O que é a arquitetura ARM em computadores e por que ela é importante?

Informatec Digital » Recursos » O que é a arquitetura ARM em computadores e por que ela é importante?

A arquitetura ARM evoluiu de alimentar dispositivos simples para alimentar laptops, desktops e servidores . Se você já usou um celular Android, um iPhone, um Raspberry Pi ou um Mac recente, você já trabalhou com processadores baseados nesse design, mesmo que não soubesse disso.

Nas linhas seguintes, analisaremos detalhadamente o que é a arquitetura ARM em computadores, como ela funciona, suas origens e por que está mudando o cenário em comparação com a arquitetura x86 da Intel e da AMD . Também discutiremos sua relação com o RISC-V, seu papel no Windows, macOS e Linux, e por que os principais fabricantes adotaram esse tipo de CPU.

O que é a arquitetura ARM e em que ela se baseia?

Quando falamos de ARM, estamos nos referindo a uma arquitetura de conjunto de instruções RISC (Reduced Instruction Set Computing) , projetada para processadores de baixo consumo de energia, porém cada vez mais poderosos, usados ​​desde microcontroladores minúsculos até computadores pessoais e centros de dados.

Ao contrário das arquiteturas CISC, como x86/x86-64 (veja as diferenças entre os processadores Intel e AMD ), a ARM utiliza um conjunto de instruções mais simples, compacto e altamente eficiente . Isso permite processadores com menos transistores, menor complexidade interna e consumo de energia significativamente menor — um fator crucial em dispositivos móveis ultraleves e laptops.

Um ponto importante é que a ARM Holdings (agora Arm Ltd.) não fabrica processadores . A empresa projeta a arquitetura e os núcleos e, em seguida, licencia essa tecnologia para terceiros (Apple, Qualcomm, Samsung etc.), que a integram em seus próprios SoCs adicionando GPUs personalizadas, controladores de memória, modems e outros componentes.

Na prática, isso significa que existem centenas de variantes de processadores ARM com comportamentos e desempenhos bastante diferentes , embora todos compartilhem a mesma base de conjunto de instruções, o que permite o desenvolvimento de sistemas operacionais e aplicativos compatíveis.

Uma breve história da ARM: da Acorn ao domínio do mercado.

A história da ARM começa em 1983, quando a Acorn Computers decidiu desenvolver um novo processador baseado em sua experiência com o MOS 6502 , o chip usado em muitos de seus computadores pessoais na época. O projeto foi liderado por Sophie Wilson e Steve Furber.

O objetivo deles era criar um processador avançado, mas internamente muito simples, sem microcódigo e com uma filosofia RISC clara . Em 1985, eles concluíram o projeto do primeiro protótipo, o ARM1, e em 1986 chegou o ARM2, a primeira versão comercial usada em computadores como o Acorn Archimedes.

O ARM2 possuía um barramento de dados de 32 bits, um espaço de endereçamento de 26 bits e 16 registradores de uso geral de 32 bits . Um desses registradores era usado como contador de programa (PC), com alguns bits reservados para indicadores de status. Tecnicamente, era extremamente simples: cerca de 30.000 transistores e nenhuma memória cache.

Essa simplicidade resultou em um consumo de energia ridiculamente baixo para o mesmo período e um desempenho superior ao de um Intel 286. Seu sucessor, o ARM3, adicionou um pequeno cache unificado de 4 KB que melhorou significativamente o acesso repetitivo à memória.

No final da década de 80, a Apple começou a colaborar com a Acorn em novas versões do núcleo ARM . Para evitar preocupações de outros fabricantes, a empresa independente Advanced RISC Machines (ARM) foi criada em 1990, com a missão de projetar e licenciar as futuras gerações de processadores.

Esta fase viu o surgimento do ARM6, introduzido em 1991, usado pela Apple no Newton (ARM 610) e pela Acorn no RiscPC. O núcleo permaneceu surpreendentemente simples: apenas 35.000 transistores , permitindo sua integração com diversos periféricos e a formação de sistemas personalizados.

O grande salto da ARM para o mercado de consumo ocorreu com o ARM7TDMI, presente em milhões de celulares, consoles portáteis e sistemas embarcados . Simultaneamente, a Digital (DEC) licenciou o projeto e criou o StrongARM, capaz de operar a 233 MHz consumindo cerca de 1 W, um marco em eficiência.

Com o tempo, essa tecnologia passou para as mãos da Intel, que a integrou em sua família de processadores Intel i960 e em suas soluções XScale, enquanto outras gigantes como Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics e Atmel também licenciaram a arquitetura ARM.

Atualmente, cerca de três quartos dos processadores de 32 bits do mundo incorporam núcleos ARM . Isso representa uma presença massiva: discos rígidos, roteadores, brinquedos, carros, televisores, celulares, tablets, laptops e, cada vez mais, computadores pessoais e servidores.

Principais famílias de processadores ARM

Ao longo das décadas, a ARM lançou diferentes famílias e versões de arquitetura (ARMv1, v2, v3, etc.), cada uma com melhorias em desempenho, capacidades de memória, caches, suporte a ponto flutuante e recursos extras.

As primeiras gerações, como ARM1, ARM2 e ARM3 (ARMv1 e ARMv2) , focavam em fornecer uma CPU de 32 bits muito simples para computadores como o BBC Micro com um coprocessador ARM, o Acorn Archimedes ou o RiscPC. Esses chips não possuíam uma MMU completa (em alguns casos, utilizavam um MEMC externo) e tinham pouca ou nenhuma memória cache.

Com a família ARM6 (ARMv3) , dá-se o salto para o endereçamento completo de 32 bits, e núcleos como o ARM600 ou ARM610 são incorporados, alguns com cache integrado e barramentos específicos para coprocessadores de ponto flutuante.

Posteriormente vieram o ARM7 e o ARM7TDMI (ARMv3 e ARMv4T) , com suporte para o conjunto de instruções Thumb de 16 bits, um pipeline de 3 estágios e variantes com cache, MMU ou MPU. Esses núcleos são a base para produtos populares como o Game Boy Advance, o Nintendo DS, o iPod da Apple e sistemas embarcados da NXP, Atmel e Psion.

Em paralelo, surge a família StrongARM (ARMv4) , resultado de uma colaboração com a DEC, que se concentra em alcançar alto desempenho em MIPS por watt para PDAs e computadores pequenos (Apple Newton 2x00, iPAQ, Zaurus, etc.), com caches L1 relativamente grandes para a época e uma MMU completa.

Posteriormente, as séries ARM9, ARM9E e ARM10E (ARMv4T e ARMv5) introduziram pipelines mais profundos, melhorias nas instruções DSP, suporte mais amplo ao Thumb, recursos Jazelle para execução de bytecode Java em hardware e caches maiores e configuráveis. Esses núcleos são usados ​​em telefones celulares, câmeras digitais, dispositivos de rede, consoles portáteis e inúmeros outros sistemas em um chip (SoCs).

Uma vertente importante é a XScale (ARMv5TE) , adquirida pela Intel, projetada para processadores de aplicativos e processadores de rede com altas frequências, caches L1/L2 generosos e, em alguns casos, aceleradores RAID ou funções muito específicas para E/S.

O ARM11 (ARMv6) introduziu um pipeline de até 9 estágios, suporte a SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, melhorias no DSP e tecnologias de segurança como o TrustZone. Esses kernels foram usados ​​em dispositivos conhecidos como o primeiro iPhone, os primeiros iPod touch, alguns celulares da série N da Nokia, consoles de jogos e o primeiro Raspberry Pi.

A grande revolução moderna chegou com a família Cortex , especialmente nos perfis de aplicação ARMv7-A e posteriores. Núcleos como o Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 e suas variantes multi-core (MPCore) tornaram-se o padrão de facto em smartphones, tablets, smart TVs e laptops leves.

Esses núcleos incorporam execução superescalar, pipelines profundos, NEON (SIMD), VFP para operações de ponto flutuante, Thumb-2 avançado e TrustZone . Eles são encontrados em SoCs como os da série OMAP da Texas Instruments, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon e Apple A4/A8 e seus sucessores.

No campo dos sistemas embarcados e microcontroladores, destacam-se as famílias Cortex-R (perfil de tempo real) e Cortex-M (perfil de microcontrolador) , com variantes como Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 e M4, projetadas para sistemas críticos, controle industrial, automotivo e eletrônicos de consumo, onde a previsibilidade do tempo de resposta e a eficiência são fundamentais.

Conjunto de instruções ARM: modos RISC, condicionais e Thumb

O conjunto de instruções ARM foi projetado desde o início como RISC puro: instruções simples e de tamanho fixo que, em muitos casos, podem ser executadas em um único ciclo de clock . A chave é o compilador gerar sequências eficientes com algumas poucas instruções altamente atômicas.

Uma característica muito particular é que, nos modos clássicos de 32 bits, cada instrução inclui um código de condição nos seus 4 bits mais significativos . Isso permite que praticamente qualquer instrução seja condicional (executando apenas se determinadas flags forem atendidas), reduzindo a necessidade de saltos e evitando bolhas no pipeline em pequenos blocos de código com condições frequentes.

Além disso, a arquitetura ARM permite combinar operações aritméticas/lógicas com deslocamentos e rotações de registradores em uma única instrução . Por exemplo, algo equivalente em C a “a += (j << 2);” pode ser expresso como uma única instrução ARM que adiciona um valor deslocado ao registrador, economizando instruções e acessos à memória.

Outra vantagem é que o conjunto de endereços suporta modos de pré e pós-incremento, endereçamento relativo e outros métodos de endereçamento flexíveis , que são incomuns em outras arquiteturas também consideradas RISC. Tudo isso contribui para reduzir o número total de instruções e melhorar o desempenho por ciclo.

A arquitetura clássica define 16 registradores visíveis ao programador de 32 bits (R0-R15) . Em princípio, eles são simétricos, embora R15 seja usado como contador de programa (PC), R14 geralmente atue como registrador de ligação (endereço de retorno de sub-rotinas ou exceções) e R13 seja usado como ponteiro de pilha.

A arquitetura ARM possui dois modos de execução principais: o modo ARM (instruções de 32 bits) e o modo Thumb (instruções de 16 bits) . O modo ARM oferece mais poder de processamento (um conjunto de instruções mais completo), mas gera um código maior; o modo Thumb reduz pela metade o tamanho de cada instrução, melhorando a densidade do código e, em muitos casos, o desempenho em sistemas com barramentos de memória mais estreitos.

O Thumb é essencialmente um subconjunto das instruções mais frequentemente usadas na arquitetura ARM . O primeiro processador a incorporá-lo foi o ARM7TDMI e, desde então, praticamente todas as famílias subsequentes (ARM9, XScale, Cortex, etc.) incluem suporte para Thumb ou sua evolução, Thumb-2.

Além disso, existe o Jazelle DBX, uma tecnologia que permite que o bytecode Java seja executado diretamente no hardware em determinados núcleos (aqueles cujo nome inclui um "J", como ARM926EJ-S). Essa funcionalidade visa acelerar máquinas virtuais Java em dispositivos com recursos limitados.

Principais vantagens da arquitetura ARM

A popularidade da arquitetura ARM não é por acaso: ela resulta de uma combinação de eficiência energética, flexibilidade de design, custo e desempenho suficiente para a maioria dos usos.

Por um lado, sendo uma arquitetura RISC com um conjunto de instruções relativamente pequeno e sem microcódigo pesado, os núcleos ARM podem ser fabricados com muito menos transistores do que um projeto x86 equivalente . Menos transistores significam menor consumo de energia, menos calor e chips menores e mais baratos.

Isso permite que os processadores ARM ofereçam um desempenho muito bom com consumo mínimo de energia , algo crucial em celulares, tablets, laptops ultraleves, dispositivos IoT e sistemas embarcados alimentados por baterias ou com limitações térmicas.

O modelo de licenciamento também joga a seu favor: a ARM vende a propriedade intelectual de seus núcleos para todos os tipos de fabricantes , que podem personalizá-los, combiná-los com outros blocos (GPU, modem, aceleradores de IA) e criar SoCs totalmente adaptados aos seus produtos.

Isso cria um enorme ecossistema de fabricantes, com melhorias contínuas em desempenho e eficiência , e uma gama muito ampla de ofertas para praticamente qualquer nicho: desde microcontroladores ultrabaratos até CPUs de 64 bits para servidores.

Em resumo, a arquitetura ARM oferece baixo consumo de energia, custo acessível, boa densidade de código, ferramentas consolidadas e desempenho mais do que aceitável, que continua a melhorar . Ela nem sempre atinge os níveis de desempenho bruto da arquitetura x86 em desktops gamers de ponta, mas isso não é necessário na maioria dos cenários.

ARM de 32 e 64 bits: evolução recente

Os primeiros projetos ARM eram de 32 bits e, durante décadas, dominaram o mercado de dispositivos móveis e embarcados . No entanto, a partir de 2011, a Arm introduziu arquiteturas com suporte nativo a 64 bits (ARMv8 e posteriores), abrindo caminho para cargas de trabalho muito mais pesadas.

A transição para a arquitetura de 64 bits na ARM não ocorreu em detrimento da eficiência do RISC; pelo contrário, foi possível graças ao design mais sofisticado do conjunto de instruções moderno . Isso facilita endereços de memória muito maiores e operações aritméticas de precisão estendida, algo já essencial em dispositivos móveis de última geração e, claro, em computadores e servidores.

A menor complexidade em comparação com o x86 continua sendo uma vantagem: mesmo em suas versões de 64 bits, os processadores ARM mantêm menos transistores para a mesma tarefa , resultando em custos de fabricação e consumo de energia mais baixos.

No âmbito dos computadores pessoais, isso se materializou em processadores como o Apple Silicon (M1, M2, M3…) e o novo Snapdragon X Elite da Qualcomm , que combinam núcleos de alto desempenho com núcleos de alta eficiência e gráficos integrados capazes de rivalizar com muitos laptops x86 em tarefas gerais.

Utilização da arquitetura ARM em computadores, laptops e outros dispositivos.

Tradicionalmente, os processadores ARM eram reservados para smartphones, tablets, smart TVs, roteadores, consoles portáteis e dispositivos onde o baixo consumo de energia era fundamental e a potência total de um computador desktop não era necessária.

Mas isso está mudando rapidamente. Por um lado, dispositivos como o Raspberry Pi demonstraram que um sistema ARM pode funcionar perfeitamente como um microcomputador de mesa ou mini PC para tarefas de escritório, com um sistema operacional adequado (geralmente Linux) para trabalho de escritório, navegação na internet e programação leve.

Também vimos produtos mais potentes baseados em ARM, como o NVIDIA Tegra X1 , usado pela Nvidia em seu Shield TV e, sobretudo, pela Nintendo no Switch, onde o equilíbrio entre desempenho gráfico e consumo de energia é crucial.

No segmento de tablets avançados, a Apple, com seus chips da série A (e posteriormente da série M), demonstrou que um SoC ARM bem projetado pode oferecer desempenho espetacular em aplicativos criativos, tarefas de escritório e multitarefa intensa, sem a necessidade de ventoinhas muito potentes.

A Microsoft, por sua vez, integra processadores ARM em dispositivos como o Surface Pro X e outras variantes da família Surface , apostando em dispositivos leves e silenciosos com conectividade LTE integrada, capazes de competir com os laptops tradicionais para trabalho móvel.

Enquanto isso, o Google está promovendo fortemente a arquitetura ARM em seu ecossistema Chromebook . O Chrome OS, baseado no Chromium e no Android, é uma ótima opção para essa arquitetura, oferecendo laptops leves e acessíveis com excelente duração de bateria. Muitos fabricantes de Chromebooks estão optando por SoCs ARM justamente para maximizar a duração da bateria e reduzir custos.

ARM e sistemas operacionais: Windows, macOS, Linux e outros.

Embora muitas pessoas associem ARM apenas a dispositivos móveis, a maioria dos principais sistemas operacionais já oferece suporte robusto a essa arquitetura , tanto em variantes embarcadas quanto em ambientes de desktop e servidor.

No segmento de dispositivos móveis, o Android e o iOS funcionam quase exclusivamente com processadores ARM há anos , aproveitando seus benefícios de eficiência. A Apple, com a transição para o Apple Silicon, também estendeu essa filosofia para seus computadores desktop e laptops, abandonando os processadores Intel x86.

Nos Macs com processadores ARM, a Apple oferece o Rosetta 2, um sistema de tradução que permite que aplicativos compilados para Intel sejam executados com um desempenho surpreendentemente bom. Isso facilitou muito a transição, a ponto de hoje quase todos os aplicativos relevantes terem uma versão nativa para ARM.

Dentro do ecossistema da Microsoft, o Windows explorou diversas abordagens para ARM . O Windows CE e o Windows Embedded Compact suportaram ARMv5, v6 e v7 no mundo embarcado por anos. Posteriormente, veio o Windows 8 RT para tablets ARM, como o primeiro Surface, com resultados modestos devido a limitações de software.

O Windows 10 e o Windows 11 levam isso um passo adiante, oferecendo versões ARM com emulação de aplicativos x86 . No Windows 11, a emulação e o desempenho melhoraram consideravelmente, embora ainda existam problemas de compatibilidade com alguns softwares clássicos de desktop.

Entretanto, sistemas Linux e similares ao UNIX adotaram a arquitetura ARM com bastante entusiasmo . Distribuições como Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo e Oracle Linux oferecem imagens oficiais para diversos SoCs ARM, incluindo o Raspberry Pi e outras placas.

No âmbito do BSD, o FreeBSD, o NetBSD e o OpenBSD suportam múltiplas plataformas ARM , e sistemas históricos como o RISC-IX rodavam em máquinas Acorn baseadas em ARM2/ARM3. Além disso, o Solaris e outras variantes do UNIX também tiveram implementações para essa arquitetura.

No âmbito dos sistemas operacionais de tempo real e embarcados, a arquitetura ARM está presente no Android (no caso de dispositivos embarcados), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX e muitos outros . A lista é enorme, pois praticamente todos os sistemas operacionais de tempo real modernos oferecem suporte a pelo menos um perfil ARM.

Intel, ARM e a inspiração por trás da arquitetura big.LITTLE

Os processadores clássicos para desktops e laptops, especialmente os da Intel e da AMD, utilizam há anos arquiteturas CISC x86/x86-64 com núcleos maiores e mais complexos , alimentados por fontes de alimentação potentes e sistemas de refrigeração dedicados.

Em contraste, os projetos ARM para telefones celulares e SoCs embarcados há muito optam por arquiteturas heterogêneas do tipo big.LITTLE , combinando núcleos poderosos e núcleos eficientes no mesmo chip para adaptar o consumo de acordo com a carga de trabalho.

Essa ideia inspirou diretamente a nova geração de processadores híbridos Core da Intel, que combinam núcleos de alto desempenho (núcleos P) com núcleos de alta eficiência (núcleos E) em um único encapsulamento. Embora não utilizem a arquitetura ARM, eles replicam a abordagem introduzida pela ARM para melhorar a eficiência e o desempenho geral.

Em termos de concorrência direta, até recentemente a arquitetura ARM estava relegada a projetos muito específicos para desktops ou ao ecossistema da Apple . No entanto, com o Snapdragon X Elite e outros projetos semelhantes, a Qualcomm e outros fabricantes pretendem desafiar a arquitetura x86 no mercado de laptops convencionais.

O maior obstáculo para a arquitetura ARM nos PCs convencionais continua sendo a compatibilidade de software e, no caso dos jogos, a dependência de GPUs e drivers otimizados para x86 . Enquanto a AMD e a Intel mantiverem seu domínio em placas de vídeo dedicadas e CPUs de alto desempenho, o mundo dos jogos permanecerá fortemente atrelado ao x86.

ARM vs RISC-V: Duas arquiteturas RISC diferentes

Nos últimos anos, o RISC-V, outra arquitetura RISC que compete diretamente com o ARM em muitas frentes , ganhou significativa visibilidade . Assim como o ARM, o RISC-V é voltado para dispositivos de baixo consumo de energia, mas difere em um aspecto fundamental: é uma ISA aberta e livre de licenças.

Enquanto o uso de x86-64 ou ARM envolve o pagamento de royalties à Intel, AMD ou Arm Ltd. , qualquer empresa ou indivíduo pode projetar, fabricar e vender processadores RISC-V sem pagar direitos de conjunto de instruções. Isso torna o RISC-V particularmente atraente para países e fabricantes que buscam independência tecnológica e redução de custos.

Atualmente, em termos de capacidades puras, tanto ARM quanto RISC-V possuem extensões de 64 bits e suporte para sistemas operacionais completos . A arquitetura ARM já está bem estabelecida no Android, iOS, macOS e Linux, enquanto o RISC-V está começando a obter suporte oficial no Android (o Google a promove como uma arquitetura de ponta) e em distribuições Linux como Ubuntu e Fedora.

Em termos de suporte do fabricante, a ARM continua a ter uma vantagem esmagadora . Quase todos os smartphones, tablets e dispositivos inteligentes disponíveis atualmente usam ARM, enquanto a maioria dos chips RISC-V atuais ainda são voltados para desenvolvimento, microcontroladores e produtos muito específicos.

No entanto, o RISC-V claramente vence em termos de preço e liberdade de design . Sem custos de licenciamento, é mais fácil criar produtos ultrabaratos ou altamente personalizados, o que explica o interesse de países como a China e a Rússia em adotar essa arquitetura para seus próprios projetos.

Se tivéssemos que escolher um "vencedor" agora, a ARM ainda seria superior em ecossistema, software disponível e maturidade . A RISC-V, no entanto, é uma concorrente muito promissora para o futuro, especialmente nas áreas de dispositivos de baixo custo, IoT, roteadores, PCs de entrada e smartphones econômicos.

Em uma perspectiva mais ampla, a arquitetura ARM se consolidou como um dos pilares da computação moderna : ela alimenta tudo, desde os celulares que usamos diariamente até laptops ultraleves, Chromebooks, Macs com Apple Silicon e uma vasta gama de dispositivos embarcados. Sua filosofia RISC, a combinação de eficiência energética e desempenho mais do que suficiente, seu modelo de licenciamento e o amplo suporte a sistemas operacionais explicam por que ela domina tantos segmentos, mesmo com o surgimento de novas ofertas como o RISC-V como uma alternativa aberta no mundo das CPUs.