Архитектура ARM (от — усовершенствованная RISC-машина; иногда — Acorn RISC Machine) — система команд и семейство описаний и готовых топологий 32-битных и 64-битных микропроцессорных/микроконтроллерных ядер, разрабатываемых компанией ARM LimitedКомпания ARM Limited занимается исключительно разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.), зарабатывая на лицензировании архитектуры сторонним производителям..
Среди лицензиатов готовых топологий ядер ARM — компании AMD, Amazon, Ampere Computing, Analog Devices, Apple, Atmel, Cirrus Logic, Freescale, Google, HiSilicon, Intel (до 27 июня 2006 года), LG, Marvell, MediaTek, Microsoft, Nvidia, NXP, Qualcomm, Samsung, Sony, STMicroelectronics, Texas Instruments, Xilinx, Байкал Электроникс, Миландр, Элвис.
Значимые семейства процессоров: ARM7, ARM9, ARM11 и CortexД.Козлов-Кононов. Процессорные ядра семейства Cortex. Сочетание высокой производительности и низкого энергопотребления , журнал Электроника, вып. #8/2010.
Многие лицензиаты проектируют собственные топологии ядер на базе системы команд ARM: DEC StrongARM, Freescale i.MX, Intel XScale, NVIDIA Tegra, ST-Ericsson , Krait и Kryo в Qualcomm Snapdragon, Texas Instruments OMAP, Samsung Hummingbird, LG H13, Apple A6 и HiSilicon K3.
Популярность В 2006 году около 98 % из более чем миллиарда мобильных телефонов, продававшихся ежегодно, были оснащены, по крайней мере, одним процессором на базе архитектуры ARM«ARMed for the living room» .. По состоянию на 2009 на процессоры ARM приходилось до 90 % всех встроенных 32-разрядных процессоров«An interview with Steve Furber» // Communications of the ACM, May 2011, Vol. 54 No. 5, Pages 34-39, doi:10.1145/1941487.1941501. Процессоры ARM широко используются в потребительской электронике — в том числе смартфонах, мобильных телефонах и плеерах, умных телевизорах, IP-камерах, портативных игровых консолях, программируемых и инженерных калькуляторах, умных часах и компьютерных периферийных устройствах, таких, как жесткие диски, маршрутизаторы, мониторы, веб-камеры. Являются основной частью аппаратных платформ для IoT.
Часто такие процессоры и однокристальные системы применяются в системах АСУ ТП.
Эти процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и преобладают на рынке мобильных устройств и Интернета вещей, для которых данный фактор критически важен.
История После достижения некоторых успехов с компьютером BBC Micro британская компания Acorn Computers задумалась над переходом от относительно слабых процессоров MOS Technology 6502 к более производительным решениям и выходу на рынок бизнес-компьютеров с той же платформой BBC Micro. Такие процессоры, как Motorola 68000 и 32016 от National Semiconductor, были для этого непригодны, а 6502 был недостаточно мощным, чтобы поддерживать графический пользовательский интерфейс.
Компании была нужна совершенно новая архитектура после того, как она протестировала все доступные ей процессоры и сочла их неэффективными. Acorn серьёзно настроился на разработку собственного процессора, и их инженеры начали изучать документацию проекта RISC, разработанного в Университете Калифорнии в Беркли. Они подумали, что раз уж группе студентов удалось создать вполне конкурентоспособный процессор, то их инженерам это будет несложно. Поездка в Western Design Center (Аризона) показала инженерам Стиву Ферберу и Софи Уилсон (на тот момент известной под именем Роджер), что им не потребуются невероятные ресурсы для осуществления этого плана.
Уилсон приступила к разработке системы команд, создавая симулятор нового процессора на компьютере BBC Micro. Её успехи в этом убедили инженеров Acorn, что они на верном пути. Но все же перед тем, как идти дальше, им требовалось больше ресурсов, настало время для Уилсон идти к директору Acorn Герману Хаузеру и объяснить, в чём 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. 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 — именно 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, использовавшегося 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 ещё раз выиграл Премию королевы для предприятий 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 30 тысяч транзисторов (для сравнения, в сделанном на 6 лет раньше процессоре Motorola 68000 было 68 тысяч 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 во 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 ещё больше увеличило производительность.
Apple, DEC, Intel: ARM6, StrongARM, XScale В конце 1980-х годов Apple Computer и VLSI Technology начали работать с Acorn Computers над новыми версиями ядра ARM. Работа была настолько важна, что Acorn преобразовала команду разработчиков в 1990 году в новую компанию под названием Advanced RISC Machines. По этой причине ARM иногда расшифровывают как Advanced RISC Machines вместо Acorn RISC Machine. Advanced RISC Machines стала ARM, когда её родительская компания ARM Holdings вышла на Лондонскую фондовую биржу и NASDAQ в 1998 году.
Новая работа Apple-ARM в конечном итоге превратилась в ARM6, впервые выпущенный в 1992 году. Apple использовала основанный на базе ARM6 процессор ARM610 в качестве основы для своего продукта Apple Newton PDA. В 1994 году Acorn стала использовать ARM610 как главный процессор в своих компьютерах RISC PC. Компания DEC также купила лицензию на архитектуру ARM6 (чем вызвала небольшую путаницу, поскольку они также производили процессоры Alpha) и начала производить StrongARM. На 233 МГц этот процессор требовал всего 1 Вт мощности (более поздние версии требовали гораздо меньше). Позднее Intel получил права на эту работу в результате судебного процесса. Intel воспользовалась возможностью дополнить свою устаревшую линейку I960 процессором StrongARM и позднее разработала свою версию ядра под торговой маркой XScale, которую они впоследствии продали компании Marvell.
Ядро ARM сохранило все тот же размер после всех этих изменений. У ARM2 было 30 тысяч транзисторов.
Влияние ARM-технологии на рынок В основном процессоры семейства завоевали сегмент массовых мобильных продуктов (сотовые телефоны, карманные компьютеры) и встраиваемых систем средней и высокой производительности (от сетевых маршрутизаторов и точек доступа до телевизоров). Отдельные компании заявляют о разработках эффективных серверов на базе кластеров ARM-процессоров, но пока это только экспериментальные проекты с 32-битной архитектуройCloudy with a chance of ARM. What the Microserver Market Means for Semiconductor Vendors // Oppenheimer & Co. Inc, March 30, 2012.
Предыдущий лидер списка — суперкомпьютер Summit (OLCF-4), разработанный совместно компаниями IBM (серверные узлы), Mellanox (межсоединение) и Nvidia (графические ускорители), и установленный в Ок-Риджской национальной лаборатории — стал вторым, уступив почетное первое место новой японской топ-системе Fugaku (), которая показала результат High Performance/Highly Parallel Linpack (HPL), равный 415,5 петафлопс. Данный показатель превосходит возможности Summit в 2,8 раза. Fugaku оснащен 48-ядерным процессором A64FX SoC фирмы Fujitsu, таким образом, японская разработка стала первой в истории системой № 1 в списке ТOP500, при этом оснащенной процессорами ARM. При одинарной или более низкой точности, которая часто используется для задач машинного обучения и искусственного интеллекта, пиковая производительность Fugaku составляет более 1000 петафлопс (1 экзафлопс). Новая система установлена в Центре вычислительных наук RIKEN (R-CCS) в Кобе, Япония.
Процессоры ARM
В настоящее время значимыми являются несколько семейств процессоров ARM: ARM7 (с тактовой частотой до 60-72 МГц), предназначенные, например, для недорогих мобильных телефонов и встраиваемых решений средней производительности. В настоящее время активно вытесняется новым семейством Cortex. ARM9, ARM11 (с частотами до 1 ГГц) для более мощных телефонов, карманных компьютеров и встраиваемых решений высокой производительности. Cortex A — новое семейство процессоров на смену ARM9 и ARM11. Cortex M — новое семейство процессоров на смену ARM7, также призванное занять новую для ARM нишу встраиваемых решений низкой производительности. В семействе присутствуют четыре значимых ядра: Cortex-M0, Cortex-M0+ (более энергоэффективное) и Cortex-M1 (оптимизировано для применения в ПЛИС) с архитектурой ARMv6-M; Cortex-M3 с архитектурой ARMv7-M; Cortex-M4 (добавлены SIMD-инструкции, опционально FPU) и Cortex-M7 (FPU с поддержкой чисел одинарной и двойной точности) с архитектурой ARMv7E-M; Cortex-M23 и Cortex-M33 с архитектурой ARMv8-M ARMv8-M .
В 2010 году производитель анонсировал процессоры Cortex-A15 под кодовым названием Eagle, ARM утверждает, что ядро Cortex A15 на 40 процентов производительнее на той же частоте, чем ядро Cortex-A9 при одинаковом числе ядер на чипе. Изделие, изготовленное по 28-нанометровому техпроцессу, имеет 4 ядра, может функционировать на частоте до 2,5 ГГц и будет поддерживаться многими современными операционными системами.
Популярное семейство микропроцессоров xScale фирмы Marvell (до 27 июня 2007 года — Intel) в действительности является расширением архитектуры ARM9, дополненной набором инструкций Wireless MMX, специально разработанных фирмой Intel для поддержки мультимедийных приложений.