Šta je ARM arhitektura u računarima i zašto je važna?

Informatec Digital » Resursi » Šta je ARM arhitektura u računarima i zašto je važna?

ARM arhitektura se razvila od pokretanja jednostavnih uređaja do pokretanja laptopa, desktop računara i servera . Ako ste ikada koristili Android telefon, iPhone, Raspberry Pi ili noviji Mac, već ste radili s procesorima zasnovanim na ovom dizajnu, čak i ako niste bili svjesni toga.

U narednim redovima, detaljno ćemo pogledati šta je zapravo ARM arhitektura u računarima, kako funkcioniše, njeno porijeklo i zašto mijenja pejzaž u poređenju sa Intelovom i AMD-ovom x86 arhitekturom . Također ćemo razgovarati o njenom odnosu sa RISC-V, njenoj ulozi u Windowsu, macOS-u i Linuxu, te zašto su veliki proizvođači prihvatili ovu vrstu CPU-a.

Šta je ARM arhitektura i na čemu je zasnovana?

Kada govorimo o ARM-u, mislimo na RISC (Reduced Instruction Set Computing) arhitekturu skupa instrukcija , dizajniranu za procesore male snage, ali sve snažnije, koji se koriste od sićušnih mikrokontrolera do ličnih računara i podatkovnih centara.

Za razliku od CISC arhitektura kao što su x86/x86-64 (pogledajte razlike između Intel i AMD procesora ), ARM se oslanja na jednostavniji, kompaktniji i visoko efikasniji skup instrukcija . To omogućava procesore sa manje tranzistora, manjom internom složenošću i značajno nižom potrošnjom energije - ključni faktor kod ultralaganih mobilnih uređaja i laptopa.

Važna stvar je da ARM Holdings (sada Arm Ltd.) ne proizvodi procesore . Kompanija dizajnira arhitekturu i jezgre, a zatim licencira tu tehnologiju trećim stranama (Apple, Qualcomm, Samsung, itd.), koje je integriraju u vlastite SoC-ove dodavanjem prilagođenih GPU-ova, memorijskih kontrolera, modema i drugih komponenti.

U praksi, to znači da postoje stotine varijanti ARM procesora sa prilično različitim ponašanjem i performansama , iako sve dijele istu bazu instrukcijskog skupa, što omogućava razvoj kompatibilnih operativnih sistema i aplikacija.

Kratka historija ARM-a: od Acorna do dominacije na tržištu

Priča o ARM-u počinje 1983. godine, kada je Acorn Computers odlučio razviti novi procesor na osnovu svog iskustva s MOS 6502 , čipom koji se u to vrijeme koristio u mnogim njihovim ličnim računarima. Projekat su vodili Sophie Wilson i Steve Furber.

Njihov cilj je bio stvoriti napredan, ali interno vrlo jednostavan procesor, bez mikrokoda i s jasnom RISC filozofijom . Godine 1985. završili su dizajn prvog prototipa, ARM1, a 1986. stigao je ARM2, prva komercijalna verzija korištena u računarima poput Acorn Archimedesa.

ARM2 je imao 32-bitnu podatkovnu magistralu, 26-bitni adresni prostor i 16 32-bitnih registara opće namjene . Jedan od ovih registara korišten je kao programski brojač (PC), a neki bitovi su korišteni za statusne zastavice. Tehnički, bio je izuzetno jednostavan: oko 30.000 tranzistora i bez keš memorije.

Ova jednostavnost je rezultirala nevjerovatno niskom potrošnjom energije za to vrijeme i performansama superiornijim u odnosu na Intel 286. Njegov nasljednik, ARM3, dodao je malu objedinjenu keš memoriju od 4 KB koja je značajno poboljšala ponovljeni pristup memoriji.

Krajem 80-ih, Apple je počeo sarađivati ​​sa Acornom na novim verzijama ARM jezgra . Kako bi se izbjegle zabrinutosti drugih proizvođača, 1990. godine je osnovana nezavisna kompanija Advanced RISC Machines (ARM), zadužena za dizajniranje i licenciranje budućih generacija procesora.

U ovoj fazi se pojavio ARM6, predstavljen 1991. godine, koji je Apple koristio u Newtonu (ARM 610) i Acorn u RiscPC-u. Jezgro je ostalo iznenađujuće jednostavno: samo 35.000 tranzistora , što mu je omogućavalo integraciju s raznim perifernim uređajima i formiranje prilagođenih sistema.

ARM-ov ogroman skok na potrošačko tržište dogodio se s ARM7TDMI, koji se nalazi u milionima mobilnih telefona, ručnih konzola i ugrađenih sistema . Istovremeno, Digital (DEC) je licencirao dizajn i stvorio StrongARM, sposoban za rad na 233 MHz uz potrošnju od oko 1 W, što je prekretnica u efikasnosti.

Vremenom je ova tehnologija prešla u ruke Intela, koji ju je integrirao u svoju Intel i960 porodicu i XScale rješenja, dok su i drugi giganti poput Freescalea, IBM-a, Texas Instrumentsa, Nintenda, Philipsa, Samsunga, STMicroelectronicsa ili Atmela licencirali ARM arhitekturu.

Danas, otprilike tri četvrtine 32-bitnih procesora u svijetu uključuju ARM jezgre . To predstavlja masovno prisustvo: tvrdi diskovi, ruteri, igračke, automobili, televizori, mobilni telefoni, tableti, laptopi i sve više lični računari i serveri.

Glavne porodice ARM procesora

Tokom decenija, ARM je izdao različite porodice i verzije arhitektura (ARMv1, v2, v3, itd.), svaka sa poboljšanjima u performansama, memorijskim kapacitetima, keš memorijama, podršci za operacije sa pokretnim zarezom i dodatnim funkcijama.

Prve generacije, kao što su ARM1, ARM2 i ARM3 (ARMv1 i ARMv2) , fokusirale su se na pružanje vrlo jednostavnog 32-bitnog CPU-a za računare poput BBC Micro s ARM koprocesorom, Acorn Archimedes ili RiscPC. Ovim čipovima je nedostajao potpuni MMU (u nekim slučajevima su koristili eksterni MEMC) i imali su malo ili nimalo keš memorije.

Sa ARM6 (ARMv3) porodicom , napravljen je skok ka potpunom 32-bitnom adresiranju, a ugrađene su jezgre poput ARM600 ili ARM610, neke sa integrisanom keš memorijom i specifičnim magistralama za koprocesore sa pomičnim zarezom.

Kasnije su se pojavili ARM7 i ARM7TDMI (ARMv3 i ARMv4T) , sa podrškom za 16-bitni Thumb skup instrukcija, trostepeni cjevovod i varijante sa keš memorijom, MMU ili MPU. Ova jezgra su osnova za popularne proizvode kao što su Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod i ugrađeni sistemi od NXP-a, Atmela i Psiona.

Paralelno s tim, pojavljuje se StrongARM (ARMv4) porodica , rezultat saradnje s DEC-om, koja se fokusira na postizanje visokog MIPS-a po vatu za PDA uređaje i male računare (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus, itd.), s relativno velikim L1 keš memorijama za to vrijeme i kompletnim MMU-om.

Kasnije su serije ARM9, ARM9E i ARM10E (ARMv4T i ARMv5) uvele dublje protočne procese, poboljšanja DSP instrukcija, širu podršku za Thumb, Jazelle mogućnosti za izvršavanje Java bajtkoda u hardveru i veće, konfigurabilne keš memorije. Ove jezgre se koriste u mobilnim telefonima, digitalnim kamerama, mrežnim uređajima, ručnim konzolama i bezbrojnim drugim sistemima na čipu (SoC).

Važna grana je XScale (ARMv5TE) , koju je preuzeo Intel, a dizajnirana je za aplikacijske procesore i mrežne procesore s visokim frekvencijama, izdašnim L1/L2 keš memorijama i, u nekim slučajevima, RAID akceleratorima ili vrlo specifičnim funkcijama za I/O.

ARM11 (ARMv6) je uveo cjevovod do 9 faza, SIMD podršku, Thumb-2, Jazelle DBX, poboljšanja DSP-a i sigurnosne tehnologije kao što je TrustZone. Ovi kerneli su korišteni u poznatim uređajima kao što su prvi iPhone, iPod touch rane generacije, neki Nokia Nseries telefoni, igraće konzole i prvi Raspberry Pi.

Velika moderna revolucija stigla je s Cortex porodicom , posebno u ARMv7-A i kasnijim profilima aplikacija. Jezgre poput Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 i njihovih višejezgrenih varijanti (MPCore) postale su de facto standard u pametnim telefonima, tabletima, pametnim televizorima i laganim laptopima.

Ove jezgre uključuju superskalarno izvršavanje, duboke cjevovode, NEON (SIMD), VFP za operacije s pomičnim zarezom, napredni Thumb-2 i TrustZone . Nalaze se u SoC-ovima kao što su oni u seriji Texas Instruments OMAP, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon i Apple A4/A8 i nasljednicima.

U oblasti ugrađenih sistema i mikrokontrolera, ističu se porodice Cortex-R (profil u realnom vremenu) i Cortex-M (profil mikrokontrolera) , sa varijantama kao što su Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 i M4, dizajnirane za kritične sisteme, industrijsku kontrolu, automobilsku i potrošačku elektroniku gdje su predvidljivost vremena odziva i efikasnost od najveće važnosti.

ARM skup instrukcija: RISC, uvjetni i thumb modovi

ARM skup instrukcija je od temelja dizajniran kao čisti RISC: jednostavne instrukcije fiksne veličine koje se u mnogim slučajevima mogu izvršiti u jednom taktnom ciklusu . Ključno je da kompajler generira efikasne sekvence s nekoliko visoko atomskih instrukcija.

Vrlo specifična karakteristika je da, u klasičnim 32-bitnim režimima, svaka instrukcija uključuje uslovni kod u svoja najviša 4 bita . Ovo omogućava da praktično svaka instrukcija bude uslovna (izvršava se samo ako su ispunjene određene zastavice), smanjujući potrebu za skokovima i sprečavajući pojavu mehurića u malim blokovima koda sa čestim uslovima.

Nadalje, ARM omogućava kombinovanje aritmetičkih/logičkih operacija sa pomjeranjem i rotacijom registara u jednoj instrukciji . Na primjer, nešto što je u C-u ekvivalentno "a += (j << 2);" može se izraziti kao jedna ARM instrukcija koja dodaje pomjerenu vrijednost registru, štedeći instrukcije i pristupe memoriji.

Još jedna prednost je što skup adresa podržava pre- i post-inkrementne režime, relativno adresiranje i druge fleksibilne metode adresiranja , koje su neuobičajene u drugim arhitekturama koje se također smatraju RISC-om. Sve ovo doprinosi smanjenju ukupnog broja instrukcija i poboljšanju performansi po ciklusu.

Klasična arhitektura definira 16 programeru vidljivih registara od 32 bita (R0-R15) . U principu su simetrični, iako se R15 koristi kao programski brojač (PC), R14 obično djeluje kao registar veze (povratna adresa potprograma ili izuzetaka), a R13 se koristi kao pokazivač steka.

ARM ima dva glavna načina izvršavanja: ARM način rada (32-bitne instrukcije) i Thumb način rada (16-bitne instrukcije) . ARM način rada nudi više snage (potpuniji skup instrukcija), ali generira veći kod; Thumb način rada prepolovljuje veličinu svake instrukcije, poboljšavajući gustoću koda i, u mnogim slučajevima, performanse na sistemima s užim memorijskim magistralama.

Thumb je u suštini podskup najčešće korištenih instrukcija u ARM igri . Prvi procesor koji ga je uključio bio je ARM7TDMI, a od tada gotovo sve naredne porodice (ARM9, XScale, Cortex, itd.) uključuju podršku za Thumb ili njegovu evoluciju, Thumb-2.

Pored toga, tu je i Jazelle DBX, tehnologija koja omogućava Java bajtkodu da se pokreće direktno na hardveru u određenim jezgrama (onima čiji naziv uključuje "J", kao što je ARM926EJ-S). Ova funkcionalnost ima za cilj ubrzanje Java virtuelnih mašina na uređajima sa ograničenim resursima.

Ključne prednosti ARM arhitekture

ARM-ova popularnost nije slučajna: proizilazi iz kombinacije energetske efikasnosti, fleksibilnosti dizajna, cijene i performansi dovoljnih za većinu upotreba.

S jedne strane, budući da je RISC arhitektura s relativno malim skupom instrukcija i bez teškog mikrokoda, ARM jezgre se mogu proizvesti s daleko manje tranzistora nego ekvivalentni x86 dizajn . Manje tranzistora znači manju potrošnju energije, manje zagrijavanja i manje, jeftinije čipove.

Ovo omogućava ARM procesorima da ponude vrlo pristojne performanse uz minimalnu potrošnju energije , što je ključno kod mobilnih telefona, tableta, ultralaganih laptopa, IoT uređaja i ugrađenih sistema koji se napajaju baterijama ili imaju termalna ograničenja.

Model licenciranja također ide u njegovu korist: ARM prodaje intelektualno vlasništvo svojih jezgara svim vrstama proizvođača , koji ih mogu prilagođavati, spajati s drugim blokovima (GPU, modem, AI akceleratori) i kreirati SoC-ove potpuno prilagođene svojim proizvodima.

Ovo stvara ogroman ekosistem proizvođača, sa stalnim poboljšanjima performansi i efikasnosti , i veoma širokim spektrom ponuda za gotovo svaku nišu: od ultra jeftinih mikrokontrolera do 64-bitnih CPU-a za servere.

Ukratko, ARM nudi nisku potrošnju energije, pristupačnu cijenu, dobru gustoću koda, zrele alate i više nego prihvatljive performanse koje se nastavljaju poboljšavati . Ne dostiže uvijek sirove nivoe performansi x86 u vrhunskim gejming desktop računarima, ali to nije ni potrebno u većini scenarija.

32-bitni i 64-bitni ARM: nedavna evolucija

Prvi ARM dizajni bili su 32-bitni i decenijama su dominirali tržištem ugrađenih i mobilnih uređaja . Međutim, počevši od 2011. godine, Arm je predstavio arhitekture s izvornom 64-bitnom podrškom (ARMv8 i noviji), otvarajući vrata mnogo većim radnim opterećenjima.

Prelazak na 64-bitnu arhitekturu u ARM-u nije došao na štetu efikasnosti RISC-a; naprotiv, postignut je zahvaljujući sofisticiranijem dizajnu modernog skupa instrukcija . To omogućava mnogo veće memorijske adrese i aritmetičke operacije sa povećanom preciznošću, nešto što je već neophodno u vrhunskim mobilnim uređajima i, naravno, u računarima i serverima.

Smanjena složenost u poređenju sa x86 ostaje prednost: čak i u svojim 64-bitnim verzijama, ARM procesori održavaju manje tranzistora za isti zadatak , što rezultira nižim troškovima proizvodnje i manjom potrošnjom energije.

U području personalnih računara, ovo se materijaliziralo u procesorima kao što su Apple Silicon (M1, M2, M3…) i Qualcommov novi Snapdragon X Elite , koji kombiniraju visokoperformansne jezgre s visokoefikasnim jezgrama i integriranom grafikom sposobnom da parira mnogim x86 laptopima u općim zadacima.

Upotreba ARM-a u računarima, laptopima i drugim uređajima

Tradicionalno, ARM procesori su bili rezervisani za pametne telefone, tablete, pametne televizore, rutere, prenosive konzole i uređaje gdje je niska potrošnja energije bila ključna, a puna snaga desktop računara nije bila potrebna.

Ali to se brzo mijenja. S jedne strane, uređaji poput Raspberry Pi-ja su pokazali da ARM sistem može savršeno funkcionirati kao desktop mikroračunar ili mini PC za kancelarijske zadatke s odgovarajućim operativnim sistemom (obično Linux) za kancelarijski rad, pregledavanje i lagano programiranje.

Također smo vidjeli snažnije proizvode bazirane na ARM-u poput NVIDIA Tegra X1 , kojeg Nvidia koristi u svom Shield TV-u i, prije svega, Nintendo u Switchu, gdje je ravnoteža između grafičkih performansi i potrošnje energije ključna.

U području naprednih tableta, Apple je, sa svojim čipovima A-serije (a kasnije i M-serije), pokazao da dobro dizajniran ARM SoC može pružiti spektakularne performanse u kreativnim aplikacijama, kancelarijskom radu i zahtjevnom multitaskingu, bez potrebe za agresivnim ventilatorima.

Microsoft, sa svoje strane, integriše ARM procesore u uređaje kao što je Surface Pro X i druge varijante Surface porodice , stavljajući temelje na laganim, tihim uređajima s integriranom LTE povezivošću koji mogu konkurirati tradicionalnim laptopima za mobilni rad.

U međuvremenu, Google snažno promovira ARM u svom Chromebook ekosistemu . Chrome OS, baziran na Chromiumu i Androidu, odlično se uklapa u ovu arhitekturu, nudeći pristupačne, lagane laptope s odličnim trajanjem baterije. Mnogi proizvođači Chromebooka odlučuju se za ARM SoC-ove upravo kako bi maksimizirali trajanje baterije i smanjili troškove.

ARM i operativni sistemi: Windows, macOS, Linux i drugi

Iako mnogi ljudi povezuju ARM samo s mobilnim uređajima, većina glavnih operativnih sistema već ima zrelu podršku za ovu arhitekturu , kako u ugrađenim varijantama tako i u desktop i server okruženjima.

U mobilnoj areni, Android i iOS godinama rade gotovo isključivo na ARM procesorima , koristeći njihove prednosti u efikasnosti. Apple je, prelaskom na Apple Silicon, proširio ovu filozofiju i na svoje desktop i laptop računare, napuštajući Intel x86 procesore.

Na Mac računarima sa ARM procesorima, Apple nudi Rosetta 2, sistem prevođenja koji omogućava aplikacijama kompajliranim za Intel da rade sa iznenađujuće dobrim performansama. Ovo je uveliko olakšalo prelazak, do te mjere da danas gotovo sve relevantne aplikacije imaju izvornu ARM verziju.

Unutar Microsoftovog ekosistema, Windows je istraživao različite pristupe ARM-u . Windows CE i Windows Embedded Compact su godinama podržavali ARMv5, v6 i v7 u svijetu ugrađenih računara. Kasnije se pojavio Windows 8 RT za ARM tablete poput prvog Surface-a, sa skromnim rezultatima zbog softverskih ograničenja.

Windows 10 i Windows 11 idu korak dalje, nudeći ARM verzije s emulacijom x86 aplikacija . U Windowsu 11, emulacija i performanse su znatno poboljšane, iako problemi s kompatibilnošću i dalje postoje s nekim klasičnim desktop softverom.

U međuvremenu, Linux i UNIX-slični sistemi su s velikim entuzijazmom prihvatili ARM . Distribucije poput Debiana, Ubuntua, Arch Linuxa, Kali-ja, Manjaroa, Gentooa i Oracle Linuxa nude službene slike za različite ARM SoC-ove, uključujući Raspberry Pi i druge ploče.

Što se tiče BSD-a, FreeBSD, NetBSD i OpenBSD podržavaju više ARM platformi , a historijski sistemi poput RISC iX-a su radili na Acorn mašinama zasnovanim na ARM2/ARM3. Pored toga, Solaris i druge UNIX varijante su također imale implementacije za ovu arhitekturu.

U području operativnih sistema za rad u realnom vremenu i ugrađenih operativnih sistema, ARM je prisutan u Androidu (u slučaju ugrađenih uređaja), Windows CE/Embedded, .NET Micro Frameworku, ChibiOS/RT, FreeRTOS-u, eCosu, Integrityju, Nucleusu, QNX-u, RTEMS-u, ThreadX-u, VxWorksu, uTaskeru, MQX-u i mnogim drugim . Lista je ogromna jer gotovo svaki moderni RTOS nudi podršku za barem jedan ARM profil.

Intel, ARM i inspiracija iza big.LITTLE arhitekture

Klasični procesori za desktop i laptop računare, posebno oni od Intela i AMD-a, godinama su koristili CISC x86/x86-64 arhitekture sa većim i složenijim jezgrama , pokretane snažnim napajanjima i namjenskim sistemima hlađenja.

Nasuprot tome, ARM dizajni za mobilne telefone i ugrađene SoC-ove dugo su se odlučili za heterogene arhitekture tipa big.LITTLE , kombinujući snažne i efikasne jezgre unutar istog čipa kako bi prilagodili potrošnju opterećenju.

Ova ideja je direktno inspirisala Intelovu novu generaciju hibridnih Core procesora, koji kombinuju visokoperformansne jezgre (P-jezgre) sa visokoefikasnim jezgrama (E-jezgre) u jednom paketu. Iako ne koriste ARM, oni repliciraju pristup koji je uveo ARM kako bi poboljšali ukupnu efikasnost i performanse.

Što se tiče direktne konkurencije, ARM je do nedavno bio ograničen na vrlo specifične desktop projekte ili Apple ekosistem . Međutim, sa Snapdragon X Elite i drugim sličnim projektima, Qualcomm i drugi proizvođači imaju za cilj da izazovu x86 u mainstream laptopima.

Najveća prepreka za ARM u mainstream PC-u ostaje kompatibilnost softvera i, u slučaju igara, oslanjanje na GPU-ove i drajvere optimizovane za x86 . Sve dok AMD i Intel održavaju svoju dominaciju u oblasti namenskih grafičkih kartica i visokoperformansnih CPU-a, svijet igara će ostati u velikoj mjeri vezan za x86.

ARM vs RISC-V: Dvije različite RISC arhitekture

Posljednjih godina, RISC-V, još jedna RISC arhitektura koja direktno konkuriše ARM-u na mnogim frontovima , stekla je značajnu vidljivost . Poput ARM-a, RISC-V je usmjeren na uređaje niske potrošnje energije, ali se razlikuje u jednom ključnom aspektu: to je otvoreni ISA bez licenci.

Iako korištenje x86-64 ili ARM-a podrazumijeva plaćanje autorskih naknada Intelu, AMD-u ili Arm Ltd. , bilo koja kompanija ili pojedinac može dizajnirati, proizvoditi i prodavati RISC-V procesore bez plaćanja prava na instrukcijski skup. Ovo čini RISC-V posebno atraktivnim za zemlje i proizvođače koji traže tehnološku nezavisnost i smanjenje troškova.

Trenutno, što se tiče samih mogućnosti, i ARM i RISC-V imaju 64-bitna proširenja i podršku za kompletne operativne sisteme . ARM je već dobro uspostavljen u Androidu, iOS-u, macOS-u i Linuxu, dok RISC-V počinje dobijati zvaničnu podršku u Androidu (Google ga promoviše kao vrhunsku arhitekturu) i u Linux distribucijama poput Ubuntua i Fedore.

Što se tiče podrške proizvođača, ARM i dalje ima ogromnu prednost . Gotovo svi pametni telefoni, tableti i pametni uređaji dostupni danas koriste ARM, dok je većina trenutnih RISC-V čipova i dalje usmjerena na razvoj, mikrokontrolere i vrlo specifične proizvode.

Međutim, RISC-V očito pobjeđuje u smislu cijene i slobode dizajna . Bez troškova licenciranja, lakše je kreirati ultra jeftine ili visoko prilagođene proizvode, što objašnjava interes zemalja poput Kine i Rusije za usvajanje ove arhitekture za vlastite projekte.

Ako bismo sada morali birati "pobjednika", ARM bi i dalje bio superiorniji u ekosistemu, dostupnom softveru i zrelosti . Međutim, RISC-V je vrlo obećavajući konkurent za budućnost, posebno u područjima jeftinih uređaja, IoT-a, rutera, početnih računara i pametnih telefona niže cijene.

Gledajući širu sliku, ARM arhitektura se etablirala kao jedan od temelja modernog računarstva : ona pokreće sve, od mobilnih telefona koje koristimo svaki dan do ultralakih laptopa, Chromebookova, Mac računara sa Apple Silicon tehnologijom i širokog spektra ugrađenih uređaja. Njena RISC filozofija, kombinacija energetske efikasnosti i više nego dovoljnih performansi, njen model licenciranja i široka podrška operativnih sistema objašnjavaju zašto dominira u toliko mnogo segmenta, čak i dok se novije ponude poput RISC-V počinju pojavljivati ​​kao otvorena alternativa u svijetu CPU-a.