Co je architektura ARM v počítačích a proč je důležitá?

Informatec Digital » Zdroje » Co je architektura ARM v počítačích a proč je důležitá?

Architektura ARM se vyvinula z pohánějících jednoduchých zařízení k napájení notebooků, stolních počítačů a serverů . Pokud jste někdy používali telefon s Androidem, iPhone, Raspberry Pi nebo novější Mac, jistě jste s procesory založenými na tomto designu pracovali, i když jste o tom nevěděli.

V následujících řádcích se podrobně podíváme na to, co vlastně architektura ARM v počítačích je, jak funguje, jaké má původ a proč mění prostředí ve srovnání s architekturou x86 od Intelu a AMD . Probereme také její vztah k RISC-V, její roli ve Windows, macOS a Linuxu a proč hlavní výrobci tento typ CPU přijali.

Co je to architektura ARM a na čem je založena?

Když mluvíme o ARM, máme na mysli architekturu instrukční sady RISC (Reduced Instruction Set Computing) , která je navržena pro procesory s nízkou spotřebou energie, ale stále výkonnější, používané od malých mikrokontrolérů až po osobní počítače a datová centra.

Na rozdíl od architektur CISC, jako je x86/x86-64 (viz rozdíly mezi procesory Intel a AMD ), se ARM spoléhá na jednodušší, kompaktnější a vysoce efektivní instrukční sadu . To umožňuje procesory s menším počtem tranzistorů, menší vnitřní složitostí a výrazně nižší spotřebou energie – klíčový faktor u ultralehkých mobilních zařízení a notebooků.

Důležitým bodem je, že ARM Holdings (nyní Arm Ltd.) nevyrábí procesory . Společnost navrhuje architekturu a jádra a poté tuto technologii licencuje třetím stranám (Apple, Qualcomm, Samsung atd.), které ji integrují do svých vlastních SoC přidáním vlastních GPU, řadičů paměti, modemů a dalších komponent.

V praxi to znamená, že existují stovky variant procesorů ARM s poměrně odlišným chováním a výkonem , ačkoli všechny sdílejí stejnou instrukční sadu, což umožňuje vývoj kompatibilních operačních systémů a aplikací.

Stručná historie ARM: od Acornu k dominanci na trhu

Příběh ARM začíná v roce 1983, kdy se společnost Acorn Computers rozhodla vyvinout nový procesor na základě svých zkušeností s MOS 6502 , čipem používaným v mnoha jejich tehdejších osobních počítačích. Projekt vedli Sophie Wilson a Steve Furber.

Jejich cílem bylo vytvořit pokročilý, ale vnitřně velmi jednoduchý procesor, bez mikrokódu a s jasnou filozofií RISC . V roce 1985 dokončili návrh prvního prototypu, ARM1, a v roce 1986 dorazil ARM2, první komerční verze používaná v počítačích, jako byl Acorn Archimedes.

ARM2 měl 32bitovou datovou sběrnici, 26bitový adresní prostor a 16 32bitových registrů pro všeobecné použití . Jeden z těchto registrů byl používán jako programový čítač (PC), přičemž některé bity sloužily pro stavové příznaky. Technicky to bylo extrémně jednoduché: přibližně 30 000 tranzistorů a žádná vyrovnávací paměť.

Tato jednoduchost vedla k neuvěřitelně nízké spotřebě energie za daný čas a výkonu, který byl lepší než u procesoru Intel 286. Jeho nástupce, ARM3, přidal malou 4KB unifikovanou mezipaměť, která výrazně zlepšila opakovaný přístup k paměti.

Koncem 80. let začal Apple spolupracovat se společností Acorn na nových verzích jádra ARM . Aby se předešlo obavám ostatních výrobců, byla v roce 1990 založena nezávislá společnost Advanced RISC Machines (ARM), jejímž úkolem bylo navrhovat a licencovat budoucí generace procesorů.

V této fázi se objevil procesor ARM6, představený v roce 1991, který společnost Apple použila v počítači Newton (ARM 610) a společnost Acorn v RiscPC. Jádro zůstalo překvapivě jednoduché: pouhých 35 000 tranzistorů , což umožňovalo jeho integraci s různými periferiemi a vytváření vlastních systémů.

Masivní skok společnosti ARM na spotřebitelský trh přišel s čipem ARM7TDMI, který se nachází v milionech mobilních telefonů, kapesních konzolí a vestavěných systémů . Současně společnost Digital (DEC) licencovala tento návrh a vytvořila StrongARM, schopný pracovat na frekvenci 233 MHz se spotřebou přibližně 1 W, což je milník v oblasti účinnosti.

Postupem času tato technologie přešla do rukou společnosti Intel, která ji integrovala do své rodiny Intel i960 a řešení XScale, zatímco architekturu ARM licencovali i další giganti jako Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics nebo Atmel .

Dnes zhruba tři čtvrtiny 32bitových procesorů na světě obsahují jádra ARM . To představuje masivní zastoupení: pevné disky, routery, hračky, auta, televizory, mobilní telefony, tablety, notebooky a stále častěji i osobní počítače a servery.

Hlavní rodiny procesorů ARM

V průběhu desetiletí společnost ARM vydala různé rodiny a verze architektur (ARMv1, v2, v3 atd.), z nichž každá se vyznačovala vylepšeními ve výkonu, paměťových kapacitách, mezipamětech, podpoře operací s plovoucí desetinnou čárkou a dalšími funkcemi.

První generace, jako například ARM1, ARM2 a ARM3 (ARMv1 a ARMv2) , se zaměřovaly na poskytování velmi jednoduchých 32bitových CPU pro počítače jako BBC Micro s koprocesorem ARM, Acorn Archimedes nebo RiscPC. Těmto čipům chyběla plnohodnotná MMU (v některých případech používala externí MEMC) a měly malou nebo žádnou mezipaměť.

S rodinou ARM6 (ARMv3) je učiněn skok k plnému 32bitovému adresování a jsou začleněna jádra jako ARM600 nebo ARM610, některá s integrovanou mezipamětí a specifickými sběrnicemi pro koprocesory s plovoucí desetinnou čárkou.

Později se objevily jádra ARM7 a ARM7TDMI (ARMv3 a ARMv4T) s podporou 16bitové instrukční sady Thumb, třístupňovým pipeline a variantami s mezipamětí, MMU nebo MPU. Tato jádra jsou základem populárních produktů, jako jsou Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod a vestavěné systémy od společností NXP, Atmel a Psion.

Souběžně se objevuje rodina StrongARM (ARMv4) , výsledek spolupráce s DEC, která se zaměřuje na dosažení vysokého MIPS na watt pro PDA a malé počítače (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus atd.), s relativně velkými L1 cache na danou dobu a kompletní MMU.

Později řady ARM9, ARM9E a ARM10E (ARMv4T a ARMv5) zavedly hlubší pipeline, vylepšení instrukcí DSP, širší podporu Thumb, možnosti Jazelle pro spouštění bajtkódu Java v hardwaru a větší, konfigurovatelné mezipaměti. Tato jádra se používají v mobilních telefonech, digitálních fotoaparátech, síťových zařízeních, kapesních konzolích a bezpočtu dalších systémů na čipu (SoC).

Důležitou větev představuje XScale (ARMv5TE) , kterou získal Intel a která je určena pro aplikační a síťové procesory s vysokými frekvencemi, velkorysými L1/L2 cache a v některých případech i RAID akcelerátory nebo velmi specifickými funkcemi pro I/O.

ARM11 (ARMv6) představil pipeline až s 9 fázemi, podporu SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, vylepšení DSP a bezpečnostní technologie, jako je TrustZone. Tato jádra byla použita ve známých zařízeních, jako je první iPhone, iPod touch rané generace, některé telefony Nokia Nseries, herní konzole a první Raspberry Pi.

Velká moderní revoluce přišla s rodinou Cortex , zejména v aplikačních profilech ARMv7-A a pozdějších. Jádra jako Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 a jejich vícejádrové varianty (MPCore) se staly de facto standardem v chytrých telefonech, tabletech, chytrých televizorech a lehkých noteboocích.

Tato jádra zahrnují superskalární provádění, hluboké pipeline, NEON (SIMD), VFP pro operace s plovoucí desetinnou čárkou, pokročilý Thumb-2 a TrustZone . Nacházejí se v SoC, jako jsou například jádra řady Texas Instruments OMAP, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon a Apple A4/A8 a jejich nástupci.

V oblasti embedded systémů a mikrokontrolérů vynikají rodiny Cortex-R (profil pro práci v reálném čase) a Cortex-M (profil pro mikrokontroléry) s variantami jako Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 a M4, určené pro kritické systémy, průmyslové řízení, automobilový průmysl a spotřební elektroniku, kde je předvídatelnost doby odezvy a efektivita prvořadá.

Sada instrukcí ARM: RISC, podmíněné výrazy a režimy Thumb

Instrukční sada ARM byla od základu navržena jako čistý RISC: jednoduché instrukce s pevnou délkou, které lze v mnoha případech provést v jednom hodinovém cyklu . Klíčem je, aby kompilátor generoval efektivní sekvence s několika vysoce atomickými instrukcemi.

Velmi specifickou vlastností je, že v klasických 32bitových režimech každá instrukce obsahuje podmíněný kód ve svých nejvyšších 4 bitech . To umožňuje, aby prakticky jakákoli instrukce byla podmíněná (provedení pouze v případě splnění určitých příznaků), což snižuje potřebu skoků a zabraňuje vzniku bublin v kanálu v malých blocích kódu s častými podmínkami.

ARM dále umožňuje kombinovat aritmetické/logické operace s posuny a rotacemi registrů v jediné instrukci . Například něco, co je v jazyce C ekvivalentem „a += (j << 2);“, lze vyjádřit jako jedinou instrukci ARM, která přičte posunutou hodnotu do registru, čímž ušetří instrukce a přístupy do paměti.

Další výhodou je, že sada adres podporuje režimy pre- a post-inkrementace, relativní adresování a další flexibilní metody adresování , které jsou u jiných architektur, rovněž považovaných za RISC, neobvyklé. To vše přispívá ke snížení celkového počtu instrukcí a zlepšení výkonu na cyklus.

Klasická architektura definuje 16 programátorem viditelných registrů o 32 bitech (R0-R15) . V principu jsou symetrické, ačkoli R15 se používá jako programový čítač (PC), R14 obvykle funguje jako linkový registr (návratová adresa podprogramů nebo výjimek) a R13 se používá jako ukazatel zásobníku.

ARM má dva hlavní režimy provádění: režim ARM (32bitové instrukce) a režim Thumb (16bitové instrukce) . Režim ARM nabízí větší výkon (kompletnější sadu instrukcí), ale generuje větší kód; režim Thumb snižuje velikost každé instrukce na polovinu, čímž zlepšuje hustotu kódu a v mnoha případech i výkon na systémech s užšími paměťovými sběrnicemi.

Thumb je v podstatě podmnožinou nejčastěji používaných instrukcí v platformě ARM . Prvním procesorem, který jej obsahoval, byl ARM7TDMI a od té doby prakticky všechny následující rodiny (ARM9, XScale, Cortex atd.) zahrnují podporu pro Thumb nebo jeho evoluci, Thumb-2.

Kromě toho existuje Jazelle DBX, technologie, která umožňuje běh bajtkódu Java přímo na hardwaru v určitých jádrech (těch, jejichž název obsahuje „J“, například ARM926EJ-S). Tato funkce měla za cíl akcelerovat virtuální stroje Java na zařízeních s omezenými zdroji.

Klíčové výhody architektury ARM

Popularita ARM není náhodná: pramení z kombinace energetické účinnosti, flexibility designu, nákladů a výkonu dostatečného pro většinu použití.

Na jedné straně, vzhledem k tomu, že se jedná o RISC architekturu s relativně malou instrukční sadou a žádným objemným mikrokódem, lze jádra ARM vyrábět s mnohem menším počtem tranzistorů než ekvivalentní design x86 . Méně tranzistorů znamená nižší spotřebu energie, menší zahřívání a menší a levnější čipy.

Díky tomu mohou procesory ARM nabízet velmi slušný výkon s minimální spotřebou energie , což je klíčové u mobilních telefonů, tabletů, ultralehkých notebooků, zařízení IoT a vestavěných systémů napájených bateriemi nebo s tepelnými omezeními.

Model licencování také hraje v její prospěch: ARM prodává duševní vlastnictví svých jader všem druhům výrobců , kteří si je mohou upravovat, slučovat s dalšími bloky (GPU, modem, akcelerátory AI) a vytvářet SoC plně přizpůsobené jejich produktům.

To vytváří obrovský ekosystém výrobců s neustálým zlepšováním výkonu a efektivity a velmi širokou škálou nabídek pro téměř jakoukoli oblast: od ultralevných mikrokontrolérů až po 64bitové CPU pro servery.

Stručně řečeno, ARM nabízí nízkou spotřebu energie, dostupnou cenu, dobrou hustotu kódu, vyspělé nástroje a více než přijatelný výkon, který se neustále zlepšuje . Ne vždy dosahuje úrovně hrubého výkonu x86 v high-endových herních desktopech, ale ve většině scénářů to ani nemusí být nutné.

32bitový a 64bitový ARM: nedávný vývoj

První návrhy ARM byly 32bitové a po celá desetiletí dominovaly trhu s embedded a mobilními zařízeními . Od roku 2011 však Arm představil architektury s nativní podporou 64bitových systémů (ARMv8 a novější), což otevřelo dveře mnohem větším pracovním zátěžím.

Přechod na 64bitovou architekturu v ARM nebyl na úkor efektivity RISC; spíše ho bylo dosaženo díky sofistikovanějšímu designu moderní instrukční sady . To umožňuje mnohem větší paměťové adresy a aritmetické operace s vyšší přesností, což je již nezbytné u špičkových mobilních zařízení a samozřejmě i u počítačů a serverů.

Snížená složitost ve srovnání s x86 zůstává výhodou: i ve svých 64bitových verzích procesory ARM udržují pro stejný úkol méně tranzistorů , což má za následek nižší výrobní náklady a nižší spotřebu energie.

V oblasti osobních počítačů se to projevilo v procesorech, jako je Apple Silicon (M1, M2, M3…) a nový Snapdragon X Elite od Qualcommu , které kombinují vysoce výkonná jádra s vysoce účinnými jádry a integrovanou grafikou schopnou konkurovat mnoha notebookům x86 v běžných úkolech.

Použití ARM v počítačích, noteboocích a dalších zařízeních

Tradičně byly procesory ARM vyhrazeny pro chytré telefony, tablety, chytré televizory, routery, přenosné konzole a zařízení , kde byla klíčová nízká spotřeba energie a nebyl potřeba plný výkon stolního počítače.

Ale to se rychle mění. Na jedné straně zařízení jako Raspberry Pi ukázala, že systém ARM může perfektně fungovat jako stolní mikropočítač nebo mini PC pro kancelářské úkoly s vhodným operačním systémem (obvykle Linux) pro kancelářskou práci, prohlížení webu a nenáročné programování.

Viděli jsme také výkonnější produkty založené na ARM, jako je NVIDIA Tegra X1 , kterou používá Nvidia ve svém Shield TV a především Nintendo ve Switchi, kde je klíčová rovnováha mezi grafickým výkonem a spotřebou energie.

V oblasti pokročilých tabletů Apple se svými čipy řady A (a později řady M) ukázal, že dobře navržený ARM SoC dokáže poskytnout skvělý výkon v kreativních aplikacích, kancelářské práci a náročném multitaskingu, aniž by vyžadoval agresivní ventilátory.

Společnost Microsoft zase integruje procesory ARM do zařízení, jako je Surface Pro X a další varianty rodiny Surface , a sází na lehká a tichá zařízení s integrovaným připojením LTE, která mohou v oblasti mobilní práce konkurovat tradičním notebookům.

Google mezitím ve svém ekosystému Chromebooků silně propaguje technologii ARM . Chrome OS, založený na Chromu a Androidu, se pro tuto architekturu skvěle hodí a nabízí cenově dostupné a lehké notebooky s vynikající výdrží baterie. Mnoho výrobců Chromebooků volí ARM SoC právě proto, aby maximalizovali výdrž baterie a snížili náklady.

ARM a operační systémy: Windows, macOS, Linux a další

Ačkoli mnoho lidí si ARM spojuje pouze s mobilními zařízeními, většina hlavních operačních systémů již má pro tuto architekturu rozvinutou podporu , a to jak ve variantách pro embedded, tak i v prostředí stolních počítačů a serverů.

V mobilní oblasti běží Android a iOS po léta téměř výhradně na procesorech ARM a využívají jejich výhod v oblasti efektivity. Apple s přechodem na platformu Apple Silicon rozšířil tuto filozofii i na své stolní a přenosné počítače a opustil procesory Intel x86.

Na počítačích Mac s procesory ARM nabízí Apple Rosetta 2, překladový systém, který umožňuje aplikacím kompilovaným pro Intel běžet s překvapivě dobrým výkonem. To výrazně usnadnilo přechod, a to do té míry, že dnes téměř všechny relevantní aplikace mají nativní verzi pro ARM.

V rámci ekosystému Microsoftu zkoumal Windows různé přístupy k ARM . Windows CE a Windows Embedded Compact po léta podporovaly ARMv5, v6 a v7 ve světě embedded systémů. Později přišel Windows 8 RT pro tablety ARM, jako například první Surface, s mírnými výsledky kvůli softwarovým omezením.

Windows 10 a Windows 11 jdou ještě o krok dál a nabízejí verze ARM s emulací aplikací x86 . Ve Windows 11 se emulace a výkon výrazně zlepšily, i když problémy s kompatibilitou s některým klasickým desktopovým softwarem stále přetrvávají.

Mezitím Linux a UNIXové systémy s velkým nadšením přijaly ARM . Distribuce jako Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo a Oracle Linux nabízejí oficiální obrazy pro různé ARM SoC, včetně Raspberry Pi a dalších desek.

Na straně BSD podporují FreeBSD, NetBSD a OpenBSD více platforem ARM a historické systémy jako RISC iX běžely na strojích Acorn založených na ARM2/ARM3. Kromě toho měly Solaris a další varianty UNIXu také implementace pro tuto architekturu.

V oblasti operačních systémů reálného času a vestavěných operačních systémů je ARM přítomno v systémech Android (v případě vestavěných zařízení), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX a mnoha dalších . Seznam je obrovský, protože prakticky každý moderní RTOS nabízí podporu pro alespoň jeden profil ARM.

Intel, ARM a inspirace pro architekturu big.LITTLE

Klasické procesory pro stolní počítače a notebooky, zejména ty od společností Intel a AMD, po léta používaly architektury CISC x86/x86-64 s většími a složitějšími jádry , poháněné výkonnými napájecími zdroji a specializovanými chladicími systémy.

Naproti tomu návrhy ARM pro mobilní telefony a vestavěné SoC se již dlouho řídily heterogenními architekturami typu big.LITTLE , které kombinují výkonná a efektivní jádra v rámci stejného čipu, aby se spotřeba přizpůsobila pracovní zátěži.

Tato myšlenka přímo inspirovala novou generaci hybridních procesorů Intel Core, které kombinují vysoce výkonná jádra (P-jádra) s vysoce účinnými jádry (E-jádra) v jednom pouzdře. Ačkoli nepoužívají technologii ARM, replikují přístup zavedený technologií ARM ke zlepšení celkové efektivity a výkonu.

Pokud jde o přímou konkurenci, ARM byl až donedávna odsouzen k velmi specifickým desktopovým projektům nebo ekosystému Apple . S modelem Snapdragon X Elite a dalšími podobnými projekty se však Qualcomm a další výrobci snaží vyzvat x86 v běžných noteboocích.

Největší překážkou pro ARM v oblasti mainstreamových PC zůstává softwarová kompatibilita a v případě her pak závislost na GPU a ovladačích optimalizovaných pro x86 . Dokud si AMD a Intel udrží dominanci v oblasti dedikovaných grafických karet a vysoce výkonných CPU, herní svět zůstane silně spjat s x86.

ARM vs. RISC-V: Dvě různé architektury RISC

V posledních letech se významně proslavila architektura RISC-V, která v mnoha ohledech přímo konkuruje architektuře ARM . Stejně jako ARM je i RISC-V zaměřena na zařízení s nízkou spotřebou energie, ale liší se v jednom klíčovém aspektu: jedná se o otevřený a bezlicenční ISA.

I když používání x86-64 nebo ARM zahrnuje placení licenčních poplatků společnostem Intel, AMD nebo Arm Ltd. , může jakákoli společnost nebo jednotlivec navrhovat, vyrábět a prodávat procesory RISC-V bez placení práv na instrukční sadu. Díky tomu je RISC-V obzvláště atraktivní pro země a výrobce usilující o technologickou nezávislost a snížení nákladů.

V současné době, pokud jde o čisté funkce, mají ARM i RISC-V 64bitová rozšíření a podporu pro kompletní operační systémy . ARM je již dobře zavedený v systémech Android, iOS, macOS a Linux, zatímco RISC-V začíná získávat oficiální podporu v Androidu (Google jej propaguje jako špičkovou architekturu) a v linuxových distribucích, jako jsou Ubuntu a Fedora.

Pokud jde o podporu výrobců, ARM si i nadále udržuje drtivou výhodu . Téměř všechny chytré telefony, tablety a chytrá zařízení dostupná dnes používají ARM, zatímco většina současných čipů RISC-V je stále zaměřena na vývoj, mikrokontroléry a velmi specifické produkty.

RISC-V však jasně vítězí z hlediska ceny a designové svobody . Bez licenčních nákladů je snazší vytvářet ultralevné nebo vysoce přizpůsobené produkty, což vysvětluje zájem zemí jako Čína a Rusko o přijetí této architektury pro své vlastní projekty.

Pokud bychom si teď museli vybrat „vítěze“, ARM by stále měl lepší ekosystém, dostupný software a vyspělost . RISC-V je však velmi slibným konkurentem do budoucna, zejména v oblasti levných zařízení, internetu věcí, routerů, základních počítačů a levných chytrých telefonů.

Při pohledu na celkový obraz se architektura ARM etablovala jako jeden ze základních kamenů moderní výpočetní techniky : pohání vše od mobilních telefonů, které používáme každý den, až po ultralehké notebooky, Chromebooky, Macy s Apple Silicon a širokou škálu vestavěných zařízení. Její filozofie RISC, kombinace energetické účinnosti a více než dostatečného výkonu, licenční model a široká podpora operačních systémů vysvětlují, proč dominuje tolika segmentům, a to i v době, kdy se ve světě CPU začínají objevovat novější nabídky, jako je RISC-V, jako otevřená alternativa.