Vad är ARM-arkitektur i datorer och varför är det viktigt?

Informatec Digital » Resurser » Vad är ARM-arkitektur i datorer och varför är det viktigt?

ARM- arkitekturen har utvecklats från att driva enkla prylar till att driva bärbara datorer, stationära datorer och servrar . Om du någonsin har använt en Android-telefon, en iPhone, en Raspberry Pi eller en ny Mac har du redan arbetat med processorer baserade på den här designen, även om du inte var medveten om det.

I följande rader ska vi titta närmare på vad ARM-arkitektur i datorer egentligen är, hur den fungerar, dess ursprung och varför den förändrar landskapet jämfört med Intels och AMDs x86-arkitektur. Vi kommer också att diskutera dess förhållande till RISC-V, dess roll i Windows, macOS och Linux, och varför stora tillverkare har anammat denna typ av processor.

Vad är ARM-arkitektur och vad är den baserad på?

När vi pratar om ARM syftar vi på en RISC (Reduced Instruction Set Computing) instruktionsuppsättningsarkitektur , utformad för strömsnåla men allt kraftfullare processorer, som används från små mikrokontroller till persondatorer och datacenter.

Till skillnad från CISC-arkitekturer som x86/x86-64 (se skillnaderna mellan Intel- och AMD-processorer ) använder ARM en enklare, mer kompakt och mycket effektiv instruktionsuppsättning . Detta möjliggör processorer med färre transistorer, mindre intern komplexitet och betydligt lägre strömförbrukning – en nyckelfaktor i ultralätta mobila enheter och bärbara datorer.

En viktig punkt är att ARM Holdings (numera Arm Ltd.) inte tillverkar processorer . Företaget designar arkitekturen och kärnorna och licensierar sedan tekniken till tredje part (Apple, Qualcomm, Samsung, etc.), som integrerar den i sina egna SoC:er genom att lägga till anpassade GPU:er, minneskontroller, modem och andra komponenter.

I praktiken innebär detta att det finns hundratals ARM-processorvarianter med helt olika beteenden och prestanda , även om de alla delar samma instruktionsuppsättning, vilket möjliggör utveckling av kompatibla operativsystem och applikationer.

En kort historia om ARM: från Acorn till marknadsdominans

ARMs historia börjar 1983, när Acorn Computers beslutade att utveckla en ny processor baserad på sina erfarenheter med MOS 6502 , chippet som användes i många av deras persondatorer vid den tiden. Projektet leddes av Sophie Wilson och Steve Furber.

Deras mål var att skapa en avancerad men internt mycket enkel processor, utan mikrokod och med en tydlig RISC-filosofi . År 1985 slutförde de designen av den första prototypen, ARM1, och 1986 kom ARM2, den första kommersiella versionen som användes i datorer som Acorn Archimedes.

ARM2 hade en 32-bitars databuss, ett 26-bitars adressutrymme och 16 32-bitars generella register . Ett av dessa register användes som en programräknare (PC), med några bitar som statusflaggor. Tekniskt sett var det extremt enkelt: cirka 30 000 transistorer och inget cacheminne.

Denna enkelhet resulterade i löjligt låg energiförbrukning för den tid och prestanda som var överlägsen den hos en Intel 286. Dess efterföljare, ARM3, lade till en liten enhetlig cache på 4 KB som avsevärt förbättrade åtkomsten till repetitiv minne.

I slutet av 80-talet började Apple samarbeta med Acorn kring nya versioner av ARM-kärnan . För att undvika oro från andra tillverkare skapades det oberoende företaget Advanced RISC Machines (ARM) 1990, med uppgift att designa och licensiera framtida generationer av processorer.

I detta skede uppstod ARM6, introducerad 1991, som användes av Apple i Newton (ARM 610) och av Acorn i RiscPC. Kärnan förblev förvånansvärt enkel: bara 35 000 transistorer , vilket gjorde det möjligt att integrera den med olika kringutrustning och skapa anpassade system.

ARMs massiva steg in på konsumentmarknaden kom med ARM7TDMI, som finns i miljontals mobiltelefoner, handhållna konsoler och inbyggda system . Samtidigt licensierade Digital (DEC) designen och skapade StrongARM, som kan arbeta vid 233 MHz och förbruka cirka 1 W, en milstolpe i effektivitet.

Med tiden hamnade tekniken i Intels händer, som integrerade den i sin Intel i960-familj och XScale-lösningar, medan andra jättar som Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics eller Atmel också licensierade ARM-arkitekturen.

Idag har ungefär tre fjärdedelar av världens 32-bitarsprocessorer ARM-kärnor . Detta representerar en massiv närvaro: hårddiskar, routrar, leksaker, bilar, tv-apparater, mobiltelefoner, surfplattor, bärbara datorer och i allt högre grad persondatorer och servrar.

De viktigaste ARM-processorfamiljerna

Under årtiondena har ARM släppt olika familjer och versioner av arkitektur (ARMv1, v2, v3, etc.), var och en med förbättringar i prestanda, minneskapacitet, cacheminne, flyttalstöd och extra funktioner.

De första generationerna, såsom ARM1, ARM2 och ARM3 (ARMv1 och ARMv2) , fokuserade på att tillhandahålla en mycket enkel 32-bitars processor för datorer som BBC Micro med en ARM-coprocessor, Acorn Archimedes eller RiscPC. Dessa chip saknade en fullständig MMU (i vissa fall med en extern MEMC) och hade liten eller ingen cache.

Med ARM6-familjen (ARMv3) tas språnget till fullständig 32-bitarsadressering, och kärnor som ARM600 eller ARM610 införlivas, vissa med integrerad cache och specifika bussar för flyttalskoprocessorer.

Senare kom ARM7 och ARM7TDMI (ARMv3 och ARMv4T) , med stöd för 16-bitars Thumb-instruktionsuppsättning, en 3-stegs pipeline och varianter med cache, MMU eller MPU. Dessa kärnor är basen för populära produkter som Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod och inbyggda system från NXP, Atmel och Psion.

Parallellt dyker StrongARM-familjen (ARMv4) upp , resultatet av ett samarbete med DEC, som fokuserar på att uppnå höga MIPS per watt för handdatorer och små datorer (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus, etc.), med relativt stora L1-cachar för tiden och en komplett MMU.

Senare introducerade ARM9-, ARM9E- och ARM10E-serierna (ARMv4T och ARMv5) djupare pipelines, förbättringar av DSP-instruktioner, bredare Thumb-stöd, Jazelle-funktioner för att exekvera Java-bytekod i hårdvara och större, konfigurerbara cacher. Dessa kärnor används i mobiltelefoner, digitalkameror, nätverksenheter, handhållna konsoler och otaliga andra system-på-chip (SoC).

En viktig gren är XScale (ARMv5TE) , förvärvad av Intel, designad för applikationsprocessorer och nätverksprocessorer med höga frekvenser, generösa L1/L2-cachar och, i vissa fall, RAID-acceleratorer eller mycket specifika funktioner för I/O.

ARM11 (ARMv6) introducerade en pipeline med upp till 9 steg, SIMD-stöd, Thumb-2, Jazelle DBX, DSP-förbättringar och säkerhetstekniker som TrustZone. Dessa kärnor har använts i välkända enheter som den första iPhone, tidig generationens iPod touch, vissa Nokia Nseries-telefoner, spelkonsoler och den första Raspberry Pi.

Den stora moderna revolutionen kom med Cortex- familjen , särskilt inom ARMv7-A och senare applikationsprofiler. Kärnor som Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 och deras flerkärniga varianter (MPCore) blev de facto standard i smartphones, surfplattor, smarta TV-apparater och lätta bärbara datorer.

Dessa kärnor innehåller superskalär exekvering, djupa pipelines, NEON (SIMD), VFP för flyttaloperationer, avancerad Thumb-2 och TrustZone . De finns i SoC:er som de i Texas Instruments OMAP-serien, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon och Apple A4/A8 och efterföljare.

Inom området inbyggda system och mikrokontroller utmärker sig Cortex-R (realtidsprofil) och Cortex-M (mikrokontrollerprofil) -familjerna , med varianter som Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 och M4, utformade för kritiska system, industriell styrning, fordons- och konsumentelektronik där förutsägbarhet och effektivitet i svarstider är av största vikt.

ARM-instruktionsuppsättning: RISC, villkorslägen och tumlägen

ARM-instruktionsuppsättningen designades från grunden som ren RISC: enkla instruktioner med fast storlek som i många fall kan exekveras under en klockcykel . Nyckeln är att kompilatorn genererar effektiva sekvenser med ett fåtal mycket atomära instruktioner.

En mycket speciell egenskap är att varje instruktion, i klassiska 32-bitarslägen, innehåller en villkorskod i dess högsta 4 bitar . Detta gör att praktiskt taget vilken instruktion som helst kan vara villkorlig (exekveras endast om vissa flaggor är uppfyllda), vilket minskar behovet av hopp och förhindrar pipelinebubblor i små kodblock med frekventa villkor.

Dessutom tillåter ARM att kombinera aritmetiska/logiska operationer med registerskift och rotationer i en enda instruktion . Till exempel kan något som i C motsvarar "a += (j << 2);" uttryckas som en enda ARM-instruktion som lägger till ett skiftat värde till registret, vilket sparar instruktioner och minnesåtkomster.

En annan fördel är att adressuppsättningen stöder pre- och post-inkrement-lägen, relativ adressering och andra flexibla adresseringsmetoder , vilket är ovanligt i andra arkitekturer som också betraktas som RISC. Allt detta bidrar till att minska det totala antalet instruktioner och förbättra prestandan per cykel.

Den klassiska arkitekturen definierar 16 programmerarsynliga register på 32 bitar (R0-R15) . I princip är de symmetriska, även om R15 används som en programräknare (PC), R14 vanligtvis fungerar som ett länkregister (returadress för subrutiner eller undantag) och R13 används som en stackpekare.

ARM har två huvudsakliga exekveringslägen: ARM-läge (32-bitarsinstruktioner) och tumläge (16-bitarsinstruktioner) . ARM-läge erbjuder mer kraft (en mer komplett instruktionsuppsättning) men genererar större kod; tumläge halverar storleken på varje instruktion, vilket förbättrar koddensiteten och i många fall prestanda på system med smalare minnesbussar.

Thumb är i huvudsak en delmängd av de mest använda instruktionerna i ARM-spelet . Den första processorn som införlivade den var ARM7TDMI, och sedan dess har praktiskt taget alla efterföljande familjer (ARM9, XScale, Cortex, etc.) stöd för Thumb eller dess utveckling, Thumb-2.

Dessutom finns Jazelle DBX, en teknik som gör att Java-bytekod kan köras direkt på hårdvara i vissa kärnor (de vars namn innehåller ett "J", såsom ARM926EJ-S). Denna funktionalitet syftade till att accelerera virtuella Java-maskiner på enheter med begränsade resurser.

Viktiga fördelar med ARM-arkitekturen

ARMs popularitet är ingen slump: den härrör från en kombination av energieffektivitet, designflexibilitet, kostnad och prestanda som är tillräcklig för de flesta användningsområden.

Å ena sidan, eftersom ARM-kärnor är en RISC-arkitektur med en relativt liten instruktionsuppsättning och ingen tung mikrokod, kan de tillverkas med betydligt färre transistorer än en motsvarande x86-design . Färre transistorer innebär lägre strömförbrukning, mindre värme och mindre, billigare chips.

Detta gör att ARM-processorer kan erbjuda mycket bra prestanda med minimal strömförbrukning , något som är avgörande i mobiltelefoner, surfplattor, ultralätta bärbara datorer, IoT-enheter och inbyggda system som drivs av batterier eller med termiska begränsningar.

Licensmodellen gynnar också ARM: ARM säljer sina kärnors immateriella rättigheter till alla typer av tillverkare , som kan anpassa dem, slå samman dem med andra block (GPU, modem, AI-acceleratorer) och skapa SoC:er som är helt anpassade till deras produkter.

Detta skapar ett enormt ekosystem av tillverkare, med kontinuerliga förbättringar av prestanda och effektivitet , och ett mycket brett utbud av erbjudanden för nästan alla nischer: från ultrabilliga mikrokontroller till 64-bitars processorer för servrar.

Sammanfattningsvis erbjuder ARM låg strömförbrukning, överkomlig kostnad, god koddensitet, mogna verktyg och mer än acceptabel prestanda som fortsätter att förbättras . Den når inte alltid de råa prestandanivåerna för x86 i avancerade speldatorer, men det behöver den inte göra i de flesta fall.

32-bitars och 64-bitars ARM: den senaste utvecklingen

De första ARM-designerna var 32-bitars, och i årtionden dominerade de marknaden för inbyggda och mobila enheter . Men från och med 2011 introducerade Arm arkitekturer med inbyggt 64-bitarsstöd (ARMv8 och senare), vilket öppnade dörren för mycket tyngre arbetsbelastningar.

Övergången till 64-bitarsarkitektur i ARM har inte skett på bekostnad av RISC-effektivitet; snarare har den uppnåtts tack vare den mer sofistikerade designen av den moderna instruktionsuppsättningen . Detta möjliggör mycket större minnesadresser och aritmetiska operationer med utökad precision, något som redan är viktigt i avancerade mobila enheter och naturligtvis i datorer och servrar.

Den minskade komplexiteten jämfört med x86 är fortfarande en fördel: även i sina 64-bitarsversioner använder ARM-processorer färre transistorer för samma uppgift , vilket resulterar i lägre tillverkningskostnader och lägre strömförbrukning.

Inom persondatorvärlden har detta materialiserats i processorer som Apple Silicon (M1, M2, M3…) och Qualcomms nya Snapdragon X Elite , som kombinerar högpresterande kärnor med högeffektiva kärnor och integrerad grafik som kan konkurrera med många x86-bärbara datorer i allmänna uppgifter.

Användning av ARM i datorer, bärbara datorer och andra enheter

Traditionellt sett var ARM-processorer reserverade för smartphones, surfplattor, smarta TV-apparater, routrar, bärbara konsoler och prylar där låg strömförbrukning var avgörande och full stationär datorkraft inte behövdes.

Men det förändras snabbt. Å ena sidan har enheter som Raspberry Pi visat att ett ARM-system kan fungera perfekt som en stationär mikrodator eller mini-PC för kontorsuppgifter med ett lämpligt operativsystem (vanligtvis Linux) för kontorsarbete, surfning och lätt programmering.

Vi har också sett kraftfullare ARM-baserade produkter som NVIDIA Tegra X1 , som används av Nvidia i deras Shield TV och framför allt av Nintendo i Switch, där balansen mellan grafikprestanda och strömförbrukning är avgörande.

Inom avancerade surfplattor har Apple, med sina A-serie- (och senare M-serie-) chip, visat att en väldesignad ARM SoC kan leverera spektakulär prestanda i kreativa applikationer, kontorsarbete och tung multitasking, utan att kräva aggressiva fläktar.

Microsoft integrerar för sin del ARM-processorer i enheter som Surface Pro X och andra varianter av Surface-familjen och satsar på lätta, tysta enheter med integrerad LTE-anslutning som kan konkurrera med traditionella bärbara datorer för mobilt arbete.

Samtidigt marknadsför Google ARM kraftigt i sitt Chromebook-ekosystem . Chrome OS, baserat på Chromium och Android, passar utmärkt in i denna arkitektur och erbjuder prisvärda, lätta bärbara datorer med utmärkt batteritid. Många Chromebook-tillverkare väljer ARM SoCs just för att maximera batteritiden och minska kostnaderna.

ARM och operativsystem: Windows, macOS, Linux och andra

Även om många bara förknippar ARM med mobila enheter, har de flesta större operativsystem redan moget stöd för denna arkitektur , både i inbyggda varianter och i skrivbords- och servermiljöer.

Inom mobilvärlden har Android och iOS i åratal nästan uteslutande körts på ARM-processorer och dragit nytta av deras effektivitetsfördelar. Apple har, med sin övergång till Apple Silicon, även utvidgat denna filosofi till sina stationära och bärbara datorer och övergett Intel x86-processorer.

På Mac-datorer med ARM-processorer erbjuder Apple Rosetta 2, ett översättningssystem som gör att applikationer som kompilerats för Intel kan köras med förvånansvärt bra prestanda. Detta har underlättat övergången avsevärt, till den grad att nästan alla relevanta applikationer idag har en inbyggd ARM-version.

Inom Microsofts ekosystem har Windows utforskat olika tillvägagångssätt för ARM . Windows CE och Windows Embedded Compact har stödt ARMv5, v6 och v7 i den inbyggda världen i åratal. Senare kom Windows 8 RT för ARM-surfplattor som den första Surface, med blygsamma resultat på grund av programvarubegränsningar.

Windows 10 och Windows 11 tar detta ett steg längre och erbjuder ARM-versioner med x86-applikationsemulering . I Windows 11 har emulering och prestanda förbättrats avsevärt, även om kompatibilitetsproblem fortfarande finns med en del klassisk skrivbordsprogramvara.

Samtidigt har Linux och UNIX-liknande system anammat ARM ganska entusiastiskt . Distributioner som Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo och Oracle Linux erbjuder officiella avbildningar för olika ARM SoC:er, inklusive Raspberry Pi och andra moderkort.

På BSD-sidan stöder FreeBSD, NetBSD och OpenBSD alla flera ARM-plattformar , och historiska system som RISC iX kördes på Acorn-maskiner baserade på ARM2/ARM3. Dessutom har Solaris och andra UNIX-varianter också haft implementeringar för denna arkitektur.

Inom realtids- och inbyggda operativsystem finns ARM i Android (när det gäller inbyggda enheter), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX och många fler . Listan är enorm eftersom praktiskt taget alla moderna RTOS erbjuder stöd för minst en ARM-profil.

Intel, ARM och inspirationen bakom big.LITTLE-arkitekturen

Klassiska stationära och bärbara datorprocessorer, särskilt de från Intel och AMD, har i åratal använt CISC x86/x86-64-arkitekturer med större och mer komplexa kärnor , drivna av kraftfulla nätaggregat och dedikerade kylsystem.

Däremot har ARM-designer för mobiltelefoner och inbyggda SoC:er länge valt heterogena arkitekturer av typen big.LITTLE , som kombinerar kraftfulla kärnor och effektiva kärnor inom samma chip för att anpassa förbrukningen efter arbetsbelastningen.

Denna idé har direkt inspirerat Intels nya generation av hybrid Core-processorer, som kombinerar högpresterande kärnor (P-kärnor) med högeffektiva kärnor (E-kärnor) i ett enda paket. Även om de inte använder ARM, replikerar de den metod som introducerades av ARM för att förbättra den totala effektiviteten och prestandan.

När det gäller direkt konkurrens var ARM fram till nyligen förpassat till mycket specifika skrivbordsprojekt eller Apples ekosystem . Med Snapdragon X Elite och andra liknande projekt siktar dock Qualcomm och andra tillverkare på att utmana x86 i vanliga bärbara datorer.

Det största hindret för ARM i vanliga PC-miljöer är fortfarande mjukvarukompatibilitet och, när det gäller spel, beroendet av GPU:er och drivrutiner optimerade för x86 . Så länge AMD och Intel behåller sin dominans inom dedikerade grafikkort och högpresterande processorer kommer spelvärlden att förbli starkt knuten till x86.

ARM vs RISC-V: Två olika RISC-arkitekturer

Under senare år har RISC-V, en annan RISC-arkitektur som konkurrerar direkt med ARM på många fronter , fått betydande synlighet . Liksom ARM är RISC-V inriktad på enheter med låg strömförbrukning, men den skiljer sig på en viktig aspekt: ​​det är en öppen och licensfri ISA.

Även om användningen av x86-64 eller ARM innebär att man betalar royalties till Intel, AMD eller Arm Ltd. , kan vilket företag eller individ som helst designa, tillverka och sälja RISC-V-processorer utan att betala rättigheter för instruktionsuppsättningar. Detta gör RISC-V särskilt attraktivt för länder och tillverkare som söker tekniskt oberoende och kostnadsminskningar.

För närvarande, vad gäller rena funktioner, har både ARM och RISC-V 64-bitars tillägg och stöd för kompletta operativsystem . ARM är redan väl etablerat i Android, iOS, macOS och Linux, medan RISC-V börjar få officiellt stöd i Android (Google marknadsför det som en topparkitektur) och i Linuxdistributioner som Ubuntu och Fedora.

När det gäller tillverkarstöd fortsätter ARM att ha en överväldigande fördel . Nästan alla smartphones, surfplattor och smarta enheter som finns tillgängliga idag använder ARM, medan de flesta nuvarande RISC-V-chip fortfarande är inriktade på utveckling, mikrokontroller och mycket specifika produkter.

RISC-V vinner dock klart vad gäller pris och designfrihet . Utan licenskostnader är det enklare att skapa ultrabilliga eller mycket kundanpassade produkter, vilket förklarar intresset hos länder som Kina och Ryssland att anamma denna arkitektur för sina egna projekt.

Om vi ​​var tvungna att välja en "vinnare" just nu, skulle ARM fortfarande vara överlägset vad gäller ekosystem, tillgänglig programvara och mognad . RISC-V är dock en mycket lovande konkurrent för framtiden, särskilt inom områdena lågkostnadsenheter, IoT, routrar, instegsdatorer och budgetsmartphones.

Sett i det stora hela har ARM-arkitekturen etablerat sig som en av hörnstenarna i modern databehandling : den driver allt från mobiltelefoner vi använder varje dag till ultralätta bärbara datorer, Chromebooks, Mac-datorer med Apple Silicon och en mängd olika inbyggda enheter. Dess RISC-filosofi, kombinationen av energieffektivitet och mer än tillräckligt med prestanda, dess licensmodell och breda stöd för operativsystem förklarar varför den dominerar så många segment, även när nyare erbjudanden som RISC-V börjar framträda som ett öppet alternativ i CPU-världen.