ARM архитектура

ARM је породица архитектура скупа инструкција за процесоре базиране на RISC архитектури развијена од стране британске компаније ARM Holdings.

RISC-базирани приступ рачунарског дизајна значи да ARM процесори захтевају знатно мање транзистора од типичних процесора код просечних рачунара. Овај приступ смањује цену, загревање и потрошњу енергије. Ово су жељене особине код лаких, преносних, уређаја који раде на батерију укључујући паметне телефоне, лаптопове, таблете, и друге уграђене системе. Једноставнији дизајн омогућава ефикасније вишејезгарне процесоре и веђи број језгара по мањој цени, што даје већу рачунарску моћ и вишу енергетску ефикасност за сервере и суперрачунаре."Some facts about the Acorn RISC Machine" Roger Wilson posting to comp.arch, 2 November 1988. Приступљено 25 May 2007."ARM Cores Climb Into 3G Territory" by Mark Hachman, 2002."The Two Percent Solution" by Jim Turley 2002.

ARM Holdings развија скуп инструкција и архитектуру за ARM-базиране производе, али не производи производе. Компанија периодично избацује ажуриране верзије својих језгара. Актуелна језгра из ARM Holdings-а подржавају 32-битни адресни простор и 32-битну аритметику; скоро представљена ARMv8-A архитектура уводи подршку за 64-битни адресни простор и 64-битну аритметику. Инструкције за ARM Holdings-ова језгра имају 32-бита широке инструкције фиксиране дужине, али новије верзије архитектуре такође подржавају и скуп инструкције променљиве дужине који омогућава и 32-бита и 16-бита широке инструкције ради боље густине кода. Нека језгра омогућавају и хардверско извршавање Јава бајткода.

ARM Holdings лиценцира дизајн чипова и архитектуре ARM скупа инструкција трећим странкама, које дизајнирају своје производе који имплементирају једну од тих архитектура—укључујући системе на чипу (SoC) који интегришу меморију, интерфејсе, радио пријемнике (GSM), и тако даље. Тренутно, варијанте увелико коришћених Cortex језгра, старијих „класичних“ језгара, и специјализованих SecurCore језгара су доступне сваком од њих са дозволом да додају или избаце одређене могућности. Компаније које производе ARM производе укључују Apple, NVIDIA, Qualcomm, Samsung, и Texas Instruments. Apple је први имплементирао ARMv8-A архитектуру у свом Apple A7 чипу у iPhone 5S.

У 2005, око 98% свих продатих мобилних телефона су користили бар један ARM процесор. Мала потрошња струје је учинила ARM процесоре јако популарним: 37 милијарди ARM процесора је произведено до 2013-е, за разлику од 10 милијарди из 2008. ARM архитектура (32-битна) је најраспрострањенија архитектура код мобилних уређаја, и најпопуларнија 32-битна код уграђених система.

Према ARM Holdings-у, само у 2010, произвођачи чипова базираних на ARM архитектури су пријавили продају 6,1 милијарди ARM-базираних процесора, што чине 95% телефони, 35% телевизори и сет-топ боксови и 10% мобилни рачунари. То је најраспротрањенија архитектура 32-битног скупа инструкција по количини производа.

Историја десно|300п|мини|Систем на чипу базиран на процесору мини|десно|ARM1 други процесор за BBC Micro Британски произвођач рачунара Acorn Computers је први развио ARM током 1980-их за потребе својих персоналних рачунара. Њихови први ARM-базирани производи су били копроцесорски модули за BBC Micro серију рачунара. Након успешног BBC Micro рачунара, Acorn Computers је разматрао како да напредује од релативно једноставног процесора MOS Technology 6502 ради освајања пословних тржишта као оног којим је ускоро доминирао IBM PC, представљен 1981.Acorn Business Computer (ABC) план је захтевао да одређени други процесори буду направљени да раде са BBC Micro платформом, али процесори као што су Motorola 68000 и National Semiconductor 32016 су сматрани неадекватним, а 6502 није био довољно моћан за графички кориснички интерфејс.

Након тестирања свих доступних процесора и закључка да не одговарају, Acorn је одлучио да им треба нова архитектура. Инспирисан документацијом Berkeley RISC пројекта, Acorn је разматрао дизајнирање сопственог процесора. Посета Western Design Center-у у Фениксу, где је 6502 био ажуриран од стране компаније са једним запосленим, је открила Acorn инжењерима Стиву Фурберу и Софи Вилсон да им нису потребни огромни ресурси и врхунска постројења за истраживање и развој.

Вилсон је развио скуп инструкција, пишући симулацију процесора у BBC Basic који је радио на BBC Micro са другим 6502 процесором. Ово је убедило Acorn-ове инжењере да су на добром путу. Вилсон је пришап директору Acorn-а Херману Хојзеру, захтевајући више ресурса. Када је добио дозволу, саставио је мали тим који је имплементирао Вилсонов модел у хардвер.

Acorn RISC Машина: ARM2 Званични Acorn RISC Машина пројекат је започет октобра 1983. Изабрали су VLSI Technology као партнера у силиконима, с обзиром да су они били извор ROM-ова и специјализованих чипова за Acorn. Вилцон и Фурбер су водили дизајн. Имплементирали су га са сличном идејом ефикасности као 6502 процесор. Кључни циљ дизајна је било постизање обраде улаза и излаза са малим кашњењем као код 6502. Архитектура меморијског приступа код 6502 је омогућила инжењерима да направе брзе машине без скупог хардвера за директан приступ меморији.

VLSI је произвео први ARM силикон 26. априла 1985. Радио је из прве, и био познат као ARM1 од априла 1985. Први серијски системи названи ARM2 су били доступни следеће године.

Прва практична примена ARM-а је био други процесор за BBC Micro, где је помогао развијеном софтверу за симулацију да заврши развој чипова за подршку (VIDC, IOC, MEMC), и убрза CAD софтвер коришћен у развоју ARM2. Вилсон је затим изнова написао BBC Basic у ARM асемблерском језику. Великим знањем које је стекао дизајнирањем скупа инструкција је направио веома густ код, што је ARM BBC Basic учинило јако добрим тестом за сваки ARM емулатор. Оригинални циљ ARM-базираног рачунара је постигнут 1987. пуштањем у продају рачунара Acorn Archimedes. Acorn је још једном освојио Queen's Award for Technology за ARM 1992. године.

ARM2 је имао 32-битну магистралу података, 26-битни адресни простор и 27 32-битних регистара. 8 битова из програмског регистра је било доступно и за друге сврхе; виших 6 битова (доступних због 26-битног адресног простора), су служили као статусни флегови, а доња 2 бита (доступних јер је програмски бројач увек био изравнат са дужином речи), су коришћени за подешавање режима. Адресна магистрала је проширена на 32 бита код ARM6, али је програмски код још увек морао стајати у оквиру првих 64 MB меморије у 26-битном режиму компатибилности, због битова резервисаних за статусне флегове. ARM2 је имао само 30.000 транзистора, у поређењу са Моторолиним 6-година-старим 68000 моделом са 68.000. Добар део ове једноставности је произашло из недостатка микропрограма (који представља од четвртине до трећине код 68000) и из (као код већине процесора тог времена) недостатка кеша. Ова једноставност је донела и мали потрошњу енергије, пак боље перформансе од Intel 80286 процесора. Наследник, ARM3, је произведен са 4 KB кеша, који је додатно побољшао перформансе.

Apple, DEC, Intel, Marvell: ARM6, StrongARM, XScale Крајем 1980-их Епл и VLSI Technology су започели сарадњу са Acorn-ом на новијој верзији ARM језгра. 1990-е, Acorn је пребацио дизајнерски тим у нову компанију названу Acorn RISC Machines Ltd., која је постала ARM Ltd када је њена родитељска компанија, ARM Holdings plc, ушла на Лондонску берзу и Насдак током 1998-е..

Нова Apple-ARM сарадња ће касније прерасти у ARM6, први пут избачен ране 1992-е. Apple је користио ARM6-базирани ARM610 као основу свог Apple Newton PDA. Током 1994-е, Acorn је користио ARM610 као главни процесор (CPU) у својим Acorn Computer Risc PC рачунарима. DEC је лиценцирала ARM6 архитектуру и произвела StrongARM. Са 233 MHz, овај процесор је трошио само један ват (новије верзије чак доста мање). Овај рад је касније предат Интелу као део правног договора, и Интел је искористио прилику да обогати своју i960 линију са StrongARM-ом. Интел је касније развио своју имплементацију високих перформанси звану XScale, коју је касније продао Марвелу.

Лиценцирање мини|Чип STM32F103VGT6 ARM Cortex-M3 микроконтролера са 1 мегабајтом флеш меморије из STMicroelectronics-а.

Лиценца језгра ARM језгро је задржало практично исту величину током ових промена. ARM2 је имао 30.000 транзистора, ARM6 је порастао само до 35.000. ARM Holdings-ов примарни бизнис је продаја језгара које има у свом интелектуалном власништву, која корисници лиценце користе да праве микроконтролере (MCUs) и процесоре базиране на тим језгрима. Произвођач оригиналног дизајна комбинује ARM језгра са другим компонентама у производњи комплетног процесора, какав се типично може произвести у постојећим фабрикама полупроводника по ниској цени а донети значајне перформансе. Најуспешнија имплементација је био ARM7TDMI који је продао стотние милиона. Atmel је био претходни дизајн центар у ARM7TDMI-базираним уграђеним системима.

ARM архитектуре коришћене у телефонима, PDA-овима и другим преносним уређајима су у опсегу од ARMv5, код јефтиних уређаја, преко ARMv6, до ARMv7 у актуелним врхунским уређајима. ARMv7 укључује и хардверску јединицу за рад са покретним зарезом (FPU), са унапређеном брзином у односу на софтверски покретни зарез.

Током 2009-е, неки произвођачи су представили нетбукове базиране на ARM процесорима, као директну конкуренцију нетбуковима базираним на Intel Atom-у. Према аналитичкој фирми IHS iSuppli, до 2015-е, ARM процесори би могли бити у 23% свих лаптопова.

ARM Holdings нуди вишеструке услове уговора, који варирају у цени и ономе што нуде. ARM Holdings свим купцима лиценце доставља опис ARM језгра као и комплетни софтверски развојни пакет алата (компилатор, дебагер, скуп развојних алата) и право да продаје произведени силикон који садржи ARM процесор.

SoC пакети који интегришу ARM-ов дизајн језгра укључују Nvidia Tegra, CSR plc's Quatro породицу, ST-Ericsson-ове Nova и NovaThor, Silicon Labs-ов Precision32 MCU, Texas Instruments-ове OMAP производе, Самсунгове Hummingbird и Exynos прозводе, Apple-ове A4, A5, и A5X, и Freescale-ов i.MX.

Лиценценти без сопствених фабрика, који желе да интегришу ARM језгро у свој дизајн чипа, су углавном заинтересовани само у спремно-за-производњу проверена IP језгра. За ове муштерије, ARM Holdings доставља логичку мрежу изабраног ARM језгра, уз апстрактан симулациони модел и тест програме који помажу интеграцију дизајна и проверу. Амбициозније муштерије, укључујући оне са својим фабрикама (IDM) и операторе фабрика, бирају да добију процесор у синтезибилној RTL (Verilog) форми. Са синтезибилним RTL-ом, муштерија има могућност да изводи оптимизације и проширења на архитектонском нивоу. Ово омогућава дизајнеру да постигне егзотичне дизајнерске циљеве који су немогући са немодификованом логичком мрежом (високу брзину радног такта, јако малу потрошњу струје, проширења скупа инструкција, итд.). Иако ARM Holdings не даје право својим муштеријама да препродају саму ARM архитектуру, они слободно могу да продају произведене производе као што су чипови, плоче за процену, комплетне системе. Привредничке фабрике полупроводника могу бити посебан случај; не само да им је дозвољено да продају готове производе са ARM језгрима, они генерално држе правно да производе ARM језгра за друге муштерије.

ARM Holdings цени своје интелектуално власништво на основу субјективне вредности. Слабија ARM језгра типично имају ниже цене лиценцирања од оних са високим перформансама. У имплементационим терминима, синтезибилно језгро кошта више од тврдих (blackbox) језгара. Компликујући систем цена, власници фабрика који имају ARM лиценцу, као што су Samsung или Fujitsu, могу понудити муштеријама фабрике ниже цене лиценцирања. У замени за реализацију језгра кроз дизајн сервисе у оквиру фабрике, муштерија може смањити или елиминисати плаћање унапред цене за ARM лиценцу.