Особености на ARM процесорите: характерни черти на архитектурата, разлики и переспективи

11 юли 2013
3921 прочитания
0 коментара
19 одобрения
0 неодобрения

Първите ARM чипове се появиха още преди десетилетие, благодарение на старанието на британската фирма Acorn Computers (известна още като ARM Limited), но дълго време бяха в сянката на техните по-именити събратя – процесорите с архитектура x86. Всичко се обърна с главата надолу, при прехода на IT индустрията в пост комютърната епеха, когато масово започнаха да се правят не PC компютри, а мобилни джаджи.

Особености на ARM архитектурата

Трябва да започнем с това, че в процесорната архитектура x86, (процесорите на AMD и Inte), се използва свой собствен набор от инструкции CISC (Complex Instruction Set Computer), макар и не в напълно явен вид. Така, голямото количество сложни по своята структура команди, което дълго време беше отличителна черта на CISC, най-напред се декодират в прости команди и чак след това се обработват. Съвсем понятно е, че за този начин, отива не малко енергия .

 

 

Чип ARM1- първия модел на компанията Acorn Computers, който се произвежда в фабриките на VLSI

В качеството си на енергоефективна алтернатива, идват чиповете с архитектура ARM и с набор от команди RISC (Reduced Instruction Set Computer). Тяхното преимущество поначало е в не големия набор от прости команди, които се обработват с минимални загуби. Като резултат, сега на пазара на потребителска електроника мирно съжителстват (само по себе си не много мирно), две процесорни архитектури – x86 и АРМ, всяка от които има своите предимства и недостатъци.

 

 

Първото в историята устройство, използващо процесор с архитектура ARM е персоналният компютър BBC Micro

Архитектурата x86 се позиционира, като по-универсалната от гледна точка на посилните и задачи, вклоючително даже и доста по-ресурсоемките, като редактиране на фотографии, музика и видео, а също и кодиране и компресиране на данни. Архитектурата ARM излезе на преден план, заради крайно ниското енергопотребление, което има и достатъчното ниво на производителност, което предлага за важните понастоящен задачи – изобразяване на Уеб страници и възпроизвеждане на медийно съдържание.

 

 

 

Бизнес моделът на компанията ARM Limited

Днес компанията ARM Limited се занимава единствено с разработката на процесорни архитектури и тяхното лицензиране. Създаването на конкретни модели чипове и последващото им масово производство, е работа на ARM-лицензираните компании, които са доста солидна бройка. Най-известните между тях са STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, както и IT-гигантите, имената на които всички знаят – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С пълния списък на лицензираните компании, може да се запознаете от съответната страница на официалния сайт на ARM Limited.

 

 

Само компаниите, получили лиценз за производство на ARM Cortex-A, са десетки, а в портфолиото на ARM Limited има и други разработки.

Голямата бройка на лицензираните компании е обслувена най-напред от големия мащаб на приложение при мобилните джаджи – и това е само върхът на айсберга. Евтини и енергоефективни чипове се използват за вграждане в мрежовото оборудване, измерителните прибори и пр. Платежните терминали, външните 3G модеми и спортните пулсометри – всички тези устройства са базирани на процесорната архитектура ARM. По данни на аналитиците, компанията ARM Limited, получава за всеки произведен чип $0.067 такса. Но това е усреднена стойност, тъй като новите многоядрени процесори многократно превъзхождат устарелите по сложност.

Еднокристална система

От техническа гледна точка, да се наричат чиповече с архитектура ARM процесори, не е съвсем правилно, тъй като освен едно или няколко процесорни ядра, те включват цял ред съпътсвъщи компоненти. По-удачен в дадения случай е термина еднокристална система .

Така, новите еднокристални системи за смартфони и таблети, включват и контролер на паметта, графичен ускорител, видеодекодер, аудиокодек и опционално модул за безжична връзка. Нискоспециализираните чипове могат да включват допълнителни контролери за взаимодействие с периферните устройства, например датчици.

 

 

Блокова схема на еднокристална система с четири ядра ARM Cortex-A9

Отделните компоненти на еднокристалната система, могат да са разработени както непосредствено от ARM Limited, така и от трети компании. Ярък пример в случая са графичните ускорители, с които не се занимава ARM Limited, ами компании като Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не трябва да забравяме и компанията Imagination Technologies, която с нищо друго не се занимава, освен с проeктиране на графични ускорители PowerVR. А именно на нея принадлежи почти половината глобален пазар на мобилна графика: джаджите на Apple и Amazon, таблетите Samsung Galaxy Tab 2, а също и евтините смартфони, базирани на МТК процесори.

Oстаряло поколение чипове

Морално остарели, но все още широко използвани процесорни архитектури се явяват ARM9 и ARM11, които принадлежат към семейството ARMv5 и ARMv6 съответно.

ARM9. Чиповете ARM9 могат да достигат тактова честота 400MHz и по-скоро те се намират вътре във вашия рутер или в стария, но все още надеждно работещ мобилен телефон от рода на Sony Ericsson и Nokia 6300.

ARM11. Процесорите ARM11 могат да се похвалят с разширен набор от инструкции спрямо ARM9 и по-висока тактова честота (до 1GHz), като за съвтеменните приложения, тяхната изчислителна мощност съшо е недостатъчна. Независимо от това, благодарение на невисокото енергопотребление и на не маловажната ниска себестойност, чиповете ARM11 до момента се използват в ниския клас смартфони: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

 

 

Чипът Broadcom Thunderbird - един от не многобройните представители на на поколението ARM11, който до момента се използва в Android базираните смартфони.

 

Съвременно поколение чипове

Все повече нови чипове с архитектура АРМ, принадлежат към семейството ARMv7, флагманските представители на която вече достигнаха осем ядра и тактова честота по-висока от 2.4 GHz. Разработените непосредствено от ARM Limited процесорни ядра, принадлежат към линията Cortex и болшинството производители на еднокристални системи ги използват без съществени изменения. Единствено компаниите Qualcomm и Apple са съдали собствени модификации на базата на ARMv7 - първата от тях е нарекла своето творение Scorpion и Kraft, а втората - Swift.

 

 

Чипът Apple A6 (ядро swift) - първият опит за собственоръчна модификация на архитектурата ARMv7

ARM Cortex-A8. Исторически първото процесорно ядро от семейството ARMv7 е Cortex-A8, което е в основата на такива известни SoC (System-On-Chip) за своето време, като Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). То демонстрира двойно по-висока производителност в сравнение с предшественика ARM11. Независимо, че чиповете ARM Cortex-A8 до момента се използват в бюджетни таблети (еднокристалната система Allwiner Boxchip A10), техните дни на пребиваване на пазара, както се вижда са преброени.

 

 

Еднокристалната система Ti OMAP 3 - предствител на някогашно популярното, но сега вече остаряло поколение ARM Cortex-A8

ARM Cortex-A9. След Cortex-A8 компанитя ARM Limited представи ново поколение чипове - Cortex-A9, което сега за момента е най-разпространено и заема средната ценова нисша. Производителността на ядрото Cortex-A9 е нараснала тройно, спрямо тази на Cortex-A8 и има възможност за обединение по два или даже по четири на един чип.

Копроцесора NEON се оказа не задължителен: компанията NVIDIA в своята еднокристална система Tegra 2 го изхвърли, за да освободи по-голямо място за графичния ускорител. Разбира се нищо добро от това не излезе, тъй като доста от приложенията, като например видео възпроизвеждането са ориентирани към използване на проверения с времето копроцесор NEON.

 

 

Почти всички флагмански таблети от 2011 година са изградени на база чипа NVIDIA Tegra 2

Именно по време на "царуването" на Cortex-A9 се появиха първите реализации на предложената от ARM Limited концепция big.LITTLE, която стана SoC система на чипа NVIDIA Tegra 3 с четири ядра Cortex-A9 (до 1.77 GHz) и пет енергоефективни ядра-"компаньони" (500 MHz)-, за изпълнение на прости, фонови задачи.

ARM Corex-A5 и Cortex-A7. При проектиране на процесорните ядра Cortex-A5 и Cortex-A7, компанията ARM Limited е преследвала една и съша цел - да се направи компромис между минималното енергопотребление на ARM11 и приемливото бързодействие на Cortex-A8. Не е забравена и възможността за обединение на ядрата по две и по четири - многоядрените чипове Cortex-A5 и Cortex-A7 лека, полека се появяват в продажба (Qualcomm MSM8625 и MTK6589).

Блокова схема на SoC с 4 ядра ARM Cortex-A5

ARM Cortex-A15. Процесорните ядра Cortex-A15, станаха логично продължение на Cortex-A9 - като резултат чиповете с архитектура ARM за пръв път в историята им се отдава да се сравняват по бързодействие с Intel Atom, а това е голям успех. Компанията Canonical в системните изисквания към версията на OC Ubuntu Touch с пълноценна многозадачност, указва двуядрен процесор ARM Cortex-A15 или аналогичния Intel Atom.

 

 

Първият масов SoC чип Cortex-A15 стана двуядреният Exynos 5250, който се използва в таблетите Google Nexus 10 и лаптопите Samsung Chromebook.

Съвсем скоро в продажба ще постъпят множество "джаджи" на база NVIDIA Tegra 4 с четири ядра ARM Cortex-A15 и пет допълнителни ядра Cortex-A7. След NVIDIA, концепцията big.LITTLE подхвана компанията Samsung: "сърцето" на смартфона Galaxy S4 стана чипа Exynos 5 Octa с четири ядра Cortex-A15 и същото количество енергоефективни ядра Cortex-A7.

 

 

Схема на SoC big.LITTLE с процесорни ядра ARM Cortex-A15 (big) и Cortex-A7 (LITTLE)

 

Переспективи

Мобилните "джаджи" на база чиповете Cortex-A15 все още не са в продажба, а основните тендеции за по-нататъшното развитие на архитектурата ARM са вече известни. Компанията ARM Limited вече официално представи следващото семейство процесори ARMv8, представителите на което, задължително ще са 64 bit. Нова епоха в RISC процесорите откриват ядрата Cortex-A53 и Cortex-A57: първото е енергоефективно, а второто високопроизводително, но и двете са способни да работят с големи обеми оперативна памет.

Производителите на потребителска електроника, не са особено заинтересувани от процесорите ARMv8, но на хоризонта се появиха нови лицензианти, планиращи да въведат чиповете ARM на сървърния пазар: AMD и Calxeda. Идеята не е новаторска, но напълно има право на живот: тези графични ускорители NVIDIA Tesla, състоящи се от голямо число прости ядра, на практика доказаха своята ефективност като сървърни решения.

19 одобрения
0 неодобрения
Още от рубрика "Хардуер"
КОМЕНТАРИ ОТ  
КОМЕНТАРИ
Трябва да сте регистриран потребител, за да коментирате статията
"Особености на ARM процесорите: характерни черти на архитектурата, разлики и переспективи"



    

абонамент за бюлетина
връзка с нас