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

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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).


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

© Мариян Славов, pcworld

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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.

 


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

© Мариян Славов, pcworld

 

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.

Twitter icon Facebook icon
Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук.