Какво е ARM архитектурата в компютрите и защо е важна?

Информатек Дигитал » Ресурси » Какво е ARM архитектурата в компютрите и защо е важна?

ARM архитектурата еволюира от захранване на прости джаджи до захранване на лаптопи, настолни компютри и сървъри . Ако някога сте използвали телефон с Android, iPhone, Raspberry Pi или скорошен Mac, вече сте работили с процесори, базирани на този дизайн, дори и да не сте го осъзнавали.

В следващите редове ще разгледаме подробно какво всъщност представлява ARM архитектурата в компютрите, как работи, нейния произход и защо променя пейзажа в сравнение с x86 архитектурата на Intel и AMD . Ще обсъдим и връзката ѝ с RISC-V, ролята ѝ в Windows, macOS и Linux и защо големите производители са възприели този тип процесори.

Какво е ARM архитектура и на какво е базирана?

Когато говорим за ARM, имаме предвид RISC (Reduced Instruction Set Computing) архитектура с набор от инструкции , предназначена за процесори с ниска консумация на енергия, но все по-мощни, използвани от малки микроконтролери до персонални компютри и центрове за данни.

За разлика от CISC архитектурите като x86/x86-64 (вижте разликите между процесорите Intel и AMD ), ARM разчита на по-опростен, по-компактен и високоефективен набор от инструкции . Това позволява процесори с по-малко транзистори, по-малка вътрешна сложност и значително по-ниска консумация на енергия – ключов фактор в ултралеките мобилни устройства и лаптопи.

Важен момент е, че ARM Holdings (сега Arm Ltd.) не произвежда процесори . Компанията проектира архитектурата и ядрата, а след това лицензира тази технология на трети страни (Apple, Qualcomm, Samsung и др.), които я интегрират в собствените си SoC, като добавят персонализирани графични процесори, контролери на паметта, модеми и други компоненти.

На практика това означава, че има стотици варианти на ARM процесори с доста различно поведение и производителност , въпреки че всички те споделят една и съща база от инструкции, което позволява разработването на съвместими операционни системи и приложения.

Кратка история на ARM: от Acorn до пазарно господство

Историята на ARM започва през 1983 г., когато Acorn Computers решава да разработи нов процесор, базиран на опита си с MOS 6502 , чипът, използван в много от техните персонални компютри по това време. Проектът е ръководен от Софи Уилсън и Стив Фърбър.

Тяхната цел беше да създадат усъвършенстван, но вътрешно много прост процесор, без микрокод и с ясна RISC философия . През 1985 г. те завършват проектирането на първия прототип, ARM1, а през 1986 г. пристига ARM2, първата комерсиална версия, използвана в компютри като Acorn Archimedes.

ARM2 имаше 32-битова шина за данни, 26-битово адресно пространство и 16 32-битови регистъра с общо предназначение . Един от тези регистри се използваше като програмен брояч (PC), като някои битове се използваха за флагове за състояние. Технически, той беше изключително прост: около 30 000 транзистора и никаква кеш памет.

Тази простота доведе до нелепо ниска консумация на енергия за времето и производителност, превъзхождаща тази на Intel 286. Неговият наследник, ARM3, добави малък 4 KB унифициран кеш, който значително подобри повтарящия се достъп до паметта.

В края на 80-те години на миналия век Apple започва сътрудничество с Acorn по нови версии на ARM ядрото . За да се избегнат опасения от други производители, през 1990 г. е създадена независимата компания Advanced RISC Machines (ARM), натоварена със задачата да проектира и лицензира бъдещи поколения процесори.

Този етап доведе до появата на ARM6, представен през 1991 г., използван от Apple в Newton (ARM 610) и от Acorn в RiscPC. Ядрото остана изненадващо просто: само 35 000 транзистора , което му позволи да бъде интегрирано с различни периферни устройства и да формира персонализирани системи.

Мащабният скок на ARM на потребителския пазар дойде с ARM7TDMI, който се намира в милиони мобилни телефони, преносими конзоли и вградени системи . Едновременно с това Digital (DEC) лицензира дизайна и създаде StrongARM, способен да работи на 233 MHz, консумирайки около 1 W, което е важен етап в ефективността.

С течение на времето тази технология преминава в ръцете на Intel, която я интегрира в своето семейство Intel i960 и XScale решения, докато други гиганти като Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics или Atmel също лицензират ARM архитектурата.

Днес приблизително три четвърти от 32-битовите процесори в света включват ARM ядра . Това представлява огромно присъствие: твърди дискове, рутери, играчки, автомобили, телевизори, мобилни телефони, таблети, лаптопи и все по-често персонални компютри и сървъри.

Основни семейства ARM процесори

През десетилетията ARM пусна различни семейства и версии на архитектури (ARMv1, v2, v3 и др.), всяка от които с подобрения в производителността, капацитета на паметта, кеш паметта, поддръжката на операции с плаваща запетая и допълнителни функции.

Първите поколения, като ARM1, ARM2 и ARM3 (ARMv1 и ARMv2) , се фокусираха върху предоставянето на много прост 32-битов процесор за компютри като BBC Micro с ARM копроцесор, Acorn Archimedes или RiscPC. Тези чипове нямаха пълен MMU (в някои случаи използваха външен MEMC) и имаха малко или никакъв кеш.

Със семейството ARM6 (ARMv3) е направен скок към пълно 32-битово адресиране и са включени ядра като ARM600 или ARM610, някои с интегриран кеш и специфични шини за копроцесори с плаваща запетая.

По-късно се появиха ARM7 и ARM7TDMI (ARMv3 и ARMv4T) , с поддръжка на 16-битовия набор от инструкции Thumb, 3-степенен конвейер и варианти с кеш, MMU или MPU. Тези ядра са основата за популярни продукти като Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod и вградени системи от NXP, Atmel и Psion.

Успоредно с това се появява семейството StrongARM (ARMv4) , резултат от сътрудничество с DEC, което се фокусира върху постигането на високи MIPS на ват за PDA и малки компютри (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus и др.), с относително големи за времето си L1 кеш памети и пълна MMU.

По-късно, сериите ARM9, ARM9E и ARM10E (ARMv4T и ARMv5) въведоха по-дълбоки конвейери, подобрения в DSP инструкциите, по-широка поддръжка на Thumb, възможности на Jazelle за изпълнение на Java байткод в хардуер и по-големи, конфигурируеми кеш памети. Тези ядра се използват в мобилни телефони, цифрови фотоапарати, мрежови устройства, преносими конзоли и безброй други системи върху чипове (SoC).

Важен клон е XScale (ARMv5TE) , придобит от Intel, предназначен за процесори за приложения и мрежови процесори с високи честоти, щедри L1/L2 кеш памети и в някои случаи RAID ускорители или много специфични функции за I/O.

ARM11 (ARMv6) въведе конвейер с до 9 етапа, SIMD поддръжка, Thumb-2, Jazelle DBX, подобрения в DSP и технологии за сигурност, като TrustZone. Тези ядра са използвани в добре познати устройства като първия iPhone, iPod touch от ранно поколение, някои телефони Nokia Nseries, игрови конзоли и първия Raspberry Pi.

Голямата модерна революция дойде със семейството Cortex , особено в ARMv7-A и по-късните профили на приложения. Ядра като Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 и техните многоядрени варианти (MPCore) се превърнаха в де факто стандарт в смартфони, таблети, смарт телевизори и леки лаптопи.

Тези ядра включват суперскаларно изпълнение, дълбоки конвейери, NEON (SIMD), VFP за операции с плаваща запетая, усъвършенстван Thumb-2 и TrustZone . Те се намират в SoC-та, като тези от серията Texas Instruments OMAP, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon и Apple A4/A8 и наследниците им.

В областта на вградените устройства и микроконтролерите, семействата Cortex-R (профил за работа в реално време) и Cortex-M (профил за микроконтролер) се открояват , с варианти като Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 и M4, предназначени за критични системи, индустриален контрол, автомобилна и потребителска електроника, където предвидимостта на времето за реакция и ефективността са от първостепенно значение.

Набор от инструкции на ARM: RISC, условни оператори и режими на палец

Наборът от инструкции на ARM е проектиран от самото начало като чист RISC: прости инструкции с фиксиран размер, които в много случаи могат да бъдат изпълнени в един тактов цикъл . Ключът е компилаторът да генерира ефективни последователности с няколко силно атомарни инструкции.

Много специфична характеристика е, че в класическите 32-битови режими всяка инструкция включва код на условие в най-високите си 4 бита . Това позволява на практика всяка инструкция да бъде условна (изпълнява се само ако са изпълнени определени флагове), намалявайки нуждата от прескоци и предотвратявайки образуването на мехурчета в конвейера в малки блокове код с чести условия.

Освен това, ARM позволява комбиниране на аритметични/логически операции с отмествания и завъртания на регистри в една инструкция . Например, нещо еквивалентно в C на „a += (j << 2);“ може да се изрази като една ARM инструкция, която добавя отместена стойност към регистъра, спестявайки инструкции и достъп до паметта.

Друго предимство е, че наборът от адреси поддържа режими на предварително и последващо увеличение, относително адресиране и други гъвкави методи за адресиране , които са рядкост в други архитектури, също считани за RISC. Всичко това допринася за намаляване на общия брой инструкции и подобряване на производителността на цикъл.

Класическата архитектура дефинира 16 видими за програмиста регистъра от 32 бита (R0-R15) . По принцип те са симетрични, въпреки че R15 се използва като програмен брояч (PC), R14 обикновено действа като регистър за връзки (адрес за връщане на подпрограми или изключения), а R13 се използва като указател на стека.

ARM има два основни режима на изпълнение: ARM режим (32-битови инструкции) и Thumb режим (16-битови инструкции) . ARM режимът предлага повече мощност (по-пълен набор от инструкции), но генерира по-голям код; Thumb режимът намалява наполовина размера на всяка инструкция, подобрявайки плътността на кода и в много случаи производителността на системи с по-тесни шини на паметта.

Thumb е по същество подмножество от най-често използваните инструкции в ARM играта . Първият процесор, който го включва, е ARM7TDMI и оттогава на практика всички следващи семейства (ARM9, XScale, Cortex и др.) включват поддръжка за Thumb или неговата еволюция, Thumb-2.

Освен това, съществува Jazelle DBX, технология, която позволява на байт-кода на Java да се изпълнява директно на хардуер в определени ядра (тези, чието име включва „J“, като например ARM926EJ-S). Тази функционалност има за цел да ускори виртуалните машини на Java на устройства с ограничени ресурси.

Ключови предимства на ARM архитектурата

Популярността на ARM не е случайна: тя произтича от комбинация от енергийна ефективност, гъвкавост на дизайна, цена и производителност, достатъчни за повечето приложения.

От една страна, тъй като е RISC архитектура с относително малък набор от инструкции и без тежък микрокод, ARM ядрата могат да бъдат произведени с много по-малко транзистори, отколкото еквивалентен x86 дизайн . По-малко транзистори означават по-ниска консумация на енергия, по-малко топлина и по-малки, по-евтини чипове.

Това позволява на ARM процесорите да предлагат много прилична производителност с минимална консумация на енергия , нещо критично за мобилни телефони, таблети, ултралеки лаптопи, IoT устройства и вградени системи, захранвани от батерии или с термични ограничения.

Моделът на лицензиране също работи в нейна полза: ARM продава интелектуалната собственост на своите ядра на всякакви производители , които могат да ги персонализират, да ги сливат с други блокове (графичен процесор, модем, AI ускорители) и да създават SoC, напълно адаптирани към техните продукти.

Това създава огромна екосистема от производители, с непрекъснати подобрения в производителността и ефективността , и много широка гама от предложения за почти всяка ниша: от ултраевтини микроконтролери до 64-битови процесори за сървъри.

В обобщение, ARM предлага ниска консумация на енергия, достъпна цена, добра плътност на кода, зрели инструменти и повече от приемлива производителност, която продължава да се подобрява . Не винаги достига суровите нива на производителност на x86 във висок клас геймърски настолни компютри, но в повечето сценарии не е необходимо.

32-битов и 64-битов ARM: последна еволюция

Първите ARM дизайни бяха 32-битови и в продължение на десетилетия доминираха на пазара на вградени и мобилни устройства . Въпреки това, от 2011 г. насам, Arm въведе архитектури с вградена 64-битова поддръжка (ARMv8 и по-нови версии), отваряйки вратата за много по-тежки натоварвания.

Преминаването към 64-битова архитектура в ARM не е за сметка на ефективността на RISC; по-скоро е постигнато благодарение на по-усъвършенствания дизайн на съвременния набор от инструкции . Това улеснява много по-големи адреси на паметта и аритметични операции с повишена прецизност, нещо, което вече е от съществено значение за мобилните устройства от висок клас и, разбира се, за компютрите и сървърите.

Намалената сложност в сравнение с x86 остава предимство: дори в 64-битовите си версии, ARM процесорите поддържат по-малко транзистори за същата задача , което води до по-ниски производствени разходи и по-ниска консумация на енергия.

В сферата на персоналните компютри това се материализира в процесори като Apple Silicon (M1, M2, M3…) и новия Snapdragon X Elite на Qualcomm , които съчетават високопроизводителни ядра с високоефективни ядра и интегрирана графика, способни да се конкурират с много x86 лаптопи по отношение на общи задачи.

Използване на ARM в компютри, лаптопи и други устройства

Традиционно, ARM процесорите бяха запазени за смартфони, таблети, смарт телевизори, рутери, преносими конзоли и джаджи, където ниската консумация на енергия беше ключова и не беше необходима пълна мощност на настолния компютър.

Но това се променя бързо. От една страна, устройства като Raspberry Pi показаха, че ARM система може да функционира перфектно като настолен микрокомпютър или мини PC за офис задачи с подходяща операционна система (обикновено Linux) за офис работа, сърфиране и леко програмиране.

Виждали сме и по-мощни продукти, базирани на ARM, като NVIDIA Tegra X1 , използван от Nvidia в техния Shield TV и най-вече от Nintendo в Switch, където балансът между графична производителност и консумация на енергия е от решаващо значение.

В сферата на усъвършенстваните таблети, Apple, със своите чипове от серията A (и по-късно от серията M), показа, че добре проектираният ARM SoC може да осигури впечатляваща производителност в креативни приложения, офис работа и тежка многозадачност, без да е необходима агресивна вентилация.

Microsoft, от своя страна, интегрира ARM процесори в устройства като Surface Pro X и други варианти на семейството Surface , залагайки на леки, безшумни устройства с интегрирана LTE свързаност, които могат да се конкурират с традиционните лаптопи за мобилна работа.

Междувременно Google силно промотира ARM в своята екосистема от Chromebook . Chrome OS, базирана на Chromium и Android, е чудесно решение за тази архитектура, предлагайки достъпни, леки лаптопи с отличен живот на батерията. Много производители на Chromebook избират ARM SoCs именно за да увеличат максимално живота на батерията и да намалят разходите.

ARM и операционни системи: Windows, macOS, Linux и други

Въпреки че много хора свързват ARM само с мобилни устройства, повечето основни операционни системи вече имат зряла поддръжка за тази архитектура , както във вградени варианти, така и в настолни и сървърни среди.

В мобилната сфера, Android и iOS от години работят почти изключително на ARM процесори , възползвайки се от предимствата им за ефективност. Apple, с прехода си към Apple Silicon, разшири тази философия и към своите настолни и преносими компютри, изоставяйки процесорите Intel x86.

На Mac компютри с ARM процесори, Apple предлага Rosetta 2, система за превод, която позволява на приложения, компилирани за Intel, да работят с изненадващо добра производителност. Това значително улесни прехода, до степен, че днес почти всички съответни приложения имат оригинална ARM версия.

В екосистемата на Microsoft, Windows е изследвал различни подходи към ARM . Windows CE и Windows Embedded Compact поддържаха ARMv5, v6 и v7 в света на вградените системи в продължение на години. По-късно се появи Windows 8 RT за ARM таблети, като първия Surface, със скромни резултати поради софтуерни ограничения.

Windows 10 и Windows 11 отиват още една крачка напред, предлагайки ARM версии с емулация на x86 приложения . В Windows 11 емулацията и производителността са се подобрили значително, въпреки че все още съществуват проблеми със съвместимостта с някои класически настолни софтуерни продукти.

Междувременно, Linux и UNIX-подобни системи приеха ARM доста ентусиазирано . Дистрибуции като Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo и Oracle Linux предлагат официални образи за различни ARM SoC, включително Raspberry Pi и други платки.

От страна на BSD, FreeBSD, NetBSD и OpenBSD поддържат множество ARM платформи , а исторически системи като RISC iX са работили на машини Acorn, базирани на ARM2/ARM3. Освен това, Solaris и други варианти на UNIX също са имали имплементации за тази архитектура.

В сферата на операционните системи за реално време и вградените операционни системи, ARM присъства в Android (в случая на вградени устройства), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX и много други . Списъкът е огромен, защото на практика всяка съвременна RTOS предлага поддръжка за поне един ARM профил.

Intel, ARM и вдъхновението зад архитектурата big.LITTLE

Класическите процесори за настолни компютри и лаптопи, особено тези от Intel и AMD, от години използват CISC x86/x86-64 архитектури с по-големи и по-сложни ядра , захранвани от мощни захранвания и специални охладителни системи.

За разлика от това, ARM дизайните за мобилни телефони и вградени SoC отдавна са избрали хетерогенни архитектури от типа big.LITTLE , комбинирайки мощни и ефективни ядра в рамките на един и същ чип, за да адаптират консумацията според натоварването.

Тази идея директно вдъхнови новото поколение хибридни процесори Core на Intel, които комбинират високопроизводителни ядра (P-ядра) с високоефективни ядра (E-ядра) в един корпус. Въпреки че не използват ARM, те възпроизвеждат подхода, въведен от ARM, за да подобрят цялостната ефективност и производителност.

Що се отнася до пряката конкуренция, доскоро ARM беше сведен до много специфични проекти за настолни компютри или екосистемата на Apple . Въпреки това, със Snapdragon X Elite и други подобни проекти, Qualcomm и други производители се стремят да предизвикат x86 в масовите лаптопи.

Най-голямата пречка за ARM в масовия сегмент на персоналните компютри остава софтуерната съвместимост, а в случая с игрите - зависимостта от графични процесори и драйвери, оптимизирани за x86 . Докато AMD и Intel запазват господството си в производството на специализирани графични карти и високопроизводителни процесори, светът на игрите ще остане силно обвързан с x86.

ARM срещу RISC-V: Две различни RISC архитектури

През последните години RISC-V, друга RISC архитектура, която се конкурира директно с ARM на много фронтове , придоби значителна популярност . Подобно на ARM, RISC-V е насочена към устройства с ниска консумация на енергия, но се различава в един ключов аспект: тя е отворена и безлицензируема ISA.

Въпреки че използването на x86-64 или ARM включва плащане на авторски възнаграждения на Intel, AMD или Arm Ltd. , всяка компания или физическо лице може да проектира, произвежда и продава RISC-V процесори, без да плаща за права върху набор от инструкции. Това прави RISC-V особено привлекателен за държави и производители, търсещи технологична независимост и намаляване на разходите.

В момента, по отношение на чистите възможности, както ARM, така и RISC-V имат 64-битови разширения и поддръжка за пълни операционни системи . ARM вече е добре установен в Android, iOS, macOS и Linux, докато RISC-V започва да получава официална подкрепа в Android (Google го рекламира като архитектура от най-високо ниво) и в Linux дистрибуции като Ubuntu и Fedora.

По отношение на поддръжката от производителите, ARM продължава да има огромно предимство . Почти всички смартфони, таблети и интелигентни устройства, предлагани днес, използват ARM, докато повечето съвременни RISC-V чипове все още са насочени към разработка, микроконтролери и много специфични продукти.

Въпреки това, RISC-V очевидно печели по отношение на цена и свобода на дизайна . Без разходи за лицензиране е по-лесно да се създават ултраевтини или силно персонализирани продукти, което обяснява интереса на страни като Китай и Русия към приемането на тази архитектура за собствените си проекти.

Ако трябваше да изберем „победител“ в момента, ARM пак щеше да е по-добър по отношение на екосистема, наличен софтуер и зрялост . RISC-V обаче е многообещаващ конкурент за бъдещето, особено в областите на нискобюджетните устройства, интернет на нещата, рутерите, персоналните компютри от начално ниво и бюджетните смартфони.

Поглеждайки в по-широк план, ARM архитектурата се е утвърдила като един от крайъгълните камъни на съвременните изчисления : тя захранва всичко - от мобилните телефони, които използваме всеки ден, до ултралеките лаптопи, Chromebook-ове, Mac-ове с Apple Silicon и широк набор от вградени устройства. Нейната RISC философия, комбинацията от енергийна ефективност и повече от достатъчна производителност, нейният модел на лицензиране и широката поддръжка на операционни системи обясняват защо тя доминира в толкова много сегменти, дори когато по-нови предложения като RISC-V започват да се появяват като отворена алтернатива в света на процесорите.