Що таке архітектура ARM у комп'ютерах і чому вона важлива?

Інформатек Діджитал » Ресурси » Що таке архітектура ARM у комп'ютерах і чому вона важлива?

Архітектура ARM еволюціонувала від простих гаджетів до ноутбуків, настільних комп'ютерів та серверів . Якщо ви коли-небудь користувалися телефоном Android, iPhone, Raspberry Pi або новішим Mac, ви вже працювали з процесорами, заснованими на цій конструкції, навіть якщо не знали про це.

У наступних рядках ми детально розглянемо, що насправді являє собою архітектура ARM у комп'ютерах, як вона працює, її походження та чому вона змінює ландшафт порівняно з архітектурою x86 від Intel та AMD . Ми також обговоримо її зв'язок з RISC-V, її роль у Windows, macOS та Linux, а також чому основні виробники обрали цей тип процесорів.

Що таке архітектура ARM і на чому вона базується?

Коли ми говоримо про ARM, ми маємо на увазі архітектуру набору інструкцій RISC (Reduced Instruction Set Computing) , розроблену для малопотужних, але дедалі потужніших процесорів, що використовуються від крихітних мікроконтролерів до персональних комп'ютерів та центрів обробки даних.

На відміну від CISC-архітектур, таких як x86/x86-64 (див. відмінності між процесорами Intel та AMD ), ARM спирається на простіший, компактніший та високоефективний набір інструкцій . Це дозволяє створювати процесори з меншою кількістю транзисторів, меншою внутрішньою складністю та значно нижчим енергоспоживанням — ключовим фактором у надлегких мобільних пристроях та ноутбуках.

Важливим моментом є те, що ARM Holdings (тепер Arm Ltd.) не виробляє процесори . Компанія розробляє архітектуру та ядра, а потім ліцензує цю технологію третім сторонам (Apple, Qualcomm, Samsung тощо), які інтегрують її у власні SoC, додаючи власні графічні процесори, контролери пам'яті, модеми та інші компоненти.

На практиці це означає, що існують сотні варіантів процесорів ARM з досить різною поведінкою та продуктивністю , хоча всі вони мають однакову базу набору інструкцій, що дозволяє розробляти сумісні операційні системи та програми.

Коротка історія ARM: від Acorn до домінування на ринку

Історія ARM починається в 1983 році, коли компанія Acorn Computers вирішила розробити новий процесор, спираючись на свій досвід роботи з MOS 6502 , чіпом, який використовувався в багатьох їхніх персональних комп'ютерах на той час. Проектом керували Софі Вілсон та Стів Фербер.

Їхньою метою було створити передовий, але внутрішньо дуже простий процесор, без мікрокоду та з чіткою філософією RISC . У 1985 році вони завершили розробку першого прототипу, ARM1, а в 1986 році з'явився ARM2, перша комерційна версія, що використовувалася в таких комп'ютерах, як Acorn Archimedes.

ARM2 мав 32-бітну шину даних, 26-бітний адресний простір та 16 32-бітних регістрів загального призначення . Один з цих регістрів використовувався як лічильник програм (PC), а деякі біти використовувалися для прапорців стану. Технічно це було надзвичайно просто: близько 30 000 транзисторів і відсутність кеш-пам'яті.

Така простота призвела до неймовірно низького енергоспоживання за цей час та продуктивності, що перевершувала Intel 286. Його наступник, ARM3, мав невеликий уніфікований кеш об'ємом 4 КБ, що значно покращило повторюваний доступ до пам'яті.

Наприкінці 80-х років Apple почала співпрацювати з Acorn над новими версіями ядра ARM . Щоб уникнути занепокоєння з боку інших виробників, у 1990 році була створена незалежна компанія Advanced RISC Machines (ARM), яка мала на меті розробляти та ліцензувати майбутні покоління процесорів.

На цьому етапі з'явився ARM6, представлений у 1991 році, який використовувався Apple у Newton (ARM 610) та Acorn у RiscPC. Ядро залишалося напрочуд простим: лише 35 000 транзисторів , що дозволяло інтегрувати його з різними периферійними пристроями та формувати власні системи.

Масштабний стрибок ARM на споживчий ринок відбувся з появою ARM7TDMI, який використовується в мільйонах мобільних телефонів, портативних консолей та вбудованих систем . Одночасно Digital (DEC) ліцензувала цю розробку та створила StrongARM, здатний працювати на частоті 233 МГц, споживаючи близько 1 Вт, що є віхою в ефективності.

З часом ця технологія перейшла до рук Intel, яка інтегрувала її у своє сімейство Intel i960 та рішення XScale, тоді як інші гіганти, такі як Freescale, IBM, Texas Instruments, Nintendo, Philips, Samsung, STMicroelectronics або Atmel, також ліцензували архітектуру ARM.

Сьогодні приблизно три чверті 32-бітних процесорів у світі містять ядра ARM . Це являє собою величезну присутність: жорсткі диски, маршрутизатори, іграшки, автомобілі, телевізори, мобільні телефони, планшети, ноутбуки та все частіше персональні комп'ютери та сервери.

Основні сімейства процесорів ARM

Протягом десятиліть ARM випускала різні сімейства та версії архітектури (ARMv1, v2, v3 тощо), кожна з яких мала покращення продуктивності, обсягу пам'яті, кешу, підтримки обчислень з плаваючою комою та додаткових функцій.

Перші покоління, такі як ARM1, ARM2 та ARM3 (ARMv1 та ARMv2) , були зосереджені на створенні дуже простого 32-бітного процесора для комп'ютерів, таких як BBC Micro з ARM-співпроцесором, Acorn Archimedes або RiscPC. Ці чіпи не мали повноцінного MMU (у деяких випадках використовувався зовнішній MEMC) і мали мало кешу або взагалі його не мали.

З появою сімейства ARM6 (ARMv3) здійснено перехід до повної 32-бітної адресації, і в ньому вбудовані такі ядра, як ARM600 або ARM610, деякі з яких мають вбудований кешем та спеціальні шини для співпроцесорів з плаваючою комою.

Пізніше з'явилися ARM7 та ARM7TDMI (ARMv3 та ARMv4T) з підтримкою 16-бітного набору інструкцій Thumb, 3-етапним конвеєром та варіантами з кешем, MMU або MPU. Ці ядра є основою для популярних продуктів, таких як Game Boy Advance, Nintendo DS, Apple iPod та вбудованих систем від NXP, Atmel та Psion.

Паралельно з'являється сімейство StrongARM (ARMv4) , результат співпраці з DEC, яке зосереджене на досягненні високої продуктивності MIPS на ват для КПК та малих комп'ютерів (Apple Newton 2×00, iPAQ, Zaurus тощо), з відносно великими для того часу кешем L1 та повним MMU.

Пізніше, серії ARM9, ARM9E та ARM10E (ARMv4T та ARMv5) представили глибші конвеєри, покращення інструкцій DSP, ширшу підтримку Thumb, можливості Jazelle для виконання байт-коду Java на апаратному забезпеченні та більші, налаштовувані кеші. Ці ядра використовуються в мобільних телефонах, цифрових камерах, мережевих пристроях, портативних консолях та безлічі інших систем на кристалі (SoC).

Важливою гілкою є XScale (ARMv5TE) , придбана Intel, розроблена для прикладних процесорів та мережевих процесорів з високими частотами, щедрим кешем L1/L2 та, в деяких випадках, RAID-акселераторами або дуже специфічними функціями для вводу/виводу.

ARM11 (ARMv6) запровадив конвеєр до 9 етапів, підтримку SIMD, Thumb-2, Jazelle DBX, покращення DSP та технології безпеки, такі як TrustZone. Ці ядра використовувалися у відомих пристроях, таких як перший iPhone, iPod touch раннього покоління, деякі телефони Nokia Nseries, ігрові консолі та перший Raspberry Pi.

Велика сучасна революція прийшла з сімейством Cortex , особливо в ARMv7-A та пізніших профілях застосувань. Такі ядра, як Cortex-A5, Cortex-A8, Cortex-A9 та їх багатоядерні варіанти (MPCore), стали фактичним стандартом у смартфонах, планшетах, смарт-телевізорах та легких ноутбуках.

Ці ядра включають суперскалярне виконання, глибокі конвеєри, NEON (SIMD), VFP для операцій з плаваючою комою, розширений Thumb-2 та TrustZone . Вони знаходяться в SoC, таких як серія Texas Instruments OMAP, Samsung Exynos, Nvidia Tegra, Qualcomm Snapdragon, Apple A4/A8 та наступників.

У сфері вбудованих пристроїв та мікроконтролерів виділяються сімейства Cortex-R (профіль реального часу) та Cortex-M (профіль мікроконтролера) з такими варіантами, як Cortex-R4, Cortex-M0, M1, M3 та M4, розроблені для критично важливих систем, промислового керування, автомобільної та побутової електроніки, де передбачуваність часу відгуку та ефективність мають першочергове значення.

Набір інструкцій ARM: RISC, умовні оператори та режими Thumb

Набір інструкцій ARM був розроблений з нуля як чистий RISC: прості інструкції фіксованого розміру, які в багатьох випадках можна виконати за один такт . Ключ полягає в тому, щоб компілятор генерував ефективні послідовності з кількома високоатомарними інструкціями.

Дуже особливою особливістю є те, що в класичних 32-бітних режимах кожна інструкція містить код умови у своїх старших 4 бітах . Це дозволяє практично будь-якій інструкції бути умовною (виконуватися лише за умови виконання певних прапорців), зменшуючи потребу в переходах та запобігаючи утворенню бульбашок конвеєра в невеликих блоках коду з частими умовами.

Крім того, ARM дозволяє поєднувати арифметичні/логічні операції зі зсувами та обертаннями регістрів в одній інструкції . Наприклад, щось еквівалентне в C «a += (j << 2);» може бути виражене як одна інструкція ARM, яка додає зміщене значення до регістра, заощаджуючи інструкції та звернення до пам'яті.

Ще однією перевагою є те, що набір адрес підтримує режими до- та післяінкрементного збільшення, відносну адресацію та інші гнучкі методи адресації , які не є рідкістю в інших архітектурах, що також вважаються RISC. Все це сприяє зменшенню загальної кількості інструкцій та покращенню продуктивності за такт.

Класична архітектура визначає 16 видимих ​​програмістом регістрів по 32 біти (R0-R15) . В принципі, вони симетричні, хоча R15 використовується як лічильник програм (PC), R14 зазвичай діє як регістр посилання (адреса повернення підпрограм або винятків), а R13 використовується як покажчик стеку.

ARM має два основних режими виконання: режим ARM (32-бітні інструкції) та режим Thumb (16-бітні інструкції) . Режим ARM пропонує більшу потужність (повніший набір інструкцій), але генерує більший код; режим Thumb вдвічі зменшує розмір кожної інструкції, покращуючи щільність коду та, в багатьох випадках, продуктивність у системах з вужчими шинами пам'яті.

Thumb, по суті, є підмножиною найчастіше використовуваних інструкцій в грі ARM . Першим процесором, який його впровадив, був ARM7TDMI, і з того часу практично всі наступні сімейства (ARM9, XScale, Cortex тощо) включають підтримку Thumb або його еволюції, Thumb-2.

Крім того, існує Jazelle DBX, технологія, яка дозволяє байт-коду Java виконуватися безпосередньо на апаратному забезпеченні в певних ядрах (тих, чия назва містить літеру «J», таких як ARM926EJ-S). Ця функціональність спрямована на прискорення віртуальних машин Java на пристроях з обмеженими ресурсами.

Ключові переваги архітектури ARM

Популярність ARM не випадкова: вона зумовлена ​​поєднанням енергоефективності, гнучкості дизайну, вартості та продуктивності, достатньої для більшості застосувань.

З одного боку, оскільки це RISC-архітектура з відносно невеликим набором інструкцій та відсутністю важкого мікрокоду, ядра ARM можна виготовляти з набагато меншою кількістю транзисторів, ніж еквівалентну конструкцію x86 . Менша кількість транзисторів означає менше енергоспоживання, менше нагрівання та менші, дешевші чіпи.

Це дозволяє процесорам ARM пропонувати дуже пристойну продуктивність з мінімальним енергоспоживанням , що є критично важливим для мобільних телефонів, планшетів, надлегких ноутбуків, пристроїв Інтернету речей та вбудованих систем, що живляться від батарей або мають теплові обмеження.

Модель ліцензування також працює на її користь: ARM продає інтелектуальну власність своїх ядер всіляким виробникам , які можуть налаштовувати їх, об'єднувати з іншими блоками (графічним процесором, модемом, прискорювачами штучного інтелекту) та створювати SoC, повністю адаптовані до своїх продуктів.

Це створює величезну екосистему виробників з постійним покращенням продуктивності та ефективності , а також дуже широким спектром пропозицій практично для будь-якої ніші: від наддешевих мікроконтролерів до 64-бітних процесорів для серверів.

Підсумовуючи, ARM пропонує низьке енергоспоживання, доступну вартість, хорошу щільність коду, зрілі інструменти та більш ніж прийнятну продуктивність, яка продовжує покращуватися . Він не завжди досягає рівня продуктивності x86 у високопродуктивних ігрових настільних комп'ютерах, але в більшості випадків це не обов'язково.

32-бітний та 64-бітний ARM: останні зміни

Перші розробки ARM були 32-розрядними, і протягом десятиліть вони домінували на ринку вбудованих та мобільних пристроїв . Однак, починаючи з 2011 року, Arm представила архітектури з вбудованою 64-розрядною підтримкою (ARMv8 та пізніші версії), відкривши шлях для набагато більших робочих навантажень.

Перехід до 64-бітної архітектури в ARM відбувся не за рахунок ефективності RISC; радше, це було досягнуто завдяки більш складній конструкції сучасного набору команд . Це забезпечує набагато більші адреси пам'яті та арифметичні операції з підвищеною точністю, що вже є важливим у високопродуктивних мобільних пристроях і, звичайно ж, у комп'ютерах і серверах.

Знижена складність порівняно з x86 залишається перевагою: навіть у своїх 64-бітних версіях процесори ARM підтримують менше транзисторів для одного й того ж завдання , що призводить до зниження виробничих витрат та зниження енергоспоживання.

У сфері персональних комп'ютерів це матеріалізувалося в таких процесорах, як Apple Silicon (M1, M2, M3…) та новий Snapdragon X Elite від Qualcomm , які поєднують високопродуктивні ядра з високоефективними ядрами та інтегрованою графікою, здатною конкурувати з багатьма ноутбуками x86 у загальних завданнях.

Використання ARM у комп'ютерах, ноутбуках та інших пристроях

Традиційно процесори ARM використовувалися для смартфонів, планшетів, смарт-телевізорів, маршрутизаторів, портативних консолей та гаджетів, де низьке енергоспоживання було ключовим, і не було потрібно повноцінної потужності настільного комп'ютера.

Але це швидко змінюється. З одного боку, такі пристрої, як Raspberry Pi, показали, що система ARM може чудово функціонувати як настільний мікрокомп'ютер або міні-ПК для офісних завдань з відповідною операційною системою (зазвичай Linux) для офісної роботи, перегляду веб-сторінок та легкого програмування.

Ми також бачили потужніші продукти на базі ARM, такі як NVIDIA Tegra X1 , який використовується Nvidia у своєму Shield TV і, перш за все, Nintendo у Switch, де баланс між графічною продуктивністю та енергоспоживанням має вирішальне значення.

У сфері передових планшетів Apple зі своїми чіпами серії A (а пізніше й серії M) показала, що добре розроблений ARM SoC може забезпечити вражаючу продуктивність у творчих програмах, офісній роботі та інтенсивній багатозадачності, не вимагаючи агресивних вентиляторів.

Microsoft, зі свого боку, інтегрує процесори ARM у такі пристрої, як Surface Pro X та інші варіанти сімейства Surface , роблячи ставку на легкі, безшумні пристрої з інтегрованим підключенням LTE, які можуть конкурувати з традиційними ноутбуками для мобільної роботи.

Тим часом Google активно просуває ARM у своїй екосистемі Chromebook . Chrome OS, заснована на Chromium та Android, чудово підходить для цієї архітектури, пропонуючи доступні, легкі ноутбуки з чудовим часом автономної роботи. Багато виробників Chromebook обирають ARM SoC саме для того, щоб максимізувати час автономної роботи та зменшити витрати.

ARM та операційні системи: Windows, macOS, Linux та інші

Хоча багато людей асоціюють ARM лише з мобільними пристроями, більшість основних операційних систем вже мають зрілу підтримку цієї архітектури , як у вбудованих варіантах, так і в настільних та серверних середовищах.

У мобільній сфері Android та iOS роками працювали майже виключно на процесорах ARM , використовуючи їхні переваги в ефективності. Apple, перейшовши на Apple Silicon, також поширила цю філософію на свої настільні комп'ютери та ноутбуки, відмовившись від процесорів Intel x86.

На комп'ютерах Mac з процесорами ARM Apple пропонує Rosetta 2 – систему перекладу, яка дозволяє програмам, скомпільованим для Intel, працювати з напрочуд гарною продуктивністю. Це значно полегшило перехід, аж до того, що сьогодні майже всі відповідні програми мають рідну версію ARM.

В екосистемі Microsoft Windows досліджувала різні підходи до ARM . Windows CE та Windows Embedded Compact роками підтримували ARMv5, v6 та v7 у світі вбудованих систем. Пізніше з'явилася Windows 8 RT для планшетів ARM, таких як перший Surface, зі скромними результатами через обмеження програмного забезпечення.

Windows 10 та Windows 11 йдуть ще далі, пропонуючи версії ARM з емуляцією програм x86 . У Windows 11 емуляція та продуктивність значно покращилися, хоча проблеми сумісності з деяким класичним програмним забезпеченням для робочого столу все ще існують.

Тим часом, Linux та UNIX-подібні системи досить захоплено прийняли ARM . Дистрибутиви, такі як Debian, Ubuntu, Arch Linux, Kali, Manjaro, Gentoo та Oracle Linux, пропонують офіційні образи для різних ARM SoC, включаючи Raspberry Pi та інші плати.

Що стосується BSD, FreeBSD, NetBSD та OpenBSD підтримують кілька платформ ARM , а історичні системи, такі як RISC iX, працювали на машинах Acorn на базі ARM2/ARM3. Крім того, Solaris та інші варіанти UNIX також мали реалізації для цієї архітектури.

У сфері операційних систем реального часу та вбудованих операційних систем ARM присутній в Android (у випадку вбудованих пристроїв), Windows CE/Embedded, .NET Micro Framework, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus, QNX, RTEMS, ThreadX, VxWorks, uTasker, MQX та багатьох інших . Список величезний, оскільки практично кожна сучасна RTOS пропонує підтримку принаймні одного профілю ARM.

Intel, ARM та натхнення для архітектури big.LITTLE

Класичні процесори для настільних комп'ютерів та ноутбуків, особливо від Intel та AMD, роками використовували архітектури CISC x86/x86-64 з більшими та складнішими ядрами , що живилися від потужних блоків живлення та спеціалізованих систем охолодження.

На противагу цьому, розробки ARM для мобільних телефонів та вбудованих однокристальних систем давно обирають гетерогенні архітектури типу big.LITTLE , поєднуючи потужні та ефективні ядра в одному чіпі для адаптації споживання відповідно до робочого навантаження.

Ця ідея безпосередньо надихнула Intel на створення нового покоління гібридних процесорів Core, які поєднують високопродуктивні ядра (P-ядра) з високоефективними ядрами (E-ядрами) в одному корпусі. Хоча вони не використовують ARM, вони повторюють підхід, запропонований ARM, для підвищення загальної ефективності та продуктивності.

Що стосується прямої конкуренції, донедавна ARM була обмежена дуже специфічними проектами настільних комп'ютерів або екосистемою Apple . Однак, з Snapdragon X Elite та іншими подібними проектами, Qualcomm та інші виробники прагнуть кинути виклик x86 у масових ноутбуках.

Найбільшою перешкодою для ARM у масовому сегменті ПК залишається сумісність програмного забезпечення, а у випадку ігор – залежність від графічних процесорів та драйверів, оптимізованих для x86 . Доки AMD та Intel зберігатимуть своє домінування у сфері виділених відеокарт та високопродуктивних процесорів, світ ігор залишатиметься тісно пов'язаним з x86.

ARM проти RISC-V: Дві різні архітектури RISC

В останні роки RISC-V, ще одна архітектура RISC, яка безпосередньо конкурує з ARM за багатьма напрямками , отримала значну популярність . Як і ARM, RISC-V орієнтована на пристрої з низьким енергоспоживанням, але відрізняється одним ключовим аспектом: це відкритий і безліцензійний ISA.

Хоча використання x86-64 або ARM передбачає сплату роялті компаніям Intel, AMD або Arm Ltd. , будь-яка компанія чи приватна особа може розробляти, виробляти та продавати процесори RISC-V без сплати прав на набір інструкцій. Це робить RISC-V особливо привабливим для країн та виробників, які прагнуть технологічної незалежності та зниження витрат.

Наразі, з точки зору чистих можливостей, як ARM, так і RISC-V мають 64-бітні розширення та підтримку для повноцінних операційних систем . ARM вже добре зарекомендував себе в Android, iOS, macOS та Linux, тоді як RISC-V починає отримувати офіційну підтримку в Android (Google просуває його як архітектуру вищого рівня) та в дистрибутивах Linux, таких як Ubuntu та Fedora.

Що стосується підтримки виробників, ARM продовжує мати переважну перевагу . Майже всі смартфони, планшети та розумні пристрої, доступні сьогодні, використовують ARM, тоді як більшість сучасних чіпів RISC-V все ще орієнтовані на розробку, мікроконтролери та дуже специфічні продукти.

Однак, RISC-V явно виграє з точки зору ціни та свободи дизайну . Без витрат на ліцензування легше створювати наддешеві або високоналаштовані продукти, що пояснює інтерес таких країн, як Китай та Росія, до впровадження цієї архітектури для власних проектів.

Якби нам довелося вибрати «переможця» прямо зараз, ARM все одно мав би перевагу за екосистемою, доступним програмним забезпеченням та зрілістю . Однак RISC-V є дуже перспективним конкурентом на майбутнє, особливо в сферах недорогих пристроїв, Інтернету речей, маршрутизаторів, ПК початкового рівня та бюджетних смартфонів.

Дивлячись на загальну картину, архітектура ARM зарекомендувала себе як один з наріжних каменів сучасних обчислень : вона живить усе: від мобільних телефонів, якими ми користуємося щодня, до надлегких ноутбуків, Chromebook, Mac з Apple Silicon та широкого спектру вбудованих пристроїв. Її філософія RISC, поєднання енергоефективності та більш ніж достатньої продуктивності, модель ліцензування та широка підтримка операційних систем пояснюють, чому вона домінує в багатьох сегментах, навіть коли нові пропозиції, такі як RISC-V, починають з'являтися як відкрита альтернатива у світі процесорів.