor négyszer kevesebb. energiafogyasztás, mint a fent említett Mali-T604.

Az ARM CPU és GPU szerepe a piacon

Annak ellenére, hogy az ARM az azonos nevű architektúra szerzője és fejlesztője, amelyet, ismételjük, ma már a mobil processzorok túlnyomó többségében használnak, a magok és a grafikus gyorsítók formájában megjelenő megoldásai nem népszerűek a nagyobb okostelefonok körében. gyártók. Jogosan gondolják például, hogy az Android operációs rendszeren futó zászlóshajó kommunikátoroknak Krait magokkal rendelkező Snapdragon processzorral és a Qualcomm Adreno grafikus gyorsítójával kell rendelkezniük, ugyanazon cég chipkészleteit használják a Windows Phone okostelefonokban, és néhány kütyügyártó, például az Apple. , fejlesztik saját magjukat. Miért ez a jelenlegi helyzet?

Lehet, hogy az okok egy része mélyebben rejlik, de az egyik az ARM-ből származó CPU és GPU egyértelmű pozicionálásának hiánya más cégek termékei között, aminek következtében a cég fejlesztéseit alapvető komponenseknek tekintik a felhasználásra. B-márkájú készülékek, olcsó okostelefonok és ezek alapján érettebb döntések megalkotása. A Qualcomm például szinte minden prezentáción megismétli, hogy az új processzorok létrehozásakor az egyik fő célja az energiafogyasztás csökkentése, a Cortex magokkal módosított Krait magjai pedig folyamatosan nagyobb teljesítményt mutatnak. Hasonló megállapítás igaz a játékokra koncentráló Nvidia lapkakészletekre is, de ami a Samsung Exynos processzorait és az Apple A-sorozatát illeti, ezeknek is megvan a saját piaca az ugyanazon cégek okostelefonjaiba való telepítés miatt.

A fentiek egyáltalán nem jelentik azt, hogy az ARM fejlesztések lényegesen rosszabbak lennének, mint a külső gyártók processzorai és magjai, de a piaci verseny végső soron csak az okostelefont vásárlóknak kedvez. Elmondhatjuk, hogy az ARM kínál néhány blankot, amelyhez licenc megvásárlásával a gyártók már önállóan módosíthatják.

Következtetés

Az ARM-alapú mikroprocesszorok alacsony fogyasztásuk és viszonylag nagy feldolgozási teljesítményük miatt sikeresen meghódították a mobileszközök piacát. Korábban más RISC architektúrák, például a MIPS versenyeztek az ARM-mel, de mára már csak egyetlen komoly versenytársa maradt - az Intel x86 architektúrájával, amely egyébként, bár aktívan küzd piaci részesedéséért, még nem érzékelhető. akár a fogyasztók, akár a legtöbb gyártó komolyan, különösen akkor, ha valójában nincsenek rajta zászlóshajók (a Lenovo K900 már nem tudja felvenni a versenyt a legújabb csúcskategóriás okostelefonokkal az ARM processzorokon).

Mit gondolsz, képes lesz-e valaki az ARM-ot nyomni, és hogyan alakul tovább ennek a cégnek, építészetének sorsa?

Milyen a processzor. Miért az ARM a jövő?A modern elektronikai fogyasztókat nagyon nehéz meglepni. Azt már megszokhattuk, hogy a zsebünket legálisan egy okostelefon foglalja el, egy laptop a táskában, egy „okos” óra engedelmesen számolja a lépéseket a kezén, az aktív zajcsökkentő rendszerrel ellátott fejhallgató pedig simogatja a fülünket.

Vicces dolog, de megszoktuk, hogy nem egy, hanem kettő, három vagy több számítógépet cipelünk egyszerre. Hiszen így lehet nevezni azt a készüléket, amiben processzor van. És nem mindegy, hogy egy adott készülék hogyan néz ki. Egy miniatűr chip felelős a munkájáért, túljutva egy viharos és gyors fejlődési pályán.

Miért hoztuk fel a processzorok témáját? Minden egyszerű. Az elmúlt tíz évben igazi forradalom ment végbe a mobileszközök világában.

Csak 10 év különbség van ezek között az eszközök között. De a Nokia N95 akkor egy űreszköznek tűnt számunkra, és ma már bizonyos bizalmatlansággal tekintünk az ARKitre

De minden alakulhatott volna másképp is, és az ütött-kopott Pentium IV egy hétköznapi vásárló végső álma maradt volna.

Megpróbáltuk elkerülni a bonyolult szakkifejezéseket, elmondani a processzor működését, és kideríteni, melyik architektúra a jövő.

1. Hogyan kezdődött az egész

Az első processzorok teljesen különböztek attól, amit a számítógép rendszeregységének fedelének kinyitásakor láthat.

A XX. század 40-es éveiben a mikroáramkörök helyett elektromechanikus reléket használtak, vákuumcsövekkel kiegészítve. A lámpák diódaként működtek, melynek állapotát az áramkör feszültségének csökkentésével vagy növelésével lehetett szabályozni. A szerkezetek így néztek ki:

Egy gigantikus számítógép működéséhez több száz, néha több ezer processzorra volt szükség. Ugyanakkor egy ilyen számítógépen még egy egyszerű szerkesztőt sem futtathat, mint például a NotePad vagy a TestEdit a Windows és a macOS szabványkészletéből. A számítógépnek egyszerűen nem lenne elég energiája.

2. A tranzisztorok megjelenése

Az első térhatású tranzisztorok 1928-ban jelentek meg. De a világ csak az úgynevezett bipoláris tranzisztorok megjelenése után változott meg, amelyeket 1947-ben fedeztek fel.

Az 1940-es évek végén Walter Brattain kísérleti fizikus és John Bardeen teoretikus kifejlesztette az első ponttranzisztort. 1950-ben lecserélték az első csomóponti tranzisztorra, 1954-ben pedig a jól ismert Texas Instruments gyártó bejelentette a szilícium tranzisztort.

Az igazi forradalom azonban 1959-ben következett be, amikor Jean Henri tudós kifejlesztette az első szilícium sík (lapos) tranzisztort, amely a monolitikus integrált áramkörök alapja lett.

Igen, ez egy kicsit trükkös, úgyhogy ássunk egy kicsit mélyebbre, és foglalkozzunk az elméleti résszel.

3. Hogyan működik a tranzisztor

Tehát egy ilyen elektromos alkatrész, mint tranzisztor feladata az áram szabályozása. Egyszerűen fogalmazva, ez a kis trükkös kapcsoló szabályozza az elektromos áram áramlását.

A tranzisztor fő előnye a hagyományos kapcsolóval szemben, hogy nem igényel személy jelenlétét. Azok. egy ilyen elem képes önállóan szabályozni az áramot. Ráadásul sokkal gyorsabban működik, mintha saját kezűleg kapcsolná be vagy ki az elektromos áramkört.

A számítógép feladata, hogy az elektromos áramot számok formájában ábrázolja.

És ha korábban az állapotváltás feladatát ügyetlen, terjedelmes és nem hatékony elektromos relék végezték, most a tranzisztor vette át ezt a rutinmunkát.

A 60-as évek elejétől a tranzisztorokat szilíciumból kezdték gyártani, ami lehetővé tette nemcsak a processzorok kompaktabbá tételét, hanem a megbízhatóságuk jelentős növelését is.

De először foglalkozzunk a diódával

A szilícium (a periódusos rendszerben Si - „szilícium” néven is ismert) a félvezetők kategóriájába tartozik, ami azt jelenti, hogy egyrészt jobban továbbítja az áramot, mint a dielektrikum, másrészt rosszabbul, mint a fém .

Akár tetszik, akár nem, de ahhoz, hogy megértsük a processzorok munkáját és fejlődésének további történetét, bele kell merülnünk egyetlen szilíciumatom szerkezetébe. Ne féljen, legyen rövid és nagyon világos.

A tranzisztor feladata egy további áramforrás miatt gyenge jel felerősítése.

A szilícium atomnak négy elektronja van, ennek köszönhetően kötéseket (pontosabban kovalens kötéseket) képez ugyanazzal a közeli három atommal, kristályrácsot alkotva. Míg az elektronok többsége kötésben van, egy kis részük képes áthaladni a kristályrácson. Az elektronok ezen részleges átvitele miatt a szilíciumot a félvezetők közé sorolták.

De az elektronok ilyen gyenge mozgása nem tenné lehetővé a tranzisztorok használatát a gyakorlatban, ezért a tudósok úgy döntöttek, hogy a tranzisztorok teljesítményét doppingolással növelik, vagy egyszerűbben, atomokat adnak a szilícium kristályrácshoz az elektronok jellegzetes elrendezésével.

Így 5 vegyértékű foszforszennyezést kezdtek használni, aminek köszönhetően n-típusú tranzisztorokat kaptak. Egy további elektron jelenléte lehetővé tette mozgásuk felgyorsítását, növelve az áram áramlását.

A p-típusú tranzisztorok adalékolásakor a három elektront tartalmazó bór vált ilyen katalizátorrá. Egy elektron hiánya miatt a kristályrácsban lyukak jelennek meg (pozitív töltés szerepét töltik be), de mivel az elektronok képesek kitölteni ezeket a lyukakat, a szilícium vezetőképessége jelentősen megnő.

Tegyük fel, hogy vettünk egy szilícium ostyát, és annak egyik részét p-típusú, a másikat n-típusú szennyeződéssel adalékoltuk. Így kaptunk egy diódát - a tranzisztor alapelemét.

Most az n-részben található elektronok hajlamosak a p-részben található lyukakba menni. Ebben az esetben az n-oldal enyhén negatív, a p-oldal pedig pozitív töltésű lesz. Az e „gravitáció” hatására kialakuló elektromos tér – a gát – megakadályozza az elektronok további mozgását.

Ha az áramforrást úgy csatlakoztatja a diódához, hogy a "-" a lemez p-oldalát, a "+" pedig az n-oldalt érinti, az áram áramlása nem lehetséges, mivel a lyukak Az áramforrás negatív érintkezése, az elektronok pedig a pozitívhoz vonzódnak, és a p és n elektron közötti kötés az egyesített réteg tágulása miatt megszűnik.

De ha a tápegységet kellő feszültséggel fordítva csatlakoztatod, pl. "+" a forrástól a p-oldalra, és "-" az n-oldalra, az n-oldalon elhelyezett elektronokat a negatív pólus taszítja és a p-oldalra tolja, lyukakat foglalva el a p-oldalon. vidék.

De most az elektronok vonzódnak az áramforrás pozitív pólusához, és tovább mozognak a p-lyukakon. Ezt a jelenséget a dióda előfeszítésének nevezik.

dióda + dióda = tranzisztor

Önmagában a tranzisztor felfogható úgy, mint két egymáshoz kötött dióda. Ebben az esetben a p-régió (az, ahol a lyukak találhatók) általánossá válik számukra, és „bázisnak” nevezik.

Az N-P-N tranzisztor két n-régióval rendelkezik további elektronokkal - ezek egyben az „emitter” és a „kollektor”, valamint egy gyenge lyukakkal ellátott régió - a p-régió, amelyet „bázisnak” neveznek.

Ha egy tápegységet (nevezzük V1-nek) a tranzisztor n-es területére (pólustól függetlenül) csatlakoztatunk, akkor az egyik dióda fordított előfeszítésű lesz, és a tranzisztor kikapcsolt állapotba kerül.

De amint csatlakoztatunk egy másik áramforrást (nevezzük V2-nek), a "+" érintkezőt a "központi" p-régióra (bázisra), a "-" érintkezőt pedig az n-régióra (kibocsátó) állítjuk, az elektronok egy része újra kialakult láncon (V2) keresztül fog áramlani, egy részét pedig a pozitív n-régió vonzza. Ennek eredményeként az elektronok a kollektor tartományba áramlanak, és a gyenge elektromos áram felerősödik.

Lehel!

4. Tehát hogyan működik valójában egy számítógép?

És most a legfontosabb.

Az alkalmazott feszültségtől függően a tranzisztor nyitott vagy zárt lehet. Ha a feszültség nem elegendő a potenciálgát leküzdéséhez (ugyanaz a p és n lemez találkozásánál) - a tranzisztor zárt állapotban lesz - "kikapcsolt" állapotban vagy a bináris rendszer nyelvén " 0”.

Elegendő feszültség esetén a tranzisztor bekapcsol, és binárisan az "on" vagy az "1" értéket kapjuk.

Ezt az állapotot, 0 vagy 1, a számítógépiparban "bitnek" nevezik.

Azok. pont annak a kapcsolónak a fő tulajdonságát kapjuk meg, amely utat nyitott a számítógépekhez az emberiség számára!

Az első elektronikus digitális számítógépben ENIAC, vagy egyszerűbben az első számítógépben mintegy 18 ezer trióda lámpát használtak. A számítógép mérete egy teniszpályához volt hasonlítható, tömege pedig 30 tonna volt.

A processzor működésének megértéséhez további két kulcsfontosságú szempontot kell megérteni.

1. pillanat. Tehát eldöntöttük, mi az a bit. De segítségével valaminek csak két jellemzőjét kaphatjuk meg: vagy "igen" vagy "nem". Annak érdekében, hogy a számítógép megtanuljon jobban megérteni minket, kitalálták a 8 bites (0 vagy 1) kombinációt, amit bájtnak neveztek.

Egy bájt használatával kódolhat egy számot nullától 255-ig. Ezzel a 255 számmal - nullák és egyesek kombinációival - bármit kódolhat.

2. pillanat. A számok és betűk jelenléte minden logika nélkül semmit sem adna nekünk. Ezért jelent meg a logikai operátorok fogalma.

Ha csak két tranzisztort köt össze bizonyos módon, egyszerre több logikai műveletet is végrehajthat: „és”, „vagy”. Az egyes tranzisztorokon lévő feszültség mennyiségének és csatlakozásuk típusának kombinációja lehetővé teszi a nullák és egyesek különböző kombinációinak elérését.

A programozók erőfeszítései révén a nullák és egyesek értékeit, a bináris rendszert kezdték lefordítani decimálisra, hogy megértsük, mit mond a számítógép pontosan. A parancsok beviteléhez pedig a szokásos műveleteinket, például a betűk beírását a billentyűzetről, bináris parancsláncként jelenítjük meg.

Egyszerűen fogalmazva képzeljük el, hogy van egy megfelelési táblázat, mondjuk, ASCII, amelyben minden betű 0 és 1 kombinációjának felel meg. Megnyomott egy gombot a billentyűzeten, és abban a pillanatban a processzoron a programnak köszönhetően a tranzisztorok úgy kapcsoltak, hogy a képernyőn a következő jelent meg: a kulcson a legtöbbet írt betű.

5. És elkezdődött a tranzisztorverseny

Miután a brit rádiómérnök, Geoffrey Dahmer 1952-ben azt javasolta, hogy a legegyszerűbb elektronikus alkatrészeket helyezzék el egy monolit félvezető kristályban, a számítógépipar ugrást tett előre.

A Dahmer által javasolt integrált áramkörök közül a mérnökök gyorsan áttértek a tranzisztorokon alapuló mikrochipekre. Több ilyen chip viszont már magát a processzort alkotta.

Természetesen az ilyen processzorok méretei nem nagyon hasonlítanak a modernokéhoz. Ráadásul 1964-ig minden processzorral volt egy probléma. Egyéni megközelítést igényeltek - minden processzorhoz saját programozási nyelvet.

1964 IBM System/360. Univerzális programozási kóddal kompatibilis számítógép. Az egyik processzormodellhez tartozó utasításkészlet használható egy másik processzormodellhez.

70-es évek. Az első mikroprocesszorok megjelenése. Egylapkás processzor az Inteltől. Intel 4004 - 10 µm TPU, 2300 tranzisztor, 740 kHz.

1973 Intel 4040 és Intel 8008. 3000 tranzisztor, 740 kHz az Intel 4040-hez és 3500 tranzisztor 500 kHz-en az Intel 8008-hoz.

1974 Intel 8080. 6 µm-es TPU és 6000 tranzisztor. Az órajel körülbelül 5000 kHz. Ezt a processzort használták az Altair-8800 számítógépben. Az Intel 8080 hazai példánya a KR580VM80A processzor, amelyet a Kijevi Mikroeszközök Kutatóintézet fejlesztett ki. 8 bites

1976 Intel 8080. 3 µm-es TPU és 6500 tranzisztor. Órajel frekvencia 6 MHz. 8 bites

1976 Zilog Z80. 3 mikronos TPU és 8500 tranzisztor. Órajel frekvencia 8 MHz-ig. 8 bites

1978 Intel 8086. 3 µm-es TPU és 29 000 tranzisztor. Az órajel körülbelül 25 MHz. A ma is használatos x86 utasításkészlet. 16 bites

1980 Intel 80186. 3 µm-es TPU és 134 000 tranzisztor. Órajel frekvencia - 25 MHz-ig. 16 bites

1982 Intel 80286. 1,5 µm TPU és 134 000 tranzisztor. Frekvencia - 12,5 MHz-ig. 16 bites

1982 Motorola 68000. 3 µm és 84 000 tranzisztor. Ezt a processzort az Apple Lisa számítógépben használták.

1985 Intel 80386. 1,5 µm Tp és 275 000 tranzisztor. Frekvencia - 33 MHz-ig a 386SX verzióban.

Úgy tűnik, a lista a végtelenségig folytatható, de aztán az Intel mérnökei komoly problémával szembesültek.

A 80-as évek végén megjelent. A hatvanas évek elején az Intel egyik alapítója, Gordon Moore megfogalmazta az úgynevezett "Moore-törvényt". Így hangzik:

24 havonta megduplázódik az integrált áramköri chipen lévő tranzisztorok száma.

Ezt a törvényt nehéz törvénynek nevezni. Helyesebb lenne ezt empirikus megfigyelésnek nevezni. A technológiai fejlődés ütemét összevetve Moore arra a következtetésre jutott, hogy hasonló tendencia alakulhat ki.

De már az Intel i486 processzorok negyedik generációjának fejlesztése során szembesültek a mérnökök azzal, hogy már elérték a teljesítményplafont, és már nem férnek el több processzor ugyanazon a területen. Akkoriban a technológia ezt nem tette lehetővé.

Megoldásként találtunk egy változatot számos további elem felhasználásával:

cache memória;

szállítószalag;

beépített koprocesszor;

szorzó.

A számítási terhelés egy része e négy csomópont vállára esett. Ennek hatására a cache memória megjelenése egyrészt bonyolította a processzor kialakítását, másrészt sokkal erősebb lett.

Az Intel i486 processzor már 1,2 millió tranzisztorból állt, működésének maximális frekvenciája elérte az 50 MHz-et.

1995-ben az AMD csatlakozott a fejlesztéshez, és kiadta az akkori leggyorsabb i486-kompatibilis Am5x86 processzort 32 bites architektúrán. Már a 350 nanométeres eljárási technológia szerint gyártották, a beépített processzorok száma elérte az 1,6 millió darabot. Az órajel 133 MHz-re nőtt.

A chipgyártók azonban nem merték a chipre telepített processzorok számának további növelését és az amúgy is utópisztikus CISC (Complex Instruction Set Computing) architektúrát kifejleszteni. Ehelyett David Patterson amerikai mérnök a processzorok működésének optimalizálását javasolta, csak a legszükségesebb számítási utasításokat hagyva meg.

Így a processzorgyártók áttértek a RISC (Reduced Instruction Set Computing) platformra, de még ez sem volt elég.

1991-ben megjelent a 64 bites R4000 processzor, amely 100 MHz-es frekvencián működött. Három évvel később megjelenik az R8000 processzor, két évvel később pedig az R10000 akár 195 MHz-es órajellel. Ezzel párhuzamosan fejlődött a SPARC processzorok piaca, melynek architektúra jellemzője a szorzási és osztási utasítások hiánya volt.

A chipgyártók ahelyett, hogy a tranzisztorok számán harcoltak volna, elkezdték újragondolni munkájuk felépítését. A "felesleges" parancsok elutasítása, az utasítások végrehajtása egy ciklusban, az általános értékű regiszterek jelenléte és a csővezetékek lehetővé tették a processzorok órajel-frekvenciájának és teljesítményének gyors növelését a tranzisztorok számának torzítása nélkül.

Íme csak néhány az 1980 és 1995 között megjelent architektúrák közül:

Ezek a RISC platformon alapultak, és bizonyos esetekben a CISC platform részleges, kombinált használatán alapultak. A technológia fejlődése azonban ismét arra késztette a chipgyártókat, hogy folytassák a processzorok építését.

1999 augusztusában megjelent a piacon az AMD K7 Athlon, amelyet 250 nm-es technológiai technológiával gyártottak és 22 millió tranzisztort tartalmaztak. Később a lécet 38 millió processzorra emelték. Aztán 250 millióig nőtt a technológiai processzor, nőtt az órajel frekvencia. De ahogy a fizika mondja, mindennek van határa.

7. Közeledik a tranzisztorverseny vége

2007-ben Gordon Moore nagyon nyers kijelentést tett:

A Moore-törvény alkalmazása hamarosan megszűnik. Lehetetlen korlátlan számú processzort korlátlan ideig telepíteni. Ennek oka az anyag atomi természete.

Szabad szemmel is észrevehető, hogy a két vezető chipgyártó, az AMD és az Intel egyértelműen lelassította a processzorok fejlesztésének ütemét az elmúlt években. A technológiai folyamat pontossága mindössze néhány nanométerre nőtt, de lehetetlen még több processzort elhelyezni.

És miközben a félvezetőgyártók többrétegű tranzisztorok piacra dobásával fenyegetőznek, párhuzamot vonva a 3DNand memóriával, 30 éve komoly versenytárs jelent meg a falazott x86 architektúránál.

8. Mi vár a "rendes" processzorokra

A Moore-törvény 2016 óta érvénytelen. Ezt hivatalosan a legnagyobb processzorgyártó Intel jelentette be. A chipgyártók már nem képesek kétévente 100%-kal megduplázni a számítási teljesítményt.

És most a processzorgyártók számos kilátástalan lehetőséget kínálnak.

Az első lehetőség a kvantumszámítógép. Voltak már kísérletek olyan számítógép létrehozására, amely részecskéket használ az információ megjelenítésére. Számos hasonló kvantumeszköz létezik a világon, de ezek csak alacsony bonyolultságú algoritmusokkal tudnak megbirkózni.

Ráadásul az ilyen eszközök sorozatos bevezetése a következő évtizedekben szóba sem jöhet. Drága, nem hatékony és… lassú!

Igen, a kvantumszámítógépek sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint modern társaik, de lassabbak is lesznek, amíg a fejlesztők és az alkatrészgyártók át nem váltanak új technológiára.

A második lehetőség a tranzisztorrétegű processzorok. Az Intel és az AMD is komolyan gondolkodott ezen a technológián. Egy réteg tranzisztor helyett több használatát tervezik. Úgy tűnik, a következő években jól megjelenhetnek olyan processzorok, amelyekben nem csak a magok száma és az órajel frekvencia lesz fontos, hanem a tranzisztorrétegek száma is.

A megoldásnak joga van az élethez, így a monopolisták még néhány évtizedig fejhetik a fogyasztót, de a végén ismét a plafont üti a technológia.

Ma, felismerve az ARM architektúra gyors fejlődését, az Intel csendesen bejelentette az Ice Lake chipcsaládot. A processzorok 10 nanométeres eljárással készülnek, és az okostelefonok, táblagépek és mobileszközök alapjai lesznek. De ez meg fog történni 2019-ben.

9. Az ARM a jövő Tehát az x86 architektúra 1978-ban jelent meg, és a CISC platformtípushoz tartozik. Azok. önmagában is magában foglalja az utasítások meglétét minden alkalomra. A sokoldalúság az x86 fő erőssége.

Ugyanakkor a sokoldalúság kegyetlen viccet játszott ezekkel a processzorokkal. Az x86-nak számos fő hátránya van:

a parancsok összetettsége és őszinte összezavarása;

magas energiafogyasztás és hőleadás.

A nagy teljesítmény érdekében búcsút kellett mondanom az energiahatékonyságnak. Ráadásul jelenleg két cég dolgozik az x86-os architektúrán, ami nyugodtan a monopolisták számlájára írható. Ezek az Intel és az AMD. Csak ők tudnak x86-os processzorokat gyártani, ami azt jelenti, hogy csak ők irányítják a technológiák fejlődését.

Ugyanakkor több cég is részt vesz az ARM (Arcon Risk Machine) fejlesztésében. A fejlesztők még 1985-ben a RISC platformot választották az architektúra további fejlesztésének alapjául.

A CISC-vel ellentétben a RISC egy processzor tervezését foglalja magában, minimális számú utasítással, de maximális optimalizálással. A RISC processzorok sokkal kisebbek, mint a CISC, energiatakarékosabbak és egyszerűbbek.

Ráadásul az ARM-et eredetileg kizárólag az x86 versenytársaként hozták létre. A fejlesztők az x86-nál hatékonyabb architektúrát tűztek ki feladatul.

A mérnökök a 40-es évek óta megértették, hogy az egyik kiemelt feladat a számítógépek méretének csökkentése, és mindenekelőtt maguk a processzorok. Csaknem 80 évvel ezelőtt azonban aligha gondolta volna valaki, hogy egy teljes értékű számítógép kisebb lesz, mint egy gyufásdoboz.

A szkeptikus felhasználókat, akik a Geekbench legfelső sorain keresgélnek, csak szeretném emlékeztetni: a mobiltechnológiában elsősorban a méret a fontos.

Helyezzen egy cukorkát az asztalra egy nagy teljesítményű, 18 magos processzorral, amely „darabokra tépi az ARM architektúrát”, majd tegye mellé iPhone-ját. Érezd a különbséget?

11. Kimenet helyett

A számítógépek fejlődésének 80 éves történetét nem lehet egy anyagban felölelni. De miután elolvasta ezt a cikket, képes lesz megérteni, hogyan van elrendezve bármely számítógép fő eleme - a processzor, és mit várhat a piactól az elkövetkező években.

Természetesen az Intel és az AMD azon fog dolgozni, hogy tovább növelje az egyetlen chipen lévő tranzisztorok számát, és népszerűsítse a többrétegű elemek ötletét.

De Önnek, mint vásárlónak szüksége van ilyen hatalomra?

Nem hinném, hogy elégedetlen egy iPad Pro vagy a zászlóshajó iPhone X teljesítményével. Nem hiszem, hogy elégedetlen a multicookere konyhájában nyújtott teljesítményével vagy a 65 hüvelykes 4K képminőségével. TÉVÉ. De ezek az eszközök mindegyike ARM architektúrájú processzorokat használ.

A Windows már hivatalosan is bejelentette, hogy érdeklődéssel tekint az ARM felé. A vállalat már a Windows 8.1-ben is támogatta ezt az architektúrát, és most aktívan dolgozik a vezető ARM chipgyártó Qualcomm tandemen.

A Google-nak sikerült megnéznie az ARM-et is – a Chrome OS operációs rendszer támogatja ezt az architektúrát. Egyszerre több Linux disztribúció is megjelent, amelyek szintén kompatibilisek ezzel az architektúrával. És ez még csak a kezdet.

És csak egy pillanatra próbálja meg elképzelni, milyen kellemes lesz egy energiahatékony ARM processzort grafén akkumulátorral kombinálni. Ez az architektúra teszi lehetővé a mobil ergonómiai eszközök beszerzését, amelyek megszabhatják a jövőt.

A számítógépes világ gyorsan változik. Az asztali PC-k elvesztették az eladási rangsor első helyét a laptopokkal szemben, és hamarosan feladják a piacot a táblagépeknek és más mobileszközöknek. 10 évvel ezelőtt nagyra értékeltük a tiszta megahertzet, a valódi teljesítményt és a teljesítményt. Most a piac meghódításához a processzornak nem csak gyorsnak, de gazdaságosnak is kell lennie. Sokan az ARM-et a 21. század építészetének tartják. így van?

Új - jól elfeledett régi

Az ARM PR-osok nyomán az újságírók gyakran úgy mutatják be ezt az architektúrát, mint valami teljesen újat, aminek el kell temetnie az ősz hajú x86-ot.

Valójában az ARM és az x86, ami alapján ezek épülnek Intel processzorok A laptopokba és asztali PC-kbe telepített AMD és VIA gyakorlatilag egyidősek. Az első x86-os chip 1978-ban jelent meg. Az ARM projekt hivatalosan 1983-ban indult, de az x86 létrehozásával szinte egy időben végrehajtott fejlesztéseken alapult.

A korai ARM-ek finomságukkal lenyűgözték a szakembereket, de viszonylag alacsony teljesítményükkel nem tudták meghódítani azt a piacot, amely nagy sebességet követelt és nem figyelt a munka hatékonyságára. Bizonyos feltételeknek kellett lenniük ahhoz, hogy az ARM népszerűsége az egekbe szökjön.

A nyolcvanas-kilencvenes évek fordulóján a viszonylag olcsó olajjal hatalmas, 6 literes motorral szerelt SUV-k voltak keresettek. Kevesen érdeklődtek az elektromos autók iránt. De manapság, amikor egy hordó olaj több mint 100 dollárba kerül, a falánk motorral szerelt nagy autók csak a gazdagoknak valók, a többiek sietnek áttérni a takarékos autókra. Hasonló dolog történt az ARM-mel is. Amikor felmerült a mobilitás és a hatékonyság kérdése, az építészet iránt nagy kereslet mutatkozott.

"Risk" processzor

Az ARM egy RISC architektúra. Csökkentett parancskészletet használ – RISC (redukált utasításkészletű számítógép). Ez a fajta architektúra a hetvenes évek végén jelent meg, nagyjából egy időben, amikor az Intel bemutatta az x86-ot.

A különféle fordítókkal és mikrokódolt processzorokkal való kísérletezés során a mérnökök észrevették, hogy egyes esetekben az egyszerű utasítások sorozata gyorsabb, mint egyetlen összetett művelet. Úgy döntöttek, hogy olyan architektúrát hoznak létre, amely korlátozott számú egyszerű utasítással dolgozik, amelyek dekódolása és végrehajtása minimális időt vesz igénybe.

Az egyik első projektet a RISC processzorokkal kapcsolatban a Berkeley Egyetem diákjaiból és tanáraiból álló csoport valósította meg 1981-ben. Éppen ebben az időben a brit Acorn cég szembesült az idők kihívásával. A Foggy Albionban nagyon népszerű, 6502-es processzorra épülő BBC Micro oktatási számítógépeket gyártott, de hamarosan ezek az otthoni PC-k elvesztek a fejlettebb gépekkel szemben. Acorn azt kockáztatta, hogy elveszíti a piacot. A cég mérnökei, miután megismerkedtek a RISC processzorokon végzett hallgatói munkával, úgy döntöttek, hogy meglehetősen egyszerű megbirkózni saját chipjük létrehozásával. 1983-ban elindult az Acorn RISC Machine projekt, amiből később ARM lett. Három évvel később megjelent az első processzor.

Első karok

Rendkívül egyszerű volt. Az első ARM chipek még a szorzási és osztási utasításokat is nélkülözték, amelyek úgy tűnt, hogy több egyszerű utasításokat. A chipek másik jellemzője a memóriával való munka elve volt: az adatokkal végzett összes műveletet csak regiszterekben lehetett végrehajtani. Ugyanakkor a processzor az úgynevezett regiszter ablakkal dolgozott, vagyis az összes rendelkezésre álló, alapvetően univerzális regiszternek csak egy részét tudta elérni, és működésük a processzor üzemmódjától függött. Ez lehetővé tette az ARM legelső verziói számára, hogy elhagyják a gyorsítótárat.

Emellett az utasításkészletek egyszerűsítésével az építészek számos egyéb blokkot nélkülözhettek. Például az első ARM-ben egyáltalán nem volt mikrokód, valamint egy lebegőpontos egység, az FPU. A tranzisztorok száma az első ARM-ben összesen 30 000. Hasonló x86-ban többször, vagy akár egy nagyságrenddel több volt. További energiamegtakarítás érhető el a parancsok feltételes végrehajtásával. Vagyis ez vagy az a művelet akkor kerül végrehajtásra, ha a nyilvántartásban van egy megfelelő tény. Ez segít a processzornak elkerülni a "túlzott gesztusokat". Az összes utasítást egymás után hajtják végre. Ennek eredményeként az ARM veszített teljesítményében, de nem jelentősen, miközben jelentősen nőtt az energiafogyasztásban.

Az architektúra felépítésének alapelvei ugyanazok maradnak, mint az első ARM-ekben: csak regiszterekben lévő adatokkal való munka, csökkentett utasításkészlet, minimális kiegészítő modulok. Mindez alacsony energiafogyasztást biztosít az architektúrának viszonylag nagy teljesítmény mellett.

Ennek növelése érdekében az ARM több további utasításkészletet vezetett be az elmúlt években. A klasszikus ARM mellett van Thumb, Thumb 2, Jazelle. Ez utóbbi célja a Java kód végrehajtásának felgyorsítása.

Cortex - a legfejlettebb ARM

Cortex - modern architektúrák mobil eszközökhöz, beágyazott rendszerekhez és mikrokontrollerekhez. Ennek megfelelően a CPU-k Cortex-A, beágyazott - Cortex-R és mikrokontrollerek - Cortex-M. Mindegyik az ARMv7 architektúrán alapul.

Az ARM sorozat legfejlettebb és legerősebb architektúrája a Cortex-A15. Feltételezik, hogy ennek alapján főként két- vagy négymagos modelleket gyártanak majd. Az összes korábbi ARM közül a Cortex-A15 áll a legközelebb az x86-hoz a blokkok számát és minőségét tekintve.

A Cortex-A15 FPU-val felszerelt processzormagokon és NEON SIMD utasításkészleteken alapul, amelyek célja a multimédiás adatok feldolgozásának felgyorsítása. A magok 13 lépcsős pipeline-rel rendelkeznek, támogatják az utasítások szabad sorrendű végrehajtását, ARM alapú virtualizációt.

A Cortex-A15 támogatja a kiterjesztett memóriacímzési rendszert. Az ARM továbbra is 32 bites architektúra, de a vállalat mérnökei megtanulták, hogyan alakítsák át a 64 bites vagy más kiterjesztett címzést 32 bites, érthető processzorrá. A technológia neve Long Physical Address Extensions. Neki köszönhetően a Cortex-A15 elméletileg akár 1 TB memóriát is képes kezelni.

Minden mag el van látva egy első szintű gyorsítótárral. Emellett akár 4 MB alacsony késleltetésű elosztott L2 gyorsítótár is található. A processzor 128 bites koherens busszal van felszerelve, amivel más blokkokkal és perifériákkal kommunikálhatunk.

A Cortex-A15 alapját képező magok a Cortex-A9 továbbfejlesztései. Hasonló szerkezettel rendelkeznek.

A Cortex-A9 a Cortex-A15-tel ellentétben több- és egymagos változatban is gyártható. A maximális frekvencia 2,0 GHz, a Cortex-A15 2,5 GHz-es frekvencián működő chipek létrehozásának lehetőségét javasolja. Az erre épülő chipek 40 nm-es és vékonyabb gyártási eljárásokkal készülnek majd. A Cortex-A9 65 és 40 nm-es folyamattechnológiákban érhető el.

A Cortex-A9-et a Cortex-A15-höz hasonlóan nagy teljesítményű okostelefonokban és táblagépekben való használatra tervezték, de túl kemény a komolyabb alkalmazásokhoz, például szervereken. Csak a Cortex-A15 rendelkezik hardveres virtualizációval, kiterjesztett memóriacímzéssel. Ezenkívül a NEON Advanced SIMD utasításkészlet és az FPU a Cortex-A9-ben opcionális, míg a Cortex-A15-ben kötelező.

A Cortex-A8 a jövőben fokozatosan eltűnik a színről, de egyelőre ez az egymagos opció a pénztárcabarát okostelefonokban lesz használható. Az alacsony költségű megoldás 600 MHz-től 1 GHz-ig terjedő frekvenciákkal egy kiegyensúlyozott architektúra. FPU-val rendelkezik, támogatja a SIMD NEON első verzióját. A Cortex-A8 egyetlen gyártási folyamatot feltételez - 65 nm.

ARM előző generációk

Az ARM11 processzorok meglehetősen elterjedtek a mobilpiacon. Az ARMv6 architektúrán és annak módosításain alapulnak. Jellemzője a 8-9 fokozatú pipeline, a Java kód feldolgozását gyorsító Jazelle támogatás, a SIMD utasítások streamelése, a Thumb-2.

Az XScale, ARM10E, ARM9E processzorok az ARMv5 architektúrán és annak módosításain alapulnak. A csővezeték maximális hossza 6 szakasz, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Az XScale chipek második szintű gyorsítótárral rendelkeznek. A processzorokat a 2000-es évek közepétől használták az okostelefonokban, és ma már néhány olcsó mobiltelefonban is megtalálhatóak.

Az ARM9TDMI, ARM8, StrongARM az ARMv4 képviselői, amelyek 3-5 szakaszból állnak, és támogatja a Thumb-ot. Az ARMv4 például megtalálható volt a korai klasszikus iPodokban.

Az ARM6 és az ARM7 az ARMv3. Ebben az architektúrában jelent meg először az FPU blokk, 32 bites memóriacímzés valósult meg, és nem 26 bites, mint az architektúra első mintáiban. Formálisan az ARMv2 és az ARMv1 32 bites chipek voltak, de a valóságban csak 26 bites címtérrel dolgoztak. A gyorsítótár először az ARMv2-ben jelent meg.

A nevük légió

Az Acorn eredetileg nem a processzorpiac szereplője lett. Az ARM projekt feladata az volt, hogy saját gyártású chipet hozzon létre számítógépek gyártásához - az Acornban egy PC létrehozását tekintették fő tevékenységének.

A fejlesztők egy csoportjából az Apple-nek köszönhetően céggé vált az ARM. 1990-ben az Apple együttműködött a VLSI-vel és az Acornnal, hogy gazdaságos processzort fejlesszenek ki az első Newton kézi számítógéphez. Ebből a célból külön céget hoztak létre, amely a belső Acorn projekt - ARM - nevet kapta.

Az Apple részvételével elkészült az ARM6 processzor, amely a legközelebb áll az angol fejlesztő modern chipjeihez. Ezzel egy időben a DEC szabadalmaztatta az ARM6 architektúrát, és StrongARM márkanév alatt kezdett chipeket gyártani. Néhány évvel később a technológia átkerült az Intelhez egy másik szabadalmi vita részeként. A mikroprocesszor-óriás megalkotta saját analógját az ARM-en, az XScale processzoron. Ám az előző évtized közepén az Intel megszabadult ettől a "nem alapvető eszköztől", kizárólag az x86-ra összpontosítva. Az XScale-t a Marvell vette át, amely már licencelte az ARM-et.

A világnak újonnan megjelent ARM először nem tudott processzorok gyártásával foglalkozni. Vezetősége más módot választott a pénzszerzésre. Az ARM architektúrát az egyszerűség és a rugalmasság jellemezte. Eleinte a magot még a gyorsítótártól is megfosztották, ezért később további modulokat, köztük az FPU-t, a vezérlőket nem integrálták szorosan a processzorba, hanem úgymond az alapra akasztották.

Ennek megfelelően az ARM egy intelligens tervezőre akadt, amely lehetővé tette a technológiailag fejlett vállalatok számára, hogy processzorokat vagy mikrokontrollereket hozzanak létre igényeik szerint. Ez úgynevezett koprocesszorok segítségével történik, amelyek kiterjeszthetik a szabványos funkcionalitást. Az architektúra összesen legfeljebb 16 társprocesszort támogat (0-tól 15-ig számozva), de a 15-ös szám egy olyan társprocesszor számára van fenntartva, amely gyorsítótár- és memóriakezelési funkciókat lát el.

A perifériák úgy csatlakoznak az ARM chiphez, hogy regisztereiket leképezik a processzor vagy társprocesszor memóriaterére. Például egy képfeldolgozó chip állhat egy viszonylag egyszerű ARM7TDMI alapú magból és egy társprocesszorból, amely HDTV dekódolást biztosít.

Az ARM megkezdte az architektúra licencelését. Más cégek is részt vettek már a szilíciumban való megvalósításában, köztük a Texas Instruments, a Marvell, a Qualcomm, a Freescale, de olyan teljesen nem magválló cégek is, mint a Samsung, a Nokia, a Nintendo vagy a Canon.

A saját gyárak hiánya, valamint a lenyűgöző jogdíjak lehetővé tették, hogy az ARM rugalmasabb legyen az architektúra új verzióinak fejlesztésében. A cég úgy sütötte őket, mint a meleg süteményt, új résekbe lépve. Az okostelefonokon és táblagépeken kívül az architektúrát speciális processzorokban is használják, például GPS-navigátorokban, digitális fényképezőgépekben és kamerákban. Ennek alapján ipari vezérlőket és egyéb chipeket hoznak létre a beágyazott rendszerekhez.

Az ARM licencrendszer a mikroelektronika igazi hipermarketje. A cég nem csak új, hanem elavult architektúrákat is licencel. Utóbbiak segítségével mikrokontrollerek vagy chipek készíthetők olcsó eszközökhöz. A jogdíjak mértéke természetesen a gyártó számára érdekes architektúraváltozat újdonságának és összetettségének mértékétől függ. Hagyományosan azok a technikai folyamatok, amelyekhez az ARM processzorokat fejleszt, 1-2 lépéssel lemaradnak az x86 esetében relevánsnak tekintett folyamatoktól. Az architektúra magas energiahatékonysága kevésbé teszi függővé az új műszaki szabványokra való átállástól. Az Intel és az AMD vékonyabb lapkákat szeretne készíteni, hogy növelje az órajelet és a magok számát, miközben megtartja a fizikai méretet és az energiafogyasztást. Az ARM natív energiaigénye alacsonyabb, és wattonként nagyobb teljesítményt nyújt.

NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell processzorok jellemzői

Az ARM jobb- és baloldali licencelésével a fejlesztők a partnerek kompetenciáinak rovására erősítették architektúrájuk pozícióját. Az NVIDIA Tegra ebben az esetben klasszikus példának tekinthető. A chipen található rendszerek ezen sora az ARM architektúrára épül, de az NVIDIA-nak már megvoltak a maga igen komoly fejlesztései a háromdimenziós grafika és rendszerlogika terén.

Az ARM széles körű felhatalmazást ad licencadóinak az architektúra újratervezésére. Ennek megfelelően az NVIDIA mérnökei ötvözhették az ARM (CPU számítástechnika) és saját termékeik erősségeit a Tegra-ban - háromdimenziós grafikával stb. Ennek eredményeként a Tegra kategóriájában a legmagasabb 3D-s teljesítményt nyújtja. 25-30%-kal gyorsabbak, mint a Samsung és a Texas Instruments által használt PowerVR, és majdnem kétszer olyan gyorsak, mint a Qualcomm Adreno.

Az ARM architektúrára épülő processzorok más gyártói megerősítenek bizonyos további blokkokat, javítják a chipeket a magasabb frekvenciák és teljesítmény elérése érdekében.

Például a Qualcomm nem használja az ARM referenciatervet. A cég mérnökei komolyan újratervezték, és Scorpio-nak nevezték el – ő az, aki a Snapdragon chipek mögött áll. Részben a dizájnt újratervezték, hogy elsajátítsák a szabványos IP ARM által biztosítottnál finomabb technikai folyamatokat. Ennek eredményeként az első Snapdragonok 45 nm-es szabványon készültek, ami magasabb frekvenciákat biztosított számukra. És ezeknek a processzoroknak a bejelentett 2,5 GHz-es új generációja akár a leggyorsabb is lehet az ARM Cortex-A9 alapú analógok között. A Qualcomm saját Adreno grafikus magot is használ, amely az AMD-től vásárolt terveken alapul. Tehát bizonyos értelemben a Snapdragon és a Tegra genetikai szinten ellenségek.

A Samsung a Hummingbird létrehozásakor szintén az architektúra optimalizálásának útját választotta. A koreaiak az Intrinsityvel együtt megváltoztatták a logikát, ami csökkentette az egyes műveletek végrehajtásához szükséges utasítások számát. Így a termelékenység 5-10%-át sikerült megnyerni. Ezenkívül egy dinamikus második szintű gyorsítótár és egy ARM NEON multimédiás bővítmény került hozzáadásra. A koreaiak a PowerVR SGX540-et használták grafikus modulként.

A Texas Instruments az ARM Cortex-A architektúrára épülő új OMAP sorozatban egy speciális IVA modullal egészült ki, amely a képfeldolgozás felgyorsításáért felelős. Lehetővé teszi az érzékelő beépített kamerájából származó adatok gyors feldolgozását. Ezen kívül csatlakozik az internetszolgáltatóhoz, és hozzájárul a videó gyorsításához. Az OMAP PowerVR grafikát is használ.

Az Apple A4 nagy, 512 KB-os gyorsítótárral, PowerVR grafikával rendelkezik, maga az ARM mag pedig a Samsung által újratervezett architektúra egy változatán alapul.

A kétmagos Apple A5, amely 2011 elején debütált az iPad 2-ben, az ARM Cortex-A9 architektúrára épül, ahogy legutóbb a Samsung optimalizálta. Az A4-hez képest az új chip kétszer akkora L2 gyorsítótárral rendelkezik – ez 1 MB-ra nőtt. A processzor kétcsatornás RAM-vezérlőt és továbbfejlesztett videoblokkot tartalmaz. Ennek eredményeként egyes feladatokban a teljesítménye kétszerese az Apple A4-ének.

A Marvell saját Sheeva architektúrájára épülő lapkákat kínál, amelyek közelebbről megvizsgálva kiderül, hogy az egykor az Inteltől vásárolt XScale és az ARM hibridje. Ezek a chipek nagy gyorsítótárral rendelkeznek társaikhoz képest, és speciális multimédiás modullal vannak felszerelve.

Jelenleg az ARM-engedélyesek csak az ARM Cortex-A9 architektúrán alapuló chipeket gyártanak. Ugyanakkor, bár lehetővé teszi négymagos változatok létrehozását, az NVIDIA, az Apple, a Texas Instruments és mások továbbra is csak egy vagy két magos modellekre korlátozódnak. Ezenkívül a chipek legfeljebb 1,5 GHz-es frekvencián működnek. A Cortex-A9 lehetővé teszi két GHz-es processzorok készítését, de a gyártók ismét nem törekednek a frekvencia gyors növelésére - egyelőre a piacon lesz elegendő kétmagos processzor 1,5 GHz-en.

A Cortex-A15 alapú processzoroknak valóban többmagossá kell válniuk, de ha bejelentik, akkor papíron. Szilíciumban való megjelenésük jövőre várható.

Jelenlegi Cortex-A9 alapú ARM licences processzorok:

x86 - a fő rivális

Az x86 a CISC architektúrák képviselője. A parancsok teljes készletét használják. Ebben az esetben egy utasítás több alacsony szintű műveletet hajt végre. A programkód az ARM-mel ellentétben kompaktabb, de nem fut olyan gyorsan, és több erőforrást igényel. Ráadásul az x86-osokat a kezdetektől fogva minden szükséges blokkkal felszerelték, ami sokoldalúságukra és falánkságukra egyaránt utalt. További energiát fordítottak a parancsok feltétel nélküli, párhuzamos végrehajtására. Ez lehetővé teszi sebességelőny elérését, de néhány művelet tétlen, mert nem felel meg az előző feltételeknek.

Ezek a klasszikus x86 voltak, de már a 80486-tól kezdve az Intel de facto létrehozott egy belső RISC magot, amely végrehajtotta a korábban egyszerűbb utasításokra bontott CISC utasításokat. A modern Intel és AMD processzorok azonos kialakításúak.

Windows 8 és ARM

Az ARM és az x86 ma kevesebb, mint 30 évvel ezelőtt különbözik egymástól, de még mindig más elveken alapulnak, ami a processzorpiac különböző réseire választja el őket. Az architektúrák talán soha nem keresztezték volna egymást, ha maga a számítógép nem változott volna.

Előtérbe került a mobilitás és a hatékonyság, nagyobb figyelem irányult az okostelefonokra, tabletekre. Az Apple rengeteg pénzt keres a mobil kütyükön és a hozzájuk kapcsolódó infrastruktúrán. A Microsoft nem akar lemaradni, és második éve igyekszik megvetni a lábát a táblagépek piacán. A Google egész jól megy.

Az asztali számítógép mindenekelőtt munkaeszközzé válik, a háztartási számítógépek rését a tabletek és a speciális eszközök foglalják el. Ilyen körülmények között a Microsoft példátlan lépést fog tenni. . Nem teljesen világos, hogy ez mire vezet. Az operációs rendszer két verzióját kapjuk, vagy egyet, amely mindkét architektúrával működik. A Microsoft x86-os támogatása el fogja temetni az ARM-et, vagy sem?

Kevés információ van még. A Microsoft a CES 2011 során bemutatta a Windows 8-at egy ARM-alapú eszközön. Steve Ballmer megmutatta, hogy az ARM platformon a Windows segítségével videókat nézhet, képekkel dolgozhat, internetezhet - az Internet Explorer még hardveres gyorsítással is működött - USB csatlakoztatása dokumentumok nyomtatására alkalmas eszközök. Ebben a demóban az volt a legfontosabb, hogy a Microsoft Office ARM-en futjon virtuális gép nélkül. A bemutatón három Qualcomm, Texas Instruments és NVIDIA processzorokon alapuló kütyüt mutattak be. A Windows szabványos "hét" héjjal rendelkezett, de a Microsoft képviselői új, újratervezett rendszermagot jelentettek be.

A Windows azonban nem csak a Microsoft mérnökei által készített operációs rendszer, hanem több millió program is. Egyes szoftverek számos szakmában kritikusak az emberek számára. Például az Adobe CS csomag. Támogatja-e a cég a szoftver ARM-Windows verzióját, vagy az új kernel lehetővé teszi a Photoshop és más népszerű alkalmazások futtatását NVIDIA Tegra vagy hasonló chipekkel ellátott számítógépeken további kódmódosítások nélkül?

Ezen kívül van egy kérdés a videokártyákkal kapcsolatban. Most a laptopokhoz való videokártyák az asztali grafikus chipek energiafogyasztásának optimalizálásával készülnek - felépítésükben ugyanazok. Ugyanakkor ma már a videokártya olyan, mint egy "számítógép a számítógépben" - saját ultragyors RAM-mal és saját számítási chippel rendelkezik, amely bizonyos feladatokban jelentősen felülmúlja a hagyományos processzorokat. Mondanunk sem kell, hogy a 3D grafikával dolgozó alkalmazások megfelelő optimalizálását elvégezték számukra. Igen, és a különféle videószerkesztő programok és grafikus szerkesztők (különösen a Photoshop a CS4 verziótól), és újabban a böngészők is használnak GPU hardveres gyorsítást.

Természetesen Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS és egyéb mobil rendszerekben a piacon lévő különféle mobil (pontosabban ultramobil) gyorsítókhoz megtörtént a szükséges optimalizálás. A Windows azonban nem támogatja őket. Az illesztőprogramokat természetesen megírják (és már meg is írják - az Intel Atom Z500 sorozatú processzorokat chipkészlettel szállítják, ahová az "okostelefon" PowerVR SGX 535 grafikus magja van beépítve), de ezekre az alkalmazásoptimalizálás késhet, ha egyáltalán. .

Nyilvánvaló, hogy az "ARM az asztalon" nem igazán fog gyökeret ereszteni. Hacsak nem alacsony fogyasztású rendszerekben, amelyeken hozzáférnek az internethez és filmeket néznek. A nettopokon általában. Az ARM tehát csak az Intel Atom által elfoglalt résen próbál lendületet venni, és ahol az AMD most aktívan nyomul Brazos platformjával. És úgy tűnik, hogy ő is benne van. Kivéve, ha mindkét processzorcég valami nagyon versenyképes dologra "lő".

Helyenként már az Intel Atom és az ARM is versenyez. Hálózati tárolók és kis fogyasztású szerverek létrehozására szolgálnak, amelyek egy kis irodát vagy lakást is ki tudnak szolgálni. Számos kereskedelmi fürtprojekt is létezik, amelyek gazdaságos Intel chipekre épülnek. Az új ARM Cortex-A9-re épülő processzorok jellemzői lehetővé teszik, hogy az infrastruktúra támogatására használják őket. Így pár éven belül ARM szervereket vagy ARM-NAS-t kaphatunk kis helyi hálózatokhoz, és nem zárható ki az alacsony fogyasztású webszerverek megjelenése sem.

Első sparring

Az ARM fő riválisa x86 oldalról az Intel Atom, és most hozzáadhatja a . Az x86 és az ARM összehasonlítását Van Smith végezte, aki az OpenSourceMark, a miniBench tesztcsomagokat és a SiSoftware Sandra egyik társszerzője készítette. Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050 vett részt a versenyen. Az x86-os chipek frekvenciáját csökkentették, de a fejlettebb memória miatt így is előnyben voltak.

Az eredmények nagyon érdekesek voltak. Az ARM chip ugyanolyan gyorsnak bizonyult az egész műveletekben, mint versenytársai, miközben kevesebb energiát fogyaszt. Nincs itt semmi meglepő. Kezdetben az építészet meglehetősen gyors és gazdaságos volt. A lebegőpontos műveletek során az ARM elvesztette az x86-ot. Az Intel és AMD chipekhez elérhető hagyományosan erős FPU blokk itt érintett. Emlékezzünk vissza, hogy viszonylag nemrég jelent meg az ARM-ben. Az FPU-ra háruló feladatok jelentős helyet foglalnak el a modern felhasználó életében - ezek a játékok, a videó- ​​és hangkódolás, valamint egyéb streaming műveletek. Természetesen a Van Smith által végzett tesztek ma már nem annyira relevánsak. Az ARM jelentősen növelte architektúrája gyengeségeit a Cortex-A9 és különösen a Cortex-A15 verzióiban, amelyek például már feltétel nélkül képesek végrehajtani az utasításokat, párhuzamosítva a feladatok végrehajtását.

ARM kilátások

Tehát milyen architektúrát használjon, ARM-et vagy x86-ot? A legjobb lenne mindkettőre fogadni. Ma a számítógéppiac újraformázásának körülményei között élünk. 2008-ban a netbookok fényes jövőt jósoltak. Az olcsó kompakt laptopoknak kellett volna a legtöbb felhasználó fő számítógépévé válniuk, különösen a globális válság hátterében. De aztán elkezdődött a gazdasági fellendülés, és megjelent az iPad. A táblagépek most a piac királyai. Szórakoztató konzolnak azonban jó a táblagép, de az érintéses bemenet miatt eleve nem túl kényelmes vele dolgozni – ezt a cikket iPaden megírni nagyon nehéz és hosszú lenne. A tabletták kiállják az idő próbáját? Talán pár év múlva kitalálunk egy új játékot.

Ennek ellenére a mobil szegmensben, ahol nincs szükség nagy teljesítményre, és a felhasználói tevékenység elsősorban a szórakoztatásra korlátozódik, és nem kapcsolódik a munkához, az ARM jobbnak tűnik, mint az x86. Elfogadható szintű teljesítményt és nagy akkumulátor-élettartamot biztosítanak. Az Intel próbálkozásai, hogy az Atomot emlékeztessenek, mindeddig sikertelenek voltak. Az ARM új mércét állít fel a wattonkénti teljesítmény tekintetében. Valószínűleg az ARM sikeres lesz a kompakt mobil kütyükben. A netbookok piacán is vezetők lehetnek, de itt nem annyira a processzorfejlesztőkön múlik minden, hanem a Microsofton és a Google-n. Ha az első normál ARM-támogatást valósít meg a Windows 8 rendszerben, a második pedig a Chrome OS-t juttatja eszébe. Eddig a Qualcomm által kínált okoskönyvek nem hoztak piacot. Az x86-on alapuló netbookok megmaradtak.

Az ARM által tervezett áttörést ebben az irányban a Cortex-A15 architektúrának kell meghoznia. A cég az erre épülő, 1,0-2,0 GHz-es frekvenciájú, két- és négymagos processzorokat ajánlja az otthoni szórakoztató rendszerekhez, amelyek egy médialejátszót, 3D tévét és internetes terminált kombinálnak majd. Az 1,5-2,5 GHz-es négymagos chipek az otthoni és webszerverek alapjává válhatnak. Végül a Cortex-A15 legambiciózusabb használati esete a vezeték nélküli infrastruktúra. Négy vagy több magos, 1,5-2,5 GHz-es frekvenciájú chipeket tud használni.

De ezek egyelőre csak tervek. A Cortex-A15-öt tavaly szeptemberben mutatták be az ARM-nek. A Cortex-A9-et 2007 októberében mutatta be a cég, két évvel később a cég bemutatta az A9-es verziót, amely képes a chipek frekvenciáját 2,0 GHz-re növelni. Összehasonlításképpen, az NVIDIA Tegra 2 - az egyik legnépszerűbb Cortex-A9 alapú megoldás - csak tavaly januárban jelent meg. Nos, az első erre épülő kütyüket újabb hat hónap után érezhették a felhasználók.

A működő PC-k és a nagy teljesítményű megoldások szegmense megmarad az x86 számára. Ez nem jelenti az architektúra halálát, de pénzben kifejezve az Intelnek és az AMD-nek fel kell készülnie arra, hogy az ARM processzorgyártóknak járó bevétel egy része elveszik.