Микропроцессоры архитектуры ARM

Однако к моменту разработки RISC-архитектуры, промышленным стандартом микропроцессоров де-факто стала архитектура Intel x86, выполненная по принципу CISC-архитектуры. Наличие большого числа программ, написанных под архитектуру Intel x86, сделала невозможным массовый переход ЭВМ на RISC-архитектуру. По этой причине основной сферой использования RISC-архитектуры явились микроконтроллеры, благодаря тому, что они не были привязаны к существующему программному обеспечению. Кроме того некоторые производители ЭВМ так же начали выпускать ЭВМ, построенные по RISC-архитектуре, однако несовместимость программного обеспечения между Intel x86 и RISC-архитектурой в значительной степени ограничивала распространение последних.

Но преимущества RISC-архитектуры были столь существенны, что инженеры нашли способ перейти на вычислители, выполненные по RISC-архитектуре, при этом, не отказываясь от существующего программного обеспечения. Ядра большинство современных микропроцессоров, поддерживающих архитектуру Intel x86, выполнены по RISC-архитектуре с поддержкой мультискалярной конвейерной обработки. Микропроцессор получает на вход инструкцию в формате Intel x86, заменяем ее несколькими (до 4-х) RISC-инструкциями.

Таким образом, ядра большинства современных микропроцессоров, начиная с Intel 486DX, выполнены по RISC-архитектуре с поддержкой внешнего Intel x86 интерфейса. На сегодняшний день подавляющее большинство микроконтроллеров, а так же некоторые микропроцессоры выпускаются по RISC-архитектуре [3].

5 МИКРОПРОЦЕССОРЫ С ARM – АРХИТЕКТУРОЙ

5. 1 Общие сведения

ARM - это название архитектуры  и одновременно название компании, ведущей ее разработку. Аббревиатура ARM расшифровывается как (Advanced RISC Machine или Acorn RISC Machine), это может быть переведено как  усовершенствованная RISC-машина. ARM архитектура объединяет в себе семейство как 32, так и 64-разрядных микропроцессорных ядер, разработанных и лицензируемых компанией ARM Limited. Компания ARM Limited занимается исключительно разработкой ядер и инструментария для них (средства отладки, компиляторы и т.д), однако сами процессоры не производит. Компания ARM Limited продает лицензии на производство ARM процессоров сторонним фирмам. ARM Holdings за всё время своего существования не произвела ни одной микросхемы. Более того, эта компания даже не занимается продвижением продукции под своей маркой. Вместо этого она продаёт (лицензирует) интеллектуальную собственность, которая позволяет другим фирмам разрабатывать и производить чипы на основе архитектуры ARM. Список нескольких компаний, получивших лицензию на производство ARM процессоров на сегодняшний день: AMD, Atmel, Altera, Cirrus Logic, Intel, Marvell, NXP, Samsung, LG, MediaTek, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale и многие другие.

 Распространена практика, когда компании, получившие лицензию на выпуск ARM процессоров, создают собственные варианты ядер на базе ARM архитектуры. Пример таких компанийь: DEC StrongARM, Freescale i.MX, Intel XScale, NVIDIA Tegra, ST-Ericsson Nomadik, Qualcomm Snapdragon, Texas Instruments OMAP, Samsung Hummingbird, LG H13, Apple A4/A5/A6 и HiSilicon K3.

  На базе ARM процессоров сегодня работают фактически любая электроника: мобильные телефоны и смартфоны, цифровые плееры, портативные игровые консоли, калькуляторы, внешние жесткие диски и маршрутизаторы. Все они содержат в себе ARM-ядро, поэтому можно сказать, что ARM – в некотором роде мобильные процессоры для смартфонов и планшетов.

  ARM процессор представляет собой SoC9 систему. SoC система может содержать в одном кристалле CPU10, и остальные части полноценного компьютера. Это и контроллер памяти, и контроллер портов ввода-вывода, и графическое ядро, и система геопозиционирования (GPS11). В нем может находится и 3G модуль, а также многое другое.

 Если рассматривать отдельное  семейство ARM процессоров, допустим  Cortex-A9 (или любое другое), то стоит заметить, что не все процессоры одного семейства имеют одинаковую производительность или все снабжены GPS модулем. Все эти параметры сильно зависят от производителя чипа и того, что и каким образом он решил реализовывать в своем продукте.

  Как уже было отмечено ранее  RISC архитектура подразумевает под собой уменьшенный набор команд, что соответственно ведет к очень умеренному энергопотреблению, т.е для реализации микропроцессора с ARM – структурой используется гораздо меньше транзисторов. Также стоит отметить, что в SoC-системе все периферийные устройства находится внутри одной микросхемы, что позволяет ARM процессору быть более экономичным в плане энергопотребления [5].

5. 2 История развития

Шел 1979 год американская компания по производству и изданию компьютерных игр Atari, основанная в 1972 году представила свою версию игрового автомата Asteroids. На свет появился язык программирования ADA. Основались такие компании, как 3COM, Oracle, и Seagate. Были представлены процессоры Motorola 68K и Intel 8088. И в это же время Герман Хаузер (Hermann Hauser) и Крис Керри (Chris Curry) с группой студентов и исследователей из различных лабораторий Кембриджского университета основали Acorn Computers, чтобы начать разработку персональных компьютеров в Кембридже. Первым продуктом Acorn стал британский домашний компьютер Atom с быстрым по тем временам процессором 1 МГц и 12 килобайтами ПЗУ и ОЗУ. После этого, в целях расширения производства и сбыта домашних компьютеров, а также, для повышения компьютерной грамотности британцев компания начала работу с Британской телерадиовещательной корпорацией (BBC). Получившийся продукт, BBC micro, достиг поразительного успеха после выхода в свет в 1982 году.

Однако остальные игроки на компьютерном рынке тоже не сидели, сложа руки. Например, компания Apple представила компьютер Lisa, который сочетал в себе первую для ПК коммерческую оконную среду и 16-разрядный процессор. Это дало понять людям из Acorn, что все увеличивающаяся производительность будет необходима за пределами сферы 8-разрядных вычислительных машин. И в качестве непосредственного результата в Acorn был организован отдел Перспективных исследований и разработок, чтобы попытаться реализовать специальный проект процессора с сокращенным набором команд (RISC). На тот момент эта идея была довольно-таки революционной.

Результатом этой научно-исследовательской работы стал первый ARM процессор (от сокращения фразы Acorn RISC Machine, которая потом сменилась на Advanced RISC Machine). Первые экземпляры процессора, изготовленного компанией VLSI Technology , Acorn представила в 1985 году. Результат превзошел первоначально поставленные цели разработки, так как в процессоре использовалось менее 25000 транзисторов.

ARM1 вскоре сменился моделью ARM2, первой версией ARM процессора, запущенной  в массовое производство, и, возможно, самым простым RISC процессором в  мире, состоящем всего лишь из 30000 транзисторов. По сравнению с ARM1 он имел улучшенный набор  инструкций, повышающий производительность  окружающих его систем. Процессор  имел 32-разрядную шину данных, 26-разрядную  шину адреса, 16 регистров, а также  внешний кэш. Среди прочего, были  добавлены инструкции умножения  и умножения с накоплением, облегчающие  цифровую обработку сигналов, необходимую  для генерации звуков – важной  функции для домашних компьютеров  и компьютеров, используемых в  сфере образования. Несмотря на  все эти дополнения, кристалл ARM2 все равно отличался малыми  размерами и небольшим количеством  транзисторов. Новый процессор, как  и ARM1, также производился компанией VLSI Technology, получившей права на его продажу

Вторым изделием, в котором использовался ARM процессор, был мультимедийный ПК компании Acorn под названием Archimedes, выпущенный в 1987 году. Компьютер состоял из 8-мегагерцовой версии процессора ARM2, трех микросхем поддержки, контроллера ввода/вывода и простой операционной системы. После выхода на рынок Archimedes получил довольно прохладные отзывы, так как Acorn представила компьютер с новым процессором, новой операционной системой и без какого-либо программного обеспечения, необходимого пользователям. Потребовалось два-три года, чтобы разработать достаточное количество приложений для ARM процессора и ПК Archimedes. После этого компания Acorn улучшила и развила свои модели компьютеров, чтобы утвердиться в качестве лидера на британском рынке компьютеров для дома и образования. После выхода Archimedes Acorn продолжала поддерживать свою команду исследователей и разработчиков в создании улучшенных версий ARM процессоров. Для обеспечения такого уровня производительности, который отвечал бы требованиям самых современных персональных компьютеров, были добавлены 4 Кб встроенного кэша данных и команд, а тактовая частота увеличена до 25 МГц. Так появился ARM3. В 1990 он стал использоваться в настольных компьютерах компании Acorn. Тем временем, Герман Хаузер начал новый бизнес, основав компанию Active Book Company, сфокусировавшую свою деятельность на формирующемся рынке персональных электронных помощников (PDA12).

Между тем, компания Apple также выходила на рынок PDA. Джон Стоктон (John Stockton), научный сотрудник VLSI Technology, убедил проектную группу и Ларри Теслера (Larry Tesler), который возглавлял команду в Apple, в необходимости использования ARM. В 1990 году, удалось договориться о создании совместного предприятия между Apple, VLSI Technology и Acorn.

27 ноября 1990 Робин Сэксби (Robin Saxby), приглашенный на должность генерального директора, официально создал компанию Advanced RISC Machines (ARM). По заявлению Робина, целью новой компании было «повернуться к растущему рынку и атаковать его высокопроизводительными, малопотребляющими и дешевыми 32-разрядными микросхемами с RISC-архитектурой». Было принято решение разрабатывать основные технологии с последующим их лицензированием в качестве интеллектуальной собственности (IP13).

 В 1990-х появилась новая модель  маленьких инновационных компаний, создающих продукцию интеллектуальной  собственности, которая превращалась  в реальные изделия с помощью  уже других компаний, занимающихся  также ее продажей и представлением  на рынке. И ARM была первооткрывателем  этой модели.

Итак, ARM приступила к работе, один из близких друзей Робина настаивал на том, что такая модель совместного предприятия никогда не заработает, потому что все партнеры (которые также были первыми клиентами ARM) имели определенные капиталовложения – Acorn предоставляла персонал, Apple обеспечивала финансовую поддержку, а VLSI Technology – технологии средств разработки. В первый год ARM столкнулась с серьезной проблемой, исчерпав практически все финансовые ресурсы. Как утверждал Робин, «В первые дни мы были очень экономны и скупы, считая мили, потраченные на перелеты. Начальная фаза была очень тяжела, и получение кредитной линии также было тяжелым испытанием. В конечном счете, благодаря старым контактам с одним банковским служащим, я все же получил кредит». В качестве одной из мер экономии, маленькая команда ARM располагает свои офисы в переделанном амбаре.

 Хотя процессор ARM создавался  как заказное устройство для  совершенно конкретной цели, разрабатывающая  его команда чувствовала, что  самый правильный путь – это  путь производства процессоров  с характеристиками, удовлетворяющими  как можно более широкому кругу  приложений. Однако надо отметить, что судьба архитектуры ARM сложилась случайно. В то время как большинство производителей процессоров с RISC архитектурой занималось конструированием сравнительно больших микросхем, ARM предпочла создавать процессоры с малой степенью интеграции. Одной из причин такого решения, было то, что имеющихся у компании на тот момент средств разработки было недостаточно для создания больших и сложных устройств. Сейчас это является несомненным преимуществом ARM-процессоров, но начиналось все с того, что команде талантливых, но неопытных инженеров (большинство членов команды было программистами и разработчиками схем на уровне печатных плат) потребовалось создать процессор, используя новые для нее инструменты разработки, многие из которых, к тому же, давно устарели.

Несмотря на стесненные условия работы, мотивация и азарт у маленькой команды были высоки. Как и для большинства стартаповых компаний, главной целью ARM было выпустить свою первую готовую продукцию. В данном случае, таковой стал процессор ARM610, специально разработанный для Apple. Это устройство поддерживало полную 32-разрядную адресацию и обратный порядок байтов – одно из многочисленных требований компании Apple, необходимых для использования процессора ARM в ее будущих разработках. Были также разработаны улучшенный видеоконтроллер VIDC20 и сопроцессор с плавающей точкой. Целью Apple было использование их продукта в процессоре персонального карманного органайзера.

Момент решающего прорыва для ARM настал в 1993 году с началом сотрудничества с Texas Instruments (TI). Это был прорыв, который повысил уровень доверия к ARM и доказал жизнеспособность новой бизнес-модели лицензирования. Соглашение подтолкнуло ARM к формализации этой модели, а также к созданию более рентабельных продуктов.

Вслед за TI, за лицензией к ARM обратилась компания Samsung, и всего лишь после четырех встреч соглашение было достигнуто. Деловые связи внутри отрасли оказали существенное влияние на повышение уровня восторженной поддержки продукции ARM и принесли компании новые соглашения о лицензировании. Эти сделки также открыли дополнительные возможности для развития RISC-архитектуры. Относительно небольшая, но динамичная культура ARM дала этому направлению преимущество в сроках разработки продукции, что является существенным фактором в такой быстро развивающейся сфере производства. Подтверждением этому явилась лицензия Digital Equipment Corporation (DEC14), ставшая той движущей силой, которая привела ARM к созданию версии ARM10 названной StrongARM.

К концу 1997 года капитал компании вырос до 26.6 миллионов фунтов стерлингов, £2.9 миллиона из которых были чистой прибылью, и пришло время выходить в большое плавание. Хотя компания готовилась к расширению на протяжении трех лет, Робин на счет этого советовал всем: «Подождите, пока вы не поймете, что уже готовы, и затем подождите еще шесть месяцев».

17 апреля 1998 года ARM Holdings была внесена в объединенный список Лондонской Биржи и рынка NASDAQ15. Как полагала ARM, NASDAQ был тем рынком, выход на который позволит компании получить ту оценку, которую она заслужила. Одна из проблем для ARM заключалась в продвижении их бренда, так как новые условия требовали привлечения внимания со стороны новой аудитории, включая обычного потребителя. Как говорил Уоррен Ист (Warren East), занявший в феврале 1998 г. пост исполнительного директора ARM, «Наша архитектура лежит в основе широкого спектра потребительской электроники, и нам необходимо учитывать влияние и важность формирования осведомленности о нашей продукции в среде потребителей. Такая осведомленность поможет как ARM, так и нашим партнерам. Но мы не будем решать эту задачу в одиночку. Наш успех основан на стратегических отношениях с нашими партнерами, и мы продолжим разрабатывать наши стратегические планы, включая планы по продвижению бренда, в тесном сотрудничестве с ними». Компания, обновившая свое название до ARM Holdings , уверенно попрощалась с двадцатым веком. В 1999 она была включена в базу расчета фондового индекса FTSE 100, который считается одним из наиболее влиятельных биржевых индикаторов в Европе. Тем самым ARM Holdings доказывала, что является одной из ста компаний с наибольшей капитализацией, включенных в списки Лондонской фондовой биржи. В том же году такие крупные игроки на рынке электронной продукции и компонентов, как STMicroelectronics, Fujitsu и LSI Logic, приобрели лицензии на продукцию ARM.