Ce este arhitectura ARM în computere și de ce este importantă?

Informatec Digital » Recursos » Ce este arhitectura ARM în computere și de ce este importantă?

Arhitectura ARM a evoluat de la alimentarea unor gadgeturi simple la alimentarea unor laptopuri, desktop-uri și servere . Dacă ați folosit vreodată un telefon Android, un iPhone, un Raspberry Pi sau un Mac recent, ați lucrat deja cu procesoare bazate pe acest design, chiar dacă nu erați conștienți de acest lucru.

În rândurile următoare, vom analiza în detaliu ce este de fapt arhitectura ARM în computere, cum funcționează, originile sale și de ce schimbă peisajul în comparație cu arhitectura x86 a Intel și AMD . Vom discuta, de asemenea, despre relația sa cu RISC-V, rolul său în Windows, macOS și Linux și de ce marii producători au adoptat acest tip de procesor.

Ce este arhitectura ARM și pe ce se bazează?

Când vorbim despre ARM, ne referim la o arhitectură de set de instrucțiuni RISC (Reduced Instruction Set Computing) , concepută pentru procesoare cu consum redus de energie, dar din ce în ce mai puternice, utilizate de la microcontrolere minuscule la computere personale și centre de date.

Spre deosebire de arhitecturile CISC, cum ar fi x86/x86-64 (vezi diferențele dintre procesoarele Intel și AMD ), ARM se bazează pe un set de instrucțiuni mai simplu, mai compact și mai eficient . Acest lucru permite obținerea de procesoare cu mai puțini tranzistori, o complexitate internă mai redusă și un consum de energie semnificativ mai mic - un factor cheie în cazul dispozitivelor mobile și laptopurilor ultraușoare.

Un aspect important este că ARM Holdings (acum Arm Ltd.) nu produce procesoare . Compania proiectează arhitectura și nucleele, apoi licențiază această tehnologie unor terțe părți (Apple, Qualcomm, Samsung etc.), care o integrează în propriile SoC-uri prin adăugarea de GPU-uri personalizate, controllere de memorie, modemuri și alte componente.

În practică, aceasta înseamnă că există sute de variante de procesoare ARM cu comportamente și performanțe destul de diferite , deși toate au aceeași bază de instrucțiuni, ceea ce permite dezvoltarea de sisteme de operare și aplicații compatibile.

O scurtă istorie a ARM: de la Acorn la dominația pieței

Povestea ARM începe în 1983, când Acorn Computers a decis să dezvolte un nou procesor bazat pe experiența lor cu MOS 6502 , cipul folosit în multe dintre computerele lor personale la acea vreme. Proiectul a fost condus de Sophie Wilson și Steve Furber.

Scopul lor a fost de a crea un procesor avansat, dar foarte simplu din punct de vedere intern, fără microcod și cu o filozofie RISC clară . În 1985 au finalizat proiectarea primului prototip, ARM1, iar în 1986 a apărut ARM2, prima versiune comercială utilizată în computere precum Acorn Archimedes.

ARM2 avea o magistrală de date pe 32 de biți, un spațiu de adrese pe 26 de biți și 16 registre de uz general pe 32 de biți . Unul dintre aceste registre era folosit ca și contor de program (PC), iar unii biți erau folosiți pentru semnalizatoare de stare. Din punct de vedere tehnic, era extrem de simplu: aproximativ 30.000 de tranzistoare și nicio memorie cache.

Această simplitate a dus la un consum de energie ridicol de scăzut pentru acea perioadă și la performanțe superioare față de cele ale unui Intel 286. Succesorul său, ARM3, a adăugat o memorie cache unificată de dimensiuni reduse, de 4 KB, care a îmbunătățit semnificativ accesul repetitiv la memorie.

La sfârșitul anilor 80, Apple a început să colaboreze cu Acorn la noi versiuni ale nucleului ARM . Pentru a evita îngrijorările altor producători, în 1990 a fost creată compania independentă Advanced RISC Machines (ARM), însărcinată cu proiectarea și licențierea generațiilor viitoare de procesoare.

Această etapă a marcat apariția procesorului ARM6, introdus în 1991, utilizat de Apple în Newton (ARM 610) și de Acorn în RiscPC. Nucleul a rămas surprinzător de simplu: doar 35.000 de tranzistoare , permițându-i să fie integrat cu diverse periferice și să formeze sisteme personalizate.

Saltul masiv al ARM pe piața de consum a venit odată cu ARM7TDMI, care se găsește în milioane de telefoane mobile, console portabile și sisteme integrate . Simultan, Digital (DEC) a licențiat designul și a creat StrongARM, capabil să funcționeze la 233 MHz cu un consum de aproximativ 1 W, o piatră de hotar în materie de eficiență.

În timp, această tehnologie a trecut în mâinile Intel, care a integrat-o în familia sa Intel i960 și în soluțiile XScale, în timp ce alți giganți precum Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics sau Atmel au licențiat și ei arhitectura ARM.

Astăzi, aproximativ trei sferturi din procesoarele pe 32 de biți din lume încorporează nuclee ARM . Aceasta reprezintă o prezență masivă: hard disk-uri, routere, jucării, mașini, televizoare, telefoane mobile, tablete, laptopuri și, din ce în ce mai mult, computere personale și servere.

Principalele familii de procesoare ARM

De-a lungul deceniilor, ARM a lansat diferite familii și versiuni de arhitectură (ARMv1, v2, v3 etc.), fiecare cu îmbunătățiri ale performanței, capacității de memorie, memoriei cache, suportului pentru virgulă mobilă și caracteristici suplimentare.

Primele generații, cum ar fi ARM1, ARM2 și ARM3 (ARMv1 și ARMv2) , s-au concentrat pe furnizarea unui procesor pe 32 de biți foarte simplu pentru computere precum BBC Micro cu coprocesor ARM, Acorn Archimedes sau RiscPC. Aceste cipuri nu aveau un MMU complet (în unele cazuri folosind un MEMC extern) și aveau puțină sau deloc memorie cache.

Odată cu familia ARM6 (ARMv3) , se face saltul la adresarea completă pe 32 de biți și sunt încorporate nuclee precum ARM600 sau ARM610, unele cu cache integrat și magistrale specifice pentru coprocesoare în virgulă mobilă.

Mai târziu au apărut ARM7 și ARM7TDMI (ARMv3 și ARMv4T) , cu suport pentru setul de instrucțiuni Thumb pe 16 biți, o pipeline în 3 etape și variante cu cache, MMU sau MPU. Aceste nuclee stau la baza unor produse populare precum Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod și sisteme integrate de la NXP, Atmel și Psion.

În paralel, apare familia StrongARM (ARMv4) , rezultatul unei colaborări cu DEC, care se concentrează pe obținerea unor MIPS pe watt ridicate pentru PDA-uri și computere mici (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus etc.), cu cache-uri L1 relativ mari pentru acea vreme și un MMU complet.

Mai târziu, seriile ARM9, ARM9E și ARM10E (ARMv4T și ARMv5) au introdus conducte de procesare mai profunde, îmbunătățiri ale instrucțiunilor DSP, suport mai larg pentru Thumb, capabilități Jazelle pentru executarea bytecode-ului Java în hardware și cache-uri mai mari, configurabile. Aceste nuclee sunt utilizate în telefoane mobile, camere digitale, dispozitive de rețea, console portabile și nenumărate alte sisteme pe cip (SoC).

O ramură importantă este XScale (ARMv5TE) , achiziționată de Intel, concepută pentru procesoare de aplicații și procesoare de rețea cu frecvențe ridicate, cache-uri L1/L2 generoase și, în unele cazuri, acceleratoare RAID sau funcții foarte specifice pentru I/O.

ARM11 (ARMv6) a introdus o serie de procese cu până la 9 etape, suport SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, îmbunătățiri DSP și tehnologii de securitate precum TrustZone. Aceste nuclee au fost utilizate în dispozitive cunoscute, cum ar fi primul iPhone, iPod touch de generație timpurie, unele telefoane Nokia din seria N, console de jocuri și primul Raspberry Pi.

Marea revoluție modernă a sosit odată cu familia Cortex , în special cu ARMv7-A și profilurile de aplicații ulterioare. Nuclee precum Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 și variantele lor multi-core (MPCore) au devenit standardul de facto în smartphone-uri, tablete, televizoare inteligente și laptopuri ușoare.

Aceste nuclee încorporează execuție superscalară, conducte profunde, NEON (SIMD), VFP pentru operații în virgulă mobilă, Thumb-2 avansat și TrustZone . Se găsesc în SoC-uri precum cele din seria OMAP de la Texas Instruments, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon și Apple A4/A8 și succesorii săi.

În domeniul sistemelor embedded și al microcontrolerelor, se remarcă familiile Cortex-R (profil în timp real) și Cortex-M (profil microcontroler) , cu variante precum Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 și M4, concepute pentru sisteme critice, control industrial, industria auto și electronică de larg consum, unde predictibilitatea timpului de răspuns și eficiența sunt primordiale.

Set de instrucțiuni ARM: RISC, Moduri condiționale și Thumb

Setul de instrucțiuni ARM a fost conceput de la zero ca RISC pur: instrucțiuni simple, cu dimensiune fixă, care, în multe cazuri, pot fi executate într-un singur ciclu de ceas . Cheia este ca compilatorul să genereze secvențe eficiente cu câteva instrucțiuni cu un grad ridicat de atomism.

O caracteristică foarte particulară este că, în modurile clasice pe 32 de biți, fiecare instrucțiune include un cod de condiție în cei mai mari 4 biți ai săi . Acest lucru permite practic oricărei instrucțiuni să fie condiționată (executând doar dacă sunt îndeplinite anumite semnalizatoare), reducând nevoia de salturi și prevenind apariția bulelor de cod în blocuri mici de cod cu condiții frecvente.

În plus, ARM permite combinarea operațiilor aritmetice/logice cu deplasări și rotații de registre într-o singură instrucțiune . De exemplu, ceva echivalent în C cu „a += (j << 2);” poate fi exprimat ca o singură instrucțiune ARM care adaugă o valoare deplasată la registru, salvând instrucțiuni și accesări la memorie.

Un alt avantaj este că setul de adrese acceptă moduri de pre- și post-incrementare, adresare relativă și alte metode flexibile de adresare , care sunt mai puțin frecvente în alte arhitecturi considerate, de asemenea, RISC. Toate acestea contribuie la reducerea numărului total de instrucțiuni și la îmbunătățirea performanței pe ciclu.

Arhitectura clasică definește 16 registre vizibile programatorului, de câte 32 de biți (R0-R15) . În principiu, acestea sunt simetrice, deși R15 este utilizat ca un contor de program (PC), R14 acționează de obicei ca un registru de legătură (adresa de retur a subrutinelor sau excepțiilor), iar R13 este utilizat ca un pointer de stivă.

ARM are două moduri principale de execuție: modul ARM (instrucțiuni pe 32 de biți) și modul Thumb (instrucțiuni pe 16 biți) . Modul ARM oferă mai multă putere (un set de instrucțiuni mai complet), dar generează cod mai mare; modul Thumb reduce la jumătate dimensiunea fiecărei instrucțiuni, îmbunătățind densitatea codului și, în multe cazuri, performanța pe sistemele cu magistrale de memorie mai înguste.

Thumb este, în esență, un subset al instrucțiunilor cele mai frecvent utilizate în jocul ARM . Primul procesor care l-a încorporat a fost ARM7TDMI, iar de atunci, practic toate familiile ulterioare (ARM9, XScale, Cortex etc.) includ suport pentru Thumb sau evoluția sa, Thumb-2.

În plus, există Jazelle DBX, o tehnologie care permite codului bytecode Java să ruleze direct pe hardware în anumite nuclee (cele al căror nume include un „J”, cum ar fi ARM926EJ-S). Această funcționalitate avea ca scop accelerarea mașinilor virtuale Java pe dispozitive cu resurse limitate.

Avantajele cheie ale arhitecturii ARM

Popularitatea ARM nu este întâmplătoare: provine dintr -o combinație de eficiență energetică, flexibilitate de design, cost și performanță suficientă pentru majoritatea utilizărilor.

Pe de o parte, fiind o arhitectură RISC cu un set de instrucțiuni relativ mic și fără microcod complex, nucleele ARM pot fi fabricate cu mult mai puține tranzistoare decât un design x86 echivalent . Mai puține tranzistoare înseamnă un consum mai mic de energie, mai puțină căldură și cipuri mai mici și mai ieftine.

Acest lucru permite procesoarelor ARM să ofere performanțe foarte decente cu un consum minim de energie , lucru esențial în telefoanele mobile, tablete, laptopuri ultraușoare, dispozitive IoT și sisteme integrate alimentate de baterii sau cu limitări termice.

Modelul de licențiere funcționează și în favoarea sa: ARM vinde proprietatea intelectuală a nucleelor ​​sale către tot felul de producători , care le pot personaliza, le pot combina cu alte blocuri (GPU, modem, acceleratoare AI) și pot crea SoC-uri complet adaptate produselor lor.

Acest lucru creează un ecosistem imens de producători, cu îmbunătățiri continue ale performanței și eficienței și o gamă foarte largă de oferte pentru aproape orice nișă: de la microcontrolere ultra-ieftine la procesoare pe 64 de biți pentru servere.

În concluzie, ARM oferă un consum redus de energie, un cost accesibil, o densitate bună a codului, instrumente mature și performanțe mai mult decât acceptabile, care continuă să se îmbunătățească . Nu atinge întotdeauna nivelurile brute de performanță ale x86 în desktop-urile de gaming de înaltă performanță, dar nu este nevoie în majoritatea scenariilor.

ARM pe 32 de biți și pe 64 de biți: evoluție recentă

Primele modele ARM au fost pe 32 de biți și, timp de decenii, au dominat piața dispozitivelor integrate și mobile . Cu toate acestea, începând cu 2011, Arm a introdus arhitecturi cu suport nativ pe 64 de biți (ARMv8 și versiuni ulterioare), deschizând calea către sarcini de lucru mult mai grele.

Trecerea la arhitectura pe 64 de biți în ARM nu s-a făcut în detrimentul eficienței RISC; mai degrabă, a fost realizată datorită designului mai sofisticat al setului de instrucțiuni modern . Acest lucru facilitează adrese de memorie mult mai mari și operații aritmetice de precizie extinsă, ceva deja esențial în dispozitivele mobile de ultimă generație și, bineînțeles, în computere și servere.

Complexitatea redusă în comparație cu x86 rămâne un avantaj: chiar și în versiunile lor pe 64 de biți, procesoarele ARM mențin mai puțini tranzistori pentru aceeași sarcină , ceea ce duce la costuri de fabricație mai mici și la un consum de energie mai mic.

În domeniul computerelor personale, acest lucru s-a materializat în procesoare precum Apple Silicon (M1, M2, M3…) și noul Snapdragon X Elite de la Qualcomm , care combină nuclee de înaltă performanță cu nuclee de înaltă eficiență și grafică integrată capabilă să rivalizeze cu multe laptopuri x86 în sarcini generale.

Utilizarea ARM în computere, laptopuri și alte dispozitive

În mod tradițional, procesoarele ARM erau rezervate pentru smartphone-uri, tablete, televizoare inteligente, routere, console portabile și gadgeturi, unde consumul redus de energie era esențial și nu era necesară puterea maximă a unui desktop.

Dar asta se schimbă rapid. Pe de o parte, dispozitive precum Raspberry Pi au demonstrat că un sistem ARM poate funcționa perfect ca microcomputer desktop sau mini PC pentru sarcini de birou cu un sistem de operare adecvat (de obicei Linux) pentru munca de birou, navigare și programare ușoară.

Am văzut și produse mai puternice bazate pe ARM, precum NVIDIA Tegra X1 , folosit de Nvidia în Shield TV și, mai ales, de Nintendo în Switch, unde echilibrul dintre performanța grafică și consumul de energie este crucial.

În domeniul tabletelor avansate, Apple, cu cipurile sale din seria A (și ulterior din seria M), a demonstrat că un SoC ARM bine conceput poate oferi performanțe spectaculoase în aplicații creative, muncă de birou și multitasking intens, fără a necesita ventilatoare agresive.

Microsoft, la rândul său, integrează procesoare ARM în dispozitive precum Surface Pro X și alte variante ale familiei Surface , mizând pe dispozitive ușoare, silențioase, cu conectivitate LTE integrată, care pot concura cu laptopurile tradiționale pentru munca mobilă.

Între timp, Google promovează intens ARM în ecosistemul său Chromebook . Sistemul de operare Chrome, bazat pe Chromium și Android, se potrivește perfect acestei arhitecturi, oferind laptopuri accesibile și ușoare, cu o autonomie excelentă a bateriei. Mulți producători de Chromebook optează pentru SoC-uri ARM tocmai pentru a maximiza durata de viață a bateriei și a reduce costurile.

ARM și sisteme de operare: Windows, macOS, Linux și altele

Deși mulți oameni asociază ARM doar cu dispozitivele mobile, majoritatea sistemelor de operare importante au deja suport matur pentru această arhitectură , atât în ​​variantele încorporate, cât și în mediile desktop și server.

În domeniul mobil, Android și iOS au rulat aproape exclusiv pe procesoare ARM timp de ani de zile , profitând de avantajele lor în materie de eficiență. Apple, odată cu tranziția sa la Apple Silicon, a extins această filozofie și la computerele sale desktop și laptop, abandonând procesoarele Intel x86.

Pe Mac-urile cu procesoare ARM, Apple oferă Rosetta 2, un sistem de traducere care permite aplicațiilor compilate pentru Intel să ruleze cu performanțe surprinzător de bune. Acest lucru a facilitat foarte mult tranziția, până în punctul în care astăzi aproape toate aplicațiile relevante au o versiune ARM nativă.

În cadrul ecosistemului Microsoft, Windows a explorat diverse abordări pentru ARM . Windows CE și Windows Embedded Compact au suportat ARMv5, v6 și v7 în lumea integrată timp de ani de zile. Mai târziu a apărut Windows 8 RT pentru tablete ARM, precum prima Surface, cu rezultate modeste din cauza limitărilor software.

Windows 10 și Windows 11 duc acest lucru cu un pas mai departe, oferind versiuni ARM cu emulare de aplicații x86 . În Windows 11, emularea și performanța s-au îmbunătățit considerabil, deși încă există probleme de compatibilitate cu unele programe desktop clasice.

Între timp, sistemele Linux și de tip UNIX au îmbrățișat ARM cu destul entuziasm . Distribuții precum Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo și Oracle Linux oferă imagini oficiale pentru diverse SoC-uri ARM, inclusiv Raspberry Pi și alte plăci de bază.

Din punct de vedere al BSD, FreeBSD, NetBSD și OpenBSD suportă mai multe platforme ARM , iar sistemele istorice precum RISC iX rulau pe mașini Acorn bazate pe ARM2/ARM3. În plus, Solaris și alte variante UNIX au avut, de asemenea, implementări pentru această arhitectură.

În domeniul sistemelor de operare în timp real și integrate, ARM este prezent în Android (în cazul dispozitivelor integrate), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX și multe altele . Lista este enormă, deoarece practic fiecare RTOS modern oferă suport pentru cel puțin un profil ARM.

Intel, ARM și inspirația din spatele arhitecturii big.LITTLE

Procesoarele clasice pentru desktop-uri și laptopuri, în special cele de la Intel și AMD, au folosit ani de zile arhitecturi CISC x86/x86-64 cu nuclee mai mari și mai complexe , alimentate de surse de alimentare puternice și sisteme de răcire dedicate.

În schimb, proiectele ARM pentru telefoane mobile și SoC-uri încorporate au optat de mult timp pentru arhitecturi eterogene de tip big.LITTLE , combinând nuclee puternice și nuclee eficiente în cadrul aceluiași cip pentru a adapta consumul în funcție de volumul de lucru.

Această idee a inspirat direct noua generație de procesoare Core hibride de la Intel, care combină nuclee de înaltă performanță (P-cores) cu nuclee de înaltă eficiență (E-cores) într-un singur pachet. Deși nu utilizează ARM, ele reproduc abordarea introdusă de ARM pentru a îmbunătăți eficiența și performanța generală.

În ceea ce privește concurența directă, până de curând ARM era limitată la proiecte desktop foarte specifice sau la ecosistemul Apple . Cu toate acestea, odată cu Snapdragon X Elite și alte proiecte similare, Qualcomm și alți producători își propun să conteste x86 în laptopurile mainstream.

Cel mai mare obstacol pentru ARM în PC-urile mainstream rămâne compatibilitatea software și, în cazul jocurilor, dependența de GPU-uri și drivere optimizate pentru x86 . Atâta timp cât AMD și Intel își mențin dominația în domeniul plăcilor grafice dedicate și al procesoarelor de înaltă performanță, lumea jocurilor va rămâne puternic legată de x86.

ARM vs RISC-V: Două arhitecturi RISC diferite

În ultimii ani, RISC-V, o altă arhitectură RISC care concurează direct cu ARM pe multe fronturi , a câștigat o vizibilitate semnificativă . La fel ca ARM, RISC-V este orientat către dispozitive cu consum redus de energie, dar diferă printr-un aspect cheie: este un ISA deschis și fără licență.

Deși utilizarea x86-64 sau ARM implică plata de redevențe către Intel, AMD sau Arm Ltd. , orice companie sau persoană poate proiecta, fabrica și vinde procesoare RISC-V fără a plăti drepturi asupra setului de instrucțiuni. Acest lucru face ca RISC-V să fie deosebit de atractiv pentru țările și producătorii care doresc independență tehnologică și reducerea costurilor.

În prezent, în ceea ce privește capabilitățile pure, atât ARM, cât și RISC-V au extensii pe 64 de biți și suport pentru sisteme de operare complete . ARM este deja bine stabilit în Android, iOS, macOS și Linux, în timp ce RISC-V începe să obțină suport oficial în Android (Google îl promovează ca o arhitectură de top) și în distribuții Linux precum Ubuntu și Fedora.

În ceea ce privește suportul producătorilor, ARM continuă să dețină un avantaj covârșitor . Aproape toate smartphone-urile, tabletele și dispozitivele inteligente disponibile astăzi utilizează ARM, în timp ce majoritatea cipurilor RISC-V actuale sunt încă orientate către dezvoltare, microcontrolere și produse foarte specifice.

Cu toate acestea, RISC-V câștigă în mod clar în ceea ce privește prețul și libertatea de design . Fără costuri de licențiere, este mai ușor să creezi produse ultra-ieftine sau extrem de personalizate, ceea ce explică interesul unor țări precum China și Rusia de a adopta această arhitectură pentru propriile proiecte.

Dacă ar fi să alegem un „câștigător” chiar acum, ARM ar fi în continuare superior în ceea ce privește ecosistemul, software-ul disponibil și maturitatea . RISC-V, însă, este un competitor foarte promițător pentru viitor, în special în domeniile dispozitivelor low-cost, IoT, routerelor, PC-urilor entry-level și smartphone-urilor economice.

Privind imaginea de ansamblu, arhitectura ARM s-a impus ca una dintre pietrele de temelie ale calculului modern : aceasta alimentează totul, de la telefoanele mobile pe care le folosim zilnic, până la laptopuri ultraușoare, Chromebookuri, Mac-uri cu Apple Silicon și o gamă vastă de dispozitive integrate. Filosofia sa RISC, combinația dintre eficiența energetică și performanța mai mult decât suficientă, modelul său de licențiere și suportul larg pentru sistemele de operare explică de ce domină atât de multe segmente, chiar dacă oferte mai noi, precum RISC-V, încep să apară ca o alternativă deschisă în lumea procesoarelor.