Сравнительный анализ микроконтроллеров с ядром ARM. Чем архитектура ARM отличается от x86 Cortex – самые совершенные ARM

Наверняка каждый из вас задавался вопросом: что же такое ARM? Очень часто можно услышать эту аббревиатуру, когда речь заходит о процессоре устройства. И порой не каждому до конца ясна её суть.

Скажем сразу, ARM — это компания, но ARM еще и архитектура процессора, которую разработала компания ARM.

ARM-процессор — это ЦПУ, основанное на RISC-архитектуре, разработанной компанией Acorn Computers в 1980-х годах, а в настоящее время разрабатывается компанией Advanced RISC Machines, к слову, отсюда и аббревиатура «ARM». При этом аббревиатура ARM по отношению непосредственно к архитектуре процессора означает Acorn RISC Machine. Другими словами, имеется два значения аббревиатуры ARM.

Advanced RISC Machines — это компания, расположенная в Великобритании, которая разрабатывает, проектирует и лицензирует ARM-архитектуру процессоров. ARM разрабатывает метод построения ARM-процессоров и такие компании, как , Apple и Samsung, разрабатывают свои процессоры на основе ARM. В настоящее время практически все устройства, имеющие небольшие габариты и оснащенные аккумулятором, имеют процессоры, построенные на ARM-архитектуре.

Имеется несколько типов архитектуры процессора: CISC, RISC, MISC. Первая отличается большим набором команд, то есть CISC рассчитана на работу со сложными инструкциям неодинаковой длины. RISC, напротив, имеет сокращенный набор команд, которые имеют один формат и отличаются простой кодировкой.

Чтобы понять разницу, представьте, что на вашем персональном компьютере установлен процессор от AMD или Intel с архитектурой CISC. СISC-процессоры генерируют больше MIPS (миллион инструкций в секунду, то есть число определённых инструкций, выполняемых процессором за одну секунду).

RICS-процессоры имеют меньше транзисторов, что позволяет им потреблять меньше энергии. Уменьшенное количество инструкции позволяет проектировать упрощенные микросхемы. Уменьшенный размер микросхемы приводит к небольшому размеру кристалла, что позволяет располагать на процессоре больше компонентов, это делает процессоры от ARM маленькими и гораздо более энергоэффективными.

ARM-архитектура отлично подходит смартфонам, для которых главное — энергопотребление, при этом по производительности ARM-процессоры, конечно, существенно уступают топовым решениям от Intel и AMD. При этом ARM-процессоры нельзя назвать слабыми. ARM поддерживает как 32-битную архитектуру, так и 64-битную, имеется также поддержка аппаратной виртуализации, продвинутое управление питанием.

Главным параметром при оценке ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии, здесь ARM-процессоры показывают себя лучше, чем, например, x86-процессор от Intel на базе архитектуры CISC.

Таким образом, в случае с суперкомпьютерами более привлекательным станет использование миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров на архитектуре x86.

По материалам androidcentral

Название ARM, безусловно, слышали все, кто интересуется мобильными технологиями. Многие понимают данную аббревиатуру как тип процессора для смартфонов и планшетов, другие уточняют, что это вовсе не процессор, а его архитектура. И уж точно мало, кто вникал в историю появления ARM. В этой статье мы попробуем разобраться во всех этих нюансах и расскажем зачем нужны процессоры ARM современным гаджетам.

Краткий экскурс в историю

С 1998 года Advanced Risc Machine стала называться ARM Limited. На текущий момент компания не занимается производством и продажей собственных процессоров. Основным и единственным направлением деятельности ARM Limited является разработка технологий и продажа лицензий различным компаниям на использование архитектуры ARM. Некоторые производители покупают лицензию на готовые ядра, другие – так называемую «архитектурную лицензию» на производство процессоров с собственными ядрами. Среди таких компаний значатся Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon и другие. По некоторым данным, ARM Limited зарабатывает на каждом таком процессоре $0,067. Эта цифра усредненная и к тому же устаревшая. С каждым годом ядер в чипсетах становится все больше, и новые многоядерные процессоры превосходят по себестоимости устаревшие образцы.

Технические особенности чипов ARM

Основным приоритетом ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии. ARM имеет большее соотношение производительности на ватт чем x86. Вы можете получить необходимую мощность из 24 ядер x86 или из сотен маленьких ядер ARM с низким энергопотреблением. Разумеется, один даже самый мощный процессор на архитектуре ARM никогда не будет сопоставим по мощности с Intel Core i7. Но тот же Intel Core i7 нуждается в активной системе охлаждения и никогда не поместится в корпус телефона. Здесь ARM вне конкуренции. С одной стороны, это выглядит привлекательным вариантом для построения суперкомпьютера с использованием миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров x86. С другой стороны, нельзя однозначно сравнивать две архитектуры. В чем-то преимущество будет за ARM, а в чем-то – за x86.

Однако называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем корректно. Кроме нескольких процессорных ядер, они также включают другие компоненты. Наиболее подходящим будет термин «однокристальная система» или «система на кристалле» (SoC). Современные однокристальные системы для мобильных устройств включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиокодек и модули беспроводной связи. Как уже было сказано ранее, отдельные компоненты чипсета могут быть разработаны сторонними производителями. Наиболее ярким примером этого являются графические ядра, разработкой которых кроме ARM Limited (графика Mali), занимаются Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) и Imagination Technologies (PowerVR).

На практике это выглядит следующим образом. Большинство бюджетных мобильных устройств на Android поставляются с чипсетами производства компании MediaTek , которая практически неизменно следует инструкциям ARM Limited и комплектует их ядрами Cortex-A и графикой Mali (реже PowerVR).

А-бренды для своих флагманских устройств зачастую используют чипсеты производства Qualcomm . К слову, последние чипы Qualcomm Snapdragon ( , ) оснащены полностью кастомными ядрами Kryo – для центрального процессора и Adreno – для графического ускорителя.

Что касается Apple , то для iPhone и iPad компания использует собственные чипы А-серии с графическим ускорителем PowerVR, производством которых занимаются сторонние компании. Так, в установлен 64-битный четырехъядерный процессор A10 Fusion и графический процессор PowerVR GT7600.

Актуальной на момент написания статьи считается архитектура процессоров семейства ARMv8 . В ней впервые стал использоваться 64-битный набор инструкций и появилась поддержка более 4 ГБ оперативной памяти. Архитектура ARMv8 имеет обратную совместимость с 32-битными приложениями. Наиболее эффективным и самым мощным процессорным ядром, разработанным ARM Limited, на данный момент является Cortex-A73 , и большинство производителей однокристальных систем используют его без изменений.

Cortex-A73 обеспечивает на 30% более высокую производительность по сравнению с Cortex-А72 и поддерживает полный набор ARMv8-архитектуры. Максимальная частота процессорного ядра составляет 2,8 ГГц.

Сфера использования ARM

Портфолио компании ARM Limited не ограничивается только ядрами семейства Cortex-A. Фактически, под маркой Cortex существует три серии процессорных ядер, которые обозначаются буквами A, R, M. Семейство ядер Cortex-А , как мы уже знаем, является наиболее мощными. Их в основном используют в смартфонах, планшетах, ТВ-приставках, спутниковых ресиверах, автомобильных системах, робототехнике. Процессорные ядра Cortex-R оптимизированы для выполнения высокопроизводительных задач в режиме реального времени, поэтому такие чипы встречаются в медицинском оборудовании, автономных системах безопасности, носителях информации. Основной задачей семейства Cortex-M является простота и низкая стоимость. Технически это самые слабые процессорные ядра с наиболее низким энергопотреблением. Процессоры на базе таких ядер используются практически везде, где от устройства требуется минимальная мощность и низкая стоимость: сенсоры, контроллеры, сигнализации, дисплеи, умные часы и другая техника.

В общем, большинство современных устройств от маленьких до больших, нуждающихся в центральном процессоре, используют чипы ARM. Огромным плюсом при этом является тот факт, что архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем на платформе Linux (в том числе Android и Chrome OS), iOS, и Windows (Windows Phone).

Конкуренция на рынке и перспективы на будущее

На волне успехов чипов ARM компания Intel предприняла попытку создать конкурентоспособный процессор и вышла на рынок с чипом Intel Atom . Для этого ей потребовалось гораздо больше времени, нежели ARM Limited. В производство чипсет поступил в 2011 году, но, как говорится, поезд уже ушел. Intel Atom является CISC-процессором с архитектурой x86. Инженеры компании добились более низкого энергопотребления, нежели в ARM, однако на текущий момент разнообразный мобильный софт имеет плохую адаптацию к архитектуре x86.

В прошлом году Intel отказалась от нескольких ключевых решений в дальнейшем развитии мобильных систем. Фактически компания для мобильных устройств, поскольку они стали нерентабельными. Единственным крупным производителем, который комплектовал свои смартфоны чипсетами Intel Atom, был ASUS. Однако массовое использование Intel Atom все же получил в нетбуках, неттопах и других портативных устройствах.

Положение ARM Limited на рынке уникальное. На данный момент практически все производители пользуются ее разработками. При этом у компании нет собственных заводов. Это не мешает ей стоять в одном ряду с Intel и AMD. История ARM включает еще один любопытный факт. Не исключено, что сейчас технология ARM могла бы принадлежать компании Apple, которая стояла в основе формирования ARM Limited. По иронии судьбы в 1998 году купертиновцы, переживая кризисные времена, продали свою долю. Теперь Apple вынуждена наряду с другими компаниями покупать лицензию на процессоры ARM, используемые в iPhone и iPad.

Сейчас процессоры ARM способны выполнять серьезные задачи. В ближайшей перспективе – использование их в серверах, в частности такие решения уже имеют дата-центры Facebook и PayPal. В эпоху развития интернета вещей (IoT) и «умных» бытовых устройств чипы ARM получили еще большую востребовательность. Так что самое интересное у ARM еще впереди.

В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разр. микроконтроллеры. Данный вывод сделала маркетинговая компания Semico, которая прогнозирует 2-кратное преобладание емкости рынка 32-разр. микроконтроллеров над 8 и 16-разр. в 2007 году . В связи с этим, целью данной статьи является представить общие тенденции развития одного из самых распространенных 32-разр. ядер ARM и дать сравнительную оценку микроконтроллерам на их основе от наиболее доступных на рынках СНГ производителей.

Обзор архитектуры ARM

Микроконтроллерное ядро ARM было разработано одноименной английской компанией, организованной в 1990 году. Название ARM происходит от "Advanced RISC Machines". Следует заметить, что компания специализируется сугубо на разработке микропроцессорных ядер и периферийных блоков, при этом, не имеет производственных мощностей по выпуску микрокон-троллеров. Компания ARM поставляет свои разработки в электронной форме, на основе которой клиенты конструируют свои собственные микроконтроллеры. Клиентами компании являются свыше 60 компаний-производителей полупроводников, среди которых можно выделить таких популярных производителей на рынке полупроводниковых компонентов стран СНГ, как Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics и Texas Instruments.

В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разр. встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разра-ботчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров.

В настоящее время разработано шесть основных семейств (см. рисунок 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale™ и StrongARM®.

Как дополнение к ARM-архитектуре могут интегрироваться несколько расширений:

• Thumb® - 16-разр. набор инструкций, улучшающий эффективность использования памяти программ;
• DSP - набор арифметических инструкций для цифровой обработки сигналов;
• Jazelle™ - расширение для аппаратного непосредственного исполнения Java-инструкций;
• Media - расширение для 2-4-кратного увеличения скорости обработки аудио и видео сигналов.

Рисунок 1. Процессорные ядра ARM

Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребле-ние 1 мкВт/МГц. В зависимости от назначения ARM-процессоры разделяются на три группы (см. рисунок 2):

• Процессоры для операционных систем с открытой платформой в приложениях беспроводной связи, обработки изображений и пользовательской электронике.
• Процессоры для встраиваемых операционных систем реального времени для запоминающих устройств, промышленных, авто-мобильных и сетевых приложений.
• Система защиты данных для смарт-карт и SIM-карт.

Перспективность ядра ARM становится очевидной после революционного анонса компании Atmel на конференции раз-работчиков ARM-микроконтроллеров, которая состоялась в Санта Клара (США) в октябре 2004 года . Суть анонса заключалась в намерении компании Atmel выпускать 32-разр. микроконтроллеры AT91SAM7S по цене 8-разрядных, нацеливая 8-разр. приложения на расширение функциональных возможностей по обработке информации, сохраняя при этом их конкурентоспособную стоимость на прежнем уровне.

Набор инструкций Thumb

32-разр. ARM-процессоры поддерживают предшествующие 16-разр. разработки за счет поддержки набора инструк-ций Thumb. Использование 16-разр. инструкций позволяет сэкономить до 35% памяти по сравнению с эквивалентным 32-разр. кодом, при этом сохраняя все преимущества 32-разр. системы, например, доступ к памяти с 32-разр. адресным пространством.

Технология SIMD

Технология SIMD (несколько данных в одной инструкции) используется в media-расширении и нацелена на увеличение скорости обработки данных в приложениях, где требуется малое энергопотребление. SIMD-расширения оптимизированы под широкий диапазон программного обеспечения, в т.ч. аудио/видео кодеки, где они позволяют увеличить быстродействие обработки в 4 раза.

Набор инструкций ЦСП (DSP)

Многие приложения предъявляют повышенные требования по быстродействию реально-временной обработки сигналов. Традиционно в таких ситуациях разработчики прибегают к использованию цифрового сигнального процессора (ЦСП), что увеличивает энергопотребление и стоимость, как самой разработки, так и конечного устройства. Для устранения данных недостатков в ряд ARM-процессоров интегрированы инструкции ЦСП, выполняющие 16-разр. и 32-разр. арифметические операции.

Технология Jazelle®

Технология ARM Jazelle адресована для приложений с поддержкой языка программирования Java. Она предлагает уни-кальное сочетание высокой производительности, малой системной стоимости и невысоких запросов к энергопотреблению, что не может быть достигнуто одновременно, если использовать сопроцессор или специализированный Java-процессор.

Технология ARM Jazelle является расширением к 32-разр. RISC-архитектуре, которое позволяет ARM-процессору выполнять Java-код на аппаратном уровне. При этом достигается непревзойденное быстродействие исполнения Java-кода с помощью ARM-архитектуры. Таким образом, разработчики имеют возможность свободно реализовывать Java-приложения, в т.ч. операционные системы и прикладной код, на одном процессоре.

В настоящее время технология Jazelle интегрирована в следующие ARM-процессоры: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S и ARM7EJ-S.

Традиционные ARM-процессоры поддерживают 2 набора инструкций: в режиме ARM - 32-разрядные инструкции, а в режиме Thumb наиболее популярные инструкции сжимаются к 16-разр. формату. Технология Jazelle расширяет эту концепцию, добавляя третий набор инструкций Java, который активизируется в новом Java-режиме.

Технология интеллектуального управления энергопотреблением

Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств (например, смарт-фоны, персональные цифровые помощники и аудио/видеоплееры) - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.

Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.

Для облегчения данного процесса разработана технология интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM. Данная технология является сочетанием аппаратных и программных компонентов, которые совместно выполняют динамическое управление напряжением питания ("power scaling").

Сущность метода динамического управления напряжением питания основывается на выражении потребляемой мощности КМОП-процессоров:

где Р- общая потребляемая мощность, С - переключаемая емкость, fc - частота процессора, - напряжение пита-ния, - ток утечки в статическом режиме. Из выражения следует, что для регулировки энергопотребления могут варьироваться частота и напряжение питания.

Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах (PSoC), но не недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.

Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM

В таблице 1 представлена общая сравнительная характеристика ARM-микроконтроллеров наиболее известных и доступ-ных производителей: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors и Texas Instruments, а в таблице 2 более подробно представлены их технические данные.

Таблица 1. Сравнение ARM-микроконтроллеров разных производителей по ключевым признакам

Таблица 2. Технические данные по ARM-микроконтроллерам компаний Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors

Несмотря на использование в большинстве микроконтроллеров общего ядра ARM7TDMI у микроконтроллеров разных производителей вырисовывается довольно таки четкий портрет. Analog Device является бесспорным лидером по аналоговой периферии, имея в своем арсенале 12-разр. АЦП и ЦАП класса 1МГц. В этом направлении заметно отстает Atmel, которая в своих разработках отдельных АЦП уже взяла барьер 2ГГц, а вот интегрировать приличный АЦП в 32-разр. микроконтроллер, так и не смогла. Однако данный недостаток микроконтроллеров Atmel перекрывает их "дружелюбность" (при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера потребуется только подача одного напряжения питания), экономичность, а самое главное низкая стоимость. Среди рассматриваемых микроконтроллеров, микроконтроллеры Atmel - единственные, которые содержат интерфейс USB. Для микроконтроллеров TI характерна избыточная представитель-ность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов. Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) можно назвать золотой серединой по рассматриваемым крите-риям. Отличает их наличие УАПП, выполненного в традициях Philips и который совместим со стандартным УАПП 16C550, а также имеет модемный интерфейс и режим аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips можно найти представителей для расширенного температурного диапазона -40…+105°C.

32-разр. микроконтроллеры с альтернативными ядрами

Когда речь идет о 32-разр. микроконтроллерах несправедливым будет не упомянуть о других 32-разр. альтернативах ядру ARM. В этом плане следует выделить ядро FR компании Fujitsu и М68000/М68300 компании Motorola.

Ядро FR используется в обширном количестве микроконтроллеров (свыше 40), образующих несколько семейств, и имеет 16-разрядный режим набора инструкций для оптимизации использования памяти программ при минимальном ухудшении эф-фективности работы, что идентично ядру ARM. Размер ПЗУ и ОЗУ достигает до 512 кбайт, в зависимости от типа поддерживаются разнообразные стандартные периферийные устройства, в т.ч. 10-разр. АЦП, 12-разр. ШИМ, интерфейс CAN, УАПП и др. Так же, как и в случае с микроконтроллерами ARM, микроконтроллеры на основе ядра FR выделяются общими традициями, которые закладывает разработчик, и которые узнаваемы во всей линейке микроконтроллеров. В случае Fujitsu это аппаратная поддержка эндианизма, аппаратная функция поиска бита, множество каналов однотипных периферийных уст-ройств, вход немаскируемого прерывания. Во множество микроконтроллеров интегрирован довольно приличный 10-разр. АЦП (время преобразования 1,7 мкс) и ЦАП (0,9 мкс). В семействе FRLite поставлен рекорд по удельному энергопотреблению 1мА/МГц. Максимальным быстродействием обладает семейство FR 65Е, у которого тактовая частота достигает 66МГц.

32-разр. микроконтроллеры Motorola характеризуются реализацией из набора стандартных функциональных модулей. В состав микроконтроллеров семейства 68300 входят: 32-разрядный процессор (CPU32), модули внутренней памяти, интер-фейсный модуль системной интеграции (SIM), модуль последовательного интерфейса (QSM), таймерный процессор (TPU) или таймерный модуль (GPT), аналого-цифровой преобразователь (ADC) и ряд других. Между собой модули соединяются посред-ством межмодульной шины. Процессор CPU32, используемый в микроконтроллерах семейства 68300, по своим основным функциям аналогичен 32-разрядному микропроцессору MC68020 семейства 68000. Для использования в системах связи вы-пускаются микроконтроллеры, содержащие модуль коммуникационного RISC-процессора, имеющий набор специальных средств для обмена данными. Такие коммуникационные контроллеры (68360, 68302, 68356) также входят в состав семейства 68300. Особенностью процессора CPU32 является его работа с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса (ад-ресуемая память 16 Мбайт), а основным архитектурным принципом функционирования процессоров семейства 68000 является разделение их ресурсов и возможностей в зависимости от класса решаемых задач. При этом подразумевается выполнение двух классов задач: управление работой самой микропроцессорной системы с помощью системного программного обеспечения (операционной системы - супервизора) и решение прикладных задач пользователя. От этого происходят режимы функционирования: режим супервизора или режим пользователя. В зависимости от режима при выполнении программ разрешается доступ ко всем ресурсам микроконтроллера или их части. В режиме супервизора разрешается выполнение любых команд, реализуемых процессором, и доступ ко всем регистрам. В режиме пользователя запрещается выполнение ряда команд и дос-туп к некоторым регистрам, чтобы ограничить возможности таких изменений состояния системы, которые могут помешать выполнению других программ или нарушить установленный супервизором режим работы процессора. Сильным аргументом в сторону выбора микроконтроллеров Motorola - высокая популярность в свое время семейства M68000 и программная совместимость микроконтроллеров M68000 и более современных M68300, что позволяет использовать существующие программные наработки в новых разработках, тем самым сокращая сроки проектирования.

• Несомненным преимуществом ядра ARM является его стандартность, что позволяет использовать программное обеспечение от других совместимых микроконтроллеров, иметь более широкий доступ к средствам для проектирования или более просто осуществлять миграцию между микроконтроллерами.
• Несмотря на использование одного и того же ядра ARM в микроконтроллерах разных производителей, все-таки каждый из них имеет свое лицо, что достигается оригинальной "рецептурой" периферийных устройств и занятие в некоторых из типов периферийных устройств лидерских позиций, например, для Analog Device это цифро-аналоговые преобразователи.
• ARM-ядра имеют представительную номенклатуру и динамику развития, однако, из сравнения следует, что для широких масс доступны в основном микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI. Объяснить это можно, например, тем, что основ-ная сфера потребления ARM-микроконтроллеров - бытовые, офисные, пользовательские электронные приборы и оборудование, которые, к сожалению, в основном выпускают зарубежные ОЕМ-производители.
• Рынок 32-разрядных микроконтроллеров обладает высокой емкостью, которая будет динамично возрастать в ближай-шие годы, поэтому, нам остается следить за борьбой производителей микроконтроллеров за долю данного рынка, следить за анонсами и успевать осваивать новые технологии.

Литература

1. J. Wilbrink. Facilitation the Migration from 8-bit to 32-bit Microcontrollers/Atmel Corporation -2004.
2. "Atmel Introduces World"s First Sub $3 ARM7 Flash Microcontroller", новость компании Atmel от 19.10.04, www.atmel.com.
3. Processor Cores Flyer//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03, Issued: May 2003.
4. Материалы сайта www.arm.com

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Бизнес-модель компании ARM Limited

Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited .

Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.

По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Дальнейшие перспективы

Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.

Компьютерный мир стремительно меняется. Настольные ПК уступили первые строчки в рейтингах продаж ноутбукам, а они вот-вот могут отдать рынок планшетам и другим мобильным устройствам. 10 лет назад мы ценили чистые мегагерцы, настоящую мощь и производительность. Теперь, чтобы завоевать рынок процессор должен быть не только быстрым, но и экономичным. Многие считают, что архитектурой XXI века является ARM. Так ли это?

Новое – хорошо забытое старое

Журналисты вслед за пиарщиками ARM нередко преподносят эту архитектуру как нечто совершенно новое, что должно похоронить убеленную сединами х86.

На самом деле ARM и х86, на базе которой построены процессоры Intel, AMD и VIA, устанавливаемые в ноутбуки и настольные ПК, практически ровесники. Первый чип х86 увидел свет в 1978 году. Проект ARM официально стартовал в 1983, но при этом базировался на разработках, которые велись практически одновременно с созданием х86.

Первые ARM впечатляли своим изяществом специалистов, но со своей относительной низкой производительностью не могли бы завоевать рынок, который требовал высоких скоростей и не обращал внимание на эффективность работы. Должны были сложиться определенные условия, чтобы популярность ARM резко пошла вверх.

На рубеже восьмидесятых и девяностых с их относительно недорогой нефтью были востребованы огромные внедорожники с мощными 6-литровыми двигателями. Мало кого интересовали электромобили. Но в наше время, когда баррель нефти стоит больше $100, большие машины с прожорливыми движками нужны только богатым, остальные спешат пересесть на экономичные автомобили. Похожее случилось и с ARM. Когда встал вопрос мобильности и экономичности, архитектура оказалась сверхвостребованной.

«Рисковый» процессор

ARM представляет собой RISC-архитектуру. В ней используется сокращенный набор команд – RISC (reduced instruction set computer). Архитектура этого типа появилась в конце семидесятых, примерно тогда же, когда Intel предложила свою х86.

Экспериментируя с различными компиляторами и процессорами с микрокодной реализацией, инженеры заметили, что в некоторых случаях последовательности простых команд выполнялись быстрее, чем одна сложная операция. Было решено создать архитектуру, которая предполагала бы работу с ограниченным набором простейших инструкций, декодирование и выполнение которых занимало бы минимум времени.

Один из первых проектов RISC-процессоров был реализован группой студентов и преподавателей из Университета Беркли в 1981 году. Как раз в это время британская компания Acorn столкнулась с вызовом времени. Она выпускала весьма популярные на Туманном Альбионе образовательные компьютеры BBC Micro на базе процессора 6502. Но вскоре эти домашние ПК стали проигрывать более совершенным машинам. Acorn рисковала потерять рынок. Инженеры компании, познакомившись со студенческими работами по RISC-процессорам, решили, что справиться с созданием собственного чипа будет достаточно просто. В 1983 году стартовал проект Acorn RISC Machine, который позднее превратился в ARM. Через три года был выпущен первый процессор.

Первые ARM

Он был крайне простым. Первые чипы ARM даже были лишены команд умножения и деления, которые представлялись набором более простых инструкций. Другой особенностью чипов стали принципы работы с памятью: все операции с данными могли осуществляться только в регистрах. При этом процессор работал с так называемым регистровым окном, то есть мог обращаться лишь к части из всех доступных регистров, которые были в основном универсальными, а их работа зависела от режима, в котором находился процессор. Это позволило в самых первых версиях ARM отказаться от кэша.

Кроме того, упрощая наборы команд, разработчики архитектуры смогли обойтись без ряда других блоков. Например, в первых ARM начисто отсутствовал микрокод, а также модуль выполнения операций с плавающей запятой – FPU. Общее число транзисторов в первом ARM составляло 30 000. В аналогичных х86 их было в несколько раз, а то и на порядок больше. Дополнительная экономия энергии достигается за счет условного выполнения команд. То есть та или иная операция будет выполнена, если в регистре есть соответствующий факт. Это помогает процессору избежать «лишних телодвижений». Все инструкции выполняются последовательно. В результате ARM потерял в производительности, но не существенно, при этом значительно выиграл в энергопотреблении.

Основные принципы построения архитектуры остаются теми же, что и в первых ARM: работа с данными только в регистрах, сокращенный набор команд, минимум дополнительных модулей. Все это обеспечивает архитектуре низкое энергопотребление при относительно высокой производительности.

С целью ее увеличения ARM в течение последних лет внедрила несколько дополнительных наборов инструкций. Наряду с классической ARM, существуют Thumb, Thumb 2, Jazelle. Последняя предназначена для ускорения выполнения Java-кода.

Cortex – самые совершенные ARM

Cortex – современные архитектуры для мобильных устройств, встроенных систем и микроконтроллеров. Соответственно CPU обозначаются как Cortex-A, встроенные – Cortex-R и микроконтроллеры – Cortex-M. Все они построены на базе архитектуры ARMv7.

Наиболее совершенная и мощная архитектура в линейке ARM – Cortex-A15. Предполагается, что на ее базе будут производиться в основном двух или четырехъядерные модели. Cortex-A15 из всех предыдущих ARM наиболее близка к х86 по количеству и качеству блоков.

В основе Cortex-A15 лежат процессорные ядра, снабженные блоком FPU и набором SIMD-инструкций NEON, призванных ускорить обработку мультимедийных данных. Ядра имеют 13-стадийный конвейер, они поддерживают выполнение инструкций в свободном порядке, виртуализацию на базе ARM.

Cortex-A15 поддерживает систему расширенной адресации памяти. ARM остается 32-битной архитектурой, но инженеры компании научились преобразовывать 64-битную или другую расширенную адресацию в понятную процессору 32-битную. Технология получила название Long Physical Address Extensions. Благодаря ей, Cortex-A15 в теории может адресовать до 1 Тбайт памяти.

Каждое ядро снабжено кэшем первого уровня. Кроме того, есть до 4 Мбайт распределенного кэша второго уровня с низким уровнем латентности. Процессор снабжен 128-битной когерентной шиной, которая может быть использована для связи с другими блоками и периферией.

Ядра, которые лежат в основе Cortex-A15 являются развитием Cortex-A9. Они имеют схожую структуру.

Cortex-A9, в отличие от Cortex-A15, может выпускаться как во много-, так и одноядерном варианте. Максимальная частота составляет 2.0 ГГц, Cortex-A15 предполагает возможность создания чипов, работающих на частоте 2.5 ГГц. Чипы на ее базе будут изготавливаться по техпроцессам 40 нм и более тонким. Cortex-A9 выпускается по техпроцессам 65 и 40 нм.

Cortex-A9, как и Cortex-A15, предназначен для использования в высокопроизводительных смартфонах и планшетах, но более серьезное применение, например, в серверах ему не по зубам. Только Cortex-A15 имеет аппаратную виртуализацию, расширенную адресацию памяти. Кроме того, набор SIMD-инструкций NEON Advanced и блок FPU в Cortex-A9 являются опциональными элементами, в то время как в Cortex-A15 они обязательны.

Cortex-A8 в будущем будет постепенно уходить со сцены, но пока этот одноядерный вариант найдет применение в бюджетных смартфонах. Недорогое решение с частотой от 600 МГц до 1 ГГц представляет собой сбалансированную архитектуру. Она имеет блок FPU, поддерживает первый вариант SIMD NEON. Cortex-A8 предполагает единственный техпроцесс – 65 нм.

ARM предыдущих поколений

На мобильном рынке довольно распространены процессоры ARM11. Они построены на базе архитектуры ARMv6 и ее модификаций. Она характеризуется 8-9-стадийными конвейерами, поддержкой Jazelle, способствующей ускорению обработки Java-кода, потоковых инструкций SIMD, Thumb-2.

XScale, процессоры ARM10E, ARM9E основаны на архитектуре ARMv5 и ее модификациях. Максимальная длина конвейера составляет 6 стадий, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Чипы XScale имеют кэш второго уровня. Процессоры использовались в смартфонах середины нулевых, сегодня их можно найти в некоторых недорогих мобильниках.

ARM9TDMI, ARM8, StrongARM – представители ARMv4, обладающей 3-5 стадийным конвейером, поддерживающей Thumb. ARMv4, например, можно было найти в первых классических iPod.

ARM6 и ARM7 относятся к ARMv3. В этой архитектуре впервые появился блок FPU, было реализована 32-битная адресация памяти, а не 26-битная, как в первых образцах архитектуры. Формально ARMv2 и ARMv1 были 32-битными чипами, но в действительности активно работали только с 26-битным адресным пространством. Кэш впервые появился в ARMv2.

Имя им легион

Acorn изначально не собиралась становиться игроком процессорного рынка. Задачей проекта ARM должно было стать создание чипа собственного производства для выпуска компьютеров – именно создание ПК в Acorn считали своим основным бизнесом.

Из группы разработчиков ARM превратилась в компанию, благодаря Apple. В 1990 году Apple совместно с VLSI и Acorn начала разработку экономичного процессора для первого карманного компьютера Newton. Для этих целей и была создана отдельная компания, получившая имя внутреннего проекта Acorn – ARM.

При участии Apple была создан процессор ARM6, наиболее близкий к современным чипам английского разработчика. В то же время компания DEC смогла запатентовать архитектуру ARM6 и начала выпуск чипов под маркой StrongARM. Спустя пару лет, технологии перешли к Intel в рамках очередного патентной спора. Микропроцессорный гигант создал на основе ARM свой аналог – процессор XScale. Но в середине предыдущего десятилетия Intel избавилась от этого «непрофильного актива», сосредоточившись исключительно на х86. XScale перекочевал в руки Marvell, которая уже лицензировала ARM.

Новоявленная миру ARM на первых порах была не в состоянии заниматься производством процессорам. Ее руководство выбрало другой способ зарабатывания денег. Архитектура ARM отличалась простотой и гибкостью. Ядро на первых порах было лишено даже кэша, поэтому впоследствии дополнительные модули, включая FPU, контроллеры не тесно интегрировались в процессор, а как бы навешивались на основу.

Соответственно, ARM получил в руки интеллектуальный конструктор, который позволял технологически развитым компаниям создавать процессоры или микроконтроллеры под свои нужды. Делается это при помощи так называемых сопроцессоров, которые могут расширять стандартную функциональность. Всего архитектура поддерживает до 16 сопроцессоров (номера от 0 до 15), но номер 15 зарезервирован под сопроцессор, выполняющий функции управления кэшем и памятью.

Периферийные устройства подключаются к чипу ARM, отображая свои регистры в пространстве памяти процессора или сопроцессора. К примеру, чип для обработки изображений может состоять из сравнительно простого ядра на базе ARM7TDMI и из сопроцессора, обеспечивающего декодирование HDTV-сигнала.

ARM начала лицензировать свою архитектуру. Воплощением ее в кремнии занимались уже другие компании, среди них Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, но и также совсем непрофильные вроде Samsung, Nokia, Nintendo или Canon.

Отсутствие собственных фабрик, а также внушительные лицензионные отчисления позволили ARM быть более гибкой в разработке новых версий архитектуры. Компания пекла их как горячие пирожки, выходя в новые ниши. Помимо смартфонов и планшетов, архитектура задействована в специализированных процессорах, например, в GPS-навигаторах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. На ее базе создаются промышленные контроллеры и другие чипы для встраиваемых систем.

Система лицензирования ARM представляет собой настоящий гипермаркет микроэлектроники. Компания лицензирует не только новые, но и устаревшие архитектуры. Последние могут быть использованы для создания микроконтроллеров или чипов для недорогих устройств. Естественно, уровень лицензионных отчислений зависит от степени новизны и сложности интересующего производителя варианта архитектуры. Традиционно техпроцессы, под которые ARM разрабатывает процессоры, отстают на 1-2 шага от тех, что считаются актуальными для х86. Высокая энергоэффективность архитектуры делает ее менее зависимой от перехода на новые технормы. Intel и AMD стремятся делать более «тонкие» чипы, чтобы наращивать частоты и количество ядер при сохранении физических размеров и энергопотребления. ARM изначально обладает меньшими требованиями к питанию, а также выдает больший уровень производительности на один ватт.

Особенности процессоров NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell

Лицензируя ARM направо и налево, разработчики усиливали позиции своей архитектуры за счет компетенций партнеров. Классическим примером в данном случае можно считать NVIDIA Tegra. Эта линейка систем-на-чипе имеет в основе архитектуру ARM, но у NVIDIA уже были свои весьма серьезные наработки в области трехмерной графики и системной логики.

ARM дает своим лицензиарам широкие полномочия по переработке архитектуры. Соответственно инженеры NVIDIA получили возможность совместить в Tegra сильные стороны ARM (вычисления CPU) и собственной продукции – работа с трехмерной графикой и т.д. В результате Tegra обладают высочайшей для своего класса процессоров производительностью в 3D. Они на 25-30% быстрее PowerVR, используемых Samsung и Texas Instruments, а также почти в два раза превосходят Adreno, разработку Qualcomm.

Другие производители процессоров на базе архитектуры ARM усиливают те или иные дополнительные блоки, совершенствуют чипы, чтобы добиться более высоких частот и производительности.

Например, Qualcomm не использует референсный дизайн ARM. Инженеры компании серьезно переработали его и назвали Scorpio – именно он лежит в основе чипов Snapdragon. Отчасти дизайн был переработан с целью освоения более тонких техпроцессов, чем предусмотрено стандартным IP ARM. В результате первые Snapdragon выпускались по нормам 45 нм, что обеспечило им более высокие частоты. А новое поколение этих процессоров с заявленными 2.5 ГГц и вовсе может стать самым быстрым среди аналогов на базе ARM Cortex-A9. Также Qualcomm применяет собственное графическое ядро Adreno, созданное на базе разработок, приобретенных у AMD. Так что в некотором роде Snapdragon и Tegra – враги на генетическом уровне.

Samsung при создании Hummingbird также пошла по пути оптимизации архитектуры. Корейцы совместно с компанией Intrinsity изменили логику, благодаря чему сократилось количество инструкций необходимых для выполнения некоторых операций. Таким образом удалось выиграть 5-10% производительности. Кроме того, был добавлен динамический кэш второго уровня и мультимедийное расширение ARM NEON. В качестве графического модуля корейцы использовали PowerVR SGX540.

Texas Instruments в новых сериях OMAP на базе архитектуры ARM Cortex-A добавила специальный модуль IVA, ответственный за ускорение обработки изображений. Он позволяет быстрее обрабатывать данные, поступающие с сенсора встроенной камере. Кроме того, он подключен к ISP и содействует ускорению видео. В OMAP также применяется графика PowerVR.

Apple A4 обладает большим кэшем в 512 Кбайт, в нем используется графика PowerVR, а само ARM-ядро построено на базе варианта архитектуры, переработанного Samsung.

Двухъядерный Apple A5, дебютировавший в iPad 2 в начале 2011 года, базируется на архитектуре ARM Cortex-A9, также, как и в предыдущий раз оптимизированной Samsung. По сравнению с А4 новый чип обладает удвоенным объемом кэш-памяти второго уровня - его увеличили до 1 Мбайт. Процессор содержит двухканальный контроллер оперативной памяти, обладает улучшенным видеоблоком. В результате его производительность в некоторых задачах вдвое выше, чем у Apple A4.

Marvell предлагает чипы на базе собственной архитектуры Sheeva, которая при ближайшем рассмотрении оказывается гибридом XScale, некогда купленной у Intel, и ARM. Данные чипы обладают большим по сравнению с аналогами объемом кэш-памяти, снабжены специальным мультимедийным модулем.

Сейчас лицензиаты ARM производят только чипы на базе архитектуры ARM Cortex-A9. При этом, хотя она и позволяет создавать четырехъядерные варианты, NVIDIA, Apple, Texas Instruments и другие пока ограничиваются моделями с одним или двумя ядрами. Кроме того, чипы работают на частоте до 1.5 ГГц. Cortex-A9 позволяет делать двухгигагерцовые процессоры, но опять же производители не стремятся быстро наращивать частоты - ведь пока рынку хватит и двухъядерников на 1.5 ГГц.

По-настоящему многоядерными должны стать процессоры на базе Cortex-A15, но они если и анонсированы, то на бумаге. Их появления в кремнии стоит ожидать в следующем году.

Современные процессоры лицензиатов ARM на базе Cortex-A9:

x86 – главный соперник

х86 – представитель CISC-архитектур. В них используется полный набор команд. Одна инструкция в данном случае выполняет несколько низкоуровневых операций. Программный код, в отличие от ARM, компактнее, но выполняется не столь быстро и требует больших ресурсов. Кроме того, с самого начала х86 оснащались всеми необходимыми блоками, что предполагало как их универсальность, так и прожорливость. Дополнительная энергия тратилась на безусловное, параллельное выполнение команд. Это позволяет достичь преимущества в скорости, но некоторые операции при этом выполняются вхолостую, так как не удовлетворяют предыдущим условиям.

Такими были классические х86, но, уже начиная с 80486, Intel де-факто создала внутреннее RISC-ядро, которое выполняло CISC-инструкции, предварительно разложенные на более простые команды. Такую же конструкцию имеют современные процессоры Intel и AMD.

Windows 8 и ARM

ARM и х86 сегодня различаются меньше, чем 30 лет назад, но все-таки базируются на разных принципах, что и разводит их по разным нишам процессорного рынка. Архитектуры могли бы никогда не пересечься, если бы не стал видоизменяться сам компьютер.

На первое место вышла мобильность и экономичность, больше внимания стало уделяться смартфонам и планшетам. Apple делает огромные деньги на мобильных гаджетах и привязанной к ним инфраструктуре. Microsoft не желает отставать и уже второй год пытается закрепиться на рынке планшетов. Достаточно успешно действует Google.

Настольный ПК становится в первую очередь рабочим инструментом, нишу бытового компьютера занимают планшеты и специализированные устройства. В этих условиях Microsoft собирается пойти на беспрецедентный шаг. . Пока не совсем ясно, к чему это приведет. Мы получим две версии операционной системы, или одну, которая будет работать с обеими архитектурами. Похоронит ли поддержка ARM со стороны Microsoft x86, или нет?

Информации пока немного. Microsoft продемонстрировала работу Windows 8 на устройстве с ARM-процессором во время выставки CES 2011. Стив Балмер показал, что на платформе ARM с помощью Windows можно смотреть видео, работать с изображениями, пользоваться Интернетом – Internet Explorer даже работал с аппаратным ускорением – подключать USB-устройства, печатать документы. Наиболее важным в этой демонстрации было наличие Microsoft Office, работающего на ARM без участия виртуальной машины. На презентации были показаны три гаджета на базе процессоров Qualcomm, Texas Instruments и NVIDIA. Windows имела стандартную оболочку «семерки», но представители Microsoft заявил о новом, переработанном ядре системы.

Однако, Windows - это не только ОС, сделанная инженерами Microsoft, это еще и миллионы программ. Некоторое ПО является критичным для людей многих профессий. Например, пакет Adobe CS. Будет ли компания поддерживать версию ПО для ARM-Windows, или новое ядро позволит Photoshop и другим популярным приложениям работать на компьютерах с NVIDIA Tegra или другим похожим чипам без дополнительных модификаций кода?

Кроме того встает вопрос с видеокартами. Сейчас видеокарты для ноутбуков делаются путем оптимизации энергопотребления настольных графических чипов – архитектурно они совпадают. В то же время сейчас видеокарта представляет собой что-то вроде «компьютера в компьютере» - у нее есть собственная сверхскоростная оперативная память и собственный вычислительный чип, который в специфических задачах существенно превосходит обычные процессоры. Само собой, что под них сделана соответствующая оптимизация приложений, работающих с 3D-графикой. Да и различные программы видеомонтажа и графические редакторы (в частности Photoshop с версии CS4), а с недавних пор еще и браузеры используют аппаратное ускорение средствами GPU.

Конечно, в Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS и других мобильных системах сделана необходимая оптимизация под различные присутствующие на рынке мобильные (точнее сверхмобильные) ускорители. Однако их поддержки нет в Windows. Драйверы, само собой, написаны будут (да и уже написаны – процессоры Intel Atom серии Z500 поставляются вкупе с чипсетом, куда интегрировано «смартфонное» графическое ядро PowerVR SGX 535), но вот оптимизация под них приложений может запоздать, если вообще случится.

Очевидно, что «ARM на десктопе» особо не приживется. Разве что в маломощных системах, на которых будут выходить в Интернет, да фильмы смотреть. На неттопах в общем. Так что ARM пока лишь пытается замахнуться на ту нишу, что занял Intel Atom и куда сейчас активно щемится AMD со своей платформой Brazos. И у нее это, видимо, отчасти получится. Если только обе процессорные компании не «выстрелят» чем-нибудь весьма конкурентоспособным.

Местами Intel Atom и ARM уже конкурируют. Они используются для создания сетевых хранилищ данных и маломощных серверов, которые могут обслуживать малый офис или квартиру. Также есть несколько коммерческих проектов кластеров на базе экономичных чипов Intel. Характеристики новых процессоров на базе ARM Cortex-A9 позволяют использовать их для поддержания инфраструктуры. Таким образом, через пару лет мы можем получить ARM-серверы или ARM-NAS для небольших локальных сетей, нельзя исключать и появление маломощных веб-серверов.

Первый спарринг

Главным соперником ARM со стороны х86 является Intel Atom, а теперь к ним можно прибавить еще и платформу . Сравнение х86 и ARM провёл Вэн Смит, который создал тестовые пакеты OpenSourceMark, miniBench и один из соавторов SiSoftware Sandra. В «забеге» приняли участие Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Частоты чипов х86 были снижены, но у них все равно оставалось преимущество за счет более совершенной памяти.

Результаты оказались весьма интересными. ARM-чип оказался также быстр, как и конкуренты в целочисленных операциях, при этом расходуя меньше энергии. Здесь нет ничего удивительного. Изначально архитектура была и достаточно быстрой и экономичной. В операциях с плавающей точкой ARM уступила х86. Здесь сказался традиционно мощный блок FPU, имеющийся у чипов Intel и AMD. Напомним, что в ARM он появился относительно недавно. Задачи, ложащиеся на FPU, занимают в жизни современного пользователя значительно место – это игры, кодирование видео и аудио, другие потоковые операции. Конечно, тесты, проведенные Вэном Смитом, сегодня уже не так актуальны. ARM значительно усилила слабые стороны своей архитектуры в версиях Cortex-A9 и особенно Cortex-A15, которая, например, уже может выполнять инструкции безусловно, распараллеливая решение задач.

Перспективы ARM

Так на какую архитектуру ставить в итоге, на ARM или х86? Наиболее правильно будет ставить на обе. Сегодня мы живем в условиях переформатирования компьютерного рынка. В 2008 году нетбукам предрекали безоблачное будущее. Дешевые компактные ноутбуки должны были стать основным компьютером для большинства пользователей, особенно на фоне мирового кризиса. Но затем началось восстановление экономики и появился iPad. Теперь королями рынка объявлены планшеты. Однако планшет хорош в качестве развлекательной консоли, но не очень удобен для работы в первую очередь из-за сенсорного ввода – эту статью писать на iPad было бы очень непросто, да и долго. Выдержат ли планшеты проверку временем. Возможно, через пару лет мы придумаем себе новую игрушку.

Но все-таки в мобильном сегменте, там, где не требуется высокой производительности, а активность пользователя в основном ограничена развлечениями, и не связана с работой, ARM выглядят предпочтительнее х86. Они обеспечивают приемлемый уровень производительности, а также большое время автономной работы. Попытки Intel довести до ума Atom пока неудачны. ARM задает новую планку производительности на ватт потребляемой энергии. Скорее всего, в компактных мобильных гаджетах ARM будут пользоваться успехом. На рынке нетбуков они также могут стать лидерами, но здесь все зависит не столько от разработчиков процессоров, сколько от Microsoft и Google. Если первая реализует нормальную поддержку ARM в Windows 8, а вторая доведет до ума Chrome OS. Пока же смартбуки, предложенные Qualcomm, не сделали рынка. Нетбуки на базе х86 устояли.

Прорыв в этом направлении, по задумке ARM должна совершить архитектура Cortex-A15. Компания рекомендует двух- и четырехъядерные процессоры на ее базе с частотой 1.0-2.0 ГГц для домашних развлекательных систем, которые будут объединять воедино медиаплеер, 3D-телевизор и интернет-терминал. Четырехъядерные чипы с частотой 1.5-2.5 ГГц могут стать основой домашних и веб-серверов. Наконец самый амбициозный вариант применения Cortex-A15 - инфраструктура беспроводных сетей. Здесь могут использоваться чипы с четырьмя и более ядрами, частотой 1.5-2.5 ГГц.

Но пока это только планы. Cortex-A15 была представлена ARM в сентябре прошлого года. Cortex-A9 была показана компанией в октябре 2007 года, через два года компания презентовала вариант А9 с возможностью увеличения частоты чипы до 2.0 ГГц. Для сравнения NVIDIA Tegra 2 - одно из самых раскрученных решений на базе Cortex-A9 – увидело свет только в январе прошлого года. Ну а первые гаджеты на его основе пользователи смогли пощупать еще через шесть месяцев.

Сегмент рабочих ПК и высокопроизводительные решения останутся за х86. Это не будет означать смерти архитектуры, но в денежном выражении Intel и AMD стоит подготовиться к потери части доходов, которые перейдут производителям ARM-процессоров.