Главная › Интернет › Новые процессоры ARM готовы к приложениям ИИ. Что такое ARM

Новые процессоры ARM готовы к приложениям ИИ. Что такое ARM

Ответ - для приложений с повышенной функциональной безопасностью. По крайней мере ядра ARM Cortex-R в высокопроизводительных «реальновременных» микроконтроллерах компании Texas Instruments для этого и применяются.

Хотя процессоры Cortex-R практически полностью совместимы с процессорами Cortex-A и Cortex-M в плане набора инструкций, все-таки между ними есть существенные различия. В частности, ядро Cortex-R характеризуется более высокой производительностью по сравнению с Cortex-M, и в то же время оно может выполнять детерминированные операции, чего сложно добиться на процессорах приложений Cortex-A. Так что с точки зрения производительности Cortex-R располагается между Cortex-M и Cortex-A, но в то же время может применяться как в микроконтроллерах, так и в процессорах.

Ядро Cortex-R построено по гарвардской архитектуре и обеспечивает высокую тактовую частоту благодаря 8-ступенчатому конвейеру и суперскалярному выполнению инструкций. Аппаратные SIMD-инструкции позволяют осуществлять высокопроизводительную цифровую обработку сигналов и работу с медиа-данными. Кроме того, Cortex-M характеризуется такими увеличивающими производительность особенностями, как блок предвыборки инструкций, блок предсказания ветвлений и аппаратный делитель. Такие архитектурные компоненты помогают процессорам Cortex-R4 и Cortex-R5 достигнуть высоких показателей производительности DMIPS/МГц. Другой интересной особенностью ядра Cortex-R является то, что конвейер операций с плавающей точкой, совместимый со стандартом IEEE-754, поддерживает форматы как одинарной точности (32 бита), так и двойной точности (64 бита), и работает параллельно с конвейером операций над числами с фиксированной точкой.

Благодаря тесно связанной с процессором памяти с малой задержкой отклики на события реального времени происходят максимально быстро, также максимально быстро выполняется обработка прерываний. Эти возможности, а также высокая производительность и детерминизм ядра Cortex-R, позволяют соответствовать требованиям приложений реального времени, для которых также необходима функциональная безопасность.

Если вы работаете в отрасли, связанной с обеспечением безопасности и надежности устройств, то, наверно, слышали о функциональной безопасности программируемых электронных компонентов, и в первую очередь в голову может прийти стандарт IEC 61508. Это основной международный стандарт безопасности, существующий около 20 лет и соблюдаемый во многих отраслях. Функциональная безопасность предусматривается на транспорте (аэрокосмическая, железнодорожная и автомобильная отрасли), в промышленности, медицине, возобновляемой энергетике и других областях. В этих отраслях либо были разработаны собственные стандарты безопасности, либо были адаптированы международные стандарты, например, IEC 61508. Особо следует отметить, что в 2012 году в автомобильной промышленности был утвержден собственный стандарт функциональной безопасности ISO 26262.

Так, чем же хорош Cortex-R в плане функциональной безопасности? В первую очередь уникальными конфигурационными особенностями, позволяющими осуществлять коррекцию ошибок. Эти особенности являются опциями, которые компания ARM встроила прямо в ядро, и которые включают функции обнаружения и исправления ошибок, защищающие шины и системы памяти первого уровня, пользовательский и привилегированный режимы работы программного обеспечения с блоком защиты памяти (MPU) и поддержку конфигурации dual-core Lock Step (DCLS).

Что же такое DCLS и зачем оно нужно? Если вы инженер-программист и работаете над проектом, предусматривающим надежную и безопасную работу устройства, то DCLS сделает вашу жизнь намного проще. Это особенно полезно, если вы используете два микроконтроллера или два независимых ядра для диагностики ошибок в одном ядре.

При работе с независимым ядром имеется пара специфичных проблем. Во-первых, вам нужно писать «лишний» код для каждого микроконтроллера, который будет мониторить другой микроконтроллер. Во-вторых, теперь вам нужно сделать этот код основной частью вашего модуля системной безопасности, это означает, что вы должны в каждой строчке данного кода предусмотреть надежность и безопасность дальнейшей работы. Благодаря DCLS этот «лишний» код, а также необходимость его обезопасить уходят в прошлое. Конечно, разработчику все равно предстоит написать много строк связанного с безопасностью кода, но данный механизм все же позволяет облегчить ему жизнь.

Для простоты понимания механизм DCLS можно представить как сочетание основного процессора и проверочного модуля. С точки зрения программиста программирование такой системы не будет отличаться от программирования обычного одноядерного микроконтроллера. Второе ядро, то есть проверочный модуль, наряду с логикой сравнения выполняет работу описанного выше «лишнего» кода, а также много чего еще. Логика сравнения может обнаружить ошибку за несколько циклов процессора в то время, как дискретное ядро может потратить на это сотни или даже тысячи циклов. Поэтому DCLS гораздо быстрее в деле обнаружения ошибок и может сэкономить драгоценное время при разработке надежного кода.

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.

Особенности архитектуры ARM

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.

Процессоры ARM – что это такое и «с чем их едят». Появление на рынке производительных мобильных процессоров во многом стало настоящим революционным прорывом. Можно сказать, впервые у x86-архитектуры появился весомый конкурент, который если на первых этапах и занимал только лишь соседствующую нишу, то уже сегодня начинает всерьез теснить позиции долгожителя компьютерной индустрии.

Но в чем же отличие? Что такое архитектура ARM и чем она отличается от x86? В последней, используемой в процессорах Intel и AMD, применяется набор CISC-команд. Обработка на их основе очень функциональна, открывает просторы для программистов и разработчиков железа, но требует немалого количества энергоресурсов. Суть CISC, грубо говоря, заключается в том, что каждая поступаемая команда декодируется в простейший элемент и только потом обрабатывается.

В ARM все иначе. Она действует на основе RISC-команд, которые уже содержат готовый набор простейших элементов. Это уменьшает процессорную гибкость, но в разы увеличивается скорость обработки данных, и соответственно, уменьшает энергозатраты такого процессора.

Отсюда и получается, что x86 – это универсальная архитектура, пригодная для решения многих задач, в то время как ARM требует более тонкой заточки железа и возможности такой архитектуры несколько более ограничены. Однако возможности ARM становятся все более масштабными. Уже сейчас такие процессоры пригодны для стандартной офисной работы, воспроизведения медиа-контента, работы в интернете.

ARM быстро развивается, чему способствует и тот факт, что над данной технологией по франчайзингу трудятся десятки конкурентных брендов, в то время как над x86-архитектурой трудятся всего две корпорации, представители которых едва ли не прямо говорят о том, что в сегменте застой… а про ARM такого не скажешь.

Говоря о том, что такое чипы ARM следует отметить такой момент, как комплексность предлагаемых современных мобильных систем. ARM – это не просто один процессор. Как правило, в него входят: контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Такая система называется однокристальной. Другими словами, ARM – это чип на чипе.

На сегодняшний день ARM насчитывают несколько процессорных поколений:

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц. Эти чипы морально устарели, но по прежнему пользуются спросом. Например, в беспроводных маршрутизаторах и терминалах оплаты. Набор простых команд такого чипа позволяет с легкостью запускать многие Java-приложения.

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться более полным набором простых команд, расширяющих их функционал и высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц). Благодаря невысокому энергопотреблению и низкой себестоимости чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня.

ARMv7. Современные 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.

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, и увы, более высокое энергопотребление, что делает данный чип ныне крайне непопулярным.

Чипы ARM ждет великое будущее. Количество команд, частота работы, количество ядер активно растут, а энергопотребление продолжает оставаться на низком уровне. В будущем чипы ARM станут пригодными для полноформатной многозадачности, ныне свойственной лишь x86-системам. Однако, даже с условиями нынешнего вектора развития, говорить о том, что сегмент потребительской электроники полностью перейдет на чипы ARM – пока рано. И дело здесь, прежде всего, в цене. Стоимость мобильных чипов растет с геометрической прогрессией, в то время, как x86 продолжает дешеветь. Именно фактор цены наряду с разницей в функциональности, которая несколько будет преодолена, и складывается вполне понятный прогноз того, что развитые ARM-системы не скоро одержат безоговорочную победу в гонке за своего потребителя…

Подавляющее большинство современных гаджетов используют процессоры на архитектуре ARM, разработкой которой занимается одноимённая компания ARM Limited. Что интересно, компания сама не производит процессоры, а только лицензирует свои технологии для сторонних производителей чипов. Помимо этого, компания также разрабатывает процессорные ядра Cortex и графические ускорители Mali, которых мы обязательно коснёмся в этом материале.

Компания ARM, фактически, является монополистом в своей области, и подавляющее большинство современных смартфонов и планшетов на различных мобильных операционных системах используют процессоры именно на архитектуре ARM. Производители чипов лицензируют у ARM отдельные ядра, наборы инструкций и сопутствующие технологии, причём стоимость лицензий значительно разнится в зависимости от типа процессорных ядер (это могут быть как маломощные бюджетные решения, так и ультрасовременные четырёхъядерные и даже восьмиядерные чипы) и дополнительных компонентов. Годовой отчёт о прибыли ARM Limited за 2006 год показал выручку в 161 миллион долларов за лицензирование около 2,5 миллиардов процессоров (в 2011 году этот показатель составил уже 7,9 млрд), что означает примерно 0,067 долларов за один чип. Впрочем, по озвученной выше причине, это очень усреднённый показатель из-за разницы в ценах на различные лицензии, и с тех пор прибыль компании должна была вырасти многократно.

В настоящее время ARM-процессоры имеют очень широкое распространение. Чипы на этой архитектуре используются повсюду, вплоть до серверов, но чаще всего ARM можно встретить во встраиваемых и мобильных системах, начиная с контроллеров для жёстких дисков и заканчивая современными смартфонами, планшетами и прочими гаджетами.

ARM разрабатывает несколько семейств ядер, которые используются для различных задач. К примеру, процессоры, основанные на Cortex-Mx и Cortex-Rx (где “х” — цифра или число, обозначающее точный номер ядра) используются во встраиваемых системах и даже бытовых устройствах, к примеру, роутерах или принтерах.

Подробно на них мы останавливаться не будем, ведь нас, в первую очередь, интересует семейство Cortex-Ax — чипы с такими ядрами используются в наиболее производительных устройствах, в том числе смартфонах, планшетах и игровых консолях. ARM постоянно работает над новыми ядрами из линейки Cortex-Ax, но на момент написания этой статьи в смартфонах используются следующие из них:

Cortex-A5;
Cortex-A7;
Cortex-A8;
Cortex-A9;
Cortex-A12;
Cortex-A15;
Cortex-A53;

Чем больше цифра — тем выше производительность процессора и, соответственно, дороже класс устройств, в которых он используется. Впрочем, стоит отметить, что это правило соблюдается не всегда: к примеру, чипы на ядрах Cortex-A7 имеют большую производительность, нежели на Cortex-A8. Тем не менее, если процессоры на Cortex-A5 уже считаются чуть ли не устаревшими и почти не используются в современных устройствах, то CPU на Cortex-A15 можно найти во флагманских коммуникаторах и планшетах. Не так давно ARM официально объявила о разработке новых, более мощных и, одновременно, энергоэффективных ядер Cortex-A53 и Cortex-A57, которые будут объединены на одном чипе с применением технологии ARM big.LITTLE и поддерживать набор команд ARMv8 (“версию архитектуры”), но в настоящее время они не применяются в массовых потребительских устройствах. Большинство чипов с ядрами Cortex могут быть многоядерными, и в современных топовых смартфонах повсеместное распространение получили четырёхъядерные процессоры.

Крупные производители смартфонов и планшетов обычно используют процессоры известных чипмейкеров вроде Qualcomm или собственные решения, которые уже успели стать довольно популярными (к примеру, Samsung и её семейство чипсетов Exynos), но среди технических характеристик гаджетов большинства небольших компаний зачастую можно встретить описание вроде “процессор на Cortex-A7 с тактовой частотой 1 ГГц” или “двухъядерный Cortex-A7 с частотой 1 ГГц”, которое обычному пользователю ничего не скажет. Для того, чтобы разобраться, в чём заключаются отличия таких ядер между собой, остановимся на основных.

Cortex-A5

Ядро Cortex-A5 используются в недорогих процессорах для наиболее бюджетных устройств. Такие устройства предназначены только для выполнения ограниченного круга задач и запуска простых приложений, но совершенно не рассчитаны на ресурсоёмкие программы и, тем более, игры. В качестве примера гаджета с процессором на Cortex-A5 можно назвать Highscreen Blast, который получил чип Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, содержащий два ядра Cortex-A5 с тактовой частотой 1,2 ГГц.

Cortex-A7

Процессоры на Cortex-A7 являются более мощными, чем чипы Cortex-A5, а кроме того, больше распространены. Такие чипы выполняются по 28-нанометровому техпроцессу и имеют большой кэш второго уровня до 4 мегабайт. Ядра Cortex-A7 встречаются, преимущественно, в бюджетных смартфонах и недорогих устройствах среднего сегмента вроде iconBIT Mercury Quad, а также, в качестве исключения, в Samsung Galaxy S IV GT-i9500 с процессором Exynos 5 Octa — этот чипсет при выполнении нетребовательных задач использует энергосберегающий четырёхъядерный процессор на Cortex-A7.

Cortex-A8

Ядро Cortex-A8 не так распространено, как его “соседи”, Cortex-A7 и Cortex-A9, но всё же используется в различных гаджетах начального уровня. Рабочая тактовая частота чипов на Cortex-A8 может составлять от 600 МГц до 1 ГГц, но иногда производители разгоняют процессоры и до более высоких частот. Особенностью ядра Cortex-A8 является отсутствие поддержки многоядерных конфигураций (то есть, процессоры на этих ядрах могут быть только одноядерными), а выполняются они по 65-нанометровому техпроцессу, который уже считается устаревшим.

Сortex-A9

Ещё пару лет назад ядра Cortex-A9 считались топовым решением и использовались как в традиционных одноядерных, так и более мощных двухъядерных чипах, например Nvidia Tegra 2 и Texas Instruments OMAP4. В настоящее время процессоры на Cortex-A9, выполненные по 40-нанометровому техпроцессу не теряют популярность и используются во многих смартфонах среднего сегмента. Рабочая частота таких процессоров может составлять от 1 до 2 и более гигагерц, но обычно она ограничивается 1,2-1,5 ГГц.

Cortex-A12

В июне 2013 года компания ARM официально представила ядро Cortex-A12, которое выполняется по новому 28-нанометровому техпроцессу и призвано заменить ядра Cortex-A9 в смартфонах среднего сегмента. Разработчик обещает увеличение производительности на 40% по сравнению с Cortex-A9, а кроме того, ядра Cortex-A12 смогут участвовать в архитектуре ARM big.LITTLE в качестве производительных вместе с энергосберегающими Cortex-A7, что позволит производителям создавать недорогие восьмиядерные чипы. Правда,на момент написания статьи всё это только в планах, и массовое производство чипов на Cortex-A12 ещё не налажено, хотя компания RockChip уже объявила о своём намерении выпустить четырёхъядерный процессор на Cortex-A12 с частотой 1,8 ГГц.

Cortex-A15

На 2013 год ядро Cortex-A15 и его производные является топовым решением и используется в чипах флагманских коммуникаторах различных производителей. Среди новых процессоров, выполненных по 28-нм техпроцессу и основанных на Cortex-A15 — Samsung Exynos 5 Octa и Nvidia Tegra 4, а также это ядро нередко выступает платформой для модификаций других производителей. Например, последний процессор компании Apple A6X использует ядра Swift, которые являются модификацией Cortex-A15. Чипы на Cortex-A15 способны работать на частоте 1,5-2,5 ГГц, а поддержка множества стандартов сторонних компаний и возможность адресовать до 1 ТБ физической памяти делает возможным применение таких процессоров в компьютерах (как тут не вспомнить мини-компьютер размером с банковскую карту Raspberry Pi).

Cortex-A50 series

В первой половине 2013 года ARM представила новую линейку чипов, которая получила название Cortex-A50 series. Ядра этой линейки будут выполнены по новой версии архитектуры, ARMv8, и поддерживать новые наборы команд, а также станут 64-битными. Переход на новую разрядность потребует оптимизации мобильных операционных систем и приложений, но, разумеется, сохранится поддержка десятков тысяч 32-битных приложений. Первой на 64-битную архитектуру перешла компания Apple. Последние устройства компании, например, iPhone 5S, работают на именно таком ARM-процессоре Apple A7. Примечательно, что он не использует ядра Cortex – они заменены на собственные ядра производителя под названием Swift. Одна из очевидных причин необходимости перехода к 64-битным процессорам — поддержка более 4 ГБ оперативной памяти, а, кроме того, возможность оперировать при вычислении намного большими числами. Конечно, пока это актуально, в первую очередь, для серверов и ПК, но мы не удивимся, если через несколько лет на рынке появятся смартфоны и планшеты с таким объёмом ОЗУ. На сегодняшний день о планах по выпуску чипов на новой архитектуре и смартфонов с их использованием ничего не известно, но, вероятно, именно такие процессоры и получат флагманы в 2014 году, о чём уже заявила компания Samsung.

Cortex-A53

Открывает серию ядро Cortex-A53, которое будет прямым “наследником” Cortex-A9. Процессоры на Cortex-A53 заметно превосходят чипы на Cortex-A9 в производительности, но, при этом, сохраняется низкое энергопотребление. Такие процессоры могут быть использованы как по одиночке, так и в конфигурации ARM big.LITTLE, будучи объединенными на одном чипсете с процессором на Cortex-A57

Процессоры на Cortex-A57, которые будут выполнены по 20-нанометровому техпроцессу, должны стать самыми мощными ARM-процессорами в ближайшем будущем. Новое ядро значительно превосходит своего предшественника, Cortex-A15 по различным параметрам производительности (сравнение вы можете видеть выше), и, по словам ARM, которая всерьёз нацелена на рынок ПК, станет выгодным решением для обычных компьютеров (включая лэптопы), а не только мобильных устройств.

В качестве высокотехнологичного решения проблемы энергопотребления современных процессоров ARM предлагает технологию big.LITTLE, суть которой заключается в объединении на одном чипе ядер различных типов, как правило, одинакового количества энергосберегающих и высокопроизводительных.

Существует три схемы работы ядер различного типа на одном чипе: big.LITTLE (миграция между кластерами), big.LITTLE IKS (миграция между ядрами) и big.LITTLE MP (гетерогенный мультипроцессинг).

big.LITTLE (миграция между кластерами)

Первым чипсетом на архитектуре ARM big.LITTLE стал процесссор Samsung Exynos 5 Octa. В нём используется оригинальная схема big.LITTLE “4+4”, что означает объединение в два кластера (отсюда и название схемы) на одном кристалле четырёх высокопроизводительных ядер Cortex-A15 для ресурсоёмких приложений и игр и четырёх энергосберегающих ядер Cortex-A7 для повседневной работы с большинством программ, причём в один момент времени могут работать ядра только одного типа. Переключение между группами ядер происходит практически мгновенно и незаметно для пользователя в полностью автоматическом режиме.

Более сложная реализация архитектуры big.LITTLE — объединение нескольких реальных ядер (как правило двух) в одно виртуальное, управляемое ядром операционной системы, которое решает, какие задействовать ядра — энергоэффективные или производительные. Разумеется, виртуальных ядер также несколько — на иллюстрации приведен пример схемы IKS, где в каждом из четырёх виртуальных ядер находятся по одному ядру Cortex-A7 и Cortex-A15.

Схема big.LITTLE MP является наиболее “продвинутой” — в ней каждое ядро является независимым и может включаться ядром ОС по необходимости. Это значит, что если используются четыре ядра Cortex-A7 и столько же ядер Cortex-A15, в чипсете, построенном на архитектуре ARM big.LITTLE MP, смогут работать одновременно все 8 ядер, даже несмотря на то, что они разных типов. Одним из первых процессоров такого типа стал восьмиядерный чип компании , который может работать на тактовой частоте 2 ГГц, а также записывать и воспроизводить видео в разрешении UltraHD.

Будущее

По имеющейся на данный момент информации, в ближайшее время ARM совместно с другими компаниями планирует наладить выпуск big.LITTLE чипов следующего поколения, которые будут использовать новые ядра Cortex-A53 и Cortex-A57. Кроме того, бюджетные процессоры на ARM big.LITTLE собирается выпускать китайский производитель MediaTek, которые будут работать по схеме “2+2”, то есть, использовать две группы по два ядра.

Помимо процессоров, ARM также разрабатывает и графические ускорители семейства Mali. Подобно процессорам, графические ускорители характеризуются множеством параметров, например, уровнем сглаживания, интерфейсом шины, кэшем (сверхбыстрая память, используемая для повышения скорости работы) и количеством “графических ядер” (хотя, как мы писали в прошлой статье, этот показатель, несмотря на похожесть с термином, использующимся при описании CPU, практически не влияет на производительность при сравнении двух GPU).

Первым графическим ускорителем ARM стал ныне неиспользуемый Mali 55, который был использован в сенсорном телефоне LG Renoir (да-да, самом обычном сотовом телефоне). GPU не использовался в играх — только для отрисовки интерфейса, и обладал примитивными по нынешним меркам характеристиками, но именно он стал “родоначальником” серии Mali.

С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сейчас немалое значение имеют поддерживаемые API и игровые стандарты. К примеру, поддержка OpenGL ES 3.0 сейчас заявлена только в самых мощных процессорах вроде Qualcomm Snapdragon 600 и 800, а, если говорить о продукции ARM, то стандарт поддерживают такие ускорители, как Mali-T604 (именно он стал первым графическим процессором ARM, выполненным на новой микроархитектуре Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 и некоторые другие близкие к ним по характеристикам чипы. Тот или иной GPU, как правило, тесно связан с ядром, но, тем не менее, указывается отдельно, а, значит, если вам важно качество графики в играх, то имеет смысл посмотреть на название ускорителя в спецификациях смартфона или планшета.

Есть у ARM в линейке и графические ускорители для смартфонов среднего сегмента, наиболее распространёнными среди которых являются Mali-400 MP и Mali-450 MP, которые отличаются от своих старших братьев сравнительно небольшой производительностью и ограниченным набором API и поддерживаемых стандартов. Несмотря на это, указанные GPU продолжают использоваться в новых смартфонах, к примеру, Zopo ZP998, который получил графический ускоритель Mali-450 MP4 (улучшенную модификацию Mali-450 MP) вдобавок к восьмиядерному процессору MTK6592.

Предположительно, в конце 2014 года должны появиться смартфоны с новейшими графическими ускорителями ARM: Mali-T720, Mali-T760 и Mali-T760 MP, которые были представлены в октябре 2013 года. Mali-T720 должен стать новым GPU для недорогих смартфонов и первым графическим процессором этого сегмента с поддержкой Open GL ES 3.0. Mali-T760, в свою очередь, станет одним из наиболее мощных мобильных графических ускорителей: по заявленным характеристикам, GPU имеет 16 вычислительных ядер и обладает поистине огромной вычислительной мощностью, 326 Гфлопс, но, в то же время, в четыре раза меньшим энергопотреблением, чем упомянутый выше Mali-T604.

Роль CPU и GPU от ARM на рынке

Несмотря на то, что компания ARM является автором и разработчиком одноимённой архитектуры, которая, повторимся, сейчас используется в подавляющем большинстве мобильных процессоров, её решения в виде ядер и графических ускорителей не пользуются популярностью у крупных производителей смартфонов. К примеру, справедливо считается, что флагманские коммуникаторы на Android OS должны иметь процессор Snapdragon с ядрами Krait и графический ускоритель Adreno от Qualcomm, чипсеты этой же компании используются в смартфонах на Windows Phone, а некоторые производители гаджетов, к примеру, Apple, разрабатывают собственные ядра. Почему же в настоящее время сложилась именно такая ситуация?

Возможно, часть причин может лежать глубже, но одна из них — отсутствие чёткого позиционирования CPU и GPU от ARM среди продуктов других компаний, вследствие чего разработки компании воспринимаются как базовые компоненты для использования в устройствах B-брендов, недорогих смартфонах и создания на их основе более зрелых решений. К примеру, компания Qualcomm почти на каждой своей презентации повторяет, что одной из её главных целей при создании новых процессоров является уменьшение энергопотребления, а её ядра Krait, будучи доработанными ядрами Cortex, стабильно показывают более высокие результаты по производительности. Аналогичное утверждение справедливо и для чипсетов Nvidia, которые ориентированы на игры, ну а что касается процессоров Exynos от Samsung и A-серии от Apple, то они имеют свой рынок за счёт установки в смартфоны этих же компаний.

Вышесказанное совершенно не значит, что разработки ARM значительно хуже процессоров и ядер сторонних компаний, но конкуренция на рынке в конечном итоге идет покупателям смартфонов только на пользу. Можно сказать, что ARM предлагает некие заготовки, приобретая лицензию на которые, производители могут уже самостоятельно их доработать.

Заключение

Микропроцессоры на архитектуре ARM успешно завоевали рынок мобильных устройств благодаря низкому энергопотреблению и сравнительно большой вычислительной мощности. Раньше с ARM конкурировали другие RISC-архитектуры, например, MIPS, но сейчас у неё остался только один серьёзный конкурент — компания Intel с архитектурой x86, которая, к слову, хотя и активно борется за свою долю рынка, пока не воспринимается ни потребителями, ни большинством производителей всерьёз, особенно при фактическом отсутствии флагманов на ней (Lenovo K900 сейчас уже не может конкурировать с последними топовыми смартфонами на ARM-процессорах).

Они подумали, что раз уж группе студентов удалось создать вполне конкурентоспособный процессор, то их инженерам это будет не сложно. Поездка в Western Design Center в Фениксе показала инженерам Стиву Ферберу и Софи Уилсон, что им не потребуются невероятные ресурсы для осуществления этого плана.

Уилсон приступила к разработке системы команд , создавая симулятор нового процессора на компьютере BBC Micro . Это убедило инженеров Acorn, что они на верном пути. Но все же перед тем, как идти дальше, им требовалось больше ресурсов. Настало время для Уилсон подойти к директору Acorn Герману Хаузеру и объяснить, в чем же дело. После того как он дал добро, собралась небольшая команда для реализации модели Уилсон на аппаратном уровне.

Acorn RISC Machine: ARM2

Официальный проект Acorn RISC Machine был начат в октябре 1983 года . VLSI Technology (англ. ) была выбрана в качестве поставщика кремниевых компонентов, так как она уже снабжала Acorn микросхемами ПЗУ и некоторыми нестандартными интегральными схемами. Разработку возглавили Уилсон и Фербер. Их основной целью было достижение низкой латентности обработки прерывания, как у MOS Technology 6502 . Архитектура доступа к памяти, взятая от 6502, позволила разработчикам достичь хорошей производительности без использования дорогостоящего в реализации модуля DMA . Первый процессор был произведен VLSI 26 апреля 1985 года - тогда он впервые заработал и был назван ARM1. Первые серийные процессоры под названием ARM2 стали доступны в следующем году.

Его первое применение было в качестве второго процессора в BBC Micro , где он был использован при разработке программного обеспечения для моделирования, что позволило завершить работу над вспомогательными микросхемами компьютера, а также ускорить работу программного обеспечения CAD , используемого при разработке ARM2. Уилсон оптимизировала набор инструкций ARM для исполнения BBC BASIC . Изначальная цель компьютера, полностью построенного на базе ARM, была достигнута в 1987 году с выходом Acorn Archimedes.

Атмосфера вокруг проекта ARM была настолько секретна, что когда компания Olivetti вела переговоры о покупке контрольного пакета акций Acorn в 1985 году, они не стали рассказывать о развитии проекта до конца переговоров. В 1992 году Acorn еще раз выиграл премию королевы за ARM.

В ARM2 была 32-разрядная шина данных, 26-битное адресное пространство и 16 32-разрядных регистров. Программный код должен был лежать в первых 64 мегабайтах памяти, а программный счётчик был ограничен 26 битами, так как верхние 4 и нижние 2 бита 32-битного регистра служили флагами. ARM2 стал, возможно, самым простым из популярных 32-битных процессоров в мире, имея всего лишь 30000 транзисторов (для сравнения, в сделанном на 6 лет раньше процессоре Motorola 68000 было около 70000 транзисторов). Многое из этой простоты обусловлено отсутствием микрокода (который в процессоре 68000 занимает от одной четверти до одной трети площади кристалла), и отсутствием кэша , как и в многих процессорах того времени. Эта простота привела к низким затратам энергии, в то время как ARM был гораздо более производителен, чем Intel 80286. У его преемника - процессора ARM3 - уже был кэш 4 кб, что еще больше увеличило производительность.

Apple, DEC, Intel: ARM6, StrongARM, XScale

Современные смартфоны, КПК и другие портативные устройства используют в основном версию ядра ARMv5. Процессоры XScale и ARM926 (ARMv5TE) сейчас более многочисленны в высокотехничных устройствах, чем, например, процессоры StrongARM и процессоры ARMv4 на базе ARM9TDMI и ARM7TDMI, но менее сложные приборы могут использовать старые версии с меньшей лицензионной стоимостью. Процессоры ARMv6 по своей производительности на голову выше, чем стандартные ARMv5. Cortex-A создан специально для смартфонов, которые раньше использовали ARM9 и ARM11. Cortex-R созданы для приложений, работающих в реальном времени, а Cortex-M - для микроконтроллеров.

Влияние ARM-технологии на рынок

К концу 2012 года новые модели ARM-процессоров Apple и Samsung достигли производительности бюджетных процессоров Intel для ноутбуков. В частности, планшет Samsung Nexus 10 показал рейтинг производительности 2348 баллов , в то время как бюджетный процессор Intel Core Duo в ноутбуке Apple MacAir показывает рейтинг только 1982 балла .

Отдельные компании заявляют о разработках эффективных серверов на базе кластеров ARM процессоров . Тем не менее, на 2012 год продажи серверов на ARM исчезающе малы (< 1% рынка серверов) .

Процессоры ARM

Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ МГц	Использование
ARM1	ARMv1 (устаревшая)	ARM1		Нет		ARM Evaluation System процессор BBC Micro
ARM2	ARMv2 (устаревшая)	ARM2	Добавлена команда MUL (умножение)	Нет	4 MIPS @ 8 МГц 0.33 DMIPS/МГц	Acorn Archimedes , Chessmachine
ARM2	ARMv2a (устаревшая)	ARM250	Встроенный MEMC (MMU), графический процессор, добавлены команды SWP и SWPB (swap)	Нет, MEMC1a	7 MIPS @ 12 МГц	Acorn Archimedes
ARM3	ARMv2a (устаревшая)	ARM2a	Впервые использован кэш	4 КБ общий	12 MIPS @ 25 МГц 0.50 DMIPS/МГц	Acorn Archimedes
ARM6	ARMv3 (устаревшая)	ARM60	Впервые введено 32-битное (а не 26-битное) адресное пространство памяти	Нет	10 MIPS @ 12 МГц	3DO Interactive Multiplayer , Zarlink GPS Receiver
		ARM600	Как ARM60, сопроцессор математики с плавающей запятой FPA10	4 КБ общий	28 MIPS @ 33 МГц
		ARM610	Как ARM60, кэш, без шины сопроцессора	4 КБ общий	17 MIPS @ 20 МГц 0.65 DMIPS/МГц	Acorn Risc PC 600, Apple Newton 100 series
ARM7	ARMv3 (устаревшая)	ARM700		8 КБ общий	40 МГц
		ARM710	Как ARM700	8 КБ общий	40 МГц	Acorn Risc PC 700
		ARM710a	Как ARM700	8 КБ общий	40 МГц 0.68 DMIPS/МГц	Acorn Risc PC 700, Apple eMate 300
		ARM7100	Как ARM710a, интегрированная SoC	8 КБ общий	18 МГц	Psion Series 5
		ARM7500	Как ARM710a, интегрированная SoC.	4 КБ общий	40 МГц	Acorn A7000
		ARM7500FE	Как ARM7500, «FE» добавлены FPA и EDO контроллеры памяти	4 КБ общий	56 МГц 0.73 DMIPS/МГц	Acorn A7000+ Network Computer
ARM7TDMI	ARMv4T	ARM7TDMI(-S)	3-ступенчатый конвейер, режим Thumb	Нет	15 MIPS @ 16.8 МГц 63 DMIPS @ 70 МГц	Game Boy Advance , Nintendo DS , Apple iPod , Lego NXT, Atmel AT91SAM7, Juice Box, NXP Semiconductors LPC2000 and LH754xx , Actel "s CoreMP7
		ARM710T	Как ARM7TDMI, кэш	8 КБ общий, MMU	36 MIPS @ 40 МГц	Psion Series 5mx , Psion Revo /Revo Plus/Diamond Mako
		ARM720T	Как ARM7TDMI, кэш	8 КБ общий, MMU с расширением быстрого переключения контекстов (англ. Fast Context Switch Extension )	60 MIPS @ 59.8 МГц	Zipit Wireless Messenger, NXP Semiconductors LH7952x
		ARM740T	Как ARM7TDMI, кэш	MPU
	ARMv5TEJ	ARM7EJ-S	5-ступенчатый конвейер, Thumb, Jazelle DBX, усовершенствованные команды DSP	none
StrongARM	ARMv4	SA-110		16 KB/16 KB, MMU	203 MHz 1.0 DMIPS/MHz	Apple Newton 2x00 series, Acorn Risc PC, Rebel/Corel Netwinder, Chalice CATS
		SA-1100		16 KB/8 KB, MMU	203 MHz	Psion netBook
		SA-1110	Как SA-110, интегрированная SoC	16 KB/8 KB, MMU	206 MHz	LART (computer), Intel Assabet, Ipaq H36x0, Balloon2, Zaurus SL-5x00, HP Jornada 7xx, Jornada 560 series, Palm Zire 31
ARM8	ARMv4	ARM810	5-ступенчатый конвейер, static branch prediction, double-bandwidth memory	8 KB unified, MMU	84 MIPS @ 72 MHz 1.16 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC прототип карты CPU
ARM9TDMI	ARMv4T	ARM9TDMI	5-ступенчатый конвейер, Thumb	none
		ARM920T	Как ARM9TDMI, кэш	16 KB/16 KB, MMU with FCSE (Fast Context Switch Extension)	200 MIPS @ 180 MHz	Armadillo, Atmel AT91SAM9, GP32 , GP2X (first core), Tapwave Zodiac (Motorola i. MX1), Hewlett Packard HP-49/50 Calculators, Sun SPOT, Cirrus Logic EP9302, EP9307, EP9312, EP9315, Samsung S3C2442 (HTC TyTN, FIC Neo FreeRunner ), Samsung S3C2410 (TomTom navigation devices)
		ARM922T	Как ARM9TDMI, кэш	8 KB/8 KB, MMU		NXP Semiconductors LH7A40x
		ARM940T	Как ARM9TDMI, кэш	4 KB/4 KB, MPU		GP2X (второе ядро), Meizu M6 Mini Player
ARM9E	ARMv5TE	ARM946E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions, caches	variable, tightly coupled memories, MPU		Nintendo DS , Nokia N-Gage , Canon PowerShot A470, Canon EOS 5D Mark II , Conexant 802.11 chips, Samsung S5L2010
		ARM966E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions	no cache, TCMs		STM STR91xF, includes Ethernet
		ARM968E-S	Как ARM966E-S	no cache, TCMs		NXP Semiconductors LPC2900
	ARMv5TEJ	ARM926EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions	variable, TCMs, MMU	220 MIPS @ 200 MHz,	Mobile phones: Sony Ericsson (K, W series); Siemens and Benq (x65 series and newer); LG Arena, LG Cookie Fresh ; TI OMAP1710... OMAP1612, OMAP-L137, OMAP-L138; Qualcomm MSM6100...MSM6800; Freescale i.MX21, i.MX27, Atmel AT91SAM9, NXP Semiconductors LPC3000 , GPH Wiz, NEC C10046F5-211-PN2-A SoC - undocumented core in the ATi Hollywood graphics chip used in the Wii, Samsung S3C2412 used in Squeezebox Duet"s Controller. Squeezebox Radio; NeoMagic MiMagic Family MM6, MM6+, MM8, MTV; Buffalo TeraStation Live (NAS); Telechips TCC7801, TCC7901;ZiiLABS" ZMS-05 system on a chip; Western Digital MyBook I World Edition
	ARMv5TE	ARM996HS	Clockless processor, как ARM966E-S	no caches, TCMs, MPU
ARM10E	ARMv5TE	ARM1020E	6-ступенчатый конвейер, Thumb, улучшенные DSP-инструкции, (VFP)	32 KB/32 KB, MMU
	ARMv5TE	ARM1022E	Как ARM1020E	16 KB/16 KB, MMU
	ARMv5TEJ	ARM1026EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions, (VFP)	variable, MMU or MPU		Western Digital MyBook II World Edition;Conexant so4610 and so4615 ADSL SoC
XScale	ARMv5TE	80200/IOP310/IOP315	I/O Processor, Thumb, Enhanced DSP instructions
		80219			400/600 MHz	Thecus N2100 Процессор Intel 80219 включает высокоскоростное 32-разрядное ядро XScale с частотой 400 или 600 МГц с 64-разрядным интерфейсом PCI-X Шина PCI/ PCI-X позволяет подключать гигабитные контроллеры Ethernet
		IOP321			600 BogoMips @ 600 MHz	Iyonix
		IOP33x
		IOP34x	1-2 core, RAID Acceleration	32K/32K L1, 512K L2, MMU
		PXA210/PXA250	Applications processor, 7-ступенчатый конвейер		PXA210: 133 and 200 MHz, PXA250: 200, 300, and 400 MHz	Zaurus SL-5600, iPAQ H3900, Sony CLIÉ NX60, NX70V, NZ90
		PXA255		32KB/32KB, MMU	400 BogoMips @ 400 MHz; 371-533 MIPS @ 400 MHz	Gumstix basix & connex, Palm Tungsten E2, Zaurus SL-C860, Mentor Ranger & Stryder, iRex ILiad
		PXA263			200, 300 and 400 MHz	Sony CLIÉ NX73V, NX80V
		PXA26x			default 400 MHz, up to 624 MHz	Palm Tungsten T3
		PXA27x	Applications processor	32 KB/32 KB, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Gumstix verdex, «Trizeps-Modules» PXA270 COM, HTC Universal, hx4700, Zaurus SL-C1000, 3000, 3100, 3200, Dell Axim x30, x50, and x51 series, Motorola Q, Balloon3, Trolltech Greenphone , Palm TX, Motorola Ezx Platform A728, A780, A910, A1200, E680, E680i, E680g, E690, E895, Rokr E2, Rokr E6, Fujitsu Siemens LOOX N560, Toshiba Portégé G500, Toshiba Portégé G900, Trēo 650-755p, Zipit Z2, HP iPaq 614c Business Navigator
		PXA800(E)F
		PXA3XX (codenamed «Monahans»)	У PXA31x имеется аппаратный графический ускоритель	32KB/32KB L1, TCM, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Highscreen alex
		PXA900				Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)
		IXC1100	Control Plane Processor
		IXP2400/IXP2800
		IXP2850
		IXP2325/IXP2350
		IXP42x				NSLU2 IXP460/IXP465
ARM11	ARMv6	ARM1136J(F)-S	8-ступенчатый конвейер, SIMD , Thumb, Jazelle DBX, (VFP), улучшенные DSP-инструкции	variable, MMU	740 @ 532-665 MHz (i.MX31 SoC), 400-528 MHz	TI OMAP2420 (Nokia E90 , Nokia N93 , Nokia N95 , Nokia N82), Zune , BUGbase , Nokia N800 , Nokia N810 , Qualcomm MSM7200 (with integrated ARM926EJ-S Coprocessor@274 MHz, used in Eten Glofiish, HTC TyTN II , HTC Nike), Freescale i.MX31 (used in the original Zune 30gb and Toshiba Gigabeat S), Freescale MXC300-30 (Nokia E63 , Nokia E71 , Nokia E72 , Nokia 5800 , Nokia E51 , Nokia 6700 Classic, Nokia 6120 Classic , Nokia 6210 Navigator, Nokia 6220 Classic, Nokia 6290, Nokia 6710 Navigator, Nokia 6720 Classic, Nokia E75 , Nokia N97 , Nokia N81), Qualcomm MSM7201A as seen in the HTC Dream , HTC Magic , Motorola ZN5, Motorola E8, Motorola VE66, Motorola Z6, HTC Hero , & Samsung SGH-i627 (Propel Pro), Qualcomm MSM7227 used in ZTE Link, HTC Legend , HTC Wildfire S , LG P500, LG GT540,
	ARMv6T2	ARM1156T2(F)-S	9-ступенчатый конвейер, SIMD , Thumb-2, (VFP), улучшенные DSP-инструкции	variable, MPU
	ARMv6KZ	ARM1176JZ(F)-S	Как ARM1136EJ(F)-S	variable, MMU+TrustZone		Apple iPhone (original and 3G) , Apple iPod touch (1st and 2nd Generation) , Conexant CX2427X, Motorola RIZR Z8, Motorola RIZR Z10, NVIDIA GoForce 6100 ; Mediatek MT6573 ; Telechips TCC9101, TCC9201, TCC8900, Fujitsu MB86H60, Samsung S3C6410 (e.g. Samsung Moment), S3C6430
	ARMv6K	ARM11 MPCore	Как ARM1136EJ(F)-S, 1-4 core SMP	variable, MMU		Nvidia APX 2500
Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ MHz	Приложения
Cortex	ARMv7-A	Cortex-A5	VFP, NEON, Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, 8-ступенчатый конвейер, In-order, 1-4 core SMP	variable (L1), MMU+TrustZone	up to 1500 (1.5 DMIPS/MHz)	«Sparrow» (ARM code name)
		Cortex-A8	VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2; 13-ступенчатый конвейер, In-order, 2 декодера	variable (L1+L2), MMU+TrustZone	up to 2000 (2.0 DMIPS/MHz in speed from 600 MHz to greater than 1 GHz)	TI OMAP3xxx series, SBM7000, Oregon State University OSWALD, Gumstix Overo Earth, Pandora, Apple iPhone 3GS , Apple iPod touch (3rd Generation) , Apple iPad (Apple A4 processor), Apple iPhone 4 (Apple A4 processor), Archos 5, Archos 101, FreeScale i.MX51-SOC, BeagleBoard , Motorola Droid, Motorola Droid X, Palm Pre , Samsung Omnia HD , Samsung Wave S8500 , Nexus S , Sony Ericsson Satio, Touch Book , Nokia N900 , Meizu M9 , ZiiLABS ZMS-08 system on a chip, Boxchip A13
		Cortex-A9	Application profile, (VFP), (NEON), Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, Out-of-order speculative issue superscalar (2 декодера); 9-12 стадий конвейера	MMU+TrustZone	2.5 DMIPS/MHz	Apple iPhone 4S , Apple iPad 2 (Apple A5), MediaTek MT6575/6515M
		Cortex-A9 MPCore	Как Cortex-A9, 1-4 core SMP	MMU+TrustZone	10,000 DMIPS @ 2 GHz on Performance Optimized TSMC 40G (quad core?) (2.5 DMIPS/MHz per core)	PlayStation® Vita , TI OMAP4430/4440, ST-Ericsson U8500, Nvidia Tegra2 , Samsung Exynos 4210, MediaTek MT6577/6517
		Cortex-A15 MPCore	1-32 core SMP; Out-of-order superscalar (3 декодера); 15+ ступеней конвейера ; VFPv4, NEON	MMU, LPAE	3.5 DMIPS/MHz/Core; 1.0GHz - 2.5GHz (@ 28nm )
		Cortex-A7 MPCore	FPU,NEON; In-order (1 декодер); 8 стадий конвейера.	MMU, LPAE	1.9 DMIPS/MHz/CPU; 0.8-1.5 GHz (@28nm)	(Broadcom, Freescale, HiSilicon, LG, Samsung, STEricsson, TexasInstruments, MediaTek)
	ARMv7-R	Cortex-R4(F)	Embedded profile, Thumb-2, (FPU)	variable cache, MPU optional	600 DMIPS @ 475 MHz	Broadcom is a user, TI TMS570
	ARMv7-ME	Cortex-M4 (codenamed «Merlin»)	Microcontroller profile, both Thumb and Thumb-2, FPU. Hardware MAC, SIMD and divide instructions	MPU optional	1.25 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors
	ARMv7-M	Cortex-M3	Microcontroller profile, Thumb-2 only. Hardware divide instruction	no cache, MPU optional	125 DMIPS @ 100 MHz	Stellaris , STM STM32 , NXP LPC1700 , Toshiba TMPM330FDFG , Ember"s EM3xx Series, Atmel AT91SAM3, Europe Technologies EasyBCU , Energy Micro"s EFM32, Actel "s SmartFusion , Миландр 1986ВЕ91Т
	ARMv6-M	Cortex-M0 (codenamed «Swift»)	Microcontroller profile, Thumb-2 subset (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB)	No cache	0.9 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors NXP LPC1100 , Triad Semiconductor , Melfas , Chungbuk Technopark , Nuvoton , austriamicrosystems , Миландр К1986ВЕ2Т
	ARMv6-M	Cortex-M1	FPGA targeted, Microcontroller profile, Thumb-2 subset (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB)	None, tightly coupled memory optional	Up to 136 DMIPS @ 170 MHz (0.8 DMIPS/MHz, MHz achievable FPGA-dependent)	Actel ProASIC3, ProASIC3L, IGLOO and Fusion PSC devices , Altera Cyclone III , other FPGA products are also supported e.g. Synplicity
Семейство ядер	Версия архитектуры	Ядро	Функции	Кэш (I/D)/MMU	Типичная MIPS @ MHz	Приложения

Архитектура

Уже давно существует справочное руководство по архитектуре ARM, которое разграничивает все типы интерфейсов, которые поддерживает ARM, так как детали реализации каждого типа процессора могут отличаться. Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля: ‘A’(application) - приложения, ‘R’(real time) - в реальном времени,’M’(microcontroller) - микроконтроллер.

Профили могут поддерживать меньшее количество команд (команды определенного типа).

Режимы

Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов:

User mode - обычный режим выполнения программ. В этом режиме выполняется большинство программ.
Fast Interrupt (FIQ) - режим быстрого прерывания (меньшее время срабатывания)
Interrupt (IRQ) - основной режим прерывания.
System mode - защищённый режим для использования операционной системой.
Abort mode - режим, в который процессор переходит при возникновении ошибки доступа к памяти (доступ к данным или к инструкции на этапе prefetch конвейера).
Supervisor mode - привилегированный пользовательский режим.
Undefined mode - режим, в который процессор входит при попытке выполнить неизвестную ему инструкцию.

Переключение режима процессора происходит при возникновении соответствующего исключения, или же модификацией регистра статуса.

Набор команд

Чтобы сохранить дизайн чистым, простым и быстрым, оригинальное изготовление ARM было исполнено без микрокода, как и более простой 8-разрядный процессор 6502, используемый в предыдущих микрокомпьютерах от Acorn Computers .

Набор команд ARM

Режим, в котором исполняется 32-битный набор команд.

Набор команд Thumb

Для улучшения плотности кода процессоры, начиная с ARM7TDMI, снабжены режимом «thumb». В этом режиме процессор выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Большинство из этих 16-разрядных команд переводятся в нормальные команды ARM. Уменьшение длины команды достигается за счет сокрытия некоторых операндов и ограничения возможностей адресации по сравнению с режимом полного набора команд ARM.

В режиме Thumb меньшие коды операций обладают меньшей функциональностью. Например, только ветвления могут быть условными, и многие коды операций имеют ограничение на доступ только к половине главных регистров процессора. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 16 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти.

Аппаратные средства типа Game Boy Advance, как правило, имеют небольшой объем оперативной памяти доступной с полным 32-битным информационным каналом. Но большинство операций выполняется через 16-битный или более узкий информационный канал. В этом случае имеет смысл использовать тумбовый код и вручную оптимизировать некоторые тяжелые участки кода, используя переключение в режим полных 32-битных инструкций ARM.

Первым процессором с декодером тумбовых команд был ARM7TDMI. Все процессоры семейства ARM9, а также XScale, имели встроенный декодер тумбовых команд.

Набор команд Thumb-2

Thumb-2 - технология, стартовавшая с ARM1156 core, анонсированного в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 - достичь плотности кода как у Thumb, и производительности как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута.

Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb еще большим количеством команд, включая управление битовым полем, табличное ветвление, условное исполнение. Новый язык «Unified Assembly Language» (UAL) поддерживает создание команд как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят как код ARM. Это требует осторожности и использования новой команды if-then, которая поддерживает исполнение до 4 последовательных команд испытываемого состояния. Во время компиляции в ARM код она игнорируется, но во время компиляции в код Thumb-2 генерирует команды. Например:

; if (r0 == r1) CMP r0, r1 ITE EQ ; ARM: no code ... Thumb: IT instruction ; then r0 = r2; MOVEQ r0, r2 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE "T" (then) ; else r0 = r3; MOVNE r0, r3 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE "E" (else) ; recall that the Thumb MOV instruction has no bits to encode "EQ" or "NE"

Все чипы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые чипы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные чипы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.

Набор команд Jazelle

Расширения безопасности

Расширения безопасности, позиционируемые как TrustZone Technology, находятся в ARMv6KZ и других, более поздних, профилированных на приложениях архитектурах. Оно обеспечивает низкозатратную альтернативу добавлению специального ядра безопасности, обеспечивая 2 виртуальных процессора, поддерживаемых аппаратным контролем доступа. Это позволяет ядру приложения переключаться между двумя состояниями, называемыми «миры» (чтобы избежать путаницы с названиями возможных доменов), чтобы не допустить утечку информации из более важного мира в менее важный. Этот переключатель миров обычно ортогонален всем другим возможностям процессора. Таким образом, каждый мир может работать независимо от других миров, используя одно и то же ядро. Память и периферия соответственно изготавливаются с учетом особенностей мира ядра, и могут использовать это, чтобы получить контроль доступа к секретам и кодам ядра. Типичные приложения TrustZone Technology должны запускать полноценную операционную систему в менее важном мире, и компактный, специализированный на безопасности, код в более важном мире, позволяя Digital Rights Management’у намного точнее контролировать использование медиа на устройствах на базе ARM, и предотвращая несанкционированный доступ к устройству.

На практике же, так как конкретные детали реализации TrustZone остаются собственностью компании и не разглашаются, остается неясным, какой уровень безопасности гарантируется для данной модели угрозы.

Отладка

Все современные процессоры ARM включают аппаратные средства отладки, так как без них отладчики ПО не смогли бы выполнить самые базовые операции типа остановки, отступа, установка контрольных точек после перезагрузки.

Архитектура ARMv7 определяет базовые средства отладки на архитектурном уровне. К ним относятся точки останова, точки просмотра и выполнение команд в режиме отладки. Такие средства были также доступны с модулем отладки EmbeddedICE. Поддерживаются оба режима - остановки и обзора. Реальный транспортный механизм, который используется для доступа к средствам отладки, не специфицирован архитектурно, но реализация, как правило, включает поддержку JTAG .

Существует отдельная архитектура отладки «с обзором ядра», которая не требуется архитектурно процессорами ARMv7.

Регистры

ARM предоставляет 31 регистр общего назначения разрядностью 32 бит. В зависимости от режима и состояния процессора пользователь имеет доступ только к строго определённому набору регистров. В ARM state разработчику постоянно доступны 17 регистров:

13 регистров общего назначения (r0..r12).
Stack Pointer (r13) - содержит указатель стека выполняемой программы.
Link register (r14) - содержит адрес возврата в инструкциях ветвления.
Program Counter (r15) - биты содержат адрес выполняемой инструкции.
Current Program Status Register (CPSR) - содержит флаги, описывающие текущее состояние процессора. Модифицируется при выполнении многих инструкций: логических, арифметических, и др.

Во всех режимах, кроме User mode и System mode, доступен также Saved Program Status Register (SPSR). После возникновения исключения регистр CPSR сохраняется в SPSR. Тем самым фиксируется состояние процессора (режим, состояние; флаги арифметических, логических операций, разрешения прерываний) на момент непосредственно перед прерыванием.

usr	svc	abt	und	irq	fiq
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8					R8_fiq
R9					R9_fiq
R10					R10_fiq
R11					R11_fiq
R12					R12_fiq
R13	R13_svc	R13_abt	R13_und	R13_irq	R13_fiq
R14	R14_svc	R14_abt	R14_und	R14_irq	R14_fiq
R15
CPSR
	SPSR_svc	SPSR_abt	SPSR_und	SPSR_irq	SPSR_fiq

Работа с памятью

Поддерживаемые системы ввода-вывода

В большинстве существующих моделей микропроцессоров реализована шина PCI и возможность работы с внешней динамической оперативной памятью (DRAM). В процессорах, предназначенных для потребительских устройств, также обычно интегрируются: контроллеры шин USB , IIC , AC’97-совместимое звуковое устройство, устройство для работы с флэш-носителями стандарта SD и MMC, контроллер последовательного порта.

Все процессоры имеют линии ввода-вывода общего назначения (GPIO). В потребительских устройствах к ним могут быть подключены кнопки «быстрого запуска», сигнальные светодиоды, колесо прокрутки (JogDial), клавиатура.

Процесс запуска ОС на ARM-машинах

Поддержка Unix-подобными системами

Архитектура ARM поддерживается Unix и Unix-подобными ОС GNU/Linux , BSD , QNX , Plan 9 , Inferno , Solaris , Mac OS X , iOS , WebOS и Android .

Linux

Следующие дистрибутивы поддерживают процессоры ARM:

BSD

Следующие производные от BSD поддерживают процессоры ARM:

Solaris

Поддержка других операционных систем

Операционные системы, которые работают на ARM: ReactOS , FreeRTOS , Nucleus , Symbian OS , Windows CE , RISC OS , Windows RT .

ARM лицензиаты и приблизительная стоимость лицензии

ARM не производит и не продает процессоры, сделанные по своим разработкам, но зато дает лицензии на процессоры заинтересованным партнерам. ARM предлагает широкий выбор условий лицензирования, различающихся по стоимости и деталям. Для всех владельцев лицензии ARM поставляет описание аппаратной части ядра, а также полный набор средств разработки программного обеспечения (компилятор, отладчик), а также право продавать произведенные процессоры ARM. Некоторые клиенты занимаются производством процессоров для сторонних компаний.

Годовой отчет ARM за 2006 год сообщает что в результате лицензирования 2,5 миллиардов единиц (процессоров) был выручен 161 миллион долларов. Это эквивалентно 0.067 доллара за единицу. Однако это очень усредненный показатель - ведь сюда входят и лицензии на очень дорогие новейшие процессоры, и старые дешевые процессоры.

Примечания

"ARMed for the living room" .
"An interview with Steve Furber"
samsung Nexus 10 - Geekbench Browser
MacBook Air - Geekbench Browser
Apache Benchmarks for Calxeda’s 5-Watt Web Server – ARM Servers, Now!
http://www.apm.com/global/x-gene/docs/2012_03_OPP%20Cloudy%20with%20a%20Chance%20of%20ARM.pdf
«ARM810 - Dancing to the Beat of a Different Drum» ARM Holdings presentation at Hot Chips 1996-08-07.
Register 13, FCSE PID register ARM920T Technical Reference Manual
Neo1973: GTA01Bv4 versus GTA02 comparison . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 15 ноября 2007.
S3C2410 . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 13 января 2010.
Rockbox Samsung SA58xxx series . Архивировано
Rockbox Meizu M6 Port – Hardware Information . Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 22 февраля 2008.
Datasheets - Magic Lantern Firmware Wiki
STR9 – STR912 – STR912FW44 microcontroller – documents and files download page . Mcu.st.com.(недоступная ссылка - история ) Проверено 18 апреля 2009.
Starlet .
Benchmarks – Albatross . Albatross-uav.org (18 июня 2005).(недоступная ссылка - история ) Проверено 18 апреля 2009.
ARM1136J(F)-S – ARM Processor . Arm.com. Архивировано
Qualcomm chips kernel ARM - from phones to laptops . xi0.info. Архивировано
Qualcomm MSM7227 RISC Chipset . pdadb.net. Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 8 мая 2010.
GoForce 6100 . Nvidia.com. Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Mediatek MT6573 . http://www.mediatek.com. ; Архивировано из первоисточника 6 июня 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Samsung S3C6410 and S3C6430 Series ARM Proccessors . Samsung. Проверено 8 октября 2009. , and the Qualcomm MSM7627 as seen in the Palm Pixi and Motorola Calgary/Devour
Merrit, Rick "ARM stretches out with A5 core, graphics, FPGAs" . EE Times (21 октября 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 28 октября 2009.
Clarke, Peter ARM tips plans for Swift and Sparrow processor cores . EE Times (3 февраля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
Segan, Sascha ARM"s Multicore Chips Aim for Netbooks . PC Magazine (9 апреля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 18 апреля 2009.
http://pc.watch.impress.co.jp/video/pcw/docs/423/409/p1.pdf
Cortex-A15 Processor - ARM
Cortex-A7 Processor - ARM
Benz, Benjamin Cortex Nachwuchs bei ARM . Heise.de (2 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 3 мая 2010.
Clarke, Peter ARM preps tiny core for low-power microcontrollers . EE Times (23 февраля 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 30 ноября 2009.
Walko, John NXP first to demo ARM Cortex-M0 silicon . EE Times (23 марта 2009). Архивировано из первоисточника 13 марта 2012. Проверено 29 июня 2009.
ARM Powered VCAs " Triad Semiconductor
Cortex-M0 used in low power touch controller - 10/06/2009 - Electronics Weekly
Chungbuk Technopark Chooses ARM Cortex-M0 Processor
Google Translate
Austriamicrosystems Chooses ARM Cortex-M0 Processor For Mixed Signal Applications
«ARM Extends Cortex Family with First Processor Optimized for FPGA» , ARM press release, March 19, 2007. Retrieved April 11, 2007.