Kas yra rankinis procesorius. Lyginamoji mikrovaldiklių su ARM šerdimi analizė

Dėl nuolat didėjančio programų, kurios kelia didesnius reikalavimus duomenų apdorojimo našumui, skaičiaus, pastebima tendencija, kad 32 bitų paklausa didėja. mikrovaldikliai. Tokią išvadą padarė rinkodaros kompanija Semico, kuri prognozuoja 2 kartus didesnį 32 bitų rinkos pajėgumų persvarą. 8 ir 16 bitų mikrovaldikliai. 2007 metais. Šiuo atžvilgiu šio straipsnio tikslas – pristatyti bendras vienos iš labiausiai paplitusių 32 bitų raidos tendencijas. ARM branduolius ir jais pagrįstą palyginamąjį mikrovaldiklių įvertinimą iš pigiausių gamintojų NVS rinkose.

ARM architektūros apžvalga

ARM mikrovaldiklio šerdį sukūrė to paties pavadinimo Anglijos įmonė, organizuota 1990 m. ARM pavadinimas kilęs iš „Advanced RISC Machines“. Pažymėtina, kad įmonė specializuojasi tik mikroprocesorių branduolių ir periferinių įrenginių kūrime, tuo tarpu neturi gamybinių patalpų mikrovaldiklių gamybai. ARM pristato savo projektus elektronine forma, kuria remdamiesi klientai kuria savo mikrovaldiklius. Bendrovės klientai – per 60 puslaidininkių gamybos įmonių, tarp kurių yra tokie populiarūs NVS puslaidininkių rinkoje gamintojai kaip Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips , ST Microelectronics ir Texas Instruments.

Šiuo metu ARM architektūra pirmauja ir apima 75% 32 bitų rinkos. įterptieji RISC mikroprocesoriai. Šio branduolio paplitimas paaiškinamas jo standartiniu pobūdžiu, leidžiančiu kūrėjui lanksčiau naudoti tiek savo, tiek trečiųjų šalių programinės įrangos kūrimą tiek pereinant prie naujos ARM procesoriaus šerdies, tiek migruojant tarp skirtingų ARM mikrovaldiklių tipų.

Šiuo metu sukurtos šešios pagrindinės šeimos (žr. 1 pav.): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ ir SecurCore™. „XScale™“ ir „StrongARM®“ šeimos taip pat buvo sukurtos kartu su „Intel“.

Kaip ARM architektūros priedą, galima integruoti kelis plėtinius:

• Thumb® – 16 bitų instrukcijų rinkinys, pagerinantis programos atminties efektyvumą;
• DSP – skaitmeninio signalo apdorojimo aritmetinių instrukcijų rinkinys;
• Jazelle™ - plėtinys, skirtas aparatinei tiesioginiam Java instrukcijų vykdymui;
• Medija – garso ir vaizdo signalų apdorojimo 2-4 kartus greitesniu plėtiniu.

1 pav. ARM procesoriaus branduoliai

Rekordiniai lygiai, kuriuos ARM architektūra peržengė, yra didesnis nei 1 GHz greitis ir 1 μW / MHz savitasis suvartojimas. Atsižvelgiant į paskirtį, ARM procesoriai skirstomi į tris grupes (žr. 2 pav.):

• Procesoriai, skirti atviros platformos operacinėms sistemoms belaidžio ryšio, vaizdo gavimo ir plataus vartojimo elektronikos programose.
• Procesoriai, skirti įterptoms realaus laiko operacinėms sistemoms, skirtoms masinei saugyklai, pramonei, automobiliams ir tinklo programoms.
• Intelektualiųjų kortelių ir SIM kortelių duomenų apsaugos sistema.

0,18 µm (0,13 µm)
Šerdis	Talpykla	Plotas, mm2	Savitasis suvartojimas mW/MHz	Dažnis, 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 pav. Techniniai procesoriaus branduolių duomenys
ISE – in-circuit emuliatorius, RT – realus laikas, DSP – skaitmeninių signalų procesorius, SIMD – keli duomenys vienoje komandoje, TCM – glaudžiai susieta atmintis (cache), ETM – įmontuoti sekimo makroelementai, VIC – vektorizuotas pertraukimo valdiklis, ASB , AHB - vidinių padangų tipai

ARM branduolio pažadas tapo akivaizdus po revoliucinio Atmel pranešimo ARM mikrovaldiklių kūrėjų konferencijoje, vykusioje Santa Klaroje (JAV) 2004 m. spalį. Pranešimo esmė buvo „Atmel“ ketinimas išleisti 32 bitų versiją. AT91SAM7S mikrovaldikliai už 8 bitų kainą, skirti 8 bitams. taikomąsias programas, skirtas išplėsti informacijos apdorojimo funkcionalumą, išlaikant konkurencingą kainą tame pačiame lygyje.

Nykščio instrukcijų rinkinys

32 bitų ARM procesoriai palaiko ankstesnius 16 bitų. plėtra, palaikydama nykščio instrukcijų rinkinį. Naudojant 16 bitų instrukcijos gali sutaupyti iki 35 % atminties, palyginti su lygiaverte 32 bitų. kodą, išsaugant visus 32 bitų pranašumus. sistema, pavyzdžiui, prieiga prie atminties su 32 bitų. adreso erdvė.

SIMD technologija

SIMD (multiple data in one instruction) technologija naudojama plečiant laikmenas ir skirta padidinti duomenų apdorojimo greitį programose, kuriose reikia mažai energijos. SIMD plėtiniai yra optimizuoti įvairiai programinei įrangai, įskaitant. garso / vaizdo kodekai, kur jie leidžia padidinti apdorojimo greitį 4 kartus.

DSP instrukcijų rinkinys (DSP)

Daugelis programų kelia didelius reikalavimus realiojo laiko signalo apdorojimo greičiui. Tradiciškai tokiose situacijose kūrėjai naudoja skaitmeninį signalų procesorių (DSP), kuris padidina tiek paties kūrimo, tiek galutinio įrenginio energijos suvartojimą ir sąnaudas. Siekiant pašalinti šiuos trūkumus, daugelis ARM procesorių turi integruotas DSP komandas, kurios vykdo 16 bitų. ir 32 bitų. aritmetinės operacijos.

Jazelle® technologija

ARM Jazelle technologija skirta programoms, kurios palaiko Java programavimo kalbą. Jis siūlo unikalų didelio našumo, mažų sistemos sąnaudų ir mažos galios reikalavimų derinį, kurio negalima pasiekti vienu metu naudojant koprocesorių arba tam skirtą „Java“ procesorių.

ARM Jazelle technologija yra 32 bitų plėtinys. RISC architektūra, leidžianti ARM procesoriui vykdyti Java kodą aparatinėje įrangoje. Tuo pačiu metu pasiekiamas neprilygstamas Java kodo vykdymo našumas naudojant ARM architektūrą. Taigi kūrėjai turi galimybę laisvai diegti Java aplikacijas, t.sk. operacinės sistemos ir programos kodas tame pačiame procesoriuje.

Jazelle technologija šiuo metu integruota į šiuos ARM procesorius: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S ir ARM7EJ-S.

Tradiciniai ARM procesoriai palaiko 2 instrukcijų rinkinius: ARM režimu 32 bitų instrukcijos, o nykščio režimu populiariausios instrukcijos suglaudinamos iki 16 bitų. formatu. Jazelle technologija išplečia šią koncepciją pridedant trečią Java instrukcijų rinkinį, kuris iškviečiamas naujajame Java režime.

Išmanioji energijos valdymo technologija

Vienas iš pagrindinių iššūkių, su kuriuo susiduria nešiojamųjų įrenginių (pvz., išmaniųjų telefonų, asmeninių skaitmeninių asistentų ir garso/vaizdo grotuvų) kūrėjai, yra optimizuoti energijos suvartojimą, o tai gali pagerinti veikimo charakteristikos baigtą įrenginį prailgindami baterijos veikimo laiką arba sumažindami įrenginio dydį.

Tradicinis energijos suvartojimo mažinimo būdas yra ekonomiškų darbo režimų, tokių kaip tuščioji eiga (tuščioji eiga) arba miego (miego) naudojimas, kurie skiriasi vidinių elementų išjungimo gyliu. Paprastai tokios sistemos aktyvus veikimo režimas yra skirtas pačioms blogiausioms darbo sąlygoms ir jam būdinga maksimali apkrova, todėl be reikalo sumažėja akumuliatoriaus veikimo laikas. Todėl norėdami dar labiau optimizuoti baterijos suvartojimą, kūrėjai ypatingą dėmesį skiria energijos valdymui aktyviu režimu.

Siekiant palengvinti šį procesą, ARM procesoriams buvo sukurta Intelligent Energy Manager (IEM) technologija. Ši technologija yra aparatinės ir programinės įrangos komponentų, kurie kartu atlieka dinaminį galios mastelį, derinys.

Dinaminio maitinimo įtampos valdymo metodo esmė yra pagrįsta CMOS procesorių energijos suvartojimo išraiška:

čia P – bendras energijos suvartojimas, C – perjungimo talpa, fc – procesoriaus dažnis, maitinimo įtampa, nuotėkio srovė statiniu režimu. Iš išraiškos matyti, kad dažnis ir maitinimo įtampa gali būti keičiami, kad būtų galima reguliuoti energijos suvartojimą.

Dažnio mažinimas, siekiant sumažinti energijos suvartojimą, plačiai naudojamas mikrovaldikliuose ir sistemose ant lustų (PSoC), tačiau šio metodo trūkumas nėra našumo sumažėjimas. Maitinimo įtampos dinaminio valdymo metodas pagrįstas maitinimo įtampos keitimu, tačiau jei reguliavimo galimybės išnaudotos, kaip papildomas metodas naudojamas procesoriaus dažnio reguliavimo būdas.

Mikrovaldikliai, pagrįsti ARM architektūra

1 lentelėje pateikiami bendrieji Lyginamosios charakteristikos ARM mikrovaldikliai iš žinomiausių ir prieinamiausių gamintojų: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors ir Texas Instruments, o 2 lentelėje pateikiami jų techniniai duomenys plačiau.

1 lentelė. Skirtingų gamintojų ARM mikrovaldiklių palyginimas pagal pagrindines savybes

TMS 470 (Texas Instruments)	AT91 (Atmel)	Mikro keitiklis (AD)	LPC2000 („Philips“)
Sisteminis:
ARM7TDMI šerdis Išorinis laikrodžio skirstytuvas (ECP) leidžia nustatyti išorinį įrenginį norimu dažniu	ARM7TDMI/ARM920T šerdis Pasirenkamas įmontuotas kalibruotas RC generatorius DMA duomenų mainams tarp periferinių įrenginių ir atminties gerokai apkrauna procesorių Atskiras laikrodžio įjungimas / išjungimas kiekvienam periferiniam įrenginiui (250 uA, jei viskas išjungta) Integruotas 1,8 V stabilizatorius	ARM7TDMI šerdis Integruotas kalibruotas RC generatorius (± 3%)	ARM7TDMI-S branduolys (šiek tiek blogesnis specifinis suvartojimas nei ARM7TDMI) Versijos temperatūros diapazonui -40…+105°C
Atmintis:
Flash atmintis iki 1 MB Atminties apsaugos modulis (MSM)	Ekonomiška statinė RAM (pavyzdžiui, AT91M40800 esant 40 MHz su išorine RAM (12ns) sunaudoja 120 mA, o AT91R40807 su vidine RAM tomis pačiomis sąlygomis – 50 mA).	„Flash“ programa / duomenų atmintis iki 62 KB su duomenų saugojimu iki 100 metų ir 100 tūkstančių įrašymo / trynimo ciklų patvarumu	„Flash“ atmintis su 128 bitų greitintuvo sąsaja, skirta darbui 60 MHz dažniu
Analoginiai periferiniai įrenginiai:
Daugiabuferis ADC: - 10 bitų, 16 kanalų, 1,75 µs (mėginio sulaikymas, konvertavimas); - galimybė organizuoti kanalų grupes; - programavimo modeliai: TMS470R1X ADC suderinamumas ir konvertavimo rezultatų buferis (FIFO); - veikimo režimai: konvertavimas, kalibravimas (ADC poslinkio paklaidos vidurio taško paieška); - savikontrolė (analoginių įėjimų gedimų patikrinimas); išjungti. - trys PDP kanalai; - konversijos pradžia, įsk. grupė, pagal išorinį įvykį arba laikmatį; - išėjimai abiem transformacijos riboms nustatyti (išėjimai ADREFHI ir ADREFLO).		Integruotas temperatūros jutiklis (± 3°С) 12 bitų ADC – 1 milijonas keitiklių sekundėje – vieno galo arba viso diferencialo režimai 12 bitų DAC – išėjimo signalas: įtampa – pasirenkamas išėjimo buferinis stiprintuvas; - visos galios sūpynės (nuo bėgio iki bėgio) Komparatorius (K) - 2 įėjimai ir išėjimas, prijungti prie mikroschemos kaiščių	10 bitų multipleksuotas ADC: - konversijos laikas 2,44 µs (400 tūkst. konversijų per sekundę) - konversijos diapazonas 0 ... 3 V - suaktyvinamas išorinio signalo arba laikmačio
Skaitmeniniai išoriniai įrenginiai:
Aukštos kokybės laikmatis (HET): - 21 specializuotos instrukcijos rinkinys laikmačiui valdyti; - specializuota iš anksto nustatyta laikmačio mikromašina, susieta su įvesties-išvesties linijomis. Aparatinis kampų generatorius (HWAG) variklio valdymo uždaviniams spręsti: - bendradarbiavimas su NO	Realaus laiko laikrodis su atskira atsargine maitinimo įvestimi Periodinis intervalo laikmatis (PIT), skirtas sinchronizuotiems pertraukimams generuoti	Programuojama loginė matrica - du blokai, jungiantys 16 įėjimų ir 14 išėjimų - 2 įvesties loginis elementas su bet kuria konvertavimo funkcija Trifazis 16 bitų PWM generatorius keitiklio/variklio valdymui - antifaziniai išėjimai kiekvienoje fazėje su reguliuojama nepersidengiančia pauze - reguliuojamas PWM dažnis	32 bitų laikmačiai (kraštų fiksavimo kanalai ir palyginimo kanalai), PWM blokas (6 išėjimai), realaus laiko laikrodis
Sąsajos:
2 klasės nuosekliosios sąsajos (C2SIa ir C2SIb) - duomenų priėmimas ir perdavimas kelių pagrindinių tinklų tinkle; - TMS470R1Vx prijungimas prie išorinių analoginių sąsajų mikroschemų; - buferizavimas, klaidų ir lūžių aptikimas, kalibravimas ir kt. CAN valdikliai – standartiniai (SCC): pašto dėžutė 16 pranešimų; - aukštos kokybės (HECC): pašto dėžutė 32 žinutėms. DSP sąsaja - jungia TMS470R1x ir TMS320C54x DSP mega modulį Magistralės išplėtimo modulis (EBM): - palaiko 8 arba 16 bitų. išorinė atmintis; - bendrosios paskirties I/O funkcija, kai nenaudojama išorinė magistralė	USB 2.0 sąsaja Išorinės atminties sąsaja su konfigūruojamais išorinių lustų pasirinkimo išėjimais Didelės spartos programavimo valdiklis: - Nuosekliosios ir lygiagrečios „Flash“ atminties programavimo režimai „Flash“ kortelių sąsajos (RM9200)	Standartinės nuosekliosios sąsajos (UART, SPI, I2C)	Su 16C550 suderinamas UART – modemo signalų palaikymas viename iš UART Konfigūruojama išorinės atminties sąsaja su 4 bankais ir 8/16/32 duomenų pločiu

2 lentelė. Techniniai ARM mikrovaldiklių iš Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors duomenys

vardas	Šerdis	Rėmas	Atmintis		Periferiniai įrenginiai						I/O	Maks. h-ta, MHz
			Flash, KB	RAM, KB	Laikmatis	ADC, ch / res	SPI/U(S)APP/ I2C	USB kūrėjas / pagrindinis kompiuteris	GALI	Kita
TMS470 šeimos mikrovaldikliai iš Texas Instruments
TMS470R1A64	ARM7TDMI	80 LQFP	64	4	13	8/10	2/2/-	-	2	C2SI	40	48
	ARM7TDMI	100 LQFP	128	8	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100 LQFP	256	12	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
	ARM7TDMI	100/144LQFP	288	16	12	12/10	2/2/1	-	2	C2SI, RAP, EBM, MSM	93	48
	ARM7TDMI	144 LQFP	512	32	32	16/10	2/2/-	-	2	RAP	87	60
	ARM7TDMI	144 LQFP	768	48	32	16/10	5/2/-	-	3	RAP	87	60
TMS470R1A1024	ARM7TDMI	144 LQFP	1024	64	12	12/10	5/2/1	-	2	DMA, EBM, MSM	93	60
Atmel AT91 ARM Thumb šeima
	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 rublių 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, tarpt. 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
MicroConverter šeimos mikrovaldikliai iš analoginio įrenginio
	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, 3 val. 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 fazių PWM, K, PLM	40	45
	ARM7TDMI	ST-80	62	8		16/12	1/1/2			3f. PWM, K, PLM	40	45
LPC2000 šeimos mikrovaldikliai iš Philips Semiconductors
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	16	4		1/2/1			6 sk. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	32	4		1/2/1			6 sk. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	64	4		1/2/1			6 sk. PWM	32	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 sk. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 sk. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 sk. PWM	46	60
	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 sk. PWM	46	60
2/2/1			6 sk. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		2	6 sk. PWM	112	60
	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		4	6 sk. PWM	112	60

Nepaisant to, kad daugumoje mikrovaldiklių naudojama bendra ARM7TDMI šerdis, skirtingų gamintojų mikrovaldikliai turi gana aiškų vaizdą. Analog Device yra neabejotinas analoginių periferinių įrenginių su 12 bitų lyderis. ADC ir DAC klasė 1MHz. Šia kryptimi pastebimai atsilieka „Atmel“, kuri kuriant atskirus ADC jau perėmė 2 GHz barjerą, tačiau integruodama padorų ADC į 32 bitų. mikrovaldiklis, ir negalėjo. Tačiau šis Atmel mikrovaldiklių trūkumas įveikia jų „draugiškumą“ (naudojant įmontuotą RC generatorių ir stabilizatorių, mikrovaldikliui paleisti reikia tik vienos maitinimo įtampos), efektyvumą, o svarbiausia – mažą kainą. Iš minimų mikrovaldiklių Atmel mikrovaldikliai yra vieninteliai, kuriuose yra USB sąsaja. TI mikrovaldikliai pasižymi per dideliu reprezentatyvumu už nedidelę kainą. Dirbdami su TMS470 mikrovaldikliais galite būti tikri, kad periferinių resursų pakanka. Mikrovaldiklius LPC2000 (Philips) galima vadinti aukso viduriu pagal nagrinėjamus kriterijus. Jie išsiskiria tuo, kad turi UART, pagamintą pagal „Philips“ tradicijas ir suderinamą su standartiniu 16C550 UART, taip pat turi modemo sąsają ir aparatinės įrangos ryšio valdymo režimą su FIFO buferiu. Tarp „Philips ARM“ mikrovaldiklių galite rasti atstovų išplėstiniam temperatūros diapazonui iki -40…+105°C.

32 bitų mikrovaldikliai su alternatyviais branduoliais

Kalbant apie 32 bitų. mikrovaldiklius, būtų nesąžininga nepaminėti kitų 32 bitų. alternatyvos ARM branduoliui. Šiuo atžvilgiu reikėtų išskirti „Fujitsu“ FR branduolį ir „Motorola“ M68000/M68300.

FR branduolys naudojamas daugelyje mikrovaldiklių (daugiau nei 40), kurie sudaro kelias šeimas, ir turi 16 bitų instrukcijų rinkinio režimą, kad optimizuotų programos atminties naudojimą su minimaliu našumo pablogėjimu, kuris yra identiškas ARM branduoliui. ROM ir RAM dydis siekia iki 512 kB, priklausomai nuo tipo, palaikomi įvairūs standartiniai periferiniai įrenginiai, įsk. 10 bitų ADC, 12 bitų PWM, CAN sąsaja, UART ir kt. Kaip ir ARM mikrovaldiklių atveju, taip ir FR branduolio pagrindu pagaminti mikrovaldikliai išsiskiria bendromis tradicijomis, kurias nustato kūrėjas ir kurios yra atpažįstamos visoje mikrovaldiklių linijoje. „Fujitsu“ atveju tai yra aparatinės įrangos palaikymas endianizmui, aparatinės įrangos bitų paieškos funkcija, daug to paties tipo išorinių įrenginių kanalų ir neužmaskuojama pertraukų įvestis. Gana tinkamas 10 bitų yra integruotas į daugelį mikrovaldiklių. ADC (konversijos laikas 1,7 µs) ir DAC (0,9 µs). FRLite šeimoje buvo nustatytas 1mA / MHz savitosios energijos suvartojimo rekordas. FR 65E šeima turi didžiausią greitį, kuriame laikrodžio dažnis siekia 66 MHz.

32 bitų „Motorola“ mikrovaldikliai pasižymi įdiegimu iš standartinių funkcinių modulių rinkinio. 68300 šeimos mikrovaldiklius sudaro: 32 bitų procesorius (CPU32), vidinės atminties moduliai, sistemos integravimo sąsajos modulis (SIM), nuosekliosios sąsajos modulis (QSM), laikmačio procesorius (TPU) arba laikmačio modulis (GPT), analoginis skaitmeninis keitiklis. (ADC) ir daugelis kitų. Moduliai tarpusavyje sujungiami tarpmoduline magistrale. 68300 šeimos mikrovaldikliuose naudojamas CPU32 procesorius savo pagrindinėmis funkcijomis yra panašus į 68000 šeimos 32 bitų mikroprocesorių MC68020. Naudojimui ryšių sistemose gaminami mikrovaldikliai, kuriuose yra ryšio RISC procesoriaus modulis, turintis specialių rinkinį. duomenų mainų įrankiai. Tokie ryšio valdikliai (68360, 68302, 68356) taip pat yra 68300 šeimos dalis. Iš 68000 šeimos yra jų išteklių ir galimybių padalijimas priklausomai nuo sprendžiamų užduočių klasės. Tai reiškia dviejų klasių užduočių įgyvendinimą: pačios mikroprocesorinės sistemos veikimo kontrolę sistemos programinės įrangos pagalba (operacinė sistema – supervizorius) ir taikomų vartotojo užduočių sprendimą. Taip atsiranda darbo režimai: prižiūrėtojo režimas arba vartotojo režimas. Priklausomai nuo režimo, kai vykdomos programos, leidžiama prieiti prie visų arba dalies mikrovaldiklio išteklių. Prižiūrėtojo režimas leidžia vykdyti visas procesoriaus įgyvendintas instrukcijas ir pasiekti visus registrus. Vartotojo režimu draudžiama vykdyti daugybę instrukcijų ir prieiti prie tam tikrų registrų, siekiant apriboti tokių sistemos būklės pokyčių, kurie gali trukdyti vykdyti kitas programas arba pažeisti procesoriaus veikimo režimą, galimybę. nustatyta vadovo. Tvirtas argumentas renkantis Motorola mikrovaldiklius yra didelis M68000 šeimos populiarumas savo laiku ir M68000 bei modernesnių M68300 mikrovaldiklių programinės įrangos suderinamumas, leidžiantis panaudoti esamą programinę įrangą naujiems gaminiams ir taip sutrumpinti projektavimo laiką.

• Neabejotinas ARM branduolio pranašumas yra jo standartiškumas, leidžiantis naudoti programinę įrangą iš kitų suderinamų mikrovaldiklių, turėti platesnę prieigą prie projektavimo įrankių ar lengviau migruoti tarp mikrovaldiklių.
• Nepaisant to, kad skirtingų gamintojų mikrovaldikliuose naudojama ta pati ARM šerdis, vis dėlto kiekvienas iš jų turi savo veidą, kuris pasiekiamas originaliu periferinių įrenginių „receptu“ ir užimantis lyderio pozicijas kai kurių tipų periferiniuose įrenginiuose, pavyzdžiui, Analoginiam įrenginiui tai yra skaitmeniniai analoginiai keitikliai.
• ARM šerdys turi reprezentatyvią nomenklatūrą ir vystymosi dinamiką, tačiau iš palyginimo matyti, kad ARM7TDMI šerdies pagrindu sukurti mikrovaldikliai dažniausiai yra prieinami plačiajai visuomenei. Tai galima paaiškinti, pavyzdžiui, tuo, kad pagrindinė ARM mikrovaldiklių vartojimo sritis yra buitiniai, biuro, vartotojų elektroniniai prietaisai ir įranga, kurią, deja, daugiausia gamina užsienio originalios įrangos gamintojai.
• 32 bitų mikrovaldiklių rinka pasižymi dideliu pajėgumu, kuris ateinančiais metais dinamiškai augs, todėl tereikia sekti mikrovaldiklių gamintojų kovą dėl šios rinkos dalies, sekti anonsus ir turėti laiko įsisavinti naujas technologijas. .

Literatūra

1. J. Vilbrinkas. Perėjimo iš 8 bitų į 32 bitų mikrovaldiklius palengvinimas / Atmel Corporation – 2004 m.
2. „Atmel“ pristato pirmąjį pasaulyje 3 USD ARM7 Flash mikrovaldiklį“, „Atmel“ naujienos 2004-10-19, www.atmel.com.
3. Procesoriaus branduolių skrajutė//Nuoroda: ARM DOI 0111-4/05.03, Išduota: 2003 m. gegužės mėn.
4. Svetainės medžiagos www.arm.com

ARM pavadinimą tikrai girdėjo visi, besidomintys mobiliosiomis technologijomis. Daugelis šią santrumpą supranta kaip išmaniųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių procesoriaus tipą, kiti nurodo, kad tai visai ne procesorius, o jo architektūra. Ir tikrai mažai kas gilinosi į ARM atsiradimo istoriją. Šiame straipsnyje mes pabandysime suprasti visus šiuos niuansus ir pasakysime, kodėl šiuolaikinėms programėlėms reikia ARM procesorių.

Trumpa ekskursija į istoriją

Paklausus „ARM“, Vikipedija suteikia dvi šio santrumpos reikšmes: „Acorn RISC Machine“ ir „Advanced RISC Machines“. Pradėkime eilės tvarka. Devintajame dešimtmetyje JK buvo įkurta Acorn Computers, kuri savo veiklą pradėjo kurdama asmeninius kompiuterius. Tuo metu Gilė dar buvo vadinama „Britų obuoliu“. Lemiamas laikotarpis įmonei atėjo devintojo dešimtmečio pabaigoje, kai jos vyriausiasis inžinierius pasinaudojo dviejų vietinių universitetų absolventų sprendimu sugalvoti naujos rūšies sumažinto instrukcijų rinkinio (RISC) procesoriaus architektūrą. Taip atsirado pirmasis kompiuteris, pagrįstas Acorn Risc Machine procesoriumi. Sėkmės netruko laukti. 1990 metais britai sudarė sutartį su „Apple“ ir netrukus pradėjo kurti naują mikroschemų rinkinio versiją. Dėl to kūrėjų komanda suformavo bendrovę „Advanced RISC Machines“, panašią į procesorių. Naujos architektūros lustai taip pat tapo žinomi kaip „Advanced Risc Machine“ arba sutrumpintai ARM.

Nuo 1998 m. Advanced Risc Machine tapo žinoma kaip ARM Limited. Šiuo metu įmonė savo perdirbėjų gamyba ir pardavimu neužsiima. Pagrindinė ir vienintelė ARM Limited veikla – technologijų kūrimas ir licencijų įvairioms įmonėms pardavimas naudoti ARM architektūrą. Vieni gamintojai perka jau paruoštų branduolių licenciją, kiti – vadinamąją „architektūrinę licenciją“, kad galėtų gaminti procesorius su savo branduoliais. Tarp tokių įmonių yra Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon ir kt. Remiantis kai kuriomis ataskaitomis, ARM Limited uždirba 0,067 USD už kiekvieną tokį procesorių. Šis skaičius yra vidutinis ir taip pat pasenęs. Kiekvienais metais mikroschemų rinkiniuose atsiranda vis daugiau branduolių, o nauji kelių branduolių procesoriai savo kaina lenkia pasenusius pavyzdžius.

Techninės ARM lustų savybės

Yra dviejų tipų šiuolaikinės procesorių architektūros: CISC(Complex Instruction Set Computing) ir RISC(Reduced Instruction Set Computing). CISC architektūra reiškia x86 procesorių šeimą (Intel ir AMD), o RISC architektūra – ARM šeimą. Pagrindinis formalus skirtumas tarp RISC ir CISC ir atitinkamai x86 ir ARM yra sumažintas RISC procesoriuose naudojamas instrukcijų rinkinys. Taigi, pavyzdžiui, kiekviena CISC architektūros instrukcija paverčiama keliomis RISC instrukcijomis. Be to, RISC procesoriai naudoja mažiau tranzistorių ir taip sunaudoja mažiau energijos.

Pagrindinis ARM procesorių prioritetas yra našumo ir energijos suvartojimo santykis. ARM našumo vienam vatui santykis yra didesnis nei x86. Reikiamą galią galite gauti iš 24 x 86 branduolių arba iš šimtų mažų, mažos galios ARM branduolių. Žinoma, net galingiausias ARM architektūros procesorius niekada neprilygs „Intel Core i7“. Tačiau tam pačiam Intel Core i7 reikia aktyvios aušinimo sistemos ir jis niekada netilps į telefono dėklą. Čia ARM nekonkuruoja. Viena vertus, tai atrodo patrauklus variantas sukurti superkompiuterį, naudojant milijoną ARM procesorių, o ne tūkstantį x86 procesorių. Kita vertus, šių dviejų architektūrų negalima vienareikšmiškai palyginti. Kai kuriais atžvilgiais pranašumas bus ARM, o kai kuriais atvejais - x86.

Tačiau vadinti ARM architektūros lustų procesorius nėra visiškai teisinga. Be kelių procesoriaus branduolių, juose taip pat yra kitų komponentų. Tinkamiausias terminas būtų „vieno lusto sistema“ arba „sistema mikroschemoje“ (SoC). Šiuolaikinės vieno lusto sistemos, skirtos mobiliesiems įrenginiams, apima RAM valdiklį, grafikos greitintuvą, vaizdo dekoderį, garso kodeką ir belaidžio ryšio modulius. Kaip minėta anksčiau, atskirus mikroschemų rinkinio komponentus gali sukurti trečiųjų šalių gamintojai. Ryškiausias to pavyzdys yra grafiniai branduoliai, kuriuos be ARM Limited (Mali grafika) kuria Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) ir Imagination Technologies (PowerVR).

Praktiškai tai atrodo taip. Daugumoje biudžetinių Android mobiliųjų įrenginių yra įmonės gaminami mikroschemų rinkiniai. MediaTek, kuri beveik visada vadovaujasi ARM Limited instrukcijomis ir papildo jas Cortex-A branduoliais bei Mali grafika (rečiau PowerVR).

A-prekės ženklai savo pavyzdiniams įrenginiams dažnai naudoja mikroschemų rinkinius, kuriuos pagamino Qualcomm. Beje, naujausiuose „Qualcomm Snapdragon“ lustuose (,) yra visiškai pritaikyti „Kryo“ branduoliai centriniam procesoriui ir „Adreno“ grafikos greitintuvui.

Kalbant apie Apple, tada „iPhone“ ir „iPad“ įmonė naudoja savo A serijos lustus su „PowerVR“ grafikos greitintuvu, kuriuos gamina trečiųjų šalių įmonės. Taigi, įdiegtas 64 bitų keturių branduolių A10 Fusion procesorius ir PowerVR GT7600 grafikos procesorius.

Šeimos procesorių architektūra laikoma svarbia rašant straipsnį. ARMv8. Jis pirmasis naudojo 64 bitų instrukcijų rinkinį ir palaikė daugiau nei 4 GB RAM. ARMv8 architektūra yra suderinama su 32 bitų programomis. Iki šiol efektyviausias ir galingiausias ARM Limited sukurtas procesoriaus branduolys Cortex-A73, ir dauguma SoC gamintojų jį naudoja nepakitusi.

Cortex-A73 užtikrina 30 % greitesnį našumą nei Cortex-A72 ir palaiko visą ARMv8 architektūrų rinkinį. Maksimalus procesoriaus branduolio dažnis yra 2,8 GHz.

ARM naudojimo sritis

Didžiausia ARM šlovė atnešė mobiliųjų įrenginių plėtrą. Laukiant masinės išmaniųjų telefonų ir kitos nešiojamos įrangos gamybos, pravertė energiją taupantys procesoriai. „ARM Limited“ kūrimo kulminacija buvo 2007 m., kai britų kompanija atnaujino partnerystę su „Apple“, o kiek vėliau „Cupertino“ kompanija pristatė savo pirmąjį „iPhone“ su ARM architektūros procesoriumi. Vėliau vieno lusto sistema, pagrįsta ARM architektūra, tapo nekintamu beveik visų rinkoje esančių išmaniųjų telefonų komponentu.

„ARM Limited“ portfelis neapsiriboja „Cortex-A“ branduolių šeima. Tiesą sakant, pagal Cortex prekės ženklą yra trys procesoriaus branduolių serijos, kurios žymimos raidėmis A, R, M. Core šeima Cortex-A, kaip jau žinome, yra galingiausias. Jie daugiausia naudojami išmaniuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose, prieduose, palydoviniuose imtuvuose, automobilių sistemose, robotikoje. Procesoriaus branduoliai Cortex-R yra optimizuoti didelio našumo užduotims atlikti realiu laiku, todėl tokie lustai randami medicinos įrangoje, autonominėse apsaugos sistemose ir laikmenose. Pagrindinė šeimos užduotis Cortex-M yra paprastumas ir maža kaina. Techniškai tai yra silpniausi procesoriaus branduoliai, kurių energijos suvartojimas yra mažiausias. Tokių branduolių pagrindu pagaminti procesoriai naudojami beveik visur, kur įrenginys reikalauja minimalios galios ir mažų sąnaudų: jutikliai, valdikliai, signalizatoriai, ekranai, išmanieji laikrodžiai ir kita įranga.

Apskritai, dauguma šiuolaikinių įrenginių, nuo mažų iki didelių, kuriems reikalingas CPU, naudoja ARM lustus. Didžiulis pliusas yra tai, kad ARM architektūrą palaiko daugelis operacinių sistemų, pagrįstų Linux (įskaitant Android ir Chrome OS), iOS ir Windows (Windows Phone).

Konkurencija rinkoje ir ateities perspektyvos

Tiesa, šiuo metu ARM rimtų konkurentų neturi. Ir apskritai tai yra dėl to, kad ARM Limited tam tikru metu padarė teisingą pasirinkimą. Tačiau pačioje savo kelionės pradžioje įmonė gamino procesorius asmeniniams kompiuteriams ir netgi bandė konkuruoti su „Intel“. „ARM Limited“ pakeitus veiklos kryptį, jai taip pat nebuvo lengva. Tada „Microsoft“ atstovaujamas programinės įrangos monopolistas, sudaręs partnerystės sutartį su „Intel“, nepaliko jokių šansų kitiems gamintojams, įskaitant „ARM Limited“ – „Windows“ tiesiog neveikė sistemose su ARM procesoriais. Kad ir kaip paradoksaliai tai skambėtų, tačiau dabar situacija gali kardinaliai pasikeisti, o „Windows“ jau yra pasiruošusi palaikyti šios architektūros pagrindu veikiančius procesorius.

Po ARM lustų sėkmės „Intel“ pabandė sukurti konkurencingą procesorių ir į rinką pateko su lustu. Intel Atom. Tam jai prireikė daug daugiau laiko nei ARM Limited. Mikroschemų rinkinys buvo pradėtas gaminti 2011 m., Tačiau, kaip sakoma, traukinys jau išvyko. „Intel Atom“ yra x86 CISC procesorius. Bendrovės inžinieriai pasiekė mažesnes energijos sąnaudas nei ARM, tačiau šiuo metu įvairi mobilioji programinė įranga prastai prisitaiko prie x86 architektūros.

Praėjusiais metais „Intel“ atsisakė kelių esminių sprendimų toliau plėtodama mobiliąsias sistemas. Tiesą sakant, mobiliųjų įrenginių įmonė, nes jie tapo nuostolingi. Vienintelis didelis gamintojas, kuris savo išmaniuosius telefonus sujungė su Intel Atom mikroschemų rinkiniais, buvo ASUS. Tačiau „Intel Atom“ vis dar buvo plačiai naudojamas nešiojamuosiuose kompiuteriuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir kituose nešiojamuosiuose įrenginiuose.

ARM Limited padėtis rinkoje yra unikali. Šiuo metu beveik visi gamintojai naudojasi jo patobulinimais. Tuo pačiu metu įmonė neturi savo gamyklų. Tai netrukdo jai lygiuotis su Intel ir AMD. ARM istorija apima dar vieną keistą faktą. Gali būti, kad dabar ARM technologija gali priklausyti „Apple“, kuri buvo „ARM Limited“ kūrimo pagrindas. Ironiška, bet 1998 m. Cupertinos, išgyvendami krizę, pardavė savo akcijų paketą. Dabar „Apple“ kartu su kitomis įmonėmis yra priversta įsigyti „iPhone“ ir „iPad“ naudojamų ARM procesorių licenciją.

Dabar ARM procesoriai gali atlikti rimtas užduotis. Per trumpą laiką jie bus naudojami serveriuose, ypač tokius sprendimus jau turi Facebook ir PayPal duomenų centrai. Daiktų interneto (IoT) ir išmaniųjų namų įrenginių eroje ARM lustai tapo dar labiau paklausūs. Taigi įdomiausias dalykas ARM dar laukia.

Didžioji dauguma šiuolaikinių programėlių naudoja procesorius, pagrįstus ARM architektūra, kurią kuria to paties pavadinimo bendrovė ARM Limited. Įdomu tai, kad pati įmonė procesorių negamina, o tik licencijuoja savo technologijas trečiųjų šalių lustų gamintojams. Be to, įmonė taip pat kuria Cortex procesorių branduolius bei Mali grafikos greitintuvus, kuriuos šioje medžiagoje tikrai paliesime.

ARM Limited

ARM įmonė iš tikrųjų yra savo srities monopolistas, o didžioji dauguma šiuolaikinių išmaniųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių įvairiose mobiliosiose operacinėse sistemose naudoja ARM architektūros pagrindu veikiančius procesorius. Lustų gamintojai licencijuoja atskirus branduolius, instrukcijų rinkinius ir susijusias technologijas iš ARM, o licencijų kaina labai skiriasi priklausomai nuo procesoriaus branduolių tipo (nuo mažos galios biudžetinių sprendimų iki pažangiausių keturių ir net aštuonių branduolių lustų) ir papildomų. komponentai. 2006 m. „ARM Limited“ metinėje pajamų ataskaitoje buvo nurodyta, kad už maždaug 2,5 milijardo procesorių licencijavimą gautos 161 mln. Tačiau dėl aukščiau nurodytos priežasties tai labai vidutinis skaičius dėl skirtingų licencijų kainų skirtumo ir nuo tada įmonės pelnas turėjo išaugti daug kartų.

Šiuo metu ARM procesoriai yra labai paplitę. Šios architektūros lustai naudojami visur, iki serverių, tačiau dažniausiai ARM galima rasti įterptosiose ir mobiliosiose sistemose – nuo ​​standžiojo disko valdiklių iki šiuolaikinių išmaniųjų telefonų, planšetinių kompiuterių ir kitų programėlių.

Cortex šerdys

ARM kuria kelias branduolių šeimas, kurios naudojamos įvairioms užduotims atlikti. Pavyzdžiui, procesoriai, pagrįsti Cortex-Mx ir Cortex-Rx (kur "x" yra skaitmuo arba skaičius, nurodantis tikslų branduolio numerį), naudojami įterptosiose sistemose ir net vartotojų įrenginiuose, tokiuose kaip maršrutizatoriai ar spausdintuvai.

Detaliau prie jų nesigilinsime, nes mus pirmiausia domina „Cortex-Ax“ šeima – lustai su tokiais branduoliais naudojami produktyviausiuose įrenginiuose, įskaitant išmaniuosius telefonus, planšetinius kompiuterius ir žaidimų konsoles. ARM nuolat dirba su naujais Cortex-Ax linijos branduoliais, tačiau šio rašymo metu išmanieji telefonai naudoja šiuos:

Kuo didesnis skaičius, tuo didesnis procesoriaus našumas ir, atitinkamai, brangesnė įrenginių klasė, kurioje jis naudojamas. Tačiau verta paminėti, kad šios taisyklės laikomasi ne visada: pavyzdžiui, lustai, pagrįsti Cortex-A7 branduoliais, turi didesnį našumą nei tie, kurių pagrindas yra Cortex-A8. Nepaisant to, jei Cortex-A5 procesoriai jau laikomi beveik pasenusiais ir beveik nenaudojami šiuolaikiniuose įrenginiuose, tai Cortex-A15 procesorius galima rasti pavyzdiniuose komunikatoriuose ir planšetiniuose kompiuteriuose. Ne taip seniai ARM oficialiai paskelbė apie naujų, galingesnių ir tuo pačiu energiją taupančių Cortex-A53 ir Cortex-A57 branduolių kūrimą, kurie bus sujungti į vieną lustą naudojant ARM big.LITTLE technologiją ir palaikymą. ARMv8 instrukcijų rinkinys („architektūros versija“), tačiau šiuo metu jie nenaudojami masinio vartojimo įrenginiuose. Dauguma lustų su Cortex branduoliais gali būti kelių branduolių, o keturių branduolių procesoriai yra visur šiuolaikiniuose aukščiausios klasės išmaniuosiuose telefonuose.

Stambūs išmaniųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių gamintojai dažniausiai naudoja žinomų mikroschemų gamintojų, tokių kaip Qualcomm, procesorius arba jų pačių sprendimus, kurie jau išpopuliarėjo (pavyzdžiui, Samsung ir jos Exynos mikroschemų rinkinių šeima), tačiau tarp daugumos mažų įmonių techninių programėlių charakteristikų. , dažnai galite rasti tokius aprašymus kaip „procesorius, pagrįstas Cortex-A7 @ 1 GHz“ arba „Dual Core Cortex-A7 @ 1 GHz“, kurie paprastam vartotojui nieko nepasakys. Norėdami suprasti, kokie yra tokių branduolių skirtumai, sutelkime dėmesį į pagrindinius.

Cortex-A5 branduolys naudojamas nebrangiuose procesoriuose, skirtuose labiausiai biudžetiniams įrenginiams. Tokie įrenginiai skirti atlikti tik ribotą užduočių spektrą ir paleisti paprastas programas, tačiau jie visai nėra skirti daug išteklių reikalaujančioms programoms ir ypač žaidimams. Programėlės su Cortex-A5 procesoriumi pavyzdys yra Highscreen Blast, kuris gavo Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 lustą, kuriame yra du Cortex-A5 branduoliai, kurių taktinis dažnis yra 1,2 GHz.

Cortex-A7 procesoriai yra galingesni nei Cortex-A5 lustai ir yra labiau paplitę. Tokie lustai pagaminti naudojant 28 nanometrų proceso technologiją ir turi didelę antrojo lygio talpyklą iki 4 megabaitų. Cortex-A7 branduoliai daugiausia randami nebrangiuose išmaniuosiuose telefonuose ir pigiuose vidutinės klasės įrenginiuose, pvz., iconBIT Mercury Quad, ir, kaip išimtis, Samsung Galaxy S IV GT-i9500 su Exynos 5 Octa procesoriumi – šis mikroschemų rinkinys naudoja energiją taupantis keturių branduolių procesorius „Cortex-A7“.

„Cortex-A8“ branduolys nėra toks įprastas kaip „kaimynai“, „Cortex-A7“ ir „Cortex-A9“, tačiau vis dar naudojamas įvairiose pradinio lygio programėlėse. „Cortex-A8“ lustų veikimo taktinis dažnis gali svyruoti nuo 600 MHz iki 1 GHz, tačiau kartais gamintojai perlaiko procesorius į aukštesnius dažnius. Cortex-A8 branduolio ypatybė yra tai, kad nepalaikoma kelių branduolių konfigūracijų (tai yra, šių branduolių procesoriai gali būti tik vieno branduolio), be to, jie vykdomi naudojant 65 nanometrų proceso technologiją, kuri jau laikoma. pasenusi.

Cortex-A9

Prieš porą metų Cortex-A9 branduoliai buvo laikomi geriausiu sprendimu ir buvo naudojami tiek tradiciniuose vieno branduolio, tiek galingesniuose dviejų branduolių lustuose, tokiuose kaip Nvidia Tegra 2 ir Texas Instruments OMAP4. Šiuo metu Cortex-A9 pagrindu pagaminti procesoriai, pagaminti pagal 40 nanometrų proceso technologiją, nepraranda populiarumo ir naudojami daugelyje vidutinės klasės išmaniųjų telefonų. Tokių procesorių veikimo dažnis gali būti nuo 1 iki 2 ar daugiau gigahercų, tačiau dažniausiai jis ribojamas iki 1,2-1,5 GHz.

2013 metų birželį ARM oficialiai pristatė Cortex-A12 branduolį, kuris yra pagrįstas nauja 28nm proceso technologija ir yra skirtas pakeisti Cortex-A9 branduolius vidutinės klasės išmaniuosiuose telefonuose. Kūrėjas žada 40% didesnį našumą lyginant su Cortex-A9, be to, Cortex-A12 branduoliai galės dalyvauti ARM big.LITTLE architektūroje kaip produktyvūs kartu su energiją taupančia Cortex-A7, kuri leis gamintojų sukurti nebrangius aštuonių branduolių lustus. Tiesa, šio rašymo metu visa tai tik planuose, o masinė Cortex-A12 lustų gamyba dar nenustatyta, nors RockChip jau paskelbė apie ketinimą išleisti keturių branduolių Cortex-A12 procesorių su 1,8 GHz dažnis.

2013 m. Cortex-A15 branduolys ir jo dariniai yra geriausias sprendimas ir naudojami pavyzdiniuose įvairių gamintojų komunikatorių lustuose. Tarp naujų procesorių, pagamintų pagal 28 nm proceso technologiją ir pagrįstą Cortex-A15, yra Samsung Exynos 5 Octa ir Nvidia Tegra 4, o šis branduolys dažnai veikia kaip platforma kitų gamintojų modifikacijoms. Pavyzdžiui, naujausiame „Apple“ A6X procesoriuje naudojami „Swift“ branduoliai, kurie yra „Cortex-A15“ modifikacija. „Cortex-A15“ pagrindu sukurti lustai gali veikti 1,5–2,5 GHz dažniu, o daugelio trečiųjų šalių standartų palaikymas ir galimybė apdoroti iki 1 TB fizinės atminties leidžia tokius procesorius naudoti kompiuteriuose (kaip ar galima neprisiminti banko Raspberry Pi kortelės dydžio mini kompiuterio).

Cortex-A50 serija

2013 m. pirmąjį pusmetį ARM pristatė naują lustų liniją, pavadintą Cortex-A50 serija. Šios linijos branduoliai bus pagaminti pagal naują architektūros versiją ARMv8 ir palaikys naujus instrukcijų rinkinius, taip pat taps 64 bitų. Perėjimas prie naujo bitų gylio pareikalaus optimizuoti mobiliąsias operacines sistemas ir programas, tačiau, žinoma, dešimčių tūkstančių 32 bitų programų palaikymas išliks. „Apple“ pirmoji perėjo prie 64 bitų architektūros. Naujausi bendrovės įrenginiai, tokie kaip iPhone 5S, veikia būtent tokiu Apple A7 ARM procesoriumi. Pastebėtina, kad jame nenaudojami „Cortex“ branduoliai – jie pakeičiami paties gamintojo branduoliais, vadinamais „Swift“. Viena iš akivaizdžių priežasčių, kodėl reikia pereiti prie 64 bitų procesorių, yra daugiau nei 4 GB RAM palaikymas, be to, galimybė skaičiuojant dirbti su daug didesniais skaičiais. Žinoma, nors tai aktualu pirmiausia serveriams ir kompiuteriams, tačiau nenustebsime, jei po kelerių metų rinkoje pasirodys išmanieji telefonai ir planšetės su tokiu RAM kiekiu. Kol kas nieko nežinoma apie planus išleisti lustus naujoje architektūroje ir juos naudojančius išmaniuosius telefonus, tačiau tikėtina, kad tokie procesoriai flagmanus sulauks 2014 metais, kaip jau paskelbė Samsung.

„Cortex-A53“ branduolys atidaro seriją, kuri bus tiesioginis „Cortex-A9“ „įpėdinis“. Procesoriai, pagrįsti Cortex-A53, savo našumu yra žymiai pranašesni už "Cortex-A9" pagrindu pagamintus lustus, tačiau tuo pat metu išlaikomas mažas energijos suvartojimas. Tokie procesoriai gali būti naudojami tiek atskirai, tiek ARM big.LITTLE konfigūracijoje, derinant tame pačiame mikroschemų rinkinyje su Cortex-A57 procesoriumi

Performance Cortex-A53, Cortex-A57

„Cortex-A57“ procesoriai, kurie bus gaminami naudojant 20 nanometrų technologiją, artimiausiu metu turėtų tapti galingiausiais ARM procesoriais. Naujasis branduolys ženkliai lenkia savo pirmtaką Cortex-A15 pagal įvairius našumo rodiklius (palyginimą galite pamatyti aukščiau), ir, pasak ARM, kuris rimtai taikosi į asmeninių kompiuterių rinką, bus pelningas sprendimas įprastiems kompiuteriams (įskaitant nešiojamus kompiuterius). ), ne tik mobiliuosius įrenginius.

RANKA didelė.MAŽA

Kaip aukštųjų technologijų sprendimą šiuolaikinių procesorių energijos suvartojimo problemai spręsti, ARM siūlo big.LITTLE technologiją, kurios esmė yra sujungti skirtingų tipų branduolius viename luste, paprastai tiek pat energijos taupančių ir aukšto lygio našumo.

Yra trys skirtingų tipų branduolių veikimo viename luste schemos: big.LITTLE (migracija tarp klasterių), big.LITTLE IKS (migracija tarp branduolių) ir big.LITTLE MP (heterogeninis daugiaprocesis).

big.LITTLE (migracija tarp grupių)

Pirmasis lustų rinkinys, pagrįstas ARM big.LITTLE architektūra, buvo Samsung Exynos 5 Octa procesorius. Ji naudoja originalią big.LITTLE „4+4“ schemą, o tai reiškia, kad viename luste į dvi grupes (taigi ir schemos pavadinimas) sujungiami keturi didelio našumo Cortex-A15 branduoliai, skirti daug išteklių reikalaujančioms programoms ir žaidimams bei keturios energijos Cortex-A7 branduolių išsaugojimas kasdieniniam darbui su dauguma programų, o vienu metu gali veikti tik vieno tipo branduolys. Perjungimas tarp branduolių grupių vyksta beveik akimirksniu ir vartotojui visiškai automatiniu režimu.

big.LITTLE IKS (migracija tarp branduolių)

Sudėtingesnis big.LITTLE architektūros įgyvendinimas – tai kelių realių branduolių (dažniausiai dviejų) sujungimas į vieną virtualų, valdomą operacinės sistemos branduolio, kuris nusprendžia, kuriuos branduolius naudoti – energiją taupančius ar produktyvius. Žinoma, yra ir keletas virtualių branduolių – iliustracijoje parodytas IKS schemos pavyzdys, kai kiekviename iš keturių virtualių branduolių yra po vieną Cortex-A7 ir Cortex-A15 branduolį.

big.LITTLE MP (heterogeninis kelių apdorojimas)

Big.LITTLE MP schema yra pati „pažangiausia“ – joje kiekvienas branduolys yra nepriklausomas ir pagal poreikį gali būti įjungtas OS branduolio. Tai reiškia, kad jei bus naudojami keturi Cortex-A7 branduoliai ir tiek pat Cortex-A15 branduolių, ARM big.LITTLE MP architektūros pagrindu sukurtame lustų rinkinyje visi 8 branduoliai galės dirbti vienu metu, nors ir yra skirtingų. tipai. Vienas pirmųjų tokio tipo procesorių buvo „Mediatek“ aštuonių branduolių lustas – MT6592, galintis veikti 2 GHz taktiniu dažniu, taip pat įrašyti ir leisti vaizdo įrašus UltraHD raiška.

Ateities

Pagal šiuo metu turimą informaciją, artimiausiu metu ARM kartu su kitomis kompanijomis planuoja išleisti naujos kartos big.LITTLE lustus, kuriuose bus naudojami nauji Cortex-A53 ir Cortex-A57 branduoliai. Be to, Kinijos gamintojas „MediaTek“ ketina išleisti ARM big.LITTLE biudžetinius procesorius, kurie veiks pagal „2 + 2“ schemą, tai yra, naudos dvi dviejų branduolių grupes.

Malio grafikos greitintuvai

Be procesorių, ARM taip pat kuria Malio šeimos grafikos greitintuvus. Kaip ir procesoriai, grafikos greitintuvai pasižymi daugybe parametrų, tokių kaip anti-aliasing lygis, magistralės sąsaja, talpykla (ypač greita atmintis, naudojama greičiui padidinti) ir „grafinių branduolių“ skaičius (nors, kaip rašėme ankstesniame straipsnyje šis skaičius, nepaisant panašumo su terminu, naudojamu CPU apibūdinti, turi mažai įtakos našumui lyginant du GPU).

Pirmasis ARM grafikos greitintuvas buvo dabar nenaudojamas Mali 55, kuris buvo naudojamas LG Renoir jutikliniame telefone (taip, įprasčiausiame mobiliajame telefone). GPU žaidimuose nebuvo naudojamas – tik sąsajai nupiešti ir pagal šių dienų standartus turėjo primityvias charakteristikas, tačiau būtent jis tapo Malio serijos „protėviu“.

Nuo to laiko pažanga nuėjo ilgą kelią, o dabar palaikomos API ir žaidimų standartai yra labai svarbūs. Pavyzdžiui, OpenGL ES 3.0 palaikymas dabar skelbiamas tik galingiausiuose procesoriuose, tokiuose kaip Qualcomm Snapdragon 600 ir 800, o jei kalbėsime apie ARM produktus, tai standartą palaiko tokie greitintuvai kaip Mali-T604 (tai buvo jis kuris tapo pirmuoju ARM GPU, pagamintu ant naujos mikroarchitektūros Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 ir kai kurių kitų panašių charakteristikų lustų. Vienas ar kitas GPU, kaip taisyklė, yra glaudžiai susijęs su šerdimi, tačiau vis dėlto nurodomas atskirai, o tai reiškia, kad jei jums svarbi žaidimų grafikos kokybė, prasminga žiūrėti į jo pavadinimą. greitintuvas išmaniojo telefono ar planšetinio kompiuterio specifikacijose.

ARM taip pat turi grafikos greitintuvus, skirtus vidutinės klasės išmaniesiems telefonams, iš kurių labiausiai paplitę yra Mali-400 MP ir Mali-450 MP, kurie nuo vyresniųjų brolių skiriasi santykinai žemu našumu ir ribotu API rinkiniu bei palaikomais standartais. Nepaisant to, šie GPU ir toliau naudojami naujuose išmaniuosiuose telefonuose, pavyzdžiui, Zopo ZP998, kuris be aštuonių branduolių MTK6592 procesoriaus gavo Mali-450 MP4 grafikos greitintuvą (patobulintą Mali-450 MP modifikaciją).

Tikėtina, kad 2014 metų pabaigoje turėtų pasirodyti išmanieji telefonai su naujausiais ARM grafikos greitintuvais: Mali-T720, Mali-T760 ir Mali-T760 MP, kurie buvo pristatyti 2013 metų spalį. „Mali-T720“ turėtų būti naujas GPU, skirtas žemos klasės išmaniesiems telefonams, ir pirmasis GPU šiame segmente, palaikantis „Open GL ES 3.0“. „Mali-T760“ savo ruožtu taps vienu galingiausių mobiliųjų grafikos greitintuvų: pagal deklaruotas charakteristikas GPU turi 16 procesoriaus branduolių ir turi tikrai didžiulę apdorojimo galią – 326 Gflops, bet tuo pačiu keturis kartus mažiau. energijos suvartojimas nei aukščiau minėtas Mali-T604.

CPU ir GPU iš ARM vaidmuo rinkoje

Nepaisant to, kad ARM yra to paties pavadinimo architektūros, kuri, kartojame, dabar naudojama daugumoje mobiliųjų procesorių, autorius ir kūrėjas, jos sprendimai branduolių ir grafikos greitintuvų pavidalu nėra populiarūs tarp pagrindinių išmaniųjų telefonų. gamintojų. Pavyzdžiui, pagrįstai manoma, kad pagrindiniai Android OS komunikatoriai turėtų turėti Snapdragon procesorių su Krait branduoliais ir Adreno grafikos greitintuvu iš Qualcomm, tos pačios įmonės mikroschemų rinkiniai naudojami Windows Phone išmaniuosiuose telefonuose, o kai kurie programėlių gamintojai, pavyzdžiui, Apple. , sukurti savo branduolius. Kodėl tokia padėtis šiuo metu?

Galbūt kai kurios priežastys gali slypėti giliau, tačiau viena iš jų yra tai, kad nėra aiškaus ARM procesoriaus ir GPU pozicionavimo tarp kitų kompanijų produktų, dėl ko įmonės kūrimas suvokiamas kaip pagrindiniai komponentai, skirti naudoti B prekės ženklo įrenginiai, pigūs išmanieji telefonai ir jais paremtų brandesnių sprendimų kūrimas. Pavyzdžiui, „Qualcomm“ beveik kiekviename pristatyme kartoja, kad vienas pagrindinių jos tikslų kuriant naujus procesorius yra sumažinti energijos suvartojimą, o „Krait“ branduoliai, modifikuoti „Cortex“ branduoliais, nuolat rodo aukštesnius našumo rezultatus. Panašus teiginys galioja ir „Nvidia“ mikroschemų rinkiniams, kurie yra orientuoti į žaidimus, tačiau „Exynos“ procesoriai iš „Samsung“ ir „Apple“ A serija turi savo rinką dėl įdiegimo į tų pačių kompanijų išmaniuosius telefonus.

Tai, kas išdėstyta aukščiau, visiškai nereiškia, kad ARM plėtra yra žymiai prastesnė už trečiųjų šalių procesorius ir branduolius, tačiau konkurencija rinkoje galiausiai naudinga tik išmaniųjų telefonų pirkėjams. Galima sakyti, kad ARM siūlo tam tikrus ruošinius, kuriems įsigiję licenciją gamintojai jau gali patys juos modifikuoti.

Išvada

ARM architektūros mikroprocesoriai sėkmingai užkariavo mobiliųjų įrenginių rinką dėl mažo energijos suvartojimo ir gana didelės apdorojimo galios. Anksčiau su ARM konkuruodavo ir kitos RISC architektūros, tokios kaip MIPS, o dabar jai liko tik vienas rimtas konkurentas – „Intel“ su x86 architektūra, kurios, beje, nors ir aktyviai kovoja dėl savo rinkos dalies, kol kas nesuvokia nei vienas, nei kitas. vartotojų ar daugumos gamintojų rimtai, ypač kai jame iš tikrųjų nėra jokių flagmanų („Lenovo K900“ nebegali konkuruoti su naujausiais aukščiausios klasės išmaniaisiais telefonais su ARM procesoriais).

Kaip manote, ar kas nors sugebės pastumti ARM ir kaip toliau susiklostys šios įmonės bei jos architektūros likimas?

Kaip veikia procesorius. Kodėl ARM yra ateitis Šiuolaikinį elektronikos vartotoją labai sunku nustebinti. Jau esame įpratę, kad mūsų kišenę teisėtai užima išmanusis telefonas, nešiojamasis kompiuteris – krepšyje, „išmanusis“ laikrodis klusniai skaičiuoja žingsnius ant rankos, o ausis glosto ausinės su aktyvia triukšmo mažinimo sistema.

Juokingas dalykas, bet mes įpratę vienu metu neštis ne vieną, o du, tris ar daugiau kompiuterių. Juk taip galima pavadinti įrenginį, kuris turi procesorių. Ir nesvarbu, kaip atrodo konkretus įrenginys. Miniatiūrinis lustas yra atsakingas už savo darbą, įveikęs audringą ir greitą vystymosi kelią.

Kodėl iškėlėme procesorių temą? Viskas paprasta. Per pastaruosius dešimt metų mobiliųjų įrenginių pasaulyje įvyko tikra revoliucija.

Tarp šių įrenginių yra tik 10 metų skirtumas. Bet tada Nokia N95 mums atrodė kosminis prietaisas, o šiandien į ARKit žiūrime su tam tikru nepasitikėjimu.

Tačiau viskas galėjo susiklostyti ir kitaip, o apdaužytas Pentium IV būtų likęs didžiausia paprasto pirkėjo svajone.

Bandėme apsieiti be sudėtingų techninių terminų ir papasakoti kaip veikia procesorius bei išsiaiškinti, kokia architektūra yra ateitis.

1. Kaip viskas prasidėjo

Pirmieji procesoriai visiškai skyrėsi nuo to, ką matote atidarę kompiuterio sistemos bloko dangtį.

XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje vietoj mikroschemų buvo naudojamos elektromechaninės relės, papildytos vakuuminiais vamzdžiais. Lempos veikė kaip diodas, kurio būseną buvo galima reguliuoti mažinant arba didinant įtampą grandinėje. Konstrukcijos atrodė taip:

Vieno milžiniško kompiuterio veikimui prireikė šimtų, kartais ir tūkstančių procesorių. Tačiau tuo pat metu tokiame kompiuteryje negalėtumėte paleisti net paprasto redaktoriaus, pvz., „NotePad“ ar „TestEdit“ iš standartinio „Windows“ ir „MacOS“ rinkinio. Kompiuteris tiesiog neužtektų galios.

2. Tranzistorių atsiradimas

Pirmieji lauko tranzistoriai pasirodė 1928 m. Tačiau pasaulis pasikeitė tik po to, kai atsirado vadinamieji bipoliniai tranzistoriai, atrasti 1947 m.

1940-ųjų pabaigoje eksperimentinis fizikas Walteris Brattainas ir teoretikas Johnas Bardeenas sukūrė pirmąjį taškinį tranzistorių. 1950 metais jį pakeitė pirmasis sandūrinis tranzistorius, o 1954 metais žinomas gamintojas Texas Instruments paskelbė apie silicio tranzistorių.

Tačiau tikroji revoliucija įvyko 1959 m., kai mokslininkas Jeanas Henri sukūrė pirmąjį plokštuminį (plokštąjį) silicio tranzistorių, kuris tapo monolitinių integrinių grandynų pagrindu.

Taip, tai šiek tiek sudėtinga, todėl pasigilinkime šiek tiek ir nagrinėkime teorinę dalį.

3. Kaip veikia tranzistorius

Taigi tokio elektrinio komponento kaip tranzistoriaus užduotis yra valdyti srovę. Paprasčiau tariant, šis mažas sudėtingas jungiklis valdo elektros srautą.

Pagrindinis tranzistoriaus pranašumas, palyginti su įprastu jungikliu, yra tai, kad jam nereikia asmens buvimo. Tie. toks elementas gali savarankiškai valdyti srovę. Be to, jis veikia daug greičiau, nei pats įjungtumėte ar išjungtumėte elektros grandinę.

Kompiuterio užduotis yra pavaizduoti elektros srovę skaičių pavidalu.

Ir jei anksčiau būsenų perjungimo užduotį atlikdavo gremėzdiškos, gremėzdiškos ir neefektyvios elektros relės, tai dabar šį įprastą darbą perėmė tranzistorius.

Nuo septintojo dešimtmečio pradžios tranzistoriai pradėti gaminti iš silicio, o tai leido ne tik padaryti procesorius kompaktiškesnius, bet ir žymiai padidinti jų patikimumą.

Bet pirmiausia pakalbėkime apie diodą

Silicis (dar žinomas kaip Si – „silicis“ periodinėje lentelėje) priklauso puslaidininkių kategorijai, o tai reiškia, kad, viena vertus, jis praleidžia srovę geriau nei dielektrikas, kita vertus, blogiau nei metalas.

Norime to ar ne, bet norėdami suprasti darbą ir tolimesnę procesorių kūrimo istoriją, turėsime pasinerti į vieno silicio atomo struktūrą. Nebijokite, pateikime trumpai ir labai aiškiai.

Tranzistoriaus užduotis yra sustiprinti silpną signalą dėl papildomo maitinimo šaltinio.

Silicio atomas turi keturis elektronus, kurių dėka jis sudaro ryšius (o tiksliau, kovalentinius ryšius) su tais pačiais trimis šalia esančiais atomais, sudarydamas kristalinę gardelę. Nors dauguma elektronų yra susieti, nedidelė jų dalis gali judėti per kristalinę gardelę. Būtent dėl ​​šio dalinio elektronų perdavimo silicis buvo klasifikuojamas kaip puslaidininkis.

Tačiau toks silpnas elektronų judėjimas neleistų praktiškai naudoti tranzistoriaus, todėl mokslininkai nusprendė padidinti tranzistorių našumą dopingo būdu arba, paprasčiau tariant, į silicio kristalinę gardelę įtraukti atomų su būdingu elektronų išdėstymu.

Taigi jie pradėjo naudoti 5-valentę fosforo priemaišą, dėl kurios buvo gauti n tipo tranzistoriai. Papildomo elektrono buvimas leido pagreitinti jų judėjimą, padidinant srovės srautą.

Pridedant p tipo tranzistorius, tokiu katalizatoriumi tapo boras, kuriame yra trys elektronai. Dėl vieno elektrono nebuvimo kristalinėje gardelėje atsiranda skylės (jos atlieka teigiamo krūvio vaidmenį), tačiau dėl to, kad elektronai sugeba šias skyles užpildyti, silicio laidumas gerokai padidėja.

Tarkime, paėmėme silicio plokštelę ir vieną jos dalį legiravome p tipo priemaiša, o kitą – n tipo priemaiša. Taigi gavome diodą – pagrindinį tranzistoriaus elementą.

Dabar n dalyje esantys elektronai linkę eiti į p dalyje esančias skylutes. Šiuo atveju n pusė turės nedidelį neigiamą krūvį, o p pusė – teigiamą. Dėl šios „gravitacijos“ susidaręs elektrinis laukas – barjeras – užkirs kelią tolesniam elektronų judėjimui.

Jei prie diodo prijungsite maitinimo šaltinį taip, kad "-" liestų plokštės p pusę, o "+" - n pusę, srovės srautas nebus įmanomas dėl to, kad skylės bus pritraukti prie neigiamo maitinimo šaltinio kontakto, o elektronus prie teigiamo, ir ryšys tarp p ir n elektronų bus prarastas dėl kombinuoto sluoksnio plėtimosi.

Bet jei pakankamai įtampos maitinimo šaltinį prijungiate atvirkščiai, t.y. "+" iš šaltinio į p pusę ir "-" į n pusę, elektronai, esantys n pusėje, bus atstumti neigiamo poliaus ir nustumti į p pusę, užimdami skyles p- pusėje. regione.

Tačiau dabar elektronus traukia teigiamas energijos šaltinio polius ir jie toliau juda per p skylutes. Šis reiškinys vadinamas į priekį diodo poslinkiu.

diodas + diodas = tranzistorius

Pats tranzistorius gali būti laikomas dviem diodais, prijungtais vienas prie kito. Tokiu atveju p regionas (tas, kuriame yra skylės) jiems tampa įprastas ir vadinamas „baze“.

N-P-N tranzistorius turi du n sritis su papildomais elektronais - jie taip pat yra „emiteris“ ir „kolektorius“ bei viena silpna sritis su skylutėmis - p sritis, vadinama „baze“.

Jei prijungsite maitinimo šaltinį (vadinkime jį V1) prie n tranzistoriaus sričių (nepriklausomai nuo poliaus), vienas diodas bus nukreiptas atgal, o tranzistorius bus išjungtas.

Bet kai tik prijungsime kitą maitinimo šaltinį (pavadinkime jį V2), nustatydami "+" kontaktą į "centrinį" p regioną (bazę), o "-" kontaktą - į n regioną (spindulį), dalis elektronų tekės per vėl susidariusią grandinę (V2), o dalį pritrauks teigiama n sritis. Dėl to į kolektoriaus sritį pateks elektronai, o silpna elektros srovė bus sustiprinta.

Iškvėpkite!

4. Taigi, kaip iš tikrųjų veikia kompiuteris?

O dabar svarbiausia.

Priklausomai nuo naudojamos įtampos, tranzistorius gali būti atviras arba uždarytas. Jei įtampos nepakanka potencialo barjerui įveikti (tas pats p ir n plokščių sandūroje) - tranzistorius bus uždaroje būsenoje - „išjungtoje“ būsenoje arba, dvejetainės sistemos kalba, „ 0“.

Esant pakankamai įtampai, tranzistorius įsijungia, ir mes gauname dvejetainę reikšmę "on" arba "1".

Ši būsena, 0 arba 1, kompiuterių pramonėje vadinama „bitu“.

Tie. gauname pagrindinę paties jungiklio, kuris žmonijai atvėrė kelią į kompiuterius, savybę!

Pirmajame elektroniniame skaitmeniniame kompiuteryje ENIAC arba, paprasčiau tariant, pirmame kompiuteryje, buvo panaudota apie 18 tūkst. triodų lempų. Kompiuterio dydis buvo panašus į teniso kortą, o jo svoris buvo 30 tonų.

Norint suprasti, kaip veikia procesorius, reikia suprasti dar du pagrindinius dalykus.

1 momentas. Taigi, mes nusprendėme, kas yra bitas. Tačiau su jo pagalba galime gauti tik dvi ko nors charakteristikas: arba „taip“ arba „ne“. Kad kompiuteris išmoktų mus geriau suprasti, jie sugalvojo 8 bitų (0 arba 1) kombinaciją, kurią pavadino baitu.

Naudodami baitą, galite užkoduoti skaičių nuo nulio iki 255. Naudodami šiuos 255 skaičius – nulių ir vienetų derinius, galite užkoduoti bet ką.

2 momentas. Skaičių ir raidžių buvimas be jokios logikos mums nieko neduotų. Štai kodėl atsirado loginių operatorių sąvoka.

Tam tikru būdu sujungę tik du tranzistorius, vienu metu galite atlikti kelis loginius veiksmus: „ir“, „arba“. Kiekvieno tranzistoriaus įtampos dydžio ir jų jungties tipo derinys leidžia gauti skirtingus nulių ir vienetų derinius.

Programuotojų pastangomis nulių ir vienetų reikšmės, dvejetainė sistema, buvo verčiamos į dešimtainę, kad galėtume suprasti, ką tiksliai „sako“ kompiuteris. O norint įvesti komandas, įprasti mūsų veiksmai, pavyzdžiui, raidžių įvedimas iš klaviatūros, yra vaizduojami kaip dvejetainė komandų grandinė.

Paprasčiau tariant, įsivaizduokite, kad yra atitikmenų lentelė, tarkime, ASCII, kurioje kiekviena raidė atitinka 0 ir 1 kombinaciją. Paspaudėte klaviatūros mygtuką, o tuo metu procesoriaus dėka programos dėka tranzistoriai persijungė taip, kad ekrane būtų rodoma dažniausiai parašyta raidė ant klavišo.

5. Ir prasidėjo tranzistorių lenktynės

Po to, kai 1952 m. britų radijo inžinierius Geoffrey Dahmer pasiūlė paprasčiausius elektroninius komponentus sudėti į monolitinį puslaidininkinį kristalą, kompiuterių pramonė padarė šuolį į priekį.

Iš Dahmerio pasiūlytų integrinių grandynų inžinieriai greitai perėjo prie mikroschemų, kurios buvo pagrįstos tranzistoriais. Savo ruožtu keli iš šių lustų jau suformavo patį procesorių.

Žinoma, tokių procesorių matmenys nelabai panašūs į šiuolaikinius. Be to, iki 1964 m. visi procesoriai turėjo vieną problemą. Jiems reikėjo individualaus požiūrio – savo programavimo kalbos kiekvienam procesoriui.

1964 IBM System/360. Su universaliu programavimo kodu suderinamas kompiuteris. Vieno procesoriaus modelio instrukcijų rinkinys gali būti naudojamas kitam.

70-ieji. Pirmųjų mikroprocesorių pasirodymas. Vieno lusto procesorius iš Intel. Intel 4004 – 10 µm TPU, 2300 tranzistorių, 740 kHz.

1973 Intel 4040 ir Intel 8008. 3000 tranzistorių, 740 kHz Intel 4040 ir 3500 tranzistorių 500 kHz Intel 8008.

1974 Intel 8080. 6 µm TPU ir 6000 tranzistorių. Laikrodžio dažnis yra apie 5000 kHz. Būtent šis procesorius buvo naudojamas Altair-8800 kompiuteryje. Vietinė „Intel 8080“ kopija yra KR580VM80A procesorius, kurį sukūrė Kijevo mikroįrenginių tyrimų institutas. 8 bitai

1976 Intel 8080. 3 µm TPU ir 6500 tranzistorių. Laikrodžio dažnis 6 MHz. 8 bitai

1976 m. Zilog Z80. 3 mikronų TPU ir 8500 tranzistorių. Laikrodžio dažnis iki 8 MHz. 8 bitai

1978 Intel 8086. 3 µm TPU ir 29 000 tranzistorių. Laikrodžio dažnis yra apie 25 MHz. x86 instrukcijų rinkinys, kuris vis dar naudojamas šiandien. 16 bitų

1980 Intel 80186. 3 µm TPU ir 134 000 tranzistorių. Laikrodžio dažnis – iki 25 MHz. 16 bitų

1982 Intel 80286. 1,5 µm TPU ir 134 000 tranzistorių. Dažnis – iki 12,5 MHz. 16 bitų

1982 Motorola 68000. 3 µm ir 84 000 tranzistorių. Šis procesorius buvo naudojamas Apple Lisa kompiuteryje.

1985 Intel 80386. 1,5 µm Tp ir 275 000 tranzistorių. Dažnis – iki 33 MHz 386SX versijoje.

Atrodytų, sąrašą būtų galima tęsti neribotą laiką, tačiau tuomet „Intel“ inžinieriai susidūrė su rimta problema.

Išėjo 80-ųjų pabaigoje. 60-ųjų pradžioje vienas iš „Intel“ įkūrėjų Gordonas Moore'as suformulavo vadinamąjį „Moore'o dėsnį“. Tai skamba taip:

Kas 24 mėnesius integrinio grandyno lusto tranzistorių skaičius padvigubėja.

Sunku šį įstatymą pavadinti įstatymu. Tiksliau būtų tai vadinti empiriniu stebėjimu. Lygindamas technologijų plėtros tempus, Moore'as padarė išvadą, kad panaši tendencija gali susidaryti.

Tačiau jau kurdami ketvirtos kartos „Intel i486“ procesorius inžinieriai susidūrė su tuo, kad jie jau pasiekė našumo lubas ir nebegali sutalpinti daugiau procesorių toje pačioje srityje. Tuo metu technologijos to neleido.

Kaip sprendimas buvo rastas variantas naudojant keletą papildomų elementų:

Laikinoji atmintis;

konvejeris;

įmontuotas koprocesorius;

daugiklis.

Dalis skaičiavimo apkrovos krito ant šių keturių mazgų pečių. Dėl to atsiradusi talpyklos atmintis, viena vertus, apsunkino procesoriaus dizainą, kita vertus, ji tapo daug galingesnė.

„Intel i486“ procesorius jau susidėjo iš 1,2 milijono tranzistorių, o maksimalus jo veikimo dažnis siekė 50 MHz.

1995 m. AMD prisijungė prie kūrimo ir išleido tuo metu greičiausią su i486 suderinamą Am5x86 procesorių su 32 bitų architektūra. Jis jau buvo pagamintas pagal 350 nanometrų proceso technologiją, o įdiegtų procesorių skaičius siekė 1,6 mln. Laikrodžio dažnis padidėjo iki 133 MHz.

Tačiau lustų gamintojai nesiryžo toliau didinti mikroschemoje įdiegtų procesorių skaičiaus ir plėtoti jau utopinę CISC (Complex Instruction Set Computing) architektūrą. Vietoje to amerikiečių inžinierius Davidas Pattersonas pasiūlė optimizuoti procesorių darbą, paliekant tik būtiniausias skaičiavimo instrukcijas.

Taigi procesorių gamintojai perėjo prie RISC (Reduced Instruction Set Computing) platformos, tačiau ir to nepakako.

1991 metais buvo išleistas 64 bitų R4000 procesorius, veikiantis 100 MHz dažniu. Po trejų metų pasirodo R8000 procesorius, o po dvejų metų – R10000, kurio taktinis dažnis siekia iki 195 MHz. Lygiagrečiai vystėsi SPARC procesorių rinka, kurios architektūros ypatybė buvo daugybos ir padalijimo instrukcijų nebuvimas.

Užuot kovoję dėl tranzistorių skaičiaus, lustų gamintojai pradėjo permąstyti savo darbo architektūrą. „Nereikalingų“ komandų atmetimas, instrukcijų vykdymas per vieną ciklą, bendros vertės registrų buvimas ir konvejerinis sujungimas leido greitai padidinti procesorių taktinį dažnį ir galią, neiškraipant tranzistorių skaičiaus.

Štai tik keletas architektūrų, atsiradusių 1980–1995 m.:

Jie buvo pagrįsti RISC platforma, o kai kuriais atvejais – daliniu, kombinuotu CISC platformos naudojimu. Tačiau technologijų plėtra dar kartą paskatino lustų gamintojus toliau kurti procesorius.

1999 m. rugpjūtį į rinką pateko AMD K7 Athlon, pagamintas naudojant 250 nm proceso technologiją ir apimantis 22 mln. tranzistorių. Vėliau kartelė buvo pakelta iki 38 milijonų procesorių. Tada iki 250 milijonų padidėjo technologinis procesorius, padidėjo laikrodžio dažnis. Tačiau, kaip sako fizika, viskam yra ribos.

7. Tranzistorių konkurencijos pabaiga arti

2007 m. Gordonas Moore'as padarė labai atvirą pareiškimą:

Moore'o įstatymas greitai nustos galioti. Neįmanoma neribotą laiką įdiegti neribotą skaičių procesorių. To priežastis yra atominė materijos prigimtis.

Plika akimi pastebima, kad du pirmaujantys lustų gamintojai AMD ir Intel per pastaruosius kelerius metus akivaizdžiai sulėtino procesorių kūrimo tempą. Technologinio proceso tikslumas išaugo vos iki kelių nanometrų, tačiau dar daugiau procesorių patalpinti neįmanoma.

Ir nors puslaidininkių gamintojai grasina išleisti daugiasluoksnius tranzistorius, vesdami paralelę su 3DNand atmintimi, prieš 30 metų prie sieninės x86 architektūros atsirado rimtas konkurentas.

8. Kas laukia „įprastų“ procesorių

Moore'o įstatymas buvo pripažintas negaliojančiu nuo 2016 m. Apie tai oficialiai paskelbė didžiausias procesorių gamintojas „Intel“. Kas dvejus metus 100% padvigubinti skaičiavimo galią lustų gamintojai nebegali.

O dabar procesorių gamintojai turi keletą nežadančių galimybių.

Pirmasis variantas yra kvantiniai kompiuteriai. Jau buvo bandoma sukurti kompiuterį, kuris naudotų daleles informacijai pavaizduoti. Pasaulyje yra keletas tokių kvantinių įrenginių, tačiau jie gali susidoroti tik su mažo sudėtingumo algoritmais.

Be to, tokių įrenginių serijinis paleidimas ateinančiais dešimtmečiais nekyla klausimas. Brangus, neefektyvus ir... lėtas!

Taip, kvantiniai kompiuteriai sunaudoja daug mažiau energijos nei jų šiuolaikiniai kolegos, tačiau jie taip pat bus lėtesni, kol kūrėjai ir komponentų gamintojai pereis prie naujų technologijų.

Antrasis variantas yra procesoriai su tranzistorių sluoksniais. Tiek „Intel“, tiek AMD rimtai pagalvojo apie šią technologiją. Vietoj vieno tranzistorių sluoksnio jie planuoja naudoti kelis. Panašu, kad artimiausiais metais gali atsirasti procesorių, kuriuose bus svarbus ne tik branduolių skaičius ir laikrodžio dažnis, bet ir tranzistorių sluoksnių skaičius.

Sprendimas turi teisę į gyvybę, todėl monopolistai dar porą dešimtmečių galės melžti vartotoją, tačiau galiausiai technologija vėl pasieks lubas.

Šiandien, suvokdama sparčią ARM architektūros plėtrą, „Intel“ tyliai paskelbė apie „Ice Lake“ lustų šeimą. Procesoriai bus gaminami 10 nanometrų procesu ir taps išmaniųjų telefonų, planšetinių kompiuterių ir mobiliųjų įrenginių pagrindu. Bet tai įvyks 2019 m.

9. ARM – ateitis Taigi x86 architektūra atsirado 1978 metais ir priklauso CISC platformos tipui. Tie. savaime reiškia, kad yra nurodymų visoms progoms. Universalumas yra pagrindinė x86 stiprioji pusė.

Tačiau tuo pat metu universalumas su šiais procesoriais žiauriai juokavo. x86 turi keletą pagrindinių trūkumų:

komandų sudėtingumas ir atviras jų supainiojimas;

didelis energijos suvartojimas ir šilumos išsiskyrimas.

Dėl didelio našumo turėjau atsisveikinti su energijos vartojimo efektyvumu. Be to, dvi įmonės šiuo metu dirba su x86 architektūra, kurią galima drąsiai priskirti monopolistams. Tai yra „Intel“ ir „AMD“. Tik jie gali gaminti x86 procesorius, vadinasi, tik jie valdo technologijų vystymąsi.

Tuo pačiu metu kelios įmonės dalyvauja kuriant ARM (Arcon Risk Machine). Dar 1985 metais kūrėjai pasirinko RISC platformą kaip pagrindą tolesniam architektūros vystymui.

Skirtingai nei CISC, RISC apima procesoriaus sukūrimą su minimaliu reikiamu instrukcijų skaičiumi, bet maksimaliai optimizuojant. RISC procesoriai yra daug mažesni nei CISC, efektyvesni ir paprastesni.

Be to, ARM iš pradžių buvo sukurtas tik kaip x86 konkurentas. Kūrėjai iškėlė užduotį sukurti architektūrą, kuri būtų efektyvesnė nei x86.

Nuo 1940-ųjų inžinieriai suprato, kad viena iš prioritetinių užduočių yra sumažinti kompiuterių, o pirmiausia – pačių procesorių, dydį. Tačiau beveik prieš 80 metų vargu ar kas nors galėjo pagalvoti, kad pilnavertis kompiuteris bus mažesnis už degtukų dėžutę.

Skeptiškiems vartotojams, naršantiems aukščiausias „Geekbench“ linijas, tiesiog noriu priminti: mobiliosiose technologijose pirmiausia svarbu dydis.

Ant stalo padėkite saldainių batonėlį su galingu 18 branduolių procesoriumi, kuris „suplėšia ARM architektūrą“, o tada padėkite savo iPhone šalia jo. Jausti skirtumą?

11. Vietoj produkcijos

Vienoje medžiagoje neįmanoma aprėpti 80 metų kompiuterių kūrimo istorijos. Tačiau perskaitę šį straipsnį galėsite suprasti, kaip yra išdėstytas pagrindinis bet kurio kompiuterio elementas – procesorius ir ko tikėtis iš rinkos ateinančiais metais.

Žinoma, „Intel“ ir AMD stengsis toliau didinti tranzistorių skaičių viename luste ir propaguoti daugiasluoksnių elementų idėją.

Bet ar jums, kaip klientui, reikia tokios galios?

Nemanau, kad esate nepatenkinti iPad Pro ar pavyzdinio iPhone X našumu. Nemanau, kad esate nepatenkinti savo daugiafunkcinės viryklės veikimu virtuvėje ar 65 colių 4K vaizdo kokybe. televizorius. Tačiau visi šie įrenginiai naudoja ARM architektūros procesorius.

„Windows“ jau oficialiai paskelbė, kad su susidomėjimu žvelgia į ARM. Bendrovė įtraukė šios architektūros palaikymą dar į Windows 8.1 ir dabar aktyviai dirba kartu su pirmaujančia ARM lustų gamintoja Qualcomm.

Google taip pat spėjo pažvelgti į ARM – tokią architektūrą palaiko operacinė sistema Chrome OS. Iš karto pasirodė keli Linux platinimai, kurie taip pat yra suderinami su šia architektūra. Ir tai tik pradžia.

Ir tiesiog pabandykite akimirką įsivaizduoti, kaip bus malonu sujungti energiją taupantį ARM procesorių su grafeno baterija. Būtent tokia architektūra leis įsigyti mobiliųjų ergonominių įtaisų, galinčių nulemti ateitį.

Kompiuterių pasaulis sparčiai keičiasi. Staliniai kompiuteriai prarado pirmąją vietą pardavimų reitinge nešiojamiesiems kompiuteriams ir netrukus užleis rinką planšetiniams kompiuteriams ir kitiems mobiliesiems įrenginiams. Prieš 10 metų vertinome gryną megahercą, tikrą galią ir našumą. Dabar, norint užkariauti rinką, procesorius turi būti ne tik greitas, bet ir ekonomiškas. Daugelis mano, kad ARM yra XXI amžiaus architektūra. Ar taip yra?

Nauja - gerai pamiršta sena

Žurnalistai, sekantys ARM PR žmones, dažnai šią architektūrą pristato kaip kažką visiškai naujo, kas turėtų palaidoti žilaplaukį x86.

Tiesą sakant, ARM ir x86, kurių pagrindu jie yra sukurti Intel procesoriai, AMD ir VIA, įdiegtos nešiojamuosiuose ir staliniuose kompiuteriuose, yra praktiškai to paties amžiaus. Pirmasis x86 lustas buvo išleistas 1978 m. ARM projektas oficialiai prasidėjo 1983 m., Tačiau jis buvo pagrįstas plėtra, kuri buvo vykdoma beveik tuo pačiu metu, kai buvo sukurta x86.

Ankstyvieji ARM sužavėjo specialistus savo rafinuotumu, tačiau savo santykinai žemu našumu jie negalėjo užkariauti rinkos, kuri reikalavo didelio greičio ir nekreipė dėmesio į našumą. Kad ARM populiarumas pakiltų į viršų, turėjo būti tam tikros sąlygos.

Devintojo ir devintojo dešimtmečių sandūroje su palyginti nebrangia alyva buvo paklausūs didžiuliai visureigiai su galingais 6 litrų varikliais. Nedaug žmonių domėjosi elektromobiliais. Tačiau šiais laikais, kai naftos barelis kainuoja daugiau nei 100 dolerių, dideli automobiliai su šlykščiais varikliais skirti tik turtingiesiems, likusieji skuba persėsti į degalus taupančius automobilius. Panašiai nutiko ir ARM. Kai iškilo mobilumo ir efektyvumo klausimas, architektūra pasirodė esanti labai paklausi.

„Rizikos“ procesorius

ARM yra RISC architektūra. Jis naudoja sumažintą komandų rinkinį – RISC (sumažintų instrukcijų rinkinio kompiuteris). Šio tipo architektūra atsirado aštuntojo dešimtmečio pabaigoje, maždaug tuo pačiu metu, kai „Intel“ pristatė savo x86.

Eksperimentuodami su įvairiais kompiliatoriais ir mikrokoduotais procesoriais, inžinieriai pastebėjo, kad kai kuriais atvejais paprastų instrukcijų sekos buvo greitesnės nei viena sudėtinga operacija. Buvo nuspręsta sukurti architektūrą, kuri apimtų darbą su ribotu paprastų instrukcijų rinkiniu, kurių dekodavimas ir vykdymas užtruktų minimaliai.

Vieną pirmųjų projektų, skirtų RISC procesoriams, 1981 m. įgyvendino grupė studentų ir dėstytojų iš Berklio universiteto. Kaip tik tuo metu britų kompanija Acorn susidūrė su laikmečio iššūkiu. Ji gamino „BBC Micro“ mokomuosius kompiuterius, kurie buvo labai populiarūs „Foggy Albion“, remiantis procesoriumi 6502. Tačiau netrukus šie namų kompiuteriai pradėjo prarasti pažangesnius įrenginius. Acorn rizikavo prarasti rinką. Įmonės inžinieriai, susipažinę su studentų darbu su RISC procesoriais, nusprendė, kad susikurti savo lustą bus gana paprasta. 1983 metais prasidėjo projektas Acorn RISC Machine, kuris vėliau virto ARM. Po trejų metų buvo išleistas pirmasis procesorius.

Pirmieji ARM

Jis buvo nepaprastai paprastas. Pirmuosiuose ARM lustuose net nebuvo daugybos ir dalybos instrukcijų, kurios atrodė kaip daugiau paprastos instrukcijos. Kitas lustų bruožas buvo darbo su atmintimi principai: visas operacijas su duomenimis buvo galima atlikti tik registruose. Tuo pačiu metu procesorius dirbo su vadinamuoju registrų langu, tai yra, galėjo pasiekti tik dalį visų turimų registrų, kurie iš esmės buvo universalūs, o jų darbas priklausė nuo procesoriaus režimo. Tai leido pirmosioms ARM versijoms atsisakyti talpyklos.

Be to, supaprastinę instrukcijų rinkinius, architektai galėjo apsieiti be daugybės kitų blokų. Pavyzdžiui, pirmajame ARM iš viso nebuvo mikrokodo, taip pat slankiojo kablelio vieneto FPU. Bendras tranzistorių skaičius pirmajame ARM buvo 30 000. Panašiame x86 jų buvo kelis kartus ar net eilės tvarka daugiau. Papildomas energijos taupymas pasiekiamas sąlygiškai vykdant komandas. Tai yra, ta ar kita operacija bus atlikta, jei registre bus atitinkamas faktas. Tai padeda procesoriui išvengti „perteklinių gestų“. Visos instrukcijos vykdomos nuosekliai. Dėl to ARM prarado našumą, bet ne reikšmingai, tačiau žymiai padidino energijos suvartojimą.

Pagrindiniai architektūros kūrimo principai išlieka tokie patys kaip ir pirmuosiuose ARM: darbas su duomenimis tik registruose, sumažintas instrukcijų rinkinys, minimalus papildomų modulių kiekis. Visa tai suteikia architektūrai mažą energijos suvartojimą ir palyginti didelį našumą.

Siekdama jį padidinti, ARM per pastaruosius metus pristatė keletą papildomų instrukcijų rinkinių. Kartu su klasikiniu ARM yra Thumb, Thumb 2, Jazelle. Pastaroji skirta paspartinti Java kodo vykdymą.

Cortex – pažangiausia ARM

Cortex – modernios architektūros mobiliesiems įrenginiams, įterptoms sistemoms ir mikrovaldikliams. Atitinkamai, centriniai procesoriai žymimi kaip „Cortex-A“, įterptieji – „Cortex-R“, o mikrovaldikliai – „Cortex-M“. Visi jie yra pagrįsti ARMv7 architektūra.

Pažangiausia ir galingiausia ARM linijos architektūra yra Cortex-A15. Manoma, kad jo pagrindu daugiausia bus gaminami dviejų ar keturių branduolių modeliai. Cortex-A15 iš visų ankstesnių ARM yra arčiausiai x86 pagal blokų skaičių ir kokybę.

Cortex-A15 yra pagrįstas procesoriaus branduoliais su FPU ir NEON SIMD instrukcijų rinkiniu, skirtu pagreitinti daugialypės terpės duomenų apdorojimą. Šerdys turi 13 pakopų konvejerį, palaiko instrukcijų vykdymą laisva tvarka, ARM pagrįstą virtualizaciją.

Cortex-A15 palaiko išplėstinės atminties adresavimo sistemą. ARM išlieka 32 bitų architektūra, tačiau bendrovės inžinieriai išmoko konvertuoti 64 bitų ar kitą išplėstinį adresą į suprantamą 32 bitų procesorių. Ši technologija vadinama Long Physical Address Extensions. Jos dėka Cortex-A15 teoriškai gali išspręsti iki 1 TB atminties.

Kiekviename branduolyje yra pirmojo lygio talpykla. Be to, yra iki 4 MB mažos delsos paskirstytos L2 talpyklos. Procesorius aprūpintas 128 bitų koherentine magistrale, kuria galima susisiekti su kitais blokais ir periferiniais įrenginiais.

„Cortex-A15“ šerdys yra „Cortex-A9“ evoliucija. Jie turi panašią struktūrą.

Cortex-A9, skirtingai nei Cortex-A15, gali būti gaminamas tiek kelių, tiek vieno branduolio versijomis. Maksimalus dažnis yra 2,0 GHz, Cortex-A15 siūlo galimybę sukurti lustus, veikiančius 2,5 GHz dažniu. Jo pagrindu lustai bus gaminami naudojant 40 nm ir plonesnius gamybos procesus. Cortex-A9 yra 65 ir 40 nm proceso technologijos.

„Cortex-A9“, kaip ir „Cortex-A15“, yra sukurtas naudoti didelio našumo išmaniuosiuose telefonuose ir planšetiniuose kompiuteriuose, tačiau yra per tvirtas rimtesnėms programoms, pavyzdžiui, serveriuose. Tik Cortex-A15 turi aparatinę virtualizaciją, išplėstinės atminties adresavimą. Be to, NEON Advanced SIMD instrukcijų rinkinys ir FPU Cortex-A9 yra pasirenkami elementai, o Cortex-A15 jie yra privalomi.

Ateityje „Cortex-A8“ palaipsniui išnyks iš scenos, tačiau kol kas ši vieno branduolio parinktis bus naudojama nebrangiuose išmaniuosiuose telefonuose. Nebrangus sprendimas su dažniais nuo 600 MHz iki 1 GHz yra subalansuota architektūra. Jis turi FPU, palaiko pirmąją SIMD NEON versiją. „Cortex-A8“ atlieka vieną gamybos procesą – 65 nm.

ARM ankstesnės kartos

ARM11 procesoriai yra gana paplitę mobiliųjų telefonų rinkoje. Jie yra pagrįsti ARMv6 architektūra ir jos modifikacijomis. Jam būdingi 8-9 pakopų vamzdynai, Jazelle palaikymas, pagreitinantis Java kodo apdorojimą, SIMD instrukcijų srautinis siuntimas, Thumb-2.

XScale, ARM10E, ARM9E procesoriai yra pagrįsti ARMv5 architektūra ir jos modifikacijomis. Maksimalus dujotiekio ilgis yra 6 etapai, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. XScale lustai turi antrojo lygio talpyklą. Procesoriai buvo naudojami išmaniuosiuose telefonuose nuo 2000-ųjų vidurio, o šiandien juos galima rasti kai kuriuose nebrangiuose mobiliuosiuose telefonuose.

ARM9TDMI, ARM8, StrongARM yra ARMv4 atstovai, kurie turi 3-5 pakopų vamzdyną, palaiko Thumb. Pavyzdžiui, ARMv4 buvo rastas ankstyvuosiuose klasikiniuose „iPod“.

ARM6 ir ARM7 yra ARMv3. Šioje architektūroje pirmą kartą pasirodė FPU blokas, įgyvendintas 32 bitų atminties adresavimas, o ne 26 bitų, kaip pirmuosiuose architektūros pavyzdžiuose. Formaliai ARMv2 ir ARMv1 buvo 32 bitų lustai, tačiau iš tikrųjų jie aktyviai dirbo tik su 26 bitų adresų erdve. Talpykla pirmą kartą pasirodė ARMv2.

Jų vardas legionas

Acorn iš pradžių nesiruošė tapti procesorių rinkos žaidėju. ARM projekto užduotis buvo sukurti savo gamybos lustą kompiuteriams gaminti - būtent kompiuterio kūrimas Acorne buvo laikomas pagrindiniu jo verslu.

Iš kūrėjų grupės „Apple“ dėka ARM tapo įmone. 1990 m. Apple bendradarbiavo su VLSI ir Acorn, kad sukurtų ekonomišką procesorių pirmajam Newton delniniam kompiuteriui. Šiems tikslams buvo sukurta atskira įmonė, kuri gavo vidinio Acorn projekto pavadinimą - ARM.

Dalyvaujant „Apple“, buvo sukurtas ARM6 procesorius, kuris yra arčiausiai šiuolaikinių anglų kūrėjo lustų. Tuo pačiu metu DEC sugebėjo patentuoti ARM6 architektūrą ir pradėjo gaminti lustus su StrongARM prekės ženklu. Po poros metų ši technologija buvo perduota „Intel“ kaip dalis kito ginčo dėl patentų. Mikroprocesorių milžinas ARM pagrindu sukūrė savo analogą – XScale procesorių. Tačiau praėjusio dešimtmečio viduryje „Intel“ atsikratė šio „nepagrindinio turto“, sutelkdama dėmesį tik į x86. „XScale“ perėmė „Marvell“, kuri jau licencijavo ARM.

Naujai pasauliui pasirodžiusi ARM iš pradžių negalėjo užsiimti procesorių gamyba. Jos vadovybė pasirinko kitokį būdą užsidirbti pinigų. ARM architektūra pasižymėjo paprastumu ir lankstumu. Iš pradžių branduoliui net buvo atimta talpykla, todėl vėliau papildomi moduliai, įskaitant FPU, valdikliai nebuvo glaudžiai integruoti į procesorių, o tarsi pakabinti ant pagrindo.

Atitinkamai ARM pateko į išmanų dizainerį, kuris leido technologiškai pažengusioms įmonėms pagal savo poreikius sukurti procesorius ar mikrovaldiklius. Tai atliekama naudojant vadinamuosius koprocesorius, kurie gali išplėsti standartinį funkcionalumą. Iš viso architektūra palaiko iki 16 koprocesorių (numeruojamų nuo 0 iki 15), tačiau skaičius 15 yra skirtas koprocesoriui, kuris atlieka talpyklos ir atminties valdymo funkcijas.

Išoriniai įrenginiai jungiasi prie ARM lusto, susiedami savo registrus su procesoriaus arba koprocesoriaus atminties erdve. Pavyzdžiui, vaizdo apdorojimo lustą gali sudaryti gana paprastas ARM7TDMI pagrindu sukurtas branduolys ir koprocesorius, užtikrinantis HDTV dekodavimą.

ARM pradėjo licencijuoti savo architektūrą. Kitos įmonės jau yra įtrauktos į jo diegimą silicyje, įskaitant Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, bet ir visiškai nepagrindines, tokias kaip Samsung, Nokia, Nintendo ar Canon.

Savo gamyklų trūkumas ir įspūdingi honorarai leido ARM būti lankstesniam kuriant naujas architektūros versijas. Įmonė juos kepė kaip karštus pyragus, žengdama į naujas nišas. Be išmaniųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių, architektūra naudojama specializuotuose procesoriuose, tokiuose kaip GPS navigatoriai, skaitmeniniai fotoaparatai ir vaizdo kameros. Jo pagrindu sukuriami pramoniniai valdikliai ir kiti įterptųjų sistemų lustai.

ARM licencijavimo sistema yra tikras mikroelektronikos prekybos centras. Įmonė licencijuoja ne tik naujas, bet ir pasenusias architektūras. Pastarieji gali būti naudojami kuriant mikrovaldiklius ar lustus pigiems įrenginiams. Natūralu, kad autorinių atlyginimų dydis priklauso nuo gamintoją dominančio architektūros varianto naujumo ir sudėtingumo. Tradiciškai techniniai procesai, kuriems ARM kuria procesorius, 1–2 žingsniais atsilieka nuo tų, kurie laikomi svarbiais x86. Dėl didelio architektūros energijos vartojimo efektyvumo ji mažiau priklauso nuo perėjimo prie naujų techninių standartų. „Intel“ ir AMD siekia pagaminti plonesnius lustus, kad padidintų laikrodžio greitį ir branduolių skaičių, išlaikant fizinį dydį ir energijos suvartojimą. ARM turi mažesnius galios poreikius, be to, užtikrina didesnį našumą vienam vatui.

NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell procesorių savybės

Licencijuodami ARM dešinę ir kairę, kūrėjai sustiprino savo architektūros pozicijas partnerių kompetencijų sąskaita. Klasikiniu pavyzdžiu šiuo atveju galima laikyti NVIDIA Tegra. Ši lusto sistemų linija yra pagrįsta ARM architektūra, tačiau NVIDIA jau turėjo savo labai rimtų patobulinimų trimatės grafikos ir sistemos logikos srityje.

ARM suteikia savo licencijų išdavėjams plačius įgaliojimus pertvarkyti architektūrą. Atitinkamai, NVIDIA inžinieriai sugebėjo sujungti ARM (CPU skaičiavimo) ir savo gaminių stipriąsias puses Tegra programoje – dirbti su trimate grafika ir pan. Dėl to „Tegra“ turi aukščiausią 3D našumą savo klasėje. Jie yra 25–30% greitesni už „Samsung“ ir „Texas Instruments“ naudojamą „PowerVR“ ir yra beveik dvigubai greitesni nei „Qualcomm“ „Adreno“.

Kiti ARM architektūra pagrįstų procesorių gamintojai stiprina tam tikrus papildomus blokus, tobulina lustus, siekdami didesnių dažnių ir našumo.

Pavyzdžiui, Qualcomm nenaudoja ARM etaloninio dizaino. Bendrovės inžinieriai jį rimtai perkūrė ir pavadino Scorpio – būtent jis yra Snapdragon lustų pagrindas. Iš dalies dizainas buvo perkurtas, siekiant įvaldyti subtilesnius techninius procesus, nei suteikia standartinis IP ARM. Dėl to pirmieji „Snapdragons“ buvo pagaminti pagal 45 nm standartus, o tai suteikė jiems aukštesnius dažnius. O naujos kartos šių procesorių su deklaruotu 2,5 GHz dažniu gali net tapti greičiausias tarp analogų, paremtų ARM Cortex-A9. „Qualcomm“ taip pat naudoja savo „Adreno“ grafikos branduolį, pagrįstą iš AMD įsigytais dizainais. Taigi tam tikra prasme Snapdragon ir Tegra yra priešai genetiniu lygmeniu.

„Samsung“, kurdama Hummingbird, taip pat pasuko architektūros optimizavimo keliu. Korėjiečiai kartu su „Intrinsity“ pakeitė logiką, todėl sumažėjo instrukcijų, reikalingų kai kurioms operacijoms atlikti, skaičius. Taip buvo galima laimėti 5-10% produktyvumo. Be to, buvo pridėta dinamiška antrojo lygio talpykla ir ARM NEON daugialypės terpės plėtinys. Korėjiečiai PowerVR SGX540 naudojo kaip grafikos modulį.

Texas Instruments naujoje OMAP serijoje, pagrįstoje ARM Cortex-A architektūra, pridėjo specialų IVA modulį, atsakingą už vaizdo apdorojimo spartinimą. Tai leidžia greitai apdoroti duomenis, gaunamus iš jutiklio integruotos kameros. Be to, jis yra prijungtas prie IPT ir prisideda prie vaizdo pagreitinimo. OMAP taip pat naudoja PowerVR grafiką.

„Apple A4“ turi didelę 512 KB talpyklą, „PowerVR“ grafiką, o pats ARM branduolys yra pagrįstas „Samsung“ perkurtu architektūros variantu.

Dviejų branduolių Apple A5, kuris debiutavo iPad 2 2011 m. pradžioje, yra pagrįstas ARM Cortex-A9 architektūra, kaip ir praėjusį kartą optimizavo Samsung. Palyginti su A4, naujasis lustas turi dvigubai daugiau L2 talpyklos – ji padidinta iki 1 MB. Procesorius turi dviejų kanalų RAM valdiklį ir patobulintą vaizdo bloką. Dėl to jo našumas kai kuriose užduotyse yra dvigubai didesnis nei Apple A4.

„Marvell“ siūlo lustus, pagrįstus savo „Sheeva“ architektūra, kuri atidžiau išnagrinėjus pasirodo esanti XScale, kadaise pirkta iš „Intel“, ir ARM hibridas. Šie lustai turi didelę talpyklą, palyginti su jų kolegomis, ir turi specialų daugialypės terpės modulį.

Šiuo metu ARM licencijos turėtojai gamina tik lustus, pagrįstus ARM Cortex-A9 architektūra. Tuo pačiu metu, nors leidžia kurti keturių branduolių variantus, NVIDIA, Apple, Texas Instruments ir kiti vis tiek apsiriboja modeliais su vienu ar dviem branduoliais. Be to, lustai veikia iki 1,5 GHz dažniais. „Cortex-A9“ leidžia gaminti dviejų GHz procesorius, tačiau vėlgi, gamintojai nesistengia sparčiai didinti dažnių – kol kas rinkai užteks dviejų branduolių 1,5 GHz procesorių.

Procesoriai, pagrįsti Cortex-A15, turėtų tapti tikrai kelių branduolių, bet jei jie bus paskelbti, tada popieriuje. Jų pasirodymo silicyje reikėtų tikėtis kitais metais.

Dabartiniai Cortex-A9 pagrįsti ARM licencijos turėtojai procesoriai:

x86 - pagrindinis varžovas

x86 yra CISC architektūros atstovas. Jie naudoja visą komandų rinkinį. Viena instrukcija šiuo atveju atlieka keletą žemo lygio operacijų. Programos kodas, skirtingai nei ARM, yra kompaktiškesnis, tačiau veikia ne taip greitai ir reikalauja daugiau resursų. Be to, nuo pat pradžių x86 buvo aprūpinti visais reikalingais blokais, o tai bylojo ir jų universalumą, ir glotnumą. Papildoma energija buvo skirta besąlygiškam, lygiagrečiam komandų vykdymui. Tai leidžia pasiekti greičio pranašumą, tačiau kai kurios operacijos neveikia, nes neatitinka ankstesnių sąlygų.

Tai buvo klasikinis x86, bet pradedant nuo 80486, Intel de facto sukūrė vidinį RISC branduolį, kuris vykdė CISC komandas, anksčiau išskaidytas į paprastesnes instrukcijas. Šiuolaikiniai Intel ir AMD procesoriai turi tą patį dizainą.

Windows 8 ir ARM

ARM ir x86 šiandien skiriasi mažiau nei prieš 30 metų, tačiau vis dar yra pagrįsti skirtingais principais, kurie išskiria juos į skirtingas procesorių rinkos nišas. Architektūra galbūt niekada nebūtų susikirtusi, jei nebūtų pasikeitęs pats kompiuteris.

Išryškėjo mobilumas ir efektyvumas, daugiau dėmesio skirta išmaniesiems telefonams ir planšetiniams kompiuteriams. „Apple“ uždirba daug pinigų iš mobiliųjų įtaisų ir su jomis susietos infrastruktūros. „Microsoft“ nenori likti nuošalyje ir jau antrus metus bando įsitvirtinti planšetinių kompiuterių rinkoje. Google sekasi visai neblogai.

Stalinis kompiuteris pirmiausia tampa darbo įrankiu, buitinio kompiuterio nišą užima planšetės ir specializuoti įrenginiai. Tokiomis sąlygomis „Microsoft“ imasi precedento neturinčio žingsnio. . Prie ko tai prives, nėra visiškai aišku. Gausime dvi operacinės sistemos versijas arba vieną, kuri veiks su abiem architektūromis. Ar „Microsoft“ x86 palaikymas palaidos ARM, ar ne?

Dar mažai informacijos. „Microsoft“ demonstravo „Windows 8“ ARM pagrindu veikiančiame įrenginyje CES 2011 metu. Steve'as Ballmeris parodė, kad ARM platformoje galite naudoti „Windows“ norėdami žiūrėti vaizdo įrašus, dirbti su vaizdais, naudotis internetu – „Internet Explorer“ veikė net su aparatūros spartinimu – prijungti USB. prietaisai dokumentams spausdinti. Svarbiausia šioje demonstracijoje buvo tai, kad „Microsoft Office“ veikia ARM be virtualios mašinos. Pristatyme buvo parodytos trys programėlės, pagrįstos Qualcomm, Texas Instruments ir NVIDIA procesoriais. „Windows“ turėjo standartinį „septynių“ apvalkalą, tačiau „Microsoft“ atstovai paskelbė apie naują, pertvarkytą sistemos branduolį.

Tačiau „Windows“ yra ne tik „Microsoft“ inžinierių sukurta OS, bet ir milijonai programų. Kai kuri programinė įranga yra labai svarbi daugelio profesijų žmonėms. Pavyzdžiui, „Adobe CS“ paketas. Ar įmonė palaikys ARM-Windows programinės įrangos versiją, ar naujasis branduolys leis „Photoshop“ ir kitas populiarias programas paleisti kompiuteriuose su „NVIDIA Tegra“ ar panašiais lustais be papildomų kodo modifikacijų?

Be to, kyla klausimas dėl vaizdo plokščių. Dabar nešiojamiesiems kompiuteriams skirtos vaizdo plokštės gaminamos optimizuojant stalinių kompiuterių grafikos lustų energijos sąnaudas – jos architektūriškai vienodos. Tuo pačiu dabar vaizdo plokštė yra kažkas panašaus į „kompiuterį kompiuteryje“ – ji turi savo itin sparčią operatyviąją atmintį ir savo skaičiavimo lustą, kuris konkrečiose užduotyse gerokai lenkia įprastus procesorius. Savaime suprantama, kad jiems buvo atliktas atitinkamas programų, dirbančių su 3D grafika, optimizavimas. Taip, ir įvairios vaizdo redagavimo programos bei grafiniai redaktoriai (ypač „Photoshop“ iš CS4 versijos), o pastaruoju metu naršyklės taip pat naudoja GPU aparatinės įrangos spartinimą.

Žinoma, „Android“, „MeeGo“, „BlackBerry OS“, „iOS“ ir kitose mobiliosiose sistemose atliktas reikalingas optimizavimas įvairiems rinkoje esantiems mobiliesiems (tiksliau – itin mobiliesiems) greitintuvams. Tačiau jie nepalaikomi sistemoje „Windows“. Tvarkyklės, žinoma, bus rašomos (ir jau rašomos – Intel Atom Z500 serijos procesoriai tiekiami su mikroschemų rinkiniu, kuriame integruotas „išmaniojo telefono“ PowerVR SGX 535 grafinis branduolys), tačiau aplikacijų optimizavimas joms gali vėluoti, jei išvis. .

Akivaizdu, kad „ARM darbalaukyje“ nelabai įsitvirtins. Nebent mažos galios sistemose, kuriose jie prisijungs prie interneto ir žiūrės filmus. Tinkluose apskritai. Taigi ARM tik bando pakeisti nišą, kurią užėmė „Intel Atom“ ir kurią dabar aktyviai stumia AMD su savo „Brazos“ platforma. Ir atrodo, kad ji yra jos dalis. Nebent abi procesorių kompanijos „iššautų“ su kažkuo labai konkurencingu.

Kai kur Intel Atom ir ARM jau konkuruoja. Jie naudojami kuriant tinklo saugyklas ir mažos galios serverius, kurie gali aptarnauti nedidelį biurą ar butą. Taip pat yra keletas komercinių grupių projektų, pagrįstų ekonomiškai efektyviais „Intel“ lustais. Naujų ARM Cortex-A9 pagrindu sukurtų procesorių charakteristikos leidžia juos naudoti infrastruktūros palaikymui. Taigi per porą metų galime gauti ARM serverius arba ARM-NAS mažiems vietiniams tinklams ir neatmetama mažos galios interneto serverių atsiradimas.

Pirmas sparingas

Pagrindinis ARM konkurentas iš x86 pusės yra Intel Atom, o dabar galite pridėti . x86 ir ARM palyginimą atliko Van Smithas, sukūręs bandomuosius paketus OpenSourceMark, miniBench ir vienas iš SiSoftware Sandra bendraautorių. Lenktynėse dalyvavo Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. x86 lustų dažniai buvo sumažinti, tačiau jie vis tiek turėjo pranašumą dėl pažangesnės atminties.

Rezultatai buvo labai įdomūs. ARM lustas pasirodė esąs toks pat greitas, kaip ir jo konkurentai, atliekant operacijas sveikaisiais skaičiais, tuo pačiu sunaudodamas mažiau energijos. Čia nėra nieko stebėtino. Iš pradžių architektūra buvo gana greita ir ekonomiška. Atliekant slankiojo kablelio operacijas, ARM prarado x86. Čia paveikė tradiciškai galingas „Intel“ ir AMD lustams skirtas FPU blokas. Prisiminkite, kad jis pasirodė ARM palyginti neseniai. Užduotys, tenkančios FPU, užima reikšmingą vietą šiuolaikinio vartotojo gyvenime - tai žaidimai, vaizdo ir garso kodavimas bei kitos srautinio perdavimo operacijos. Žinoma, Van Smitho atlikti testai šiandien nebėra tokie aktualūs. ARM gerokai padidino savo architektūros trūkumus Cortex-A9 ir ypač Cortex-A15 versijose, kurios, pavyzdžiui, jau gali besąlygiškai vykdyti instrukcijas, lygiagrečiai užduočių vykdymą.

ARM perspektyva

Taigi kokią architektūrą turėtumėte naudoti, ARM ar x86? Geriausia būtų lažintis dėl abiejų. Šiandien gyvename kompiuterių rinkos performatavimo sąlygomis. 2008 m. internetiniai kompiuteriai pranašavo šviesią ateitį. Pigūs kompaktiški nešiojamieji kompiuteriai daugeliui vartotojų turėjo būti pagrindinis kompiuteris, ypač pasaulinės krizės fone. Bet tada prasidėjo ekonomikos atsigavimas ir atsirado iPad. Planšetiniai kompiuteriai dabar yra rinkos karaliai. Tačiau planšetinis kompiuteris yra geras kaip pramogų konsolė, tačiau nėra labai patogus naudoti pirmiausia dėl jutiklinio įvesties – parašyti šį straipsnį iPad būtų labai sunku ir ilga. Ar tabletės atlaikys laiko išbandymą? Galbūt po poros metų sugalvosime naują žaislą.

Tačiau vis tiek mobiliajame segmente, kur nereikia didelio našumo, o vartotojų veikla daugiausia apsiriboja pramogomis ir nesusijusi su darbu, ARM atrodo geriau nei x86. Jie užtikrina priimtiną našumo lygį ir ilgą baterijos veikimo laiką. „Intel“ bandymai priminti „Atom“ iki šiol buvo nesėkmingi. ARM nustato naują našumo juostą vienam vatui. Greičiausiai ARM pasiseks kompaktiškuose mobiliuosiuose dalykėliuose. Netbook rinkoje jie taip pat gali tapti lyderiais, tačiau čia viskas priklauso ne tiek nuo procesorių kūrėjų, kiek nuo Microsoft ir Google. Jei pirmasis įdiegia įprastą ARM palaikymą sistemoje „Windows 8“, o antrasis primins „Chrome“ OS. Iki šiol „Qualcomm“ siūlomos išmaniosios knygos nepadarė rinkos. Netbook'ai x86 pagrindu išliko.

Proveržį šia kryptimi, kaip planavo ARM, turėtų padaryti Cortex-A15 architektūra. Namų pramogų sistemoms įmonė rekomenduoja jos pagrindu sukurtus dviejų ir keturių branduolių procesorius, kurių dažnis yra 1,0-2,0 GHz, kurie derins medijos grotuvą, 3D televizorių ir interneto terminalą. Keturių branduolių lustai, kurių dažnis yra 1,5–2,5 GHz, gali tapti namų ir interneto serverių pagrindu. Galiausiai, ambicingiausias „Cortex-A15“ naudojimo atvejis yra belaidė infrastruktūra. Jis gali naudoti lustus su keturiais ar daugiau branduolių, kurių dažnis yra 1,5–2,5 GHz.

Tačiau kol kas tai tik planai. Cortex-A15 buvo pristatytas ARM praėjusių metų rugsėjį. „Cortex-A9“ kompanija parodė 2007 metų spalį, po dvejų metų kompanija pristatė A9 versiją su galimybe padidinti lustų dažnį iki 2,0 GHz. Palyginimui, NVIDIA Tegra 2 – vienas populiariausių sprendimų Cortex-A9 pagrindu – buvo išleistas tik praėjusių metų sausį. Na, o pirmąsias jo pagrindu sukurtas programėles vartotojai galėjo pajusti dar po šešių mėnesių.

Veikiančių kompiuterių ir didelio našumo sprendimų segmentas išliks x86. Tai nereikš architektūros mirties, tačiau kalbant apie pinigus, „Intel“ ir „AMD“ turėtų pasiruošti dalies pajamų, kurios atiteks ARM procesorių gamintojams, praradimui.