Što je ARM arhitektura u računalima i zašto je važna?

Informatec Digital » Sredstva » Što je ARM arhitektura u računalima i zašto je važna?

ARM arhitektura se razvila od pokretanja jednostavnih naprava do pokretanja prijenosnih računala, stolnih računala i servera . Ako ste ikada koristili Android telefon, iPhone, Raspberry Pi ili noviji Mac, već ste radili s procesorima temeljenim na ovom dizajnu, čak i ako toga niste bili svjesni.

U sljedećim retcima detaljno ćemo pogledati što je zapravo ARM arhitektura u računalima, kako funkcionira, njezino podrijetlo i zašto mijenja krajolik u usporedbi s Intelovom i AMD-ovom x86 arhitekturom . Također ćemo raspravljati o njezinom odnosu s RISC-V-om, njezinoj ulozi u Windowsima, macOS-u i Linuxu te zašto su veliki proizvođači prihvatili ovu vrstu CPU-a.

Što je ARM arhitektura i na čemu se temelji?

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 osobnih računala i podatkovnih centara.

Za razliku od CISC arhitektura poput x86/x86-64 (pogledajte razlike između Intelovih i AMD procesora ), ARM se oslanja na jednostavniji, kompaktniji i vrlo učinkovit skup instrukcija . To omogućuje procesore s manje tranzistora, manjom unutarnjom složenošću i znatno nižom potrošnjom energije - ključni faktor u ultralaganim mobilnim uređajima i prijenosnim računalima.

Važna je stvar da ARM Holdings (sada Arm Ltd.) ne proizvodi procesore . Tvrtka 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 s prilično različitim ponašanjem i performansama , iako sve dijele istu bazu instrukcijskog skupa, što omogućuje razvoj kompatibilnih operativnih sustava i aplikacija.

Kratka povijest ARM-a: od Acorna do tržišne dominacije

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

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

ARM2 je imao 32-bitnu podatkovnu sabirnicu, 26-bitni adresni prostor i 16 32-bitnih registara opće namjene . Jedan od tih registara korišten je kao programski brojač (PC), a neki bitovi su se koristili za statusne zastavice. Tehnički, bio je izuzetno jednostavan: oko 30 000 tranzistora i bez predmemorije.

Ova jednostavnost rezultirala je nevjerojatno niskom potrošnjom energije za to vrijeme i performansama superiornijim od onih kod Intel 286. Njegov nasljednik, ARM3, dodao je malu unificiranu predmemoriju od 4 KB koja je značajno poboljšala ponovljeni pristup memoriji.

Krajem 80-ih, Apple je započeo suradnju s tvrtkom Acorn na novim verzijama ARM jezgre . Kako bi se izbjegle zabrinutosti drugih proizvođača, 1990. godine osnovana je neovisna tvrtka Advanced RISC Machines (ARM) sa zadatkom dizajniranja i licenciranja budućih generacija procesora.

U ovoj fazi pojavio se ARM6, predstavljen 1991. godine, koji je Apple koristio u Newtonu (ARM 610) i Acorn u RiscPC-u. Jezgra je ostala iznenađujuće jednostavna: samo 35 000 tranzistora , što joj je omogućilo integraciju s raznim perifernim uređajima i stvaranje prilagođenih sustava.

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

Vremenom je ova tehnologija prešla u ruke Intela, koji ju je integrirao u svoju obitelj Intel i960 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 uključuje ARM jezgre . To predstavlja ogromnu prisutnost: tvrdi diskovi, usmjerivači, igračke, automobili, televizori, mobilni telefoni, tableti, prijenosna računala i sve više osobna računala i serveri.

Glavne obitelji ARM procesora

Tijekom desetljeća, ARM je izdao različite obitelji i verzije arhitekture (ARMv1, v2, v3, itd.), svaka s poboljšanjima u performansama, memorijskim kapacitetima, predmemorijama, podršci za operacije s pomičnim zarezom i dodatnim značajkama.

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

S ARM6 (ARMv3) obitelji napravljen je skok prema potpunom 32-bitnom adresiranju, a ugrađene su jezgre poput ARM600 ili ARM610, neke s integriranom predmemorijom i specifičnim sabirnicama za koprocesore s pomičnim zarezom.

Kasnije su se pojavili ARM7 i ARM7TDMI (ARMv3 i ARMv4T) , s podrškom za 16-bitni skup instrukcija Thumb, trofaznim cjevovodom i varijantama s predmemorijom, MMU-om ili MPU-om. Ove jezgre su osnova za popularne proizvode kao što su Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod i ugrađeni sustavi tvrtki NXP, Atmel i Psion.

Paralelno s tim, pojavljuje se StrongARM (ARMv4) obitelj , rezultat suradnje s DEC-om, koja se fokusira na postizanje visokih MIPS-ova po vatu za PDA uređaje i mala računala (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus itd.), s relativno velikim L1 predmemorijama za to vrijeme i kompletnim MMU-om.

Kasnije su serije ARM9, ARM9E i ARM10E (ARMv4T i ARMv5) uvele dublje cjevovode, poboljšanja DSP instrukcija, širu podršku za Thumb, Jazelle mogućnosti za izvršavanje Java bajtkoda u hardveru i veće, konfigurirajuće predmemorije. Ove se jezgre koriste u mobilnim telefonima, digitalnim fotoaparatima, mrežnim uređajima, ručnim konzolama i bezbrojnim drugim sustavima 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 predmemorijama i, u nekim slučajevima, RAID akceleratorima ili vrlo specifičnim funkcijama za I/O.

ARM11 (ARMv6) uveo je cjevovod do 9 faza, SIMD podršku, Thumb-2, Jazelle DBX, poboljšanja DSP-a i sigurnosne tehnologije poput TrustZonea. Ove kernele korištene su 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 obitelji , 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 prijenosnim računalima.

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 području ugrađenih i mikrokontrolerskih sustava, ističu se obitelji Cortex-R (profil u stvarnom vremenu) i Cortex-M (profil mikrokontrolera) , s varijantama kao što su Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 i M4, dizajnirane za kritične sustave, industrijsku kontrolu, automobilsku i potrošačku elektroniku gdje su predvidljivost i učinkovitost vremena odziva od najveće važnosti.

ARM skup instrukcija: RISC, uvjetni i thumb načini rada

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

Vrlo specifična značajka je da u klasičnim 32-bitnim načinima rada svaka instrukcija uključuje uvjetni kod u svoja najviša 4 bita . To omogućuje da gotovo svaka instrukcija bude uvjetna (izvršava se samo ako su ispunjene određene zastavice), smanjujući potrebu za skokovima i sprječavajući mjehuriće u cjevovodu u malim blokovima koda s čestim uvjetima.

Nadalje, ARM omogućuje kombiniranje aritmetičkih/logičkih operacija s pomicanjem i rotacijom registara u jednoj instrukciji . Na primjer, nešto ekvivalentno u C-u za "a += (j << 2);" može se izraziti kao jedna ARM instrukcija koja dodaje pomaknutu vrijednost u registar, štedeći instrukcije i pristupe memoriji.

Druga prednost je što skup adresa podržava načine rada prije i poslije povećanja, relativno adresiranje i druge fleksibilne metode adresiranja , koje su neuobičajene u drugim arhitekturama koje se također smatraju RISC-om. Sve to 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 iznimki), a R13 se koristi kao pokazivač stoga.

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

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

Osim toga, tu je i Jazelle DBX, tehnologija koja omogućuje izravno pokretanje Java bajtkoda na hardveru u određenim jezgrama (onima čiji naziv uključuje "J", kao što je ARM926EJ-S). Ova funkcionalnost imala je za cilj ubrzati Java virtualne strojeve na uređajima s ograničenim resursima.

Ključne prednosti ARM arhitekture

ARM-ova popularnost nije slučajna: proizlazi iz kombinacije energetske učinkovitosti, 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 mogu se proizvesti s puno manje tranzistora nego ekvivalentni x86 dizajn . Manje tranzistora znači manju potrošnju energije, manje zagrijavanja i manje, jeftinije čipove.

To omogućuje ARM procesorima da ponude vrlo pristojne performanse uz minimalnu potrošnju energije , što je ključno kod mobilnih telefona, tableta, ultralaganih prijenosnih računala, IoT uređaja i ugrađenih sustava koji se napajaju baterijama ili imaju toplinska ograničenja.

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

To stvara ogroman ekosustav proizvođača, s kontinuiranim poboljšanjima performansi i učinkovitosti , te vrlo širokim rasponom 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 doseže uvijek sirove razine performansi x86 u vrhunskim igraćim stolnim računalima, ali to nije ni potrebno u većini scenarija.

32-bitni i 64-bitni ARM: nedavna evolucija

Prvi ARM dizajni bili su 32-bitni i desetljećima 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 učinkovitosti RISC-a; već je postignut zahvaljujući sofisticiranijem dizajnu modernog skupa instrukcija . To omogućuje puno veće memorijske adrese i aritmetičke operacije s povećanom preciznošću, nešto što je već bitno u vrhunskim mobilnim uređajima i, naravno, u računalima i poslužiteljima.

Smanjena složenost u usporedbi s 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 osobnih računala, to se materijaliziralo u procesorima kao što su Apple Silicon (M1, M2, M3…) i Qualcommov novi Snapdragon X Elite , koji kombiniraju visokoučinkovite jezgre s visokoučinkovitim jezgrama i integriranom grafikom sposobnom konkurirati mnogim x86 prijenosnim računalima u općim zadacima.

Korištenje ARM-a u računalima, prijenosnim računalima i drugim uređajima

Tradicionalno, ARM procesori bili su rezervirani za pametne telefone, tablete, pametne televizore, usmjerivače, prijenosne konzole i gadgete gdje je niska potrošnja energije bila ključna, a puna snaga stolnog računala nije bila potrebna.

Ali to se brzo mijenja. S jedne strane, uređaji poput Raspberry Pija pokazali su da ARM sustav može savršeno funkcionirati kao stolno mikroračunalo ili mini PC za uredske zadatke s odgovarajućim operativnim sustavom (obično Linux) za uredski rad, pregledavanje i lagano programiranje.

Vidjeli smo i snažnije proizvode temeljene 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, uredskom radu i zahtjevnom multitaskingu, bez potrebe za agresivnim ventilatorima.

Microsoft, sa svoje strane, integrira ARM procesore u uređaje poput Surface Pro X i drugih varijanti Surface obitelji , kladeći se na lagane, tihe uređaje s integriranom LTE povezivošću koji mogu konkurirati tradicionalnim prijenosnim računalima za mobilni rad.

U međuvremenu, Google snažno promovira ARM u svom Chromebook ekosustavu . Chrome OS, temeljen na Chromiumu i Androidu, izvrsno se uklapa u ovu arhitekturu, nudeći pristupačna, lagana prijenosna računala s izvrsnim trajanjem baterije. Mnogi proizvođači Chromebooka odlučuju se za ARM SoC-ove upravo kako bi maksimizirali trajanje baterije i smanjili troškove.

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

Iako mnogi ljudi povezuju ARM samo s mobilnim uređajima, većina glavnih operativnih sustava 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 gotovo isključivo rade na ARM procesorima , koristeći njihove prednosti u učinkovitosti. Apple je, prelaskom na Apple Silicon, proširio ovu filozofiju i na svoja stolna i prijenosna računala, napuštajući Intel x86 procesore.

Na Mac računalima s ARM procesorima, Apple nudi Rosettu 2, sustav prevođenja koji omogućuje aplikacijama kompajliranim za Intel da rade s iznenađujuće dobrim performansama. To je uvelike olakšalo prijelaz, do te mjere da danas gotovo sve relevantne aplikacije imaju izvornu ARM verziju.

Unutar Microsoftovog ekosustava, Windows je istraživao različite pristupe ARM-u . Windows CE i Windows Embedded Compact godinama su podržavali ARMv5, v6 i v7 u svijetu ugrađenih sustava. Kasnije se pojavio Windows 8 RT za ARM tablete poput prvog Surfacea, 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 softverom za stolna računala.

U međuvremenu, Linux i UNIX-ovi sustavi su s oduševljenjem prihvatili ARM . Distribucije poput Debiana, Ubuntua, Arch Linuxa, Kalija, Manjara, Gentooa i Oracle Linuxa nude službene slike za razne ARM SoC-ove, uključujući Raspberry Pi i druge ploče.

Što se tiče BSD-a, FreeBSD, NetBSD i OpenBSD podržavaju više ARM platformi , a povijesni sustavi poput RISC iX-a radili su na Acorn računalima temeljenim na ARM2/ARM3. Osim toga, Solaris i druge UNIX varijante također su imale implementacije za ovu arhitekturu.

U području operativnih sustava za rad u stvarnom vremenu i ugrađenih operativnih sustava, 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 drugima . Popis je ogroman jer gotovo svaki moderni RTOS nudi podršku za barem jedan ARM profil.

Intel, ARM i inspiracija iza big.LITTLE arhitekture

Klasični procesori za stolna i prijenosna računala, posebno oni od Intela i AMD-a, godinama su koristili CISC x86/x86-64 arhitekture s većim i složenijim jezgrama , pokretane snažnim napajanjima i namjenskim sustavima hlađenja.

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

Ova je ideja izravno inspirirala Intelovu novu generaciju hibridnih Core procesora, koji kombiniraju visokoučinkovite jezgre (P-jezgre) s visokoučinkovitim jezgrama (E-jezgre) u jednom paketu. Iako ne koriste ARM, repliciraju pristup koji je uveo ARM kako bi poboljšali ukupnu učinkovitost i performanse.

Što se tiče izravne konkurencije, ARM je do nedavno bio ograničen na vrlo specifične projekte stolnih računala ili Appleov ekosustav . Međutim, sa Snapdragon X Elite i drugim sličnim projektima, Qualcomm i drugi proizvođači žele izazvati x86 u mainstream prijenosnim računalima.

Najveća prepreka za ARM u mainstream računalima ostaje kompatibilnost softvera i, u slučaju igara, oslanjanje na GPU-ove i upravljačke programe optimizirane za x86 . Sve dok AMD i Intel održavaju svoju dominaciju u namjenskim grafičkim karticama i visokoučinkovitim CPU-ima, svijet igara ostat će uvelike vezan za x86.

ARM vs RISC-V: Dvije različite RISC arhitekture

Posljednjih godina, RISC-V, još jedna RISC arhitektura koja izravno konkurira ARM-u na mnogim frontama , 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 uključuje plaćanje tantijema Intelu, AMD-u ili Arm Ltd. , bilo koja tvrtka ili pojedinac može dizajnirati, proizvoditi i prodavati RISC-V procesore bez plaćanja prava na skup instrukcija. To čini RISC-V posebno privlačnim zemljama i proizvođačima koji traže tehnološku neovisnost i smanjenje troškova.

Trenutno, što se tiče čistih mogućnosti, i ARM i RISC-V imaju 64-bitna proširenja i podršku za kompletne operativne sustave . ARM je već dobro uspostavljen u Androidu, iOS-u, macOS-u i Linuxu, dok RISC-V počinje dobivati ​​službenu podršku u Androidu (Google ga promovira 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 stvoriti ultra jeftine ili visoko prilagođene proizvode, što objašnjava interes zemalja poput Kine i Rusije za usvajanje ove arhitekture za vlastite projekte.

Kad bismo sada morali odabrati "pobjednika", ARM bi i dalje bio superiorniji u ekosustavu, dostupnom softveru i zrelosti . RISC-V je, međutim, vrlo obećavajući konkurent za budućnost, posebno u područjima jeftinih uređaja, IoT-a, usmjerivača, početnih računala i pametnih telefona niže cijene.

Gledajući širu sliku, ARM arhitektura se etablirala kao jedan od temelja modernog računarstva : pokreće sve, od mobilnih telefona koje svakodnevno koristimo do ultralakih prijenosnih računala, Chromebookova, Macova s ​​Apple Siliconom i širokog spektra ugrađenih uređaja. Njegova RISC filozofija, kombinacija energetske učinkovitosti i više nego dovoljnih performansi, model licenciranja i široka podrška operativnih sustava objašnjavaju zašto dominira u toliko mnogo segmenata, čak i dok se novije ponude poput RISC-V počinju pojavljivati ​​kao otvorena alternativa u svijetu CPU-a.