ما هي بنية ARM في أجهزة الكمبيوتر ولماذا هي مهمة؟

إنفورماتيك ديجيتال » موارد » ما هي بنية ARM في أجهزة الكمبيوتر ولماذا هي مهمة؟

تطورت بنية ARM من تشغيل الأجهزة البسيطة إلى تشغيل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والمكتبية والخوادم . إذا سبق لك استخدام هاتف يعمل بنظام Android أو iPhone أو Raspberry Pi أو جهاز Mac حديث، فقد تعاملت بالفعل مع معالجات مبنية على هذا التصميم، حتى لو لم تكن على دراية بذلك.

فيما يلي، سنتناول بالتفصيل ماهية معمارية ARM في الحواسيب، وكيفية عملها، وأصولها، ولماذا تُحدث تغييرًا جذريًا في المشهد مقارنةً بمعمارية x86 من إنتل وAMD . كما سنناقش علاقتها بمعمارية RISC-V، ودورها في أنظمة ويندوز وماك أو إس ولينكس، ولماذا تبنت كبرى الشركات المصنعة هذا النوع من المعالجات.

ما هي بنية ARM وما الذي تستند إليه؟

عندما نتحدث عن ARM فإننا نشير إلى بنية مجموعة تعليمات RISC (الحوسبة ذات مجموعة التعليمات المخفضة) ، المصممة للمعالجات منخفضة الطاقة ولكنها قوية بشكل متزايد، والتي تستخدم من وحدات التحكم الدقيقة الصغيرة إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية ومراكز البيانات.

على عكس معمارية CISC مثل x86/x86-64 (انظر الاختلافات بين معالجات Intel و AMD )، تعتمد معمارية ARM على مجموعة تعليمات أبسط وأكثر إحكامًا وكفاءة عالية . وهذا يسمح بمعالجات ذات عدد أقل من الترانزستورات، وتعقيد داخلي أقل، واستهلاك طاقة أقل بكثير - وهو عامل أساسي في الأجهزة المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة الخفة.

من النقاط المهمة أن شركة ARM Holdings (التي تُعرف الآن باسم Arm Ltd.) لا تُصنّع المعالجات . بل تقوم الشركة بتصميم البنية والوحدات الأساسية، ثم تُرخّص هذه التقنية لأطراف ثالثة (مثل Apple وQualcomm وSamsung وغيرها)، والتي بدورها تُدمجها في أنظمة SoC الخاصة بها عن طريق إضافة وحدات معالجة رسومية مخصصة، ووحدات تحكم بالذاكرة، وأجهزة مودم، ومكونات أخرى.

من الناحية العملية، هذا يعني أن هناك المئات من أنواع معالجات ARM ذات سلوكيات وأداءات مختلفة تمامًا ، على الرغم من أنها جميعًا تشترك في نفس مجموعة التعليمات الأساسية، مما يسمح بتطوير أنظمة تشغيل وتطبيقات متوافقة.

نبذة تاريخية عن شركة ARM: من شركة Acorn إلى الهيمنة على السوق

بدأت قصة شركة ARM في عام 1983، عندما قررت شركة Acorn Computers تطوير معالج جديد استنادًا إلى خبرتها مع شريحة MOS 6502 ، وهي الشريحة المستخدمة في العديد من أجهزة الكمبيوتر الشخصية التي كانت تنتجها آنذاك. وقد قاد المشروع كل من صوفي ويلسون وستيف فوربر.

كان هدفهم ابتكار معالج متطور ولكنه بسيط للغاية من الداخل، خالٍ من التعليمات البرمجية الدقيقة، ويعتمد على فلسفة RISC بوضوح . في عام 1985، أنجزوا تصميم النموذج الأولي الأول، ARM1، وفي عام 1986 ظهر ARM2، وهو أول إصدار تجاري استُخدم في أجهزة كمبيوتر مثل Acorn Archimedes.

كان معالج ARM2 مزودًا بناقل بيانات 32 بت، ومساحة عناوين 26 بت، و16 مسجلاً للأغراض العامة 32 بت . استُخدم أحد هذه المسجلات كعداد للبرنامج (PC)، مع استخدام بعض البتات لعلامات الحالة. من الناحية التقنية، كان بسيطًا للغاية: حوالي 30.000 ترانزستور وبدون ذاكرة تخزين مؤقت.

وقد أدت هذه البساطة إلى استهلاك منخفض للطاقة بشكل مثير للسخرية بالنسبة للوقت وأداء يفوق أداء معالج Intel 286. وقد أضاف خليفته، ARM3، ذاكرة تخزين مؤقت موحدة صغيرة بحجم 4 كيلوبايت حسّنت بشكل كبير من الوصول المتكرر إلى الذاكرة.

في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، بدأت شركة آبل التعاون مع شركة أكورن لتطوير نسخ جديدة من معالج ARM . ولتجنب مخاوف الشركات المصنعة الأخرى، تم إنشاء شركة Advanced RISC Machines (ARM) المستقلة في عام 1990، وكُلفت بتصميم وترخيص أجيال مستقبلية من المعالجات.

شهدت هذه المرحلة ظهور معالج ARM6، الذي طُرح عام 1991، والذي استخدمته شركة آبل في جهاز نيوتن (ARM 610) وشركة أكورن في جهاز RiscPC. وظلت النواة بسيطة بشكل مدهش: 35.000 ترانزستور فقط ، مما سمح بدمجها مع مختلف الأجهزة الطرفية وتشكيل أنظمة مخصصة.

حققت شركة ARM قفزة نوعية في سوق المستهلكين مع معالج ARM7TDMI، الموجود في ملايين الهواتف المحمولة وأجهزة الألعاب المحمولة والأنظمة المدمجة . وفي الوقت نفسه، حصلت شركة Digital (DEC) على ترخيص التصميم وأنتجت معالج StrongARM، القادر على العمل بتردد 233 ميجاهرتز مع استهلاك حوالي 1 واط، وهو إنجاز بارز في مجال الكفاءة.

بمرور الوقت، انتقلت هذه التقنية إلى أيدي شركة إنتل، التي قامت بدمجها في عائلة معالجات إنتل i960 وحلول XScale، في حين قامت شركات عملاقة أخرى مثل فري سكيل، وآي بي إم، وتكساس إنسترومنتس، ونينتندو، وفيليبس، وسامسونج، وإس تي ميكروإلكترونيكس، وأتميل بترخيص بنية ARM.

اليوم، يضم ما يقرب من ثلاثة أرباع معالجات 32 بت في العالم أنوية ARM . وهذا يمثل حضوراً هائلاً: محركات الأقراص الصلبة، وأجهزة التوجيه، والألعاب، والسيارات، وأجهزة التلفزيون، والهواتف المحمولة، والأجهزة اللوحية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وبشكل متزايد، أجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم.

عائلات معالجات ARM الرئيسية

على مر العقود، أصدرت شركة ARM عائلات وإصدارات مختلفة من البنية (ARMv1، v2، v3، إلخ)، كل منها مع تحسينات في الأداء، وسعات الذاكرة، وذاكرة التخزين المؤقت، ودعم الفاصلة العائمة، وميزات إضافية.

ركزت الأجيال الأولى، مثل ARM1 وARM2 وARM3 (ARMv1 وARMv2) ، على توفير وحدة معالجة مركزية بسيطة للغاية ذات 32 بت لأجهزة الكمبيوتر مثل BBC Micro المزود بمعالج ARM مساعد، وAcorn Archimedes، وRiscPC. افتقرت هذه الرقاقات إلى وحدة إدارة ذاكرة كاملة (في بعض الحالات باستخدام وحدة MEMC خارجية) وكانت تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقتة ضئيلة أو معدومة.

مع عائلة ARM6 (ARMv3) ، تم تحقيق القفزة إلى عنونة 32 بت كاملة، وتم دمج نوى مثل ARM600 أو ARM610، بعضها مزود بذاكرة تخزين مؤقت مدمجة وحافلات خاصة للمعالجات المساعدة ذات الفاصلة العائمة.

ثم ظهرت معالجات ARM7 وARM7TDMI (ARMv3 وARMv4T) ، التي تدعم مجموعة تعليمات Thumb ذات 16 بت، وخط أنابيب ثلاثي المراحل، بالإضافة إلى إصدارات مزودة بذاكرة تخزين مؤقتة، ووحدة إدارة الذاكرة (MMU)، ووحدة معالجة الذاكرة (MPU). وتُعدّ هذه المعالجات أساسًا لمنتجات شهيرة مثل Game Boy Advance وNintendo DS وApple iPod، وأنظمة مضمنة من NXP وAtmel وPsion.

في الوقت نفسه، ظهرت عائلة StrongARM (ARMv4) ، وهي نتيجة تعاون مع شركة DEC، والتي تركز على تحقيق معدل MIPS مرتفع لكل واط لأجهزة المساعد الرقمي الشخصي وأجهزة الكمبيوتر الصغيرة (Apple Newton 2×00، iPAQ، Zaurus، إلخ)، مع ذاكرة تخزين مؤقت L1 كبيرة نسبيًا في ذلك الوقت ووحدة إدارة الذاكرة الكاملة.

لاحقًا، قدمت سلسلة معالجات ARM9 وARM9E وARM10E (ARMv4T وARMv5) مسارات معالجة أعمق، وتحسينات على تعليمات معالجة الإشارات الرقمية، ودعمًا أوسع لتقنية Thumb، وقدرات Jazelle لتنفيذ بايت كود Java في الأجهزة، وذاكرة تخزين مؤقت أكبر قابلة للتكوين. تُستخدم هذه المعالجات في الهواتف المحمولة، والكاميرات الرقمية، وأجهزة الشبكة، ووحدات التحكم المحمولة، والعديد من أنظمة SoC الأخرى.

يُعد XScale (ARMv5TE) فرعًا مهمًا ، وقد استحوذت عليه شركة Intel، وهو مصمم لمعالجات التطبيقات ومعالجات الشبكة ذات الترددات العالية، وذاكرة التخزين المؤقت L1/L2 الكبيرة، وفي بعض الحالات، مسرعات RAID أو وظائف محددة للغاية للإدخال/الإخراج.

قدمت نواة ARM11 (ARMv6) مسار معالجة يصل إلى 9 مراحل، ودعم SIMD، وThumb-2، وJazelle DBX، وتحسينات في معالجة الإشارات الرقمية، وتقنيات أمان مثل TrustZone. وقد استُخدمت هذه النواة في أجهزة شهيرة مثل أول جهاز iPhone، والجيل الأول من iPod touch، وبعض هواتف Nokia Nseries، وأجهزة ألعاب الفيديو، وأول جهاز Raspberry Pi.

بدأت الثورة الحديثة الكبرى مع عائلة معالجات Cortex ، وخاصةً في معالجات ARMv7-A وما بعدها. وأصبحت معالجات مثل Cortex-A5 وCortex-A8 وCortex-A9، بالإضافة إلى إصداراتها متعددة النوى (MPCore)، المعيار الفعلي في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة التلفزيون الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة خفيفة الوزن.

تتضمن هذه النوى تنفيذًا فائق التوازي، وخطوط أنابيب عميقة، وتقنية NEON (SIMD)، وVFP لعمليات الفاصلة العائمة، وThumb-2 المتقدمة، وTrustZone . وتوجد هذه النوى في أنظمة على رقاقة (SoCs) مثل تلك الموجودة في سلسلة Texas Instruments OMAP، وSamsung Exynos، وNvidia Tegra، وQualcomm Snapdragon، وApple A4/A8 والإصدارات اللاحقة.

في مجال الأنظمة المدمجة ووحدات التحكم الدقيقة، تبرز عائلات Cortex-R (ملف تعريف الوقت الحقيقي) وCortex-M (ملف تعريف وحدة التحكم الدقيقة) ، مع متغيرات مثل Cortex-R4 وCortex-M0 وM1 وM3 وM4، المصممة للأنظمة الحرجة والتحكم الصناعي والسيارات والإلكترونيات الاستهلاكية حيث تعتبر القدرة على التنبؤ بوقت الاستجابة والكفاءة أمراً بالغ الأهمية.

مجموعة تعليمات ARM: RISC، والشروط، وأوضاع Thumb

صُممت مجموعة تعليمات ARM من الصفر على غرار RISC الخالصة: تعليمات بسيطة ذات حجم ثابت، يمكن تنفيذها في كثير من الحالات خلال دورة ساعة واحدة . يكمن السر في قدرة المُصرّف على توليد تسلسلات فعّالة باستخدام عدد قليل من التعليمات الذرية عالية الدقة.

من السمات المميزة للغاية أنه في أنماط 32 بت الكلاسيكية، تتضمن كل تعليمة رمز شرط في أعلى 4 بتات منها . وهذا يسمح بأن تكون أي تعليمة مشروطة (تُنفذ فقط إذا تحققت علامات معينة)، مما يقلل الحاجة إلى القفزات ويمنع حدوث فقاعات في خط الأنابيب في كتل صغيرة من التعليمات البرمجية ذات الشروط المتكررة.

علاوة على ذلك، تسمح معالجات ARM بدمج العمليات الحسابية/المنطقية مع عمليات إزاحة وتدوير السجلات في تعليمة واحدة . على سبيل المثال، يمكن التعبير عن ما يعادل في لغة C التعليمة "a += (j << 2);" كتعليمة واحدة في ARM تضيف قيمة مُزاحة إلى السجل، مما يوفر التعليمات وعمليات الوصول إلى الذاكرة.

ومن المزايا الأخرى أن مجموعة العناوين تدعم أنماط الزيادة المسبقة واللاحقة، والعنونة النسبية، وغيرها من أساليب العنونة المرنة ، وهي أمور غير شائعة في البنى الأخرى المصنفة ضمن معمارية RISC. كل هذا يُسهم في تقليل العدد الإجمالي للتعليمات وتحسين الأداء لكل دورة.

تُحدد البنية الكلاسيكية 16 سجلاً مرئياً للمبرمج، كل منها 32 بت (R0-R15) . وهي متناظرة من حيث المبدأ، على الرغم من أن R15 يُستخدم كعداد للبرنامج (PC)، وR14 يعمل عادةً كسجل ربط (عنوان إرجاع للبرامج الفرعية أو الاستثناءات)، وR13 يُستخدم كمؤشر للمكدس.

يحتوي معالج ARM على نمطين رئيسيين للتنفيذ: نمط ARM (تعليمات 32 بت) ونمط Thumb (تعليمات 16 بت) . يوفر نمط ARM قدرة أكبر (مجموعة تعليمات أكثر اكتمالاً) ولكنه يُنتج شيفرة أكبر حجماً؛ بينما يُقلل نمط Thumb حجم كل تعليمة إلى النصف، مما يُحسّن كثافة الشيفرة، وفي كثير من الحالات، الأداء على الأنظمة ذات ناقلات الذاكرة الأضيق.

تُعدّ Thumb في الأساس مجموعة فرعية من أكثر التعليمات استخدامًا في معالجات ARM . كان أول معالج يدمجها هو ARM7TDMI، ومنذ ذلك الحين، تدعم جميع العائلات اللاحقة تقريبًا (ARM9، XScale، Cortex، إلخ) Thumb أو تطورها، Thumb-2.

إضافةً إلى ذلك، هناك تقنية Jazelle DBX، التي تسمح بتشغيل بايت كود جافا مباشرةً على الأجهزة في بعض النوى (تلك التي يتضمن اسمها الحرف "J"، مثل ARM926EJ-S). تهدف هذه الوظيفة إلى تسريع آلات جافا الافتراضية على الأجهزة ذات الموارد المحدودة.

المزايا الرئيسية لبنية ARM

إن شعبية معالجات ARM ليست من قبيل الصدفة: فهي تنبع من مزيج من كفاءة الطاقة، ومرونة التصميم، والتكلفة، والأداء الكافي لمعظم الاستخدامات.

من جهة، وبفضل بنية RISC التي تتميز بمجموعة تعليمات صغيرة نسبيًا وخلوها من التعليمات البرمجية الدقيقة المعقدة، يمكن تصنيع معالجات ARM بعدد أقل بكثير من الترانزستورات مقارنةً بتصميم x86 المكافئ . ويعني انخفاض عدد الترانزستورات انخفاض استهلاك الطاقة، وتقليل الحرارة، وتصنيع رقائق أصغر حجمًا وأقل تكلفة.

وهذا يسمح لمعالجات ARM بتقديم أداء جيد للغاية مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة ، وهو أمر بالغ الأهمية في الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة الخفة وأجهزة إنترنت الأشياء والأنظمة المدمجة التي تعمل بالبطاريات أو ذات القيود الحرارية.

كما أن نموذج الترخيص يعمل لصالحها: تبيع ARM الملكية الفكرية لنوىها لجميع أنواع الشركات المصنعة ، والتي يمكنها تخصيصها ودمجها مع وحدات أخرى (وحدة معالجة الرسومات، والمودم، ومسرعات الذكاء الاصطناعي) وإنشاء أنظمة على رقاقة (SoCs) تتناسب تمامًا مع منتجاتها.

وهذا يخلق نظامًا بيئيًا ضخمًا من الشركات المصنعة، مع تحسينات مستمرة في الأداء والكفاءة ، ومجموعة واسعة جدًا من العروض لأي مجال تقريبًا: من وحدات التحكم الدقيقة الرخيصة للغاية إلى وحدات المعالجة المركزية 64 بت للخوادم.

باختصار، توفر معالجات ARM استهلاكًا منخفضًا للطاقة، وتكلفة معقولة، وكثافة برمجية جيدة، وأدوات متطورة، وأداءً مقبولاً للغاية يتحسن باستمرار . صحيح أنها لا تصل دائمًا إلى مستويات الأداء الخام لمعالجات x86 في أجهزة الكمبيوتر المكتبية المخصصة للألعاب عالية الأداء، ولكنها لا تحتاج إلى ذلك في معظم الحالات.

معالجات ARM ذات 32 بت و 64 بت: التطور الحديث

كانت تصميمات ARM الأولى 32 بت، وهيمنت لعقود على سوق الأجهزة المدمجة والمحمولة . مع ذلك، ابتداءً من عام 2011، قدمت ARM معمارية تدعم 64 بت بشكل أصلي (ARMv8 والإصدارات اللاحقة)، مما فتح المجال أمام أحمال عمل أثقل بكثير.

لم يأتِ الانتقال إلى بنية 64 بت في معالجات ARM على حساب كفاءة معالجات RISC، بل تحقق ذلك بفضل التصميم الأكثر تطوراً لمجموعة التعليمات الحديثة . وهذا يُسهّل الوصول إلى عناوين ذاكرة أكبر بكثير وإجراء عمليات حسابية ذات دقة مُوسّعة، وهو أمر ضروري بالفعل في الأجهزة المحمولة المتطورة، وبالطبع في أجهزة الكمبيوتر والخوادم.

يظل انخفاض التعقيد مقارنة بمعالجات x86 ميزة: فحتى في إصداراتها ذات 64 بت، تحتفظ معالجات ARM بعدد أقل من الترانزستورات لنفس المهمة ، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف التصنيع وانخفاض استهلاك الطاقة.

في مجال أجهزة الكمبيوتر الشخصية، تجسد هذا في معالجات مثل Apple Silicon (M1، M2، M3...) ومعالج Snapdragon X Elite الجديد من Qualcomm ، والذي يجمع بين النوى عالية الأداء والنوى عالية الكفاءة والرسومات المدمجة القادرة على منافسة العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة x86 في المهام العامة.

استخدام معالجات ARM في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة

تقليديًا، كانت معالجات ARM مخصصة للهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة التلفزيون الذكية وأجهزة التوجيه ووحدات التحكم المحمولة والأجهزة التي كان فيها انخفاض استهلاك الطاقة أمرًا أساسيًا ولم تكن هناك حاجة إلى طاقة سطح المكتب الكاملة.

لكن هذا يتغير بسرعة. فمن ناحية، أظهرت أجهزة مثل Raspberry Pi أن نظام ARM يمكن أن يعمل بشكل مثالي كحاسوب مكتبي صغير أو حاسوب شخصي مصغر للمهام المكتبية مع نظام تشغيل مناسب (عادةً Linux) لأعمال المكتب والتصفح والبرمجة الخفيفة.

لقد رأينا أيضًا منتجات أكثر قوة تعتمد على معالجات ARM مثل NVIDIA Tegra X1 ، التي تستخدمها Nvidia في جهاز Shield TV الخاص بها، وقبل كل شيء، تستخدمها Nintendo في جهاز Switch، حيث يكون التوازن بين أداء الرسومات واستهلاك الطاقة أمرًا بالغ الأهمية.

في مجال الأجهزة اللوحية المتقدمة، أثبتت شركة أبل، من خلال رقائقها من سلسلة A (وسلسلة M اللاحقة)، أن نظام ARM SoC المصمم جيدًا يمكنه تقديم أداء مذهل في التطبيقات الإبداعية، والعمل المكتبي، والمهام المتعددة الثقيلة، دون الحاجة إلى مراوح قوية.

أما شركة مايكروسوفت، من جانبها، فتدمج معالجات ARM في أجهزة مثل Surface Pro X وغيرها من إصدارات عائلة Surface ، وتراهن على الأجهزة خفيفة الوزن والصامتة المزودة باتصال LTE مدمج والتي يمكنها منافسة أجهزة الكمبيوتر المحمولة التقليدية في مجال العمل المتنقل.

في الوقت نفسه، تُروّج جوجل بقوة لمعالجات ARM في منظومة Chromebook الخاصة بها . يُعدّ نظام التشغيل Chrome OS، المبني على Chromium وAndroid، خيارًا مثاليًا لهذه البنية، إذ يُقدّم أجهزة كمبيوتر محمولة خفيفة الوزن وبأسعار معقولة مع عمر بطارية ممتاز. يلجأ العديد من مُصنّعي Chromebook إلى معالجات ARM SoC تحديدًا لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد وخفض التكاليف.

معالجات ARM وأنظمة التشغيل: ويندوز، ماك أو إس، لينكس، وغيرها

على الرغم من أن الكثير من الناس يربطون معالج ARM بالأجهزة المحمولة فقط، إلا أن معظم أنظمة التشغيل الرئيسية لديها بالفعل دعم ناضج لهذه البنية ، سواء في الإصدارات المدمجة أو في بيئات سطح المكتب والخوادم.

في مجال الهواتف المحمولة، اعتمد نظاما أندرويد وiOS بشكل شبه حصري على معالجات ARM لسنوات ، مستفيدين من مزايا كفاءتها. وقد عممت شركة آبل، بانتقالها إلى معالجات Apple Silicon، هذه الفلسفة على أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة، متخليةً عن معالجات Intel x86.

في أجهزة ماك المزودة بمعالجات ARM، توفر آبل نظام Rosetta 2، وهو نظام ترجمة يسمح بتشغيل التطبيقات المصممة لمعالجات Intel بأداء ممتاز. وقد سهّل هذا النظام عملية الانتقال بشكل كبير، لدرجة أن معظم التطبيقات المهمة اليوم لها نسخة أصلية متوافقة مع معالجات ARM.

ضمن منظومة مايكروسوفت، استكشفت ويندوز مناهج مختلفة للتعامل مع معالجات ARM . دعمت ويندوز سي إي وويندوز إمبيديد كومباكت معالجات ARMv5 وv6 وv7 في الأنظمة المدمجة لسنوات. لاحقًا، ظهر ويندوز 8 RT لأجهزة الكمبيوتر اللوحية التي تعمل بمعالجات ARM، مثل جهاز سيرفس الأول، لكن النتائج كانت متواضعة بسبب قيود البرمجيات.

يُقدّم نظاما التشغيل ويندوز 10 وويندوز 11 مزايا إضافية، حيث يوفران إصدارات ARM مع محاكاة تطبيقات x86 . في ويندوز 11، تحسّنت المحاكاة والأداء بشكل ملحوظ، على الرغم من استمرار وجود مشكلات التوافق مع بعض برامج سطح المكتب التقليدية.

في الوقت نفسه، تبنت أنظمة لينكس والأنظمة الشبيهة بنظام يونكس معالجات ARM بحماس كبير . وتوفر توزيعات مثل ديبيان، وأوبونتو، وآرتش لينكس، وكالي، ومانجارو، وجنتو، وأوراكل لينكس صورًا رسمية لمختلف معالجات ARM SoC، بما في ذلك راسبيري باي ولوحات أخرى.

أما بالنسبة لأنظمة BSD، فإن أنظمة FreeBSD وNetBSD وOpenBSD تدعم جميعها منصات ARM متعددة ، كما أن الأنظمة القديمة مثل RISC iX كانت تعمل على أجهزة Acorn المبنية على معمارية ARM2/ARM3. بالإضافة إلى ذلك، فقد تضمنت أنظمة Solaris وغيرها من توزيعات UNIX تطبيقات لهذه المعمارية.

في مجال أنظمة التشغيل المدمجة والأنظمة التي تعمل في الوقت الحقيقي، تتواجد معالجات ARM في أنظمة Android (في حالة الأجهزة المدمجة)، وWindows CE/Embedded، و.NET Micro Framework، وChibiOS/RT، وFreeRTOS، وeCos، وIntegrity، وNucleus، وQNX، وRTEMS، وThreadX، وVxWorks، وuTasker، وMQX، وغيرها الكثير . والقائمة طويلة جدًا لأن جميع أنظمة التشغيل الحديثة تقريبًا تدعم على الأقل ملف تعريف واحد من معالجات ARM.

إنتل، وآرم، والإلهام وراء بنية big.LITTLE

لطالما استخدمت معالجات سطح المكتب والكمبيوتر المحمول الكلاسيكية، وخاصة تلك التي تنتجها شركتا إنتل وإيه إم دي، معمارية CISC x86/x86-64 ذات النوى الأكبر والأكثر تعقيدًا ، والتي تعمل بواسطة مصادر طاقة قوية وأنظمة تبريد مخصصة.

في المقابل، لطالما اختارت تصميمات ARM للهواتف المحمولة وSoCs المدمجة بنى غير متجانسة من نوع big.LITTLE ، حيث تجمع بين النوى القوية والنوى الفعالة داخل نفس الشريحة لتكييف الاستهلاك وفقًا لحجم العمل.

ألهمت هذه الفكرة بشكل مباشر الجيل الجديد من معالجات Intel الهجينة من فئة Core، والتي تجمع بين أنوية عالية الأداء (P-cores) وأنوية عالية الكفاءة (E-cores) في حزمة واحدة. ورغم أنها لا تستخدم معمارية ARM، إلا أنها تحاكي النهج الذي قدمته ARM لتحسين الكفاءة والأداء بشكل عام.

أما فيما يتعلق بالمنافسة المباشرة، فقد اقتصر استخدام معالجات ARM حتى وقت قريب على مشاريع محددة للغاية لأجهزة سطح المكتب أو نظام Apple البيئي . ومع ذلك، تسعى Qualcomm وغيرها من الشركات المصنعة، من خلال معالج Snapdragon X Elite ومشاريع مماثلة أخرى، إلى منافسة معالجات x86 في أجهزة الكمبيوتر المحمولة الشائعة.

لا تزال أكبر عقبة أمام معالجات ARM في أجهزة الكمبيوتر الشخصية السائدة هي توافق البرامج، وفي حالة الألعاب، الاعتماد على وحدات معالجة الرسومات وبرامج التشغيل المُحسّنة لمعالجات x86 . وطالما حافظت AMD وIntel على هيمنتهما في مجال بطاقات الرسومات المنفصلة ووحدات المعالجة المركزية عالية الأداء، سيظل عالم الألعاب مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بمعالجات x86.

ARM مقابل RISC-V: بنيتان مختلفتان لـ RISC

في السنوات الأخيرة، اكتسبت معمارية RISC-V، وهي معمارية RISC أخرى تنافس معمارية ARM مباشرةً في العديد من المجالات ، شهرةً واسعة . ومثل معمارية ARM، فإن معمارية RISC-V موجهة نحو الأجهزة منخفضة الطاقة، لكنها تختلف عنها في جانب رئيسي واحد: فهي معمارية مجموعة تعليمات مفتوحة المصدر وخالية من التراخيص.

بينما يتطلب استخدام معمارية x86-64 أو ARM دفع رسوم ترخيص لشركات Intel أو AMD أو Arm Ltd. ، يُمكن لأي شركة أو فرد تصميم وتصنيع وبيع معالجات RISC-V دون دفع رسوم حقوق مجموعة التعليمات. وهذا ما يجعل RISC-V جذابة بشكل خاص للدول والمصنعين الساعين إلى الاستقلال التكنولوجي وخفض التكاليف.

حالياً، من حيث الإمكانيات الأساسية، يتمتع كل من معمارية ARM ومعمارية RISC-V بامتدادات 64 بت ودعم كامل لأنظمة التشغيل . تتمتع معمارية ARM بحضور قوي في أنظمة Android وiOS وmacOS وLinux، بينما بدأت معمارية RISC-V تحظى بدعم رسمي في نظام Android (حيث تروج لها جوجل كمعمارية من الطراز الأول) وفي توزيعات Linux مثل Ubuntu وFedora.

من حيث دعم الشركات المصنعة، لا تزال ARM تتمتع بميزة هائلة . تستخدم جميع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة الذكية المتوفرة اليوم تقريبًا معالجات ARM، بينما لا تزال معظم رقائق RISC-V الحالية موجهة نحو التطوير ووحدات التحكم الدقيقة ومنتجات محددة للغاية.

مع ذلك، يتفوق معمارية RISC-V بوضوح من حيث السعر وحرية التصميم . فمع انعدام تكاليف الترخيص، يصبح من الأسهل ابتكار منتجات رخيصة للغاية أو مصممة خصيصًا، وهو ما يفسر اهتمام دول مثل الصين وروسيا باعتماد هذه المعمارية في مشاريعها الخاصة.

لو كان علينا اختيار "فائز" الآن، لكانت ARM لا تزال متفوقة من حيث النظام البيئي والبرمجيات المتاحة والنضج . مع ذلك، تُعدّ RISC-V منافسًا واعدًا للغاية للمستقبل، لا سيما في مجالات الأجهزة منخفضة التكلفة، وإنترنت الأشياء، وأجهزة التوجيه، وأجهزة الكمبيوتر الشخصية للمبتدئين، والهواتف الذكية الاقتصادية.

بالنظر إلى الصورة الكلية، رسّخت معمارية ARM مكانتها كإحدى الركائز الأساسية للحوسبة الحديثة : فهي تُشغّل كل شيء بدءًا من الهواتف المحمولة التي نستخدمها يوميًا وصولًا إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة فائقة الخفة، وأجهزة Chromebook، وأجهزة Mac المزودة بمعالجات Apple Silicon، ومجموعة واسعة من الأجهزة المدمجة. وتُفسّر فلسفة RISC، والجمع بين كفاءة استهلاك الطاقة والأداء الفائق، ونموذج الترخيص الخاص بها، ودعمها الواسع لأنظمة التشغيل، سبب هيمنتها على العديد من القطاعات، حتى مع ظهور عروض أحدث مثل RISC-V كبديل مفتوح المصدر في عالم وحدات المعالجة المركزية.