Arm компания. Сравнительный анализ микроконтроллеров с ядром ARM
Новый фаворит в гонке процессорных вооружений - фирма не из Кремниевой долины, а из английского научного городка Кембридж. Однако ее успех - вещь вовсе не внезапная, и за ним стоит история длиной в тридцать лет.
Бок о бок с Intel мы живем еще с восьмидесятых годов - имя этой компании встречается в новостях так часто, что название нынешнего поколения ее процессоров нередко известно даже далеким от техники людям. Но времена изменились, и планшеты со смартфонами стали потихоньку отбирать внимание и пользователей у персоналок, а отливают их ядра вовсе не на фабриках Intel. На передний план внезапно вышла британская компания ARM, о которой до недавних пор слышали лишь специалисты. Что за люди стоят за созданием процессоров, давших дорогу новому поколению компьютеров?
Формально фирма ARM Holdings была создана в 1990 году, а конкретнее - в тот момент, когда было подписано соглашение между тремя компаниями: Apple Computer, Acorn Computers и VLSI Technology. Apple в представлении не нуждается, а вот об Acorn и VLSI стоит поговорить подробнее.
Кембриджский желудь
История Acorn связана с другой известной британской компанией - Sinclair Research, где был создан небезызвестный компьютер ZX Spectrum. Будущий сооснователь Acorn Крис Карри сделал свою карьеру именно в Sinclair Radionics (позднее - Research). В те времена Карри и Синклер были друзьями и вместе работали над карманным калькулятором и другими проектами, но в 1978 году во время подготовки прототипа ZX80 (одного из предшественников ZX Spectrum) они так сильно разошлись во мнениях относительно будущего компьютера, что Карри покинул Синклера и его компанию. А вскоре основал собственную - совместно с предпринимателем, изобретателем и инвестором Германом Хаузером. Фирма называлась Cambridge Processor Unit, или просто CPU.
Хаузер к тому времени уже успел завербовать одного гениального студента Кембриджского университета - Роджера Уилсона. Тот был буквально влюблен в электронику, на память цитировал справочники компонентов и писал программы в машинных кодах без единой ошибки - по крайней мере такова легенда. Опыт настоящей работы у Уилсона был небольшой - за ним числилось разве что создание автоматизированной кормушки для коров на основе чипа MOS Technology 6502. Но когда Хаузер предложил Уилсону поучаствовать в создании электронной записной книжки (которая так потом и не появилась на свет), тот немедленно согласился.
Карри привел с собой в новую фирму еще одного студента Кембриджа - второкурсника Стива Фербера. Фербер, как и Карри, ранее работал на Синклера и занимался разработкой набора MK14, из которого любой желающий мог собрать простенький домашний компьютер. Первое время Ферберу приходилось совмещать работу в CPU с учебой, но зато у него не было никаких сомнений в том, что после получения диплома он сможет продолжать заниматься любимым делом - придумывать компьютеры.
В 1979 году CPU был переименован в Acorn (что переводится как «желудь»), якобы чтобы числиться в телефонном справочнике до Apple. Но самое главное - фирма в тот год выпустила свой первый продукт, Acorn System 1. Это был очень скромный компьютер для научных расчетов, имевший однострочный ЖК-дисплей и продававшийся за 80 фунтов стерлингов. Для сравнения, ZX80, тоже считавшийся экстремально дешевым, в сборе стоил сотню.
Настоящий успех ждал Acorn двумя годами позже, когда совместно с BBC (да-да, той самой Британской широковещательной корпорацией, что по сей день снабжает весь мир своими новостями и сериалом «Доктор Кто») Карри и Хаузеру удалось выиграть тендер на поставки компьютеров в британские школы, - так родился BBC Micro. Клайв Синклер тоже участвовал в тендере и был настолько взбешен поражением, что напал на своего бывшего друга и коллегу Криса Карри в одном из кембриджских пабов и отхлестал его свернутой в трубочку газетой.
Сверхбольшие интегральные схемы
В то время как индустрия переживала бум домашних компьютеров, в научной части отрасли происходили другие не менее захватывающие события. Одно из них имеет непосредственное отношение к появлению ARM.
Общеизвестно, что интернет был придуман в Агентстве по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA), однако это не единственный проект DARPA, оказавший мощное влияние на всю индустрию. VLSI Project как раз из таких разработок: его относительно малая известность просто несоизмерима с его важностью. VLSI расшифровывается как Very-large-scale integration - сверхбольшая интегральная схема, или СБИС. В начале восьмидесятых все шло к переходу на такие схемы, но при их разработке инженеры столкнулись с серьезными проблемами.
С ростом числа транзисторов, умещающихся на кристалле интегральной схемы, проектировать процессоры становилось все сложнее, и, когда число транзисторов стало превышать сотню тысяч, старые методы начали приводить к появлению ошибок. Требовался новый способ проектирования, и вряд ли кого-то удивит, что решение заключалось в использовании компьютера.
Профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид и программист из лаборатории Xerox PARC Лин Конвей предложили создать систему автоматизированного проектирования (САПР), которая бы помогала делать процессоры фактически любой сложности. На тот момент для работы с такой программой понадобился бы суперкомпьютер, так что DARPA пришлось профинансировать не только создание САПР, но и все вокруг: разработку рабочих станций и даже операционной системы. Позднее из этих проектов вырастут фирмы Sun Microsystems и Silicon Graphics, а в качестве ОС будет создана новая ветвь UNIX - Berkley Distribution Software (BSD).
Мид и Конвей полагали, что если разработка процессоров будет лучше автоматизирована, то делать их смогут небольшие фирмы или даже студенты в ходе обучения. Идея оказалась не только верной, но и очень удачной: с помощью новых инструментов процессоры стало намного легче проектировать и появилась возможность делать это в отрыве от производства. Мало того, новый софт позволил выявить доселе скрытые особенности строения процессоров.
RISC - благородное дело
Современные процессорные архитектуры принято делить на два класса: CISC (Complex Instruction Set Computing - вычислители с комплексным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computing - вычислители с сокращенным набором команд). Между этими подходами есть принципиальная разница, но появилась она не сразу.
Ранние восьмибитные процессоры вроде Intel 8080 или Motorola 6800 умели исполнять всего несколько простых инструкций. Например, не было специальной инструкции для перемножения чисел, это действие требовало нескольких процессорных команд - смещений и сложений. Такой подход кажется неудобным, и потому решение добавить более емкие инструкции было интуитивным.
Считалось к тому же, что операции, воплощенные непосредственно в железе, будут исполняться намного быстрее, чем выполненные в виде программ. Так что в последующих разработках создатели процессоров стали добавлять поддержку все новых и новых инструкций. Перемножение двух чисел, к примеру, превратилось в одну команду, зато устройство микросхемы усложнилось, поскольку стало включать в себя отдельную подсистему, предназначенную для умножения. Так появились процессоры с комплексным набором команд. К этому семейству относятся и последующие чипы Intel, и другие процессоры, пользовавшиеся популярностью в восьмидесятые годы.
Не сказать, что у комплексного набора команд нет своих достоинств, но за них пришлось заплатить хорошую цену. Если первые процессоры за один тик генератора тактовой частоты выполняли одну простую инструкцию, то более сложные инструкции стали требовать по несколько тактов.
В рамках все того же проекта VSLI профессор Калифорнийского университета в Беркли Дэвид Паттерсон провел исследование, в ходе которого нащупал иной подход к процессоростроению, который он назвал RISC. Выяснилось, что если ограничить набор инструкций лишь теми, которые могут быть исполнены за один такт, то можно увеличить скорость их исполнения и таким образом повысить общую производительность. Житейская логика подсказывает, что такого быть не должно: программы ведь получаются длиннее! Но когда речь идет о системах из сотен тысяч компонентов, житейская логика может отдохнуть, а верный ответ дадут моделирование и симуляция.
Заодно Паттерсону удалось значительно снизить влияние «бутылочного горлышка» фон-неймановской архитектуры - медленного канала между процессором и оперативной памятью. RISC отличается большим числом регистров, чем CISC, и это позволяет реже обращаться к оперативной памяти - в особенности если программа пропущена через оптимизирующий компилятор и выгодно использует ресурсы. Еще лучше такой подход работает в многоядерных или многопроцессорных системах, где к одной и той же памяти обращаются несколько вычислителей. Чем реже они это делают, тем реже каждому из них приходится ждать своей очереди и, соответственно, тем больше прирост производительности.
По закону «Архимеда»
Вернемся, однако, к истории Acorn. Если не считать нелепой ссоры с отцом ZX Spectrum, дела у компании в 1983 году шли неплохо: BBC Micro был продан полуторамиллиардным тиражом, и прибыль Acorn подскочила с трех тысяч фунтов до почти девяти миллионов. Билл Гейтс даже предлагал Хаузеру портировать MS-DOS и фирменный интерпретатор BASIC на BBC Micro, но Хаузер отказался.
Команда собственных разработчиков Acorn росла, а учредители подумывали о том, что пора перейти на новый виток развития: вместо компьютеров на основе восьмиразрядных чипов выпускать машины помощнее - с шестнадцатиразрядными ЦП.
В качестве варианта рассматривались процессоры National Semiconductor, но Роберт Уилсон посетил израильскую штаб-квартиру этой компании и остался недоволен: «У них там над чипом работает по сто человек, и все равно то и дело ошибки». Следом Уилсон отправился в американскую фирму Western Design Center, где увидел ровно противоположенную картину: процессоры разрабатывали небольшие группы инженеров, причем почти что в домашних условиях. Уилсон задался вопросом: а нужно ли покупать чужой процессор, если можно сделать собственный? Пример WDC показывал, что это не так сложно, как может показаться.
Идею в Acorn приняли благосклонно, и работа закипела. Уилсон придумал набор инструкций, а Фербер с небольшой командой разработал архитектуру будущего процессора. Именно тогда было принято судьбоносное решение использовать новомодный принцип RISC.
Первый в истории процессор ARM (Acorn RISC Machine) был выпущен в 1985 году, но компьютера на его основе так и не появилось. Его продавали в качестве дополнения к BBC Master - у этой продвинутой версии BBC Micro был специальный интерфейс для подключения сопроцессоров. В комплект также входил набор для разработки программ для RISC.
Следующую инкарнацию процессора - ARM 2 ждала куда более интересная судьба: он лег в основу уникальной машины под названием Archimedes, впервые поступившей в продажу в 1987 году. ARM 2 имел 32-разрядную архитектуру, а адресная шина поддерживала 26 разрядов, и таким образом могло быть адресовано до 64 Мб оперативной памяти (огромное пространство по тем временам и несерьезное по нынешним). Частота ARM 2 сейчас тоже вряд ли кого-нибудь поразит, да и 1985 году 8 МГц можно было считать средним показателем. Вышедший примерно в то же время Intel 80368 работал на вдвое большей частоте, но это не значит, что вдвое эффективнее. 386-й выдавал лишь на миллион операций больше - пять против четырех у ARM 2. Вот оно, преимущество RISC!
Archimedes стоил приличных денег - от 800 фунтов стерлингов (с учетом инфляции и в пересчете на сегодняшние рубли получилось бы не меньше ста тысяч), но пользовался определенной популярностью благодаря мощности, хорошему видеоадаптеру (режимы до 256 цветов) и восьмиканальной звуковой карте. По сути, это был этакий британский Macintosh - рабочая станция для издательств и телестудий.
Империя Olivetti
Хоть Archimedes и выпускался под маркой Acorn, компания к тому времени уже не была частным бизнесом Хаузера и Карри. За успешным 1983 годом последовал ужасный 1984-й, когда рынок домашних компьютеров перенасытился. Это имело трагические последствия для многих игроков: Atari и Commodore сменили хозяев, а в Apple (в первый раз) столкнулись с перспективой банкротства.
В Acorn к этой альфа-версии краха доткомов тоже не были готовы: компания только-только вышла на биржу, и заработанных на этом денег стало достаточно, чтобы удовлетворить непрерывно росший до того момента спрос. В результате на складах Acorn скопилось 250 тысяч компьютеров, продать которые внезапно оказалось нереально.
И тут на горизонте появилась итальянская фирма Olivetti. Ее руководство уже и раньше предпринимало попытки перейти от производства пишущих машинок к компьютерам. С конвейеров Olivetti с 1983 по 1985 год сходили модели на основе Zilog Z8000 и Intel 8088. Но ARM, Archimedes и его операционная система RISC OS казалась для менеджеров Olivetti лакомым кусочком: иметь собственные технологии всегда лучше - по крайней мере в то время так казалось.
Вскоре была заключена сделка, в результате которой к Olivetti перешло 80 процентов акций Acorn, а Герман Хаузер стал руководителем исследовательского подразделения. Второй основатель Acorn Крис Карри, получив дивиденды от продажи, предпочел основать новую компанию - General Information Systems. Она до сих пор функционирует и занимается смарт-картами, электронными денежными переводами и системами безопасности.
Итальянцы, правда, тоже предвидели будущее неверно: в конце восьмидесятых годов началось победное шествие IBM PC и его клонов. Стало понятно, что все несовместимое с PC скоро окажется на свалке истории, и компании вместо того, чтобы взращивать свои технологии, массово переходили на сборку компьютеров из готовых компонентов. Тогдашние действия Olivetti можно сравнить с HP, три года назад купившей Palm, чтобы затем отказаться от него и перейти на вездесущий Android.
Хаузер тоже не был горд тем, что продал свою компанию. В одном из интервью он сетует: можно было бы поступить, как IBM, - дать возможность сторонним фирмам производить компоненты и собирать компьютеры. И тогда, возможно, Acorn и ARM, а не IBM и Intel оказались бы в центре новой индустрии. Но нужное решение вовремя принято не было, и стать британским IBM фирме Acorn было не суждено. Зато у Хаузера имелся запасной план.
Братство «проца»
То, что в Olivetti отказались от идеи развивать собственную компьютерную платформу, вовсе не означало погибель для ARM. Хаузер изыскал способ выделить процессорный бизнес в отдельную компанию и нашел двух заинтересованных в этом партнеров. Объединенное предприятие назвали так же, как и архитектуру процессора, - ARM, но расшифровку сменили с Acorn RISC Machines на Advanced RISC Machines.
Кому в тот момент могло понадобиться партнерство с разработчиком процессоров RISC? Очевидно, фирме, выпускающей устройства на их основе. Ей стала Apple: там в 1990 году как раз проектировали будущий наладонник Newton, и процессор ARM отлично годился для него благодаря своей экономичности по отношению к заряду батареи.
В качестве третьего партнера была выбрана фирма VLSI Technologies. Это прямая наследница VLSI Project, которая занималась проектированием и производством интегральных микросхем. Для будущего совместного предприятия было важно то, что VLSI могла предоставить собственную систему автоматизированного проектирования.
Самой же VLSI был нужен новый заказчик процессоров. Это в чистом виде воплощение идеи Конвея и Мида, когда разработчик и производитель СБИС работают раздельно (а в данном случае даже находятся по разные стороны Атлантического океана). Наученный неудачей Acorn, Хаузер внес еще одну коррективу: вместо того, чтобы выпускать сам продукт, он предложил заниматься исключительно проектированием процессоров и продавать интеллектуальную собственность - то есть дизайны микросхем и лицензии на их производство.
Если Intel знаменита тем, что имеет десятки заводов по всему миру, то у ARM нет ни одного. Это не помешало сегодняшней ARM не только встать в один ряд с Intel и AMD, но и потихоньку превратиться в серьезную угрозу для них.
Новая жизнь ARM
Бурный рост продаж клонов IBM PC в девяностые годы сказался на популярности RISC не лучшим образом. Там, где стали заправлять Intel и Microsoft, альтернативы процессорам семейства x86 фактически не было. Зато оставались профессиональные применения: серверы и рабочие станции IBM и Sun Microsystems, где используются «рисковые» архитектуры PowerPC и SPARC соответственно, а также рынок микроконтроллеров, долго служивший для ARM главной статьей дохода.
Первым процессором, дизайн которого выпустили в ARM Holdings после отсоединения от Acorn, стал ARM6, разработанный специально для наладонника Newton и в сотрудничестве с Apple. Впервые спецификация ARM6 была выпущена в 1992 году, а в 1993-м компания объявила о первых прибылях.
С тех пор рост и совершенствование архитектуры ARM не прекращались, а в 1998 году компания успешно вышла на биржу. Тогда же, кстати, Apple продала свою часть акций: для нее это был год тяжелого кризиса, и отказ от доли в ARM помог из него выбраться. Мог ли тогда Стив Джобс предположить, насколько важной для Apple окажется продукция ARM через десять лет?
Среди клиентов ARM на сегодняшний день числится больше четырех десятков крупных производителей электроники. Процессоры на основе дизайнов ARM можно обнаружить в самых разных устройствах - от жестких дисков до автомобилей и от игровых приставок до фото- и видеокамер и телевизоров. Даже в Intel одно время выпускали процессоры на основе ARM (серия называлась XScale, но в 2006 году была продана вместе с подразделением).
Однако самую большую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. Apple Newton и наладонники Pocket PC были лишь предисловием к тому, что случилось после выпуска iPhone в 2007 году и iPad - в 2010-м. Энергоемкость архитектуры RISC оказалась ключом к строению портативных устройств, и, сколько Intel ни пытается соревноваться с ARM на этом поприще, сделать конкурентоспособный процессор для планшетов и смартфонов на основе x86 пока что не удалось.
Благодаря ARM архитектура RISC наконец получила заслуженную славу, но на этом история вовсе не заканчивается. Специалисты с интересом следят за ростом популярности многопроцессорных серверных решений на основе ARM (их, к примеру, активно внедряют в дата-центрах Facebook) и обсуждают недавнее появление 64-разрядного ARMv8. Так что будущее ARM видится крайне интересным. Пока что это еще не «британский IBM», о котором мечтал Хаузер, но процветающая фирма, бодро идущая к этому званию.
Наверняка каждый из вас задавался вопросом: что же такое ARM? Очень часто можно услышать эту аббревиатуру, когда речь заходит о процессоре устройства. И порой не каждому до конца ясна её суть.
Скажем сразу, ARM — это компания, но ARM еще и архитектура процессора, которую разработала компания ARM.
ARM-процессор — это ЦПУ, основанное на RISC-архитектуре, разработанной компанией Acorn Computers в 1980-х годах, а в настоящее время разрабатывается компанией Advanced RISC Machines, к слову, отсюда и аббревиатура «ARM». При этом аббревиатура ARM по отношению непосредственно к архитектуре процессора означает Acorn RISC Machine. Другими словами, имеется два значения аббревиатуры ARM.
Advanced RISC Machines — это компания, расположенная в Великобритании, которая разрабатывает, проектирует и лицензирует ARM-архитектуру процессоров. ARM разрабатывает метод построения ARM-процессоров и такие компании, как , Apple и Samsung, разрабатывают свои процессоры на основе ARM. В настоящее время практически все устройства, имеющие небольшие габариты и оснащенные аккумулятором, имеют процессоры, построенные на ARM-архитектуре.
Имеется несколько типов архитектуры процессора: CISC, RISC, MISC. Первая отличается большим набором команд, то есть CISC рассчитана на работу со сложными инструкциям неодинаковой длины. RISC, напротив, имеет сокращенный набор команд, которые имеют один формат и отличаются простой кодировкой.
Чтобы понять разницу, представьте, что на вашем персональном компьютере установлен процессор от AMD или Intel с архитектурой CISC. СISC-процессоры генерируют больше MIPS (миллион инструкций в секунду, то есть число определённых инструкций, выполняемых процессором за одну секунду).
RICS-процессоры имеют меньше транзисторов, что позволяет им потреблять меньше энергии. Уменьшенное количество инструкции позволяет проектировать упрощенные микросхемы. Уменьшенный размер микросхемы приводит к небольшому размеру кристалла, что позволяет располагать на процессоре больше компонентов, это делает процессоры от ARM маленькими и гораздо более энергоэффективными.
ARM-архитектура отлично подходит смартфонам, для которых главное — энергопотребление, при этом по производительности ARM-процессоры, конечно, существенно уступают топовым решениям от Intel и AMD. При этом ARM-процессоры нельзя назвать слабыми. ARM поддерживает как 32-битную архитектуру, так и 64-битную, имеется также поддержка аппаратной виртуализации, продвинутое управление питанием.
Главным параметром при оценке ARM-процессоров является отношение производительности к потреблению энергии, здесь ARM-процессоры показывают себя лучше, чем, например, x86-процессор от Intel на базе архитектуры CISC.
Таким образом, в случае с суперкомпьютерами более привлекательным станет использование миллиона ARM-процессоров вместо тысячи процессоров на архитектуре x86.
По материалам androidcentral
Как устроен процессор. Почему за ARM будущее?Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.
Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.
Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.
Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием
А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.
Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.
1. С чего все началось
Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.
Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:
Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TestEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.
2. Появление транзисторов
Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.
В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезизвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.
Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.
Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.
3. Как работает транзистор
Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.
Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.
Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.
И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.
С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.
Но сначала разберемся с диодом
Кремний (он же Si - «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, - делает это хуже, чем металл.
Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.
Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным - ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.
Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря - дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.
Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.
При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.
Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую - при помощи n-типа. Так мы получили диод - базовый элемент транзистора.
Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона - положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.
Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" - n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны - к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.
Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" - к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.
Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.
Диод + диод = транзистор
Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».
У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами - они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками - p-область, именуемая «базой».
Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.
Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.
Выдыхаем!
4. Так как все-таки работает компьютер?
А теперь самое главное.
В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) - транзистор будет находится в закрытом состоянии - в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы - «0».
При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.
Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».
Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!
В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря - первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.
Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.
Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.
Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел - комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.
Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.
Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.
Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.
Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.
5. И началась транзисторная гонка
После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.
От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.
Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода - свой язык программирования для каждого процессора.
1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel . Intel 4004 - 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 - процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота - до 25 МГц. 16 бит.
1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота - до 12,5 МГц. 16 бит.
1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов. Частота - до 33 МГц в версии 386SX.
Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.
На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:
Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.
Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.
Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.
В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:
кэш-памяти;
конвейера;
встроенного сопроцессора;
множителя.
Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой - он стал значительно мощнее.
Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.
В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.
Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.
Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.
В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года - R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.
Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.
Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:
В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.
В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.
7. Конец транзисторных соревнований близко
В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:
Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому - атомарная природа вещества.
Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.
И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.
8. Что ждет «обычные» процессоры
«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.
И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.
Первый вариант - квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.
К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!
Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.
Второй вариант - процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.
Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.
Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.
9. Будущее за ARM Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность - главный конек x86.
Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:
сложность команд и откровенная их запутанность;
высокое потребление энергии и выделение теплоты.
За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.
В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.
В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.
Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.
Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь - самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.
Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер - это то, что прежде всего имеет значение.
Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?
11. Вместо вывода
Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера - процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.
Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.
Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?
Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.
Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.
На ARM успела посмотреть и Google - операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.
И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.
В наше время существует две самые популярные архитектуры процессоров. Это x86, которая была разработана еще 80х годах и используется в персональных компьютерах и ARM - более современная, которая позволяет сделать процессоры меньше и экономнее. Она используется в большинстве мобильных устройств или планшетов.
Обе архитектуры имеют свои плюсы и минусы, а также сферы применения, но есть и общие черты. Многие специалисты говорят, что за ARM будущее, но у нее остаются некоторые недостатки, которых нет в x86. В нашей сегодняшней статье мы рассмотрим чем архитектура arm отличается от x86. Рассмотрим принципиальные отличия ARM или x86, а также попытаемся определить что лучше.
Процессор - это основной компонент любого вычислительного устройства, будь то смартфон или компьютер. От его производительности зависит то, насколько быстро будет работать устройство и сколько оно сможет работать от батареи. Если говорить просто, то архитектура процессора - это набор инструкций, которые могут использоваться при составлении программ и реализованы на аппаратном уровне с помощью определенных сочетаний транзисторов процессора. Именно они позволяют программам взаимодействовать с аппаратным обеспечением и определяют каким образом будут передаваться данные в память и считываться оттуда.
На данный момент существуют два типа архитектур: CISC (Complex Instruction Set Computing) и RISC (Reduced Instruction Set Computing). Первая предполагает, что в процессоре будут реализованы инструкции на все случаи жизни, вторая, RISC - ставит перед разработчиками задачу создания процессора с набором минимально необходимых для работы команд. Инструкции RISC имеют меньший размер и более просты.
Архитектура x86
Архитектура процессора x86 была разработана в 1978 году и впервые появилась в процессорах компании Intel и относится к типу CISC. Ее название взято от модели первого процессора с этой архитектурой - Intel 8086. Со временем, за неимением лучшей альтернативы эту архитектуру начали поддерживать и другие производители процессоров, например, AMD. Сейчас она является стандартом для настольных компьютеров, ноутбуков, нетбуков, серверов и других подобных устройств. Но также иногда процессоры x86 применяются в планшетах, это довольно привычная практика.
Первый процессор Intel 8086 имел разрядность 16 бит, далее в 2000 годах вышел процессор 32 битной архитектуры, и еще позже появилась архитектура 64 бит. Мы подробно рассматривали в отдельной статье. За это время архитектура очень сильно развилась были добавлены новые наборы инструкций и расширения, которые позволяют очень сильно увеличить производительность работы процессора.
В x86 есть несколько существенных недостатков. Во-первых - это сложность команд, их запутанность, которая возникла из-за длинной истории развития. Во-вторых, такие процессоры потребляют слишком много энергии и из-за этого выделяют много теплоты. Инженеры x86 изначально пошли по пути получения максимальной производительности, а скорость требует ресурсов. Перед тем, как рассмотреть отличия arm x86, поговорим об архитектуре ARM.
Архитектура ARM
Эта архитектура была представлена чуть позже за x86 - в 1985 году. Она была разработана известной в Британии компанией Acorn, тогда эта архитектура называлась Arcon Risk Machine и принадлежала к типу RISC, но затем была выпущена ее улучшенная версия Advanted RISC Machine, которая сейчас и известна как ARM.
При разработке этой архитектуры инженеры ставили перед собой цель устранить все недостатки x86 и создать совершенно новую и максимально эффективную архитектуру. ARM чипы получили минимальное энергопотребление и низкую цену, но имели низкую производительность работы по сравнению с x86, поэтому изначально они не завоевали большой популярности на персональных компьютерах.
В отличие от x86, разработчики изначально пытались получить минимальные затраты на ресурсы, они имеют меньше инструкций процессора, меньше транзисторов, но и соответственно меньше всяких дополнительных возможностей. Но за последние годы производительность процессоров ARM улучшалась. Учитывая это, и низкое энергопотребление они начали очень широко применяться в мобильных устройствах, таких как планшеты и смартфоны.
Отличия ARM и x86
А теперь, когда мы рассмотрели историю развития этих архитектур и их принципиальные отличия, давайте сделаем подробное сравнение ARM и x86, по различным их характеристикам, чтобы определить что лучше и более точно понять в чем их разница.
Производство
Производство x86 vs arm отличается. Процессоры x86 производят только две компании Intel и AMD. Изначально эта была одна компания, но это совсем другая история. Право на выпуск таких процессоров есть только у этих компаний, а это значит, что и направлением развития инфраструктуры будут управлять только они.
ARM работает совсем по-другому. Компания, разрабатывающая ARM, не выпускает ничего. Они просто выдают разрешение на разработку процессоров этой архитектуры, а уже производители могут делать все, что им нужно, например, выпускать специфические чипы с нужными им модулями.
Количество инструкций
Это главные различия архитектуры arm и x86. Процессоры x86 развивались стремительно, как более мощные и производительные. Разработчики добавили большое количество инструкций процессора, причем здесь есть не просто базовый набор, а достаточно много команд, без которых можно было бы обойтись. Изначально это делалось чтобы уменьшить объем памяти занимаемый программами на диске. Также было разработано много вариантов защит и виртуализаций, оптимизаций и многое другое. Все это требует дополнительных транзисторов и энергии.
ARM более прост. Здесь намного меньше инструкций процессора, только те, которые нужны операционной системе и реально используются. Если сравнивать x86, то там используется только 30% от всех возможных инструкций. Их проще выучить, если вы решили писать программы вручную, а также для их реализации нужно меньше транзисторов.
Потребление энергии
Из предыдущего пункта выплывает еще один вывод. Чем больше транзисторов на плате, тем больше ее площадь и потребление энергии, правильно и обратное.
Процессоры x86 потребляют намного больше энергии, чем ARM. Но на потребление энергии также влияет размер самого транзистора. Например, процессор Intel i7 потребляет 47 Ватт, а любой процессор ARM для смартфонов - не более 3 Ватт. Раньше выпускались платы с размером одного элемента 80 нм, затем Intel добилась уменьшения до 22 нм, а в этом году ученые получили возможность создать плату с размером элемента 1 нанометр. Это очень сильно уменьшит энергопотребление без потерь производительности.
За последние годы потребление энергии процессорами x86 очень сильно уменьшилось, например, новые процессоры Intel Haswell могут работать дольше от батареи. Сейчас разница arm vs x86 постепенно стирается.
Тепловыделение
Количество транзисторов влияет еще на один параметр - это выделение тепла. Современные устройства не могут преобразовывать всю энергию в эффективное действие, часть ее рассеивается в виде тепла. КПД плат одинаковый, а значит чем меньше транзисторов и чем меньше их размер - тем меньше тепла будет выделять процессор. Тут уже не возникает вопрос ARM или x86 будет выделять меньше теплоты.
Производительность процессоров
ARM изначально не были заточены для максимальной производительности, это область преуспевания x86. Отчасти этому причина меньше количество транзисторов. Но в последнее время производительность ARM процессоров растет, и они уже могут полноценно использоваться в ноутбуках или на серверах.
Выводы
В этой статье мы рассмотрели чем отличается ARM от x86. Отличия довольно серьезные. Но в последнее время грань между обоими архитектурами стирается. ARM процессоры становятся более производительными и быстрыми, а x86 благодаря уменьшению размера структурного элемента платы начинают потреблять меньше энергии и выделять меньше тепла. Уже можно встретить ARM процессор на серверах и в ноутбуках, а x86 на планшетах и в смартфонах.
А как вы относитесь к этим x86 и ARM? За какой технологией будущее по вашему мнению? Напишите в комментариях! Кстати, .
На завершение видео о развитии арихтектуры ARM:
В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разр. микроконтроллеры. Данный вывод сделала маркетинговая компания Semico, которая прогнозирует 2-кратное преобладание емкости рынка 32-разр. микроконтроллеров над 8 и 16-разр. в 2007 году . В связи с этим, целью данной статьи является представить общие тенденции развития одного из самых распространенных 32-разр. ядер ARM и дать сравнительную оценку микроконтроллерам на их основе от наиболее доступных на рынках СНГ производителей.
Обзор архитектуры ARM
Микроконтроллерное ядро ARM было разработано одноименной английской компанией, организованной в 1990 году. Название ARM происходит от "Advanced RISC Machines". Следует заметить, что компания специализируется сугубо на разработке микропроцессорных ядер и периферийных блоков, при этом, не имеет производственных мощностей по выпуску микрокон-троллеров. Компания ARM поставляет свои разработки в электронной форме, на основе которой клиенты конструируют свои собственные микроконтроллеры. Клиентами компании являются свыше 60 компаний-производителей полупроводников, среди которых можно выделить таких популярных производителей на рынке полупроводниковых компонентов стран СНГ, как Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics и Texas Instruments.
В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разр. встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разра-ботчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров.
В настоящее время разработано шесть основных семейств (см. рисунок 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale™ и StrongARM®.
Как дополнение к ARM-архитектуре могут интегрироваться несколько расширений:
- Thumb® - 16-разр. набор инструкций, улучшающий эффективность использования памяти программ;
- DSP - набор арифметических инструкций для цифровой обработки сигналов;
- Jazelle™ - расширение для аппаратного непосредственного исполнения Java-инструкций;
- Media - расширение для 2-4-кратного увеличения скорости обработки аудио и видео сигналов.
Рисунок 1. Процессорные ядра ARM
Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребле-ние 1 мкВт/МГц. В зависимости от назначения ARM-процессоры разделяются на три группы (см. рисунок 2):
- Процессоры для операционных систем с открытой платформой в приложениях беспроводной связи, обработки изображений и пользовательской электронике.
- Процессоры для встраиваемых операционных систем реального времени для запоминающих устройств, промышленных, авто-мобильных и сетевых приложений.
- Система защиты данных для смарт-карт и SIM-карт.
| 0.18мкм (0,13 мкм) | ||||
| Ядро | Кэш-память | Площадь, мм 2 | Удельное потребление мВт/МГц | Частота, МГц |
| ARM7TDMI | - | 0,53 (0,26) | 0.24 (0,06) | 100 (133) |
| ARM7TDMI-S | - | 0,62 (0,32) | 0,39 (0,11) | 80-100 (100-133) |
| SC100 | - | 0,50 | 0.21 | 80 |
| SC200 | - | 0,70 | 0.30 | 110 |
| ARM7EJ-S | - | 1,25 (0,65) | 0,45 (0,16) | 80-100 (100-133) |
| ARM946E-S | 8к + 8к | 5,8 (3,25) | 0,9 (0,45) | 150-170 (180-210) |
| ARM966E-S | 16к+16к TCM | 4,0 (2,25) | 0,65 (0,4) | 180-200 (220-250) |
| ARM1026EJ-S | 8к + 8к | 7,5 (4,2) | 1,15 (0,5) | 190-210 (266-325) |
| ARM1136J(F)-S | 16к/16к+ 16/16к TCM | - (8,2; 9,6) | 1,30 (0,4) | 250-270 (333-400) |
Рисунок 2. Технические данные по процессорным ядрам
ВСЭ - внутрисхемный эмулятор, РВ - реальное время, ЦСП- цифровой сигнальный процессор, SIMD - несколько данных в одной инструкции, ТСМ - плотно-связанная память (кэш), ETM - встроенные трассировочные макроячейки, VIC - векторизованный контроллер прерываний, ASB, AHB -разновидности внутренних шин
Перспективность ядра ARM становится очевидной после революционного анонса компании Atmel на конференции раз-работчиков ARM-микроконтроллеров, которая состоялась в Санта Клара (США) в октябре 2004 года . Суть анонса заключалась в намерении компании Atmel выпускать 32-разр. микроконтроллеры AT91SAM7S по цене 8-разрядных, нацеливая 8-разр. приложения на расширение функциональных возможностей по обработке информации, сохраняя при этом их конкурентоспособную стоимость на прежнем уровне.
Набор инструкций Thumb
32-разр. ARM-процессоры поддерживают предшествующие 16-разр. разработки за счет поддержки набора инструк-ций Thumb. Использование 16-разр. инструкций позволяет сэкономить до 35% памяти по сравнению с эквивалентным 32-разр. кодом, при этом сохраняя все преимущества 32-разр. системы, например, доступ к памяти с 32-разр. адресным пространством.
Технология SIMD
Технология SIMD (несколько данных в одной инструкции) используется в media-расширении и нацелена на увеличение скорости обработки данных в приложениях, где требуется малое энергопотребление. SIMD-расширения оптимизированы под широкий диапазон программного обеспечения, в т.ч. аудио/видео кодеки, где они позволяют увеличить быстродействие обработки в 4 раза.
Набор инструкций ЦСП (DSP)
Многие приложения предъявляют повышенные требования по быстродействию реально-временной обработки сигналов. Традиционно в таких ситуациях разработчики прибегают к использованию цифрового сигнального процессора (ЦСП), что увеличивает энергопотребление и стоимость, как самой разработки, так и конечного устройства. Для устранения данных недостатков в ряд ARM-процессоров интегрированы инструкции ЦСП, выполняющие 16-разр. и 32-разр. арифметические операции.
Технология Jazelle®
Технология ARM Jazelle адресована для приложений с поддержкой языка программирования Java. Она предлагает уни-кальное сочетание высокой производительности, малой системной стоимости и невысоких запросов к энергопотреблению, что не может быть достигнуто одновременно, если использовать сопроцессор или специализированный Java-процессор.
Технология ARM Jazelle является расширением к 32-разр. RISC-архитектуре, которое позволяет ARM-процессору выполнять Java-код на аппаратном уровне. При этом достигается непревзойденное быстродействие исполнения Java-кода с помощью ARM-архитектуры. Таким образом, разработчики имеют возможность свободно реализовывать Java-приложения, в т.ч. операционные системы и прикладной код, на одном процессоре.
В настоящее время технология Jazelle интегрирована в следующие ARM-процессоры: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S и ARM7EJ-S.
Традиционные ARM-процессоры поддерживают 2 набора инструкций: в режиме ARM - 32-разрядные инструкции, а в режиме Thumb наиболее популярные инструкции сжимаются к 16-разр. формату. Технология Jazelle расширяет эту концепцию, добавляя третий набор инструкций Java, который активизируется в новом Java-режиме.
Технология интеллектуального управления энергопотреблением
Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств (например, смарт-фоны, персональные цифровые помощники и аудио/видеоплееры) - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.
Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.
Для облегчения данного процесса разработана технология интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM. Данная технология является сочетанием аппаратных и программных компонентов, которые совместно выполняют динамическое управление напряжением питания ("power scaling").
Сущность метода динамического управления напряжением питания основывается на выражении потребляемой мощности КМОП-процессоров:
где Р- общая потребляемая мощность, С - переключаемая емкость, fc - частота процессора, - напряжение пита-ния, - ток утечки в статическом режиме. Из выражения следует, что для регулировки энергопотребления могут варьироваться частота и напряжение питания.
Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах (PSoC), но не недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.
Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM
В таблице 1 представлена общая сравнительная характеристика ARM-микроконтроллеров наиболее известных и доступ-ных производителей: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors и Texas Instruments, а в таблице 2 более подробно представлены их технические данные.
Таблица 1. Сравнение ARM-микроконтроллеров разных производителей по ключевым признакам
| TMS 470 (Texas Instruments) | AT91 (Atmel) | Micro Converter (AD) | LPC2000 (Philips) |
| Системные: | |||
| Память: | |||
| Аналоговая периферия: | |||
| Цифровая периферия: | |||
| Интерфейсы: | |||
Таблица 2. Технические данные по ARM-микроконтроллерам компаний Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors
| Наименование | Ядро | Корпус | Память | Периферийные устройства | В/В | Макс. ч-та, МГц | ||||||
| Флэш, кбайт | ОЗУ, кбайт | Тай-мер | АЦП, кан/разр | SPI/У(С)АПП/ I2C | USB Dev/ Host | CAN | Прочее | |||||
| Микроконтроллеры семейства TMS470 компании Texas Instruments | ||||||||||||
| TMS470R1A64 | ARM7TDMI | 80 LQFP | 64 | 4 | 13 | 8/10 | 2/2/- | - | 2 | C2SI | 40 | 48 |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 128 | 8 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100 LQFP | 256 | 12 | 16 | 16/10 | 2/2/- | - | 1 | C2SI | 50 | 48 | |
| ARM7TDMI | 100/144 LQFP | 288 | 16 | 12 | 12/10 | 2/2/1 | - | 2 | C2SI, ПДП, EBM, MSM | 93 | 48 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 512 | 32 | 32 | 16/10 | 2/2/- | - | 2 | ПДП | 87 | 60 | |
| ARM7TDMI | 144 LQFP | 768 | 48 | 32 | 16/10 | 5/2/- | - | 3 | ПДП | 87 | 60 | |
| TMS470R1A1024 | ARM7TDMI | 144 LQFP | 1024 | 64 | 12 | 12/10 | 5/2/1 | - | 2 | DMA, EBM, MSM | 93 | 60 |
| Семейство AT91 ARM Thumb компании Atmel | ||||||||||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 8 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 40 | ||||
| ARM7TDMI | QFP100 | - | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 512 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | BGA121 | 2048 | 256 | 3 | -/2/- | EBI | 32 | 70 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 BGA144 |
- | 8 | 6 | 2/2/- | EBI, PIT, RTT | 54 | 33 | ||||
| ARM7TDMI | QFP176 BGA176 |
- | 8 | 6 | 8/10 | 1/3/- | EBI, RTC, 2х10 р. ЦАП | 58 | 33 | |||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 96 | 6 | 1/4/1 | 1/- | SSC, PIT, RTC, RTT | 63 | 66 | |||
| ARM7TDMI | BGA256 | 1 | 16 | 3 | 1/2/- | EBI, инт. SDRAM, 2xEthernet | 48 | 36 | ||||
| ARM7TDMI | QFP144 | - | 4 | 9 | 8/10 | 1/3/- | EBI, 4 ШИМ, CAN | 49 | 40 | |||
| ARM7TDMI | QFP176 | - | 16 | 10 | 16/10 | 1/2/- | 4 | EBI | 57 | 30 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 256 | 32 | 9 | 16/10 | 2/4/1 | 1/- | 1 | 8 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, MCI | 62 | 60 | |
| ARM7TDMI | QFP48 | 32 | 8 | 3 | 8/10 | 1/1/1 | 21 | 55 | ||||
| ARM7TDMI | QFP64 | 64 | 16 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP64 | 256 | 64 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC | 32 | 55 | ||
| ARM7TDMI | QFP100 | 128 | 32 | 3 | 8/10 | 1/2/1 | 1/- | 1 | 4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, Ethernet | 60 | 55 | |
| ARM920T | QFP208 BGA256 |
128 | 16 | 6 | 1/4/1 | 1/2 | EBI, RTC, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI, Ethernet | 94 | 180 | |||
| AT91SAM9261 | ARM7TDMI | BGA217 | 32 | 160 | 3 | 3/3/1 | 1/2 | EBI, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI | 96 | 200 | ||
| Микроконтроллеры семейства MicroConverter компании Analog Device | ||||||||||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 5/12 | 1/1/2 | 4 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ | 14 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 8/12 | 1/1/2 | 2 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-40 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | К, ПЛМ | 13 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 10/12 | 1/1/2 | 2 x 12р.ЦАП,3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | CP-64 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 30 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 12/12 | 1/1/2 | 4 x 12р.ЦАП, 3-ф.ШИМ, К, ПЛМ | 40 | 45 | ||||
| ARM7TDMI | ST-80 | 62 | 8 | 16/12 | 1/1/2 | 3ф. ШИМ, К, ПЛМ | 40 | 45 | ||||
| Микроконтроллеры семейства LPC2000 компании Philips Semiconductors | ||||||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 16 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 32 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP48 | 128 | 64 | 4 | 1/2/1 | 6 кан. ШИМ | 32 | 60 | ||||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 128 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| ARM7TDMI-S | LQFP64 | 256 | 16 | 4 | 4/10 | 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 46 | 60 | |||
| 2/2/1 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | |||||||||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 2 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | ||
| ARM7TDMI-S | LQFP144 | 256 | 16 | 4 | 8/10 | 2/2/1 | 4 | 6 кан. ШИМ | 112 | 60 | ||
Несмотря на использование в большинстве микроконтроллеров общего ядра ARM7TDMI у микроконтроллеров разных производителей вырисовывается довольно таки четкий портрет. Analog Device является бесспорным лидером по аналоговой периферии, имея в своем арсенале 12-разр. АЦП и ЦАП класса 1МГц. В этом направлении заметно отстает Atmel, которая в своих разработках отдельных АЦП уже взяла барьер 2ГГц, а вот интегрировать приличный АЦП в 32-разр. микроконтроллер, так и не смогла. Однако данный недостаток микроконтроллеров Atmel перекрывает их "дружелюбность" (при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера потребуется только подача одного напряжения питания), экономичность, а самое главное низкая стоимость. Среди рассматриваемых микроконтроллеров, микроконтроллеры Atmel - единственные, которые содержат интерфейс USB. Для микроконтроллеров TI характерна избыточная представитель-ность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов. Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) можно назвать золотой серединой по рассматриваемым крите-риям. Отличает их наличие УАПП, выполненного в традициях Philips и который совместим со стандартным УАПП 16C550, а также имеет модемный интерфейс и режим аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips можно найти представителей для расширенного температурного диапазона -40…+105°C.
32-разр. микроконтроллеры с альтернативными ядрами
Когда речь идет о 32-разр. микроконтроллерах несправедливым будет не упомянуть о других 32-разр. альтернативах ядру ARM. В этом плане следует выделить ядро FR компании Fujitsu и М68000/М68300 компании Motorola.
Ядро FR используется в обширном количестве микроконтроллеров (свыше 40), образующих несколько семейств, и имеет 16-разрядный режим набора инструкций для оптимизации использования памяти программ при минимальном ухудшении эф-фективности работы, что идентично ядру ARM. Размер ПЗУ и ОЗУ достигает до 512 кбайт, в зависимости от типа поддерживаются разнообразные стандартные периферийные устройства, в т.ч. 10-разр. АЦП, 12-разр. ШИМ, интерфейс CAN, УАПП и др. Так же, как и в случае с микроконтроллерами ARM, микроконтроллеры на основе ядра FR выделяются общими традициями, которые закладывает разработчик, и которые узнаваемы во всей линейке микроконтроллеров. В случае Fujitsu это аппаратная поддержка эндианизма, аппаратная функция поиска бита, множество каналов однотипных периферийных уст-ройств, вход немаскируемого прерывания. Во множество микроконтроллеров интегрирован довольно приличный 10-разр. АЦП (время преобразования 1,7 мкс) и ЦАП (0,9 мкс). В семействе FRLite поставлен рекорд по удельному энергопотреблению 1мА/МГц. Максимальным быстродействием обладает семейство FR 65Е, у которого тактовая частота достигает 66МГц.
32-разр. микроконтроллеры Motorola характеризуются реализацией из набора стандартных функциональных модулей. В состав микроконтроллеров семейства 68300 входят: 32-разрядный процессор (CPU32), модули внутренней памяти, интер-фейсный модуль системной интеграции (SIM), модуль последовательного интерфейса (QSM), таймерный процессор (TPU) или таймерный модуль (GPT), аналого-цифровой преобразователь (ADC) и ряд других. Между собой модули соединяются посред-ством межмодульной шины. Процессор CPU32, используемый в микроконтроллерах семейства 68300, по своим основным функциям аналогичен 32-разрядному микропроцессору MC68020 семейства 68000. Для использования в системах связи вы-пускаются микроконтроллеры, содержащие модуль коммуникационного RISC-процессора, имеющий набор специальных средств для обмена данными. Такие коммуникационные контроллеры (68360, 68302, 68356) также входят в состав семейства 68300. Особенностью процессора CPU32 является его работа с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса (ад-ресуемая память 16 Мбайт), а основным архитектурным принципом функционирования процессоров семейства 68000 является разделение их ресурсов и возможностей в зависимости от класса решаемых задач. При этом подразумевается выполнение двух классов задач: управление работой самой микропроцессорной системы с помощью системного программного обеспечения (операционной системы - супервизора) и решение прикладных задач пользователя. От этого происходят режимы функционирования: режим супервизора или режим пользователя. В зависимости от режима при выполнении программ разрешается доступ ко всем ресурсам микроконтроллера или их части. В режиме супервизора разрешается выполнение любых команд, реализуемых процессором, и доступ ко всем регистрам. В режиме пользователя запрещается выполнение ряда команд и дос-туп к некоторым регистрам, чтобы ограничить возможности таких изменений состояния системы, которые могут помешать выполнению других программ или нарушить установленный супервизором режим работы процессора. Сильным аргументом в сторону выбора микроконтроллеров Motorola - высокая популярность в свое время семейства M68000 и программная совместимость микроконтроллеров M68000 и более современных M68300, что позволяет использовать существующие программные наработки в новых разработках, тем самым сокращая сроки проектирования.
- Несомненным преимуществом ядра ARM является его стандартность, что позволяет использовать программное обеспечение от других совместимых микроконтроллеров, иметь более широкий доступ к средствам для проектирования или более просто осуществлять миграцию между микроконтроллерами.
- Несмотря на использование одного и того же ядра ARM в микроконтроллерах разных производителей, все-таки каждый из них имеет свое лицо, что достигается оригинальной "рецептурой" периферийных устройств и занятие в некоторых из типов периферийных устройств лидерских позиций, например, для Analog Device это цифро-аналоговые преобразователи.
- ARM-ядра имеют представительную номенклатуру и динамику развития, однако, из сравнения следует, что для широких масс доступны в основном микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI. Объяснить это можно, например, тем, что основ-ная сфера потребления ARM-микроконтроллеров - бытовые, офисные, пользовательские электронные приборы и оборудование, которые, к сожалению, в основном выпускают зарубежные ОЕМ-производители.
- Рынок 32-разрядных микроконтроллеров обладает высокой емкостью, которая будет динамично возрастать в ближай-шие годы, поэтому, нам остается следить за борьбой производителей микроконтроллеров за долю данного рынка, следить за анонсами и успевать осваивать новые технологии.
Литература
- J. Wilbrink. Facilitation the Migration from 8-bit to 32-bit Microcontrollers/Atmel Corporation -2004.
- "Atmel Introduces World"s First Sub $3 ARM7 Flash Microcontroller", новость компании Atmel от 19.10.04, www.atmel.com.
- Processor Cores Flyer//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03, Issued: May 2003.
- Материалы сайта
www.arm.com