Що таке ARM-архітектура?

29 0 Новини високих технологій

Про ARM-архітектуру чув кожен, хто цікавиться мобільними технологіями. При цьому для більшості людей це асоціюється з процесорами планшетів або смартфонів. Інші поправляють їх, уточнюючи, що це не сам камінь, а лише його архітектура. Але практично ніхто з них не цікавився, звідки і власне коли виникла ця технологія.

Що таке ARM-архітектура?
А між тим дана технологія широко поширена серед численних сучасних гаджетів, яких з кожним роком стає все більше і більше. До того ж на шляху розвитку компанії, яка зайнялася розробкою ARM-процесорів, є один цікавий випадок, про який не гріх згадати, можливо, для когось він стане уроком на майбутнє.

ARM-архітектура для чайників

Під абревіатурою ARM ховається досить успішна британська компанія ARM Limited в області IT-технологій. Розшифровується вона як Advanced RISC Machines і є одним з найбільших світових розробників і ліцензіарів 32-розрядної архітектури RISC-процесорів, якими оснащується більшість портативних пристроїв.


Але, що характерно, сама компанія не займається виробництвом мікропроцесорів, а лише розробляє та ліцензує свою технологію іншим сторонам. Зокрема ARM-архітектура микроконтролеров закуповується такими виробниками:
  • Atmel.
  • Cirrus Logic.
  • Intel.
  • Apple.
  • nVidia.
  • HiSilicon.
  • Marvell.
  • NXP.
  • Samsung.
  • Qualcomm.
  • Sony Ericsson.
  • Texas Instruments.
  • Broadcom.
  • Деякі з них відомі широкій аудиторії споживачів цифрових гаджетів. За запевненням британської корпорації ARM, загальна чисельність вироблених за їх технології мікропроцесорів - понад 25 мільярда. Існує кілька серій мобільних каменів:
  • ARM7 – тактова частота 60-72 МГц, що актуально для мобільних бюджетних телефонів.
  • ARM9/ARM9E – частота вже більш висока близько 200 МГц. Такими оснащуються мікропроцесорами більш функціональні смартфони і кишенькові комп'ютери (КПК).
  • Cortex і ARM11 є вже більш сучасними сімействами мікропроцесорів у порівнянні з архітектурою минулого мікроконтролерів ARM з тактовою частотою до 1 ГГц і розширеними можливостями обробки цифрових сигналів.


    Популярні мікропроцесори xScale від компанії Marvell (до середини літа 2007 року проект знаходився в розпорядженні Intel) насправді являють собою розширений варіант архітектури ARM9 доповнений набором інструкцій MMX Wireless. Дане рішення від Intel було орієнтовано на підтримку мультимедійних додатків.
    Що таке ARM-архітектура?
    ARM-технологія відноситься до 32-бітної мікропроцесорної архітектури, містить скорочений набір команд, що іменується як RISC. За проведеними підрахунками, застосування процесорів ARM – це 82% від усієї кількості вироблених RISC-процесорів, що говорить про досить широкій зоні охоплення 32-бітних систем. Багато електронні пристрої оснащуються ARM-архітектурою процесора, і це не тільки PDA і стільникові телефони, але і портативні ігрові консолі, калькулятори, комп'ютерна периферія, мережеве обладнання та багато іншого.

    Невелику подорож назад у минуле

    Вирушимо на уявній машині часу на кілька років назад і спробуємо розібратися, з чого ж все починалося. Можна з упевненістю сказати, що компанія ARM – це, швидше, монополіст у своїй області. І це підтверджується тим, що переважна більшість смартфонів і інших електронних цифрових пристроїв працюють під управлінням мікропроцесорів, створених по даній архітектурі.
    У 1980 році була заснована компанія Acorn Computers, яка почала створювати персональні комп'ютери. Тому раніше ARM була представлена як Acorn RISC Machines. Рік потому на суд споживачів була представлена домашня версія ПК BBC Micro з самої першої ARM-архітектурою процесора. Це був успіх, тим не менш чіп не справлявся з графічними завданнями, а інші варіанти в особі процесорів Motorola 68000 і National Semiconductor 32016 теж не підходили для цього. Тоді керівництво компанії задумалося над створенням свого мікропроцесора. Інженерів зацікавила нова процесорна архітектура, придумана випускниками місцевого університету. У ній використовувався скорочений набір команд, або RISC. І після появи першого комп'ютера, який управлявся процесором Acorn Risc Machine, успіх прийшов досить швидко – у 1990 році між британським брендом і Apple був укладений договір. Це поклало початок розробки нового чіпсету, що, в свою чергу, призвело до утворення цілої команди розробників, що іменується як Advanced RISC Machines, або ARM.
    Що таке ARM-архітектура?
    Починаючи з 1998 року, компанія змінила назву на ARM Limited. І тепер фахівці не займаються виробництвом і реалізацією ARM-архітектури. Що це дало? На розвиток компанії це жодним чином не позначилося, хоч основним і єдиним напрямком компанії стала розробка технологій, а також продаж ліцензій стороннім фірмам, щоб ті могли користуватися процесорної архітектурою. При цьому деякі компанії набувають права на готові ядра, інші ж, придбаної ліцензії оснащують процесори своїми ядрами.
    Згідно з деякими даними заробіток компанії на кожному подібному рішенні складає 0067 $. Але ці відомості усереднені і застарілі. Щороку кількість ядер в чіпсетах зростає, відповідно і собівартість сучасних процесорів перевершує старі зразки.

    Область застосування

    Саме розвиток мобільних пристроїв принесло компанії ARM Limited величезну популярність. А коли виробництво смартфонів і інших портативних електронних пристроїв придбало масовий характер, енергоефективним процесорам тут же знайшлося застосування. От цікаво, а чи є linux на arm-архітектурі? Кульмінаційний період розвитку компанії ARM припадає на 2007 рік, коли були відновлені партнерські відносини з брендом Apple. Після цього на суд споживачів був представлений перший iPhone на базі процесора ARM. Починаючи з цього часу подібна процесорна архітектура стала незмінною складовою практично будь-якого виробленого смартфона, які тільки можна знайти на сучасному мобільному ринку. Можна сказати, що практично кожне сучасне електронне обладнання, яке потребує управління процесором, так чи інакше оснащеному чіпами ARM. А той факт, що така процесорна архітектура підтримує багато операційні системи, будь то Linux, Android, iOS і Windows, є незаперечною перевагою. Серед них значитися і Windows embedded CE 6.0 Core, архітектура arm теж нею підтримується. Дана платформа розрахована на надолонні комп'ютери, мобільні телефони і вбудовувані системи.

    Відмітні особливості x86 і ARM

    Багато користувачів, які чули про ARM і x86 трохи плутають ці дві архітектури між собою. А між тим у них є певні відмінності. Існує два основних типи архітектур:
  • CISC (Complex Instruction Set Computing).
  • RISC (Reduced Instruction Set Computing).
  • До CISC відносяться процесори x86 (Intel або AMD), до RISC, як вже можна зрозуміти, сімейство ARM. У x86 і arm є свої шанувальники. Завдяки старанням фахівців ARM, які робили акцент на енергоефективність та використання простого набору інструкцій, процесори сильно виграли від цього – мобільний ринок почав стрімко розвиватися, а багато смартфони практично майже дорівнялися з можливостями комп'ютерів.
    Що таке ARM-архітектура?
    У свою чергу Intel завжди славилася випуском процесорів з високою продуктивністю і пропускною здатністю для настільних ПК, ноутбуків, серверів і навіть суперкомп'ютерів. Ці дві родини по-своєму завойовували серця користувачів. Але в чому їх відмінність? Відмітних ознак або навіть кілька особливостей, розглянемо найбільш важливі з них.

    Потужність обробки

    Почнемо розбір відмінностей архітектури ARM і x86 з цього параметра. Особливість професорів RISC полягає у використанні як можна меншої кількості інструкцій. Причому вони мають бути максимально простими, що наділяє їх перевагами не тільки для інженерів, але і розробників програмного забезпечення.
    Філософія тут нескладна – якщо інструкція проста, то для потрібної схеми не потрібно занадто велика кількість транзисторів. Як результат, звільняється додатковий простір для чого-небудь або ж розміри чіпів стають менше. З цієї причини мікропроцесори ARM стали об'єднувати в собі периферійні пристрої, на зразок графічних процесорів. Показовий приклад – комп'ютер Raspberry Pi, у якого мінімальна кількість компонентів. Однак простота інструкцій обходиться дорого. Щоб виконувати ті чи інші завдання необхідні додаткові інструкції, що зазвичай призводить до зростання споживання пам'яті і часу на виконання завдань. На відміну від arm-архітектури процесора інструкції чіпів CISC, якими є рішення від Intel, можуть виконувати складні завдання з великою гнучкістю. Іншими словами, машини на базі RISC виробляють операції між регістрами, і зазвичай потрібно, щоб програма завантажувала змінні в регістр, перед виконанням операції. Процесори здатні на CISC виконання операцій декількома способами:
  • між регістрами;
  • між регістром і місцем пам'яті;
  • між комірками пам'яті.
  • Але це лише частина відмінних особливостей, перейдемо до розбору інших ознак.

    Споживана потужність

    Залежно від типу пристрою споживана потужність може мати різний ступінь значущості. Для тієї системи, яка підключена до постійного джерела живлення (електромережа) обмеження споживання енергії просто немає. Однак мобільні телефони та інші електронні гаджети в повній мірі залежать від керування живленням.
    Що таке ARM-архітектура?
    Ще одна відмінність архітектури arm і x86 в тому, що у першої енергоспоживання менше ніж 5 Вт, включаючи багато супутні пакети: графічні процесори, периферійні пристрої, пам'ять. Така мала потужність обумовлена меншою кількістю транзисторів в сукупності з відносно низькими швидкостями (якщо провести паралель з процесорами для настільних ПК). В той же час це знайшло відбиток на продуктивності – для виконання складних операцій потрібно більше часу. Ядра Intel відрізняються складність структурою і в силу цього споживання енергії у них істотно вище. Наприклад, процесор Intel I-7 з високою продуктивністю споживає близько 130 Вт енергії, мобільні версії – 6-30 Вт.

    Програмне забезпечення

    Проводити порівняння за цим параметром досить важко, оскільки обидва бренду дуже популярні у своїх колах. Пристрої, які базуються на процесорах arm-архітектури, чудово працюють з мобільними операційними системами (Чоловічий та інше). Машини під управлінням процесорів від Intel здатні працювати з платформами кшталт Windows і Linux. До того ж обидва сімейства мікропроцесорів дружать з програмами, написаними на мові Java. Розбираючи відмінності архітектур, можна однозначно сказати одне – процесори ARM головним чином управляють енергоспоживанням мобільних пристроїв. Завдання ж настільних рішень більшого за все полягає в забезпеченні високої продуктивності.

    Нові досягнення

    Компанія ARM за рахунок ведення грамотної політики, повністю прибрала до рук мобільний ринок. Але в подальшому вона не збирається зупинятися на досягнутому. Не так давно була представлена нова розробка ядер: Cortex-A53 і Cortex-A57 в яких було проведено одне важливе оновлення – підтримка 64-бітних обчислень. Ядро A53 є прямим послідовником ARM Cortex-A8 у якого хоч і була не дуже висока продуктивність, але енергоспоживання на мінімальному рівні. Як відзначають фахівці, архітектури arm cortex a53 енергоспоживання знижено до 4 рази, а по продуктивності вона не буде поступатися ядра Cortex-A9. І це при тому, що площа ядра A53 на 40% менше, ніж у A9.
    Що таке ARM-архітектура?
    Ядро A57 прийде на заміну Cortex-A9 і Cortex-A15. При цьому інженери ARM заявляють про феноменальне прирості продуктивності – в три рази вище, ніж у ядра A15. Іншими словами мікропроцесор A57 буде в 6 разів швидше Cortex-A9 а його енергоефективність буде в 5 разів краще, ніж у A15. Якщо підсумувати, то серія cortex, а саме більш досконала a53 відрізняється від своїх попередників більш високою продуктивністю на тлі не менш високої енергоефективності. Навіть процесори Cortex-A7 які ставляться на більшість смартфонів, які не витримують конкуренції! Але що більш цінне це те, що архітектура arm cortex a53 – це та складова, яка дозволить уникнути проблем, пов'язаних з нестачею пам'яті. До того ж і пристрій буде повільніше розряджати батарею. Завдяки новинці ці проблеми тепер залишаться у далекому минулому.

    Графічні рішення

    Крім розробки процесорів, компанія ARM працює над втіленням графічних прискорювачів серії Mali. І найперший з них – це Mali 55. Цим прискорювачем оснастили телефон LG Renoir. І так, це самий звичайний мобільник. Тільки в ньому GPU відповідала не за грою, а лише перетворювати інтерфейс, адже якщо судити за сучасними мірками, графічний процесор відрізняється примітивними можливостями. Але прогрес невблаганно летить уперед і тому, щоб йти в ногу з часом, у компанії ARM є і більш досконалі моделі, які актуальні для смартфонів середньої цінової категорії. Мова йде про поширених GPU Mali-400 MP і Mali-450 MP. Хоч у них і невелика продуктивність і обмежений набір API, це не заважає їм знаходити застосування в сучасних мобільних моделях. Яскравий приклад – телефон Zopo ZP998 якому восьмиядерний чіп MTK6592 працює в парі з графічним прискорювачем Mali-450 MP4.

    Конкурентоспроможність

    В даний час компанії ARM поки ще ніхто не протистоїть і головним чином це обумовлено тим, що в свій час було прийнято вірне рішення. Але колись давно ще на початку свого шляху команда розробників працювала над створенням процесорів для ПК і навіть зробила спробу конкурувати з таким гігантом як Intel. Але навіть після того, як напрям діяльності було змінено, компанії доводилося важко. А коли всесвітньо відомий комп'ютерний бренд Microsoft уклав договір з Intel, у решти виробників просто не було шансів – операційна система Windows відмовлялася працювати з процесорами ARM. Як тут утриматися від використання емуляторів gcam на архітектуру arm?! Що відносно компанії Intel, то спостерігаючи хвилю успіху ARM Limited, теж спробувала створити процесор, який би склав гідну конкуренцію. Для цього широкій публіці був наданий чіп Intel Atom. Але це зайняло набагато більший проміжок часу, ніж у ARM Limited. І у виробництво чіп пішов лише в 2011 році, але дорогоцінний час було вже втрачено. По суті, Intel Atom – це CISC-процесор з архітектурою x86. Фахівцям вдалося добитися більш низького енергоспоживання, ніж у ARM рішеннях. Тим не менш весь той софт, який виходить під мобільні платформи, погано адаптований до архітектури x86.
    Що таке ARM-архітектура?
    В кінцевому підсумку компанія визнала повну повальность прийнятого рішення і надалі відмовилася від виробництва процесорів під мобільні пристрої. Єдиний великий виробник чіпів Intel Atom – це компанія ASUS. У той же час ці процесори не канули в лету, ними в масовому порядку оснащували нетбуки, неттопи і інші портативні пристрої. Однак існує ймовірність, що ситуація зміниться і улюблена усіма операційна система Windows стане підтримувати мікропроцесори ARM. До того ж кроки в цьому напрямку робляться, може і правда з'являться щось на зразок емуляторів gcam на ARM-архітектури для мобільних рішень?! Хто знає, час покаже і все розставить по місцях.

    Перспективи на майбутнє

    В історії розвитку компанії ARM є один цікавий момент (на самому початку статті саме він мався на увазі). Коли-то в основі ARM Limited перебувала компанія Apple і ймовірно, що вся технологія ARM належала б саме їй. Однак доля розпорядилася інакше – в 1998 році Apple перебувала в кризовому становищі, і керівництво було змушене продати свою частку. В даний час вона знаходиться нарівні з іншими виробниками і залишається для своїх пристроїв iPhone і iPad закуповувати технології у ARM Limited. Хто ж міг знати, як все може обернутися?! Сучасні процесори ARM здатні виконувати більш складні операції. А в найближчому майбутньому керівництво компанії планує вийти на серверний ринок, в чому вона, безсумнівно, зацікавлена. До того ж у наш сучасний час, коли наближається епоха розвитку інтернет речей (IoT), в числі яких і «розумні» побутові прилади, можна прогнозувати ще більшу затребуваність чіпів з ARM-архітектурою. Так що у компанії ARM Limited попереду далеко не безпросвітне майбутнє! І навряд чи найближчим часом знайдеться хто-небудь, хто може потіснити такого, поза всяким сумнівом, мобільного гіганта по розробці процесорів для смартфонів і інших подібних електронних пристроїв.

    В якості висновку

    Процесори ARM досить швидко захопили ринок мобільних пристроїв і все завдяки низькому енергоспоживанню і нехай не дуже високою, але все ж, гарної продуктивності. В даний час положення справ у компанії ARM можна тільки позаздрити. Багато виробників користуються її технологіями, що ставить Advanced RISC Machines нарівні з такими гігантами в області розробок процесорів Intel і AMD. І це притому, що компанія не має власного виробництва.
    Що таке ARM-архітектура?
    Якийсь час конкурентом мобільного бренду була компанія MIPS з однойменної архітектурою. Але в даний час є поки що єдиний серйозний конкурент в особі корпорації Intel, правда її керівництво не вважає, що arm-архітектура може становити загрозу для її ринкової частки. Також, на думку фахівців з Intel, процесори ARM не здатні забезпечити запуск настільних версій операційних систем. Однак така заява звучить трохи нелогічно, адже власники ультрамобільних ПК не користуються «важким» програмним забезпеченням. У більшості випадків потрібен вихід в мережу інтернет, редагування документів, прослуховування мультимедійних файлів (музика, кіно) та інші нескладні завдання. А ARM рішення прекрасно справляються з такими операціями.