Què és l'arquitectura ARM a ordinadors i per què importa

Informatec Digital » Recursos » Què és l'arquitectura ARM a ordinadors i per què importa

Larquitectura ARM ha passat de moure simples gadgets a impulsar portàtils, sobretaula i servidors . Si alguna vegada has fet servir un mòbil Android, un iPhone, una Raspberry Pi o un Mac recent, ja has treballat amb processadors basats en aquest disseny, encara que potser no en fossis conscient.

A les següents línies veurem amb calma què és exactament l'arquitectura ARM en ordinadors, com funciona, d'on ve i per què està canviant el panorama davant x86 d'Intel i AMD . També parlarem de la seva relació amb RISC-V, del seu paper a Windows, macOS i Linux, i per què els grans fabricants s'han llançat de cap a aquest tipus de CPU.

Què és l'arquitectura ARM i en què es basa

Quan parlem d'ARM ens referim a una arquitectura de conjunt d'instruccions RISC (Reduced Instruction Set Computing) , dissenyada per a processadors de baix consum però cada cop més potents, utilitzada des de microcontroladors diminuts fins a ordinadors personals i centres de dades.

A diferència de les arquitectures CISC com x86/x86-64 (vegeu les diferències entre processadors Intel i AMD ), ARM aposta per un conjunt d'instruccions més simple, compacte i molt eficient . Això permet processadors amb menys transistors, menor complexitat interna i un consum energètic molt més baix, una cosa clau en dispositius mòbils i portàtils ultralleugers.

Un punt important és que ARM Holdings (ara Arm Ltd.) no fabrica processadors . La companyia es dedica a dissenyar l'arquitectura i els nuclis, i després llicencia aquesta tecnologia a tercers (Apple, Qualcomm, Samsung, etc.), que la integren als seus propis SoC afegint GPU, controladors de memòria, mòdems i altres blocs personalitzats.

A la pràctica, això significa que hi ha centenars de variants de processadors ARM amb comportaments i rendiments força diferents entre si , encara que tots comparteixen la mateixa base de conjunt d'instruccions, la qual cosa permet desenvolupar sistemes operatius i aplicacions compatibles.

Breu història d'ARM: d'Acorn a dominar el mercat

La història d'ARM arrenca el 1983, quan Acorn Computers decideix desenvolupar un nou processador basat en l'experiència amb el MOS 6502 , el xip que feien servir molts dels seus ordinadors personals de l'època. El projecte va estar liderat per Sophie Wilson i Steve Furber.

El seu objectiu era crear un processador avançat però molt senzill internament, sense microcodi i amb filosofia RISC clara . El 1985 culminen el disseny del primer prototip, l'ARM1, i el 1986 arriba l'ARM2, la primera versió comercial usada en ordinadors com l'Acorn Archimedes.

L'ARM2 disposava de bus de dades de 32 bits, espai d'adreces de 26 bits i 16 registres de propòsit general de 32 bits . Un d'aquests registres es feia servir com a comptador de programa (PC), aprofitant alguns bits per als flags d'estat. Tècnicament era d'una senzillesa extrema: al voltant de 30.000 transistors i sense memòria cau.

Aquesta simplicitat es traduïa en un consum energètic ridícul per a l'època i un rendiment superior al d'un Intel 286 . L'ARM3, el seu successor, va afegir una petita memòria cau unificada de 4 KB que va millorar notablement l'accés repetitiu a memòria.

A finals dels 80, Apple comença a col·laborar amb Acorn en noves versions del nucli ARM . Per evitar recels d'altres fabricants, el 1990 es crea l'empresa independent Advanced RISC Machines (ARM), encarregada de dissenyar i llicenciar les generacions futures de processadors.

D'aquesta etapa sorgeix l'ARM6, presentat el 1991, utilitzat per Apple al Newton (ARM 610) i per Acorn al RiscPC. El nucli seguia sent sorprenentment simple: a penes 35.000 transistors , cosa que permetia integrar-lo amb diferents perifèrics i formar sistemes a mida.

El salt massiu d'ARM al gran consum arriba amb l' ARM7TDMI, que s'estén per milions de telèfons mòbils, consoles portàtils i sistemes encastats . Paral·lelament, Digital (DEC) llicencia el disseny i crea el StrongARM, capaç de funcionar a 233 MHz consumint al voltant d'1 W, una fita en eficiència.

Amb el temps, aquesta tecnologia passa a mans d'Intel, que la integra a la seva família Intel i960 i en solucions XScale, mentre que altres gegants com Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics o Atmel també llicencien l'arquitectura ARM.

Avui dia, aproximadament tres quartes parts dels processadors de 32 bits del món incorporen nuclis ARM . Parlem d'una presència brutal: discos durs, encaminadors, joguines, cotxes, televisors, mòbils, tablets, portàtils i, cada cop més, ordinadors personals i servidors.

Principals famílies de processadors ARM

Al llarg de les dècades ARM ha anat llançant diferents famílies i versions d'arquitectura (ARMv1, v2, v3, etc.), cadascuna amb millores en rendiment, capacitats de memòria, caixets, suport de punt flotant i funcionalitats extra.

Les primeres generacions, com ARM1, ARM2 i ARM3 (ARMv1 i ARMv2) , se centraven a oferir una CPU de 32 bits molt simple per a ordinadors com el BBC Micro amb coprocessador ARM, l'Acorn Archimedes o el RiscPC. Eren xips sense MMU completa (en alguns casos amb MEMC extern) i amb memòria cau nul·la o molt petita.

Amb la família ARM6 (ARMv3) es fa el salt a adreçament complet de 32 bits i s'incorporen nuclis com ARM600 o ARM610, alguns amb caixet integrada i busos específics per a coprocessadors de coma flotant.

Posteriorment arriben ARM7 i ARM7TDMI (ARMv3 i ARMv4T) , amb suport per al conjunt d'instruccions Thumb de 16 bits, pipeline de 3 etapes i variants amb memòria cau, MMU o MPU. Aquests nuclis són la base de productes tan populars com Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod, equips encastats de NXP, Atmel o Psion.

En paral·lel apareix la família StrongARM (ARMv4) , fruit de la col·laboració amb DEC, que se centra a aconseguir alts MIPS per watt per a PDAs i petits ordinadors (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus, etc.), amb caixets L1 relativament grans per a l'època i MMU completa.

Més endavant, les sèries ARM9, ARM9E i ARM10E (ARMv4T i ARMv5) introdueixen pipelins més profunds, millores en instruccions DSP, suport més ampli de Thumb, capacitats Jazelle per executar bytecode Java en maquinari i caixets més grans i configurables. Aquests nuclis sutilitzen en mòbils, càmeres digitals, dispositius de xarxa, consoles portàtils i una infinitat de SoC.

Una branca important és XScale (ARMv5TE) , adquirida per Intel, pensada per a processadors d'aplicacions i processadors de xarxa amb altes freqüències, caixets L1/L2 generoses i, en alguns casos, acceleradors de RAID o funcions molt específiques per a I/O.

Amb ARM11 (ARMv6) s'introdueix un pipeline de fins a 9 etapes, suport SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, millores DSP i tecnologies de seguretat com TrustZone. Aquests nuclis han estat en dispositius tan coneguts com el primer iPhone, iPod touch de primeres generacions, alguns Nokia Nseries, consoles i el primer Raspberry Pi.

La gran revolució moderna arriba amb la família Cortex , sobretot al perfil d'aplicacions ARMv7-A i posteriors. Nuclis com Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 i les seves variants multinucli (MPCore) es converteixen en estàndard de facto en smartphones, tablets, televisors intel·ligents i portàtils lleugers.

Aquests nuclis incorporen execució superscalar, pipelins profunds, NEON (SIMD), VFP per a punt flotant, Thumb-2 avançat i TrustZone . Són presents a SoC com els de la sèrie OMAP de Texas Instruments, Exynos de Samsung, Tegra de Nvidia, Snapdragon de Qualcomm o Apple A4/A8 i successors.

En l'àmbit embegut i de microcontroladors destaquen les famílies Cortex-R (perfil temps real) i Cortex-M (perfil microcontrolador) , amb variants com Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 i M4, pensades per a sistemes crítics, control industrial, automoció i electrònica de consum on preval la predictibilitat del temps de resposta i l'eficiència.

Joc d'instruccions ARM: RISC, condicionals i modes Thumb

El conjunt d'instruccions ARM es va dissenyar des del principi com a RISC pur: instruccions simples, de mida fixa i, en molts casos, executables en un cicle de rellotge . La clau és que el compilador generi seqüències eficients amb poques instruccions molt atòmiques.

Una característica molt particular és que, en els modes clàssics de 32 bits, cada instrucció inclou als seus 4 bits més alts un codi de condició . Això permet que pràcticament qualsevol instrucció sigui condicional (executar-se només si es compleixen certes banderes), reduint la necessitat de salts i evitant bombolles al pipeline en petits blocs de codi amb condicions freqüents.

A més, ARM permet combinar operacions aritmètiques/lògiques amb desplaçaments i rotacions de registres en una sola instrucció . Per exemple, una cosa equivalent a C a “a += (j << 2);” es pot expressar com una única instrucció ARM que suma al registre un valor ja desplaçat, estalviant instruccions i accessos a memòria.

Un altre avantatge és que el conjunt d'adreces suporta modes amb pre i post increment, adreçament relatiu i altres formes flexibles , poc habituals en altres arquitectures considerades també RISC. Tot això contribueix a reduir el nombre total d'instruccions i millorar-ne el rendiment per cicle.

L'arquitectura clàssica defineix 16 registres visibles al programador, de 32 bits (R0-R15) . En principi són simètrics, encara que R15 s'usa com a comptador de programa (PC), R14 sol actuar com a registre d'enllaç (adreça de retorn de subrutines o excepcions) i R13 s'empra com a punter de pila.

ARM disposa de dos modes d'execució principals: mode ARM (instruccions de 32 bits) i mode Thumb (instruccions de 16 bits) . El mode ARM ofereix més potència (conjunt d'instruccions més complet), però genera codi més gran; el mode Thumb redueix a la meitat la mida de cada instrucció, millorant la densitat de codi i, en molts casos, el rendiment en sistemes amb bus de memòria més estret.

Thumb és bàsicament un subconjunt de les instruccions més usades del joc ARM . El primer processador que el va incorporar va ser l'ARM7TDMI, i des de llavors pràcticament totes les famílies posteriors (ARM9, XScale, Cortex, etc.) inclouen suport per a Thumb o la seva evolució Thumb-2.

A això se suma Jazelle DBX, una tecnologia que permet executar bytecode Java directament en maquinari en determinats nuclis (aquells el nom dels quals inclou una “J”, com ARM926EJ-S). Aquesta funcionalitat cercava accelerar màquines virtuals Java en dispositius amb recursos limitats.

Avantatges clau de l'arquitectura ARM

La popularitat d'ARM no és casual: respon a una combinació d'eficiència energètica, flexibilitat de disseny, cost i rendiment suficient per a la majoria d'usos.

D'una banda, com que és una arquitectura RISC amb un joc d'instruccions relativament reduït i sense microcodi pesat, els nuclis ARM poden fabricar-se amb molts menys transistors que un disseny x86 equivalent . Menys transistors signifiquen menys consum, menys calor i xips més petits i barats.

Això permet que processadors ARM ofereixin un rendiment molt decent amb consums ínfims , una mica crític en mòbils, tauletes, portàtils ultralleugers, dispositius IoT i sistemes encastats alimentats per bateria o amb limitacions tèrmiques.

El model de llicències també juga a favor: ARM ven la propietat intel·lectual dels seus nuclis a tot tipus de fabricants , que poden personalitzar-los, fusionar-los amb altres blocs (GPU, mòdem, acceleradors IA) i crear SoC totalment adaptats als seus productes.

Això produeix un ecosistema de fabricants enorme, amb millores contínues en rendiment i eficiència , i una oferta molt àmplia per a gairebé qualsevol nínxol: des de microcontroladors ultrabarats fins a CPU de 64 bits per a servidors.

En resum, ARM ofereix baix consum, cost contingut, bona densitat de codi, eines madures i un rendiment més que acceptable que no deixa de millorar . No sempre arriba a les cotes brutes de x86 en sobretaula gaming d'alta gamma, però tampoc ho necessita a la majoria d'escenaris.

ARM de 32 i 64 bits: evolució recent

Els primers dissenys ARM eren de 32 bits, i durant dècades van dominar el mercat de dispositius embeguts i mòbils . No obstant això, a partir del 2011 Arm introdueix arquitectures amb suport nadiu de 64 bits (ARMv8 i successives), obrint la porta a càrregues de treball molt més pesades.

El pas a 64 bits a ARM no s'ha fet a costa d'abandonar l'eficiència RISC, sinó que s'ha aconseguit gràcies al disseny més elaborat del conjunt d'instruccions modern . Això facilita adreces de memòria molt més grans i operacions aritmètiques de precisió estesa, cosa ja imprescindible en mòbils de gamma alta i, per descomptat, en ordinadors i servidors.

La complexitat reduïda respecte a x86 continua sent un avantatge: fins i tot en les seves versions de 64 bits, els processadors ARM mantenen menys transistors per a la mateixa tasca , cosa que es tradueix en costos de fabricació més baixos i un consum inferior.

A l'àmbit dels ordinadors personals, això s'ha materialitzat en processadors com Apple Silicon (M1, M2, M3…) i els nous Snapdragon X Elite de Qualcomm , que combinen nuclis d'alt rendiment amb nuclis d'alta eficiència i gràfics integrats capaços de rivalitzar amb molts portàtils x86 en tasques generals.

Ús d'ARM a ordinadors, portàtils i altres dispositius

Tradicionalment, els processadors ARM es reservaven per a smartphones, tablets, smart TV, routers, consoles portàtils i gadgets on el baix consum era clau i no calia una potència d'escriptori plena.

Però això està canviant de pressa. D'una banda, dispositius com les Raspberry Pi han demostrat que un sistema ARM pot funcionar perfectament com a microordinador d'escriptori o mini PC d'ofimàtica amb un sistema operatiu adequat (generalment Linux) per a tasques d'oficina, navegació i programació lleugera.

També hem vist productes basats en ARM més potents com NVIDIA Tegra X1 , usat per Nvidia a la seva Shield TV i, sobretot, per Nintendo a la Switch, on l'equilibri entre rendiment gràfic i consum és fonamental.

Al territori de les tablets avançades, Apple amb els seus xips de la sèrie A (i més tard M) ha mostrat que un SoC ARM ben dissenyat pot oferir un rendiment espectacular en aplicacions creatives, ofimàtica i multitasca pesada, sense requerir ventiladors agressius.

Microsoft, per la seva banda, integra processadors ARM en dispositius com Surface Pro X i altres variants de la família Surface , apostant per equips lleugers, silenciosos i amb connexió LTE integrada que puguin competir amb portàtils tradicionals per a treball en mobilitat.

En paral·lel, Google impulsa fortament ARM al seu ecosistema Chromebook . Chrome US, basat en Chromium i Android, s'adapta molt bé a aquesta arquitectura, oferint portàtils econòmics, lleugers i amb autonomies excel·lents. Molts fabricants de Chromebook aposten per SoC ARM precisament per maximitzar autonomia i reduir costos.

ARM i els sistemes operatius: Windows, macOS, Linux i altres

Tot i que molta gent associa ARM únicament amb mòbils, la majoria de grans sistemes operatius ja tenen suport madur per a aquesta arquitectura , tant en variants embegudes com en entorns d'escriptori i servidor.

Al terreny mòbil, Android i iOS fa anys que funcionen gairebé exclusivament sobre ARM , aprofitant els seus avantatges d'eficiència. Apple, amb la transició a Apple Silicon, ha portat aquesta filosofia també als seus ordinadors de sobretaula i portàtils, abandonant els processadors Intel x86.

Als Mac amb ARM, Apple ofereix Rosetta 2, un sistema de traducció que permet executar aplicacions compilades per a Intel amb un rendiment sorprenentment bo. Això ha facilitat enormement la transició, fins al punt que avui gairebé totes les aplicacions rellevants ja compten amb versió nativa per a ARM.

A l'ecosistema Microsoft, Windows ha experimentat diverses aproximacions a ARM . Fa anys que Windows CE i Windows Embedded Compact suportaven ARMv5, v6 i v7 al món embegut. Més tard va arribar Windows 8 RT per a tablets ARM com la primera Surface, amb resultats discrets per les limitacions de programari.

Windows 10 i Windows 11 fan un pas més, oferint versions per a ARM amb emulació d'aplicacions x86 . A Windows 11 l'emulació i el rendiment han millorat força, encara que encara hi ha problemes de compatibilitat amb part del programari d'escriptori clàssic.

Mentrestant, Linux i els sistemes tipus UNIX han abraçat ARM amb força entusiasme . Distribucions com Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo o Oracle Linux ofereixen imatges oficials per a diversos SoC ARM, incloent Raspberry Pi i altres plaques.

Al costat BSD, FreeBSD, NetBSD i OpenBSD compten amb suport per a múltiples plataformes ARM , i sistemes històrics com RISC iX van funcionar en màquines Acorn basades en ARM2/ARM3. A més, Solaris i altres variants UNIX també han tingut implementacions per a aquesta arquitectura.

En el terreny dels sistemes operatius en temps real i embeguts, ARM és present en Android (en el cas de dispositius integrats), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTas . La llista és enorme perquè pràcticament qualsevol RTOS modern ofereix suport per a algun dels perfils ARM.

Intel, ARM i la inspiració de l'arquitectura big.LITTLE

Els processadors de sobretaula i portàtils clàssics, especialment Intel i AMD, han utilitzat durant anys arquitectures CISC x86/x86-64 amb nuclis més grans i complexos , alimentats per fonts d'energia potents i sistemes de refrigeració específics.

Per contra, els dissenys ARM per a mòbils i SoC integrats van optar ja fa temps per arquitectures heterogènies del tipus big.LITTLE , combinant nuclis potents i nuclis eficients dins del mateix xip per adaptar el consum segons la càrrega de treball.

Aquesta idea ha inspirat directament Intel en la nova generació de processadors Core híbrids, que barregen nuclis d'alt rendiment (P-cores) amb nuclis d'alta eficiència (E-cores) en un mateix paquet. Encara que no usen ARM, sí que repliquen l'enfocament introduït per ARM per millorar eficiència i rendiment global.

Pel que fa a la competència directa, fins fa poc ARM estava relegat a l'escriptori a projectes molt concrets oa l'ecosistema Apple . Tot i això, amb els Snapdragon X Elite i altres projectes similars, Qualcomm i altres fabricants pretenen plantar cara a x86 en portàtils generalistes.

El major obstacle per a ARM al PC tradicional continua sent la compatibilitat del programari i, en el cas del gaming, la dependència de GPU i drivers optimitzats per a x86 . Mentre que AMD i Intel mantinguin el seu domini en targetes gràfiques dedicades i CPU d'alt rendiment, el món gaming seguirà fortament lligat a x86.

ARM davant de RISC-V: dues arquitectures RISC diferents

En els darrers anys ha guanyat molta visibilitat RISC-V, una altra arquitectura RISC que competeix directament amb ARM en molts fronts . Com ARM, RISC-V està orientada a dispositius de baix consum, però es diferencia en un punt clau: és un ISA obert i lliure de llicències.

Mentre que utilitzar x86-64 o ARM implica pagar royalties a Intel, AMD o Arm Ltd. qualsevol empresa o individu pot dissenyar, fabricar i vendre processadors RISC-V sense pagar drets pel conjunt d'instruccions. Això fa que RISC-V sigui especialment atractiu per a països i fabricants que busquen independència tecnològica i reducció de costos.

A hores d'ara, quant a capacitats pures, tant ARM com RISC-V compten amb extensions de 64 bits i suport per a sistemes operatius complets . ARM ja està molt establerta a Android, iOS, macOS i Linux, mentre que RISC-V està començant a guanyar suport oficial a Android (Google l'impulsa com a arquitectura de primer nivell) i en distribucions Linux com Ubuntu o Fedora.

En el terreny del suport de fabricants, ARM segueix tenint un avantatge aclaparador . Gairebé tots els smartphones, tablets i dispositius intel·ligents disponibles avui fan servir ARM, mentre que la majoria de xips RISC-V actuals s'orienten encara a desenvolupament, microcontroladors i productes molt específics.

Això sí, RISC-V guanya clarament en preu i llibertat de disseny . Com que no tenen costos de llicència, és més senzill crear productes ultrabarats o molt personalitzats, cosa que explica l'interès de països com la Xina o Rússia per adoptar aquesta arquitectura en projectes propis.

Si haguéssim de triar “guanyador” ara mateix, ARM continua sent superior en ecosistema, programari disponible i maduresa . RISC-V, però, és un competidor molt prometedor per al futur, sobretot en l'àmbit de dispositius de baix cost, IoT, encaminadors, PC d'entrada i smartphones econòmics.

Mirant el panorama general, l'arquitectura ARM s'ha consolidat com una de les pedres angulars de la informàtica moderna : impulsa des dels mòbils que fem servir diàriament fins a portàtils ultralleugers, Chromebooks, Mac amb Apple Silicon i una enorme quantitat de dispositius embeguts. La seva filosofia RISC, la combinació d'eficiència energètica i rendiment més que suficient, el model de llicències i l'ampli suport de sistemes operatius expliquen per què domina tants segments, fins i tot mentre noves propostes com RISC-V comencen a treure el cap com a alternativa oberta al món de les CPU.