Микропроцессоры архитектуры ARM

В техническом плане 1999 год стал для ARM также плодотворным. Весной компания представила новую модель процессора ARM9E, сочетающего традиционное ядро процессора ARM9 с расширенным набором команд цифровой обработки сигналов. Он быстро нашел свою нишу в мобильной телефонии, модемах, персональных информационных устройствах (PDA), средствах распознавания речи, автомобильных и промышленных приложениях. Впоследствии лицензию на этот процессор приобрели Samsung, Texas Instruments, Broadcom, Toshiba, NEC и многие другие компании.

Вершиной коммерческого развития ARM Holdings стало создание в 2000 году новой бизнес-модели, получившей название ARM Foundry Program. В рамках этой модели компании, не владеющие собственной производственной базой, смогли получить доступ к изготовлению ARM-систем сертифицированными производителями. Это, в свою очередь, способствовало сокращению времени выхода на рынок конечного продукта на базе процессора ARM, так как OEM16 производитель теперь мог напрямую работать с фирмой-производителем, одобренной ARM. В отличие от ставшей уже тогда классической схемы лицензирования, при которой передавались права, как на проектирование, так и на производство микросхем, новая модель предусматривала трехстороннее партнерство между ARM Holdings, фирмой-производителем и OEM-компанией.

В 2001 году на проходящем ежегодно в калифорнийском городе Сан-Хосе микропроцессорном форуме ARM представила архитектуру ARMv6, разработанную в тесном сотрудничестве с такими лицензиатами компании как Intel Corporation, Motorola и Texas Instruments. Такой подход позволил расширить возможности архитектуры при сохранении совместимости с более ранними ARM-продуктами, в первую очередь, на программном уровне. Это способствовало сокращению затрат партнеров компании на разработку нового программного обеспечения. Процессоры ARMv6 отличались от предыдущих версий повышенной на 30 % общей производительностью, восьмикратно увеличенной производительностью для медиа приложений, лучшей поддержкой многопроцессорных систем.

В октябре того же года Уоррен Ист, ключевая фигура в истории развития бизнеса ARM, стал главным исполнительным директором компании. На этом посту он пребывает и по сегодняшний день. До того, как присоединиться к ARM в 1994, он работал в команде Texas Instruments. В феврале 1998 года Ист был назначен на должность вице-президента компании, а в октябре 2000 года – на должность главного операционного директора. И ровно через год он занимает кресло исполнительного директора, официально став первым лицом ARM Holdings. Под руководством Уоррена Иста компания ARM продолжила успешное развитие. Свой успех компания подтвердила громким заявлением о том, что 2002 году на основе архитектуры ARM было произведено более одного миллиарда процессоров. В этот же период лицензии приобретаются еще рядом крупных компаний, среди которых Seagate, Philips, Matsushita, eSilicon, Chip Express и другие.

Приблизительно через полгода после анонсирования ARMv6 компания представила ARM11 – новый тип микроархитектуры, разработанный специально для нужд беспроводных и потребительских устройств следующего поколения, предъявляющих особые требования в плане энергопотребления при сохранении высокой производительности Микроархитектура разрабатывалась при консультативной поддержке разработчиков операционных систем WindowsCE, Symbian OS, Palm OS, и Linux, что позволило с успехом использовать ARM11 в таких популярных устройствах как iPhone (2G и 3G), iPod Touch (1G и 2G), HTC Touch Diamond, LG Optimus One, Nokia 5800 XpressMusic, Nokia N8, Samsung Galaxy Ace и многих других.

В середине октября следующего года в названии новой серии процессоров ARM впервые использовала слово, знакомое сейчас практически каждому, – «Cortex». Анонсированный в качестве первого представителя нового семейства, процессор ARM Cortex-M3, по сути, стал флагманом этой серии. Основанный на архитектуре ARMv7-M, он имеет показатель производительности 1.25 DMIPS/МГц. Представлением этого ядра компания подчеркнула свою направленность на создание дешевой, но, в то же время, качественной продукции с высокими характеристиками. Ядро, имеющее всего 33000 транзисторов, унифицированная периферия и простота производства в целом делает данный процессор очень дешевым. Показатель энергопотребления процессоров Cortex-M3 составляет всего 0.19 мВт/МГц. В результате, естественной средой обитания этих процессоров стали микроконтроллерные приложения, о чем, собственно, и говорит литера M.

В 2005 году компания представила еще одну архитектуру процессоров семейства Cortex, но уже не для микроконтроллеров (процессоры с литерой M), а для широкого диапазона приложений (процессоры с литерой A или Applications processors) – Cortex-A8. Благодаря высокой производительности и эффективному энергопотреблению, менее чем 300 мВт, новый процессор стал с успехом применяться в мобильных телефонах, игровых приставках, автомобильных навигационных и развлекательных системах и пр. Cortex-A8 имеет широкую поддержку операционных систем высокого уровня, например Linux и Android, и операционных систем реального времени. Этот процессор стал настолько успешным, что в итоге, авторитетное издание в области микропроцессорных технологий Microprocessor Report признало Cortex-A8 лучшим продуктом 2005 года. Впрочем, и сама компания ARM не осталась без награды. В конце 2005 года американский журнал Electronic Business причислил ARM Holdings к десятке наиболее значимых компаний в сфере электроники за последние 30 лет. Издание охарактеризовало компанию как «яркую точку полупроводникового IP-бизнеса». Такое признание успехов как бы подводило черту в отчете о проделанной плодотворной работе за первую половину нулевых годов и устремляло компанию к новым горизонтам.

В мае 2006 года ARM анонсировала третью ветвь линейки Cortex с литерой R (для систем реального времени). Первенец этого семейства Cortex-R4 был предназначен для таких приложений как мобильные телефоны следующего поколения, приводы жестких дисков, принтеры, автомобильная электроника. Внушительный показатель производительности для такого класса устройств (до 1030 DMIPS) позволили ему качественно обрабатывать сложные алгоритмы управления в условиях реального времени, а малое энергопотребление ядра (примерно 0.09 … 0.12 мВт/МГц, в зависимости от конфигурации) сделало его популярным для широкого класса изделий.

Не смея бросать развитие других ответвлений семейства Cortex, компания в следующем году разработала Cortex-M1 – первый ARM-процессор, специально спроектированный для встраивания в FPGA17.

Через полгода, осенью 2007 ARM анонсировала процессор Cortex-A9, который впоследствии приобрел огромную популярность. Компания предложила этот процессор сразу в двух вариантах – одноядерном и многоядерном. С тактовой частотой до двух гигагерц и производительностью 2.5 DMIPS/МГц на ядро Cortex-A9 стал настоящим монстром на рынке процессоров. В связи с этим неудивительно, что еще до релиза лицензию на процессор поспешили приобрести такие гиганты как NEC Electronics, NVIDIA, Samsung, STMicroelectronics и Texas Instruments. Он стал использоваться в смартфонах, мобильных компьютерах, различной потребительской электронике, автомобильных системах навигации и развлечения, сетевых устройствах и пр. Достаточно сказать, что два популярных сегодня продукта компании Apple – планшетный ПК iPad2 и смартфон iPhone4S используют систему-на-кристалле Apple A5, содержащую процессор Cortex-A9.

Но сотрудники компании работали не только на развитие семейства Cortex. Так, в феврале 2007 года миру электроники был представлен очередной продукт от ARM, который также был «обречен» стать успешным. На этот раз им стала архитектура двух графических процессоров (GPU) – Mali200 и Mali55. Первый предназначался для обработки сложной 3D графики мобильных игр следующего поколения в смартфонах и других современных портативных устройствах, а второй, благодаря очень компактным размерам и низкой стоимости, предназначался для работы с 3D в бюджетных телефонах. Впрочем, оба графических процессора поддерживали как маленькие дисплеи, так и экраны с разрешением HDTV

В 2008 году была преодолена очередная «юбилейная» планка уровня производства ARM-процессоров во всем мире, о чем компания торжественно объявила в январе. 10 миллиардов процессоров – такой объем смогла освоить мировая полупроводниковая промышленность с 1991 года, когда ARM разработала свой первый процессор с RISC-архитектурой – ARM6. «Теперь наши партнеры производят более одного процессора на каждого жителя планеты» – таковы были слова Уоррена Иста, вкратце описывающие впечатляющий масштаб данного события.

В 2009 году на свет появился Cortex-M0 – дешевый 32-разрядный процессор с низким уровнем энергопотребления и небольшим количеством выводов. Он был предназначен для тех приложений, в которых уже не хватало производительности 8- и 16-битных процессоров, а применение мощных 32-битных было излишним с технической и финансовой точек зрения. Cortex-M0 хорошо зарекомендовал себя в цифровых камерах, медиа проигрывателях, навигационных устройствах, бытовой технике. Но уже спустя год ARM выпустила диаметрально противоположный в плане производительности продукт того же семейства – Cortex-M4. Этот мощный, высокоэффективный 32-разрядный процессор, предназначенный для решения задач сложной обработки цифровых сигналов и нацеленный на применение в промышленных приложениях и встраиваемых системах.

В июле 2010 года два титана мира высоких технологий крепко пожали друг другу руки – коропорация Microsoft стала лицензиатом ARM Holdings. Эта новость сразу взбудоражила аналитиков рынка электронных компонентов и устройств. Некоторые издания публиковали статьи с заголовками типа «Будет ли следующим микропроцессор от Microsoft?». Впрочем, компании начали работать совместно еще с 1997 года. Это были взаимоотношения в рамках консультаций по поводу разработок программного обеспечения и более качественной его совместимости с аппаратной частью. Но теперь компьютерной общественности было неясно и очень любопытно, что же будет делать Microsoft с новоприобретенными правами. На этот счет главный менеджер корпорации К.Д. Холлман сказала следующее: «С лучшим доступом к технологиям ARM мы сможем усовершенствовать наши исследовательские и проектные работы над продуктами на базе ARM-архитектуры». Это означало, что Microsoft собирается оптимизировать свои операционные системы Windows Embedded и Windows Phone применительно к ARM-архитектуре.

Компания выпустила два мощнейших на сегодняшний день процессора из линейки своей продукции – Cortex-A15 и Cortex-A17. Они нацелены на работу в смартфонах, планшетных ПК, цифровом домашнем оборудовании, серверах и беспроводных точках доступа. По утверждению самой компании, это «самые высокопроизводительные процессоры, которые когда-либо видела индустрия». А уже в 2012 году ARM сообщила о выпуске новой серии процессоров ARM Cortex-A50 [8]. Они основаны на архитектуре ARMv8.Серию открыли модели Cortex-A53 и Cortex-A57, поддерживающие 64-разрядные и 32-разрядные вычисления. Модель Cortex-A57 — самый высокопроизводительный процессор ARM, а Cortex-A53 — наиболее энергетически эффективный. Кроме того, Cortex-A53 — самый маленький в мире 64-разрядный процессор.

Сегодня ARM Holdings представляет собой целую империю в области разработки и продвижения на рынок передовых процессорных технологий. Благодаря конкурентоспособности постоянно обновляемой продукции, доходы компании неуклонно увеличиваются [7].

5.3 Основные особенности функционирования процессоров с архитектурой ARM

Итак, в прошлом подпункте подробно рассмотрена, достаточно интересная история развития и становления ARM Holdings, теперь стоит отметить основные особенности построения и функционирования процессоров с ARM архитектурой. Так как уже давно существует справочное руководство по архитектуре ARM, которое разграничивает все поддерживаемые типы интерфейсов, и практически любой человек может свободно с  ним ознакомиться, в данной работе будет отмечены лишь основные принципы и особенности.

 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.

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.

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 ARM:

Режим, в котором исполняется 32-битный набор команд.

Набор команд 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 32 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.