ARM 아키텍처

'''ARM 아키텍처'''(ARM architecture, 과거 명칭: Advanced RISC Machine, 최초 명칭: Acorn RISC Machine)는 임베디드 기기에 많이 사용되는 RISC 프로세서이다. 1983년 컴퓨터과학자  소피 윌슨(Sophie Wilson)(이 당시에는 이름이 로저 윌슨(Roger Wilson)이었으나 1994년 성전환 수술을 받아 개명했다.)과  스티브 퍼버(Steve Furber)를 주축으로 개발을 진행했다. 저전력을 사용하도록 설계하여 ARM CPU는 모바일 시장 및 싱글 보드 컴퓨터로 불리는 개인용 컴퓨터에서 뚜렷한 강세를 보인다.
* 1990년 11월에 애플과 VLSI의 조인트 벤처 형식으로 ARM(Advanced RISC Machines Ltd.)가 생김.
* ARMv4 아키텍처는 32비트 주소 영역에서 32비트 ISA(Instruction Set Architecture) 동작이 가능하다. 16비트 Thumb 명령어 셋을 탑재한 ARMv4T 아키텍처는 32비트 코드의 이점을 그대로 살리고, 메모리 공간을 35% 이상 절약할 수 있도록 해주었다.
* ARMv5TE(1999년) 아키텍처는 개선된 thumb 아키텍처와 ‘Enhanced’ DSP 명령어 셋을 ARM ISA에 추가하였다. 이러한 Thumb의 변화에는 소수의 명령어 추가와 함께 ARM/Thumb 인터워킹(interworking)의 개선, 컴파일 성능의 대폭적인 향상, ARM/Thumb 루틴의 혼합 사용, 코드 크기와 성능에 대한 균형도 포함되어 있다. 또한 ‘Enhanced’ DSP 명령어들은 복잡한 수치연산에서 70%의 성능 개선을 보여주었다.
* ARMv5TEJ(2000년) 아키텍처에는 Jazelle(자바 하드웨어 가속기) 확장명령어가 추가되었으며, 이로써 자바 가속 기술을 탑재한 아키텍처가 탄생하게 된다. ARMv5TJE 아키텍처는 Jazelle의 탄생함에 따라 가속 기술을 사용하지 않은 JVM(Java Virtual Machine)보다 속도 면에서 8배가 향상되었으며, 소비전력의 측면에서도 80%를 줄일 수 있게 된다.
* ARMv6(2001년) 아키텍처가 발표되면서 여러 방면에서 기능 개선이 이루어졌다. 특히 메모리 시스템, 예외 처리의 개선, 멀티프로세싱 환경을 위한 더 많은 지원 등이 이에 해당한다. 이것 이외도 ARMv6 아키텍처에는 SIMD(Single Instruction Multiple Data) 소프트웨어 실행을 지원하는 미디어 명령이 포함되어 있으며, SIMD 명령들은 오디오 및 비디오 코덱을 포함하는 응용 프로그램들의 사용 확대를 위해 최적화되었다.
* ARM1136J(2002년) (F)-8 코어. 스트롱암 CPU는 DEC(Digital Equipment Corporation)에 의해서 ARM과 함께 개발되었다. 이것이 최초의 modified-Harvard 아키텍처(명령어 캐시와 데이터 캐시를 분리해서 사용)를 채용한 제품이며, modified-Harvard 아키텍처로 ARM의 쓰기 처리 능력의 고속화가 가능하게 되었다. 스트롱암의 주요 특징 중에는 5단 파이프라인의 채용, 64비트 곱셈 및 일부 곱셈 기능을 제외한 모든 일반 명령어들의 싱글 사이클 처리 등이 포함되어 있다.
 계열
 아키텍처 버전
 코어
 기능
 캐시 (명령어/데이터)/MMU
 일반적인 MIPS @ MHz
ARM1
ARMv1
ARM1
없음
 ARM2
ARMv2
ARM2
곱하기 명령 (MUL) 추가
없음
4 MIPS @ 8 MHz0.33 DMIPS/MHz
ARMv2a
ARM250
 MEMC (MMU) 구현, 그래픽과 IO 프로세스. 아키텍처 2a:SWP와 SWPB 등의 스왑 명령추가.
없음, MEMC1a
7 MIPS @ 12 MHz
ARM3
ARMv2a
ARM2a
ARM에 프로세스 캐시 최초 사용
4K 통합
12 MIPS @ 25 MHz0.50 DMIPS/MHz
 ARM6
 ARMv3
ARM60
v3 아키텍처, 최초로 32 비트 메모리 지원(26 비트에 반대된)
없음
10 MIPS @ 12 MHz
ARM600
캐시와 코프로세스 버스(FPA10 부동소수점 모듈).
4K 통합
28 MIPS @ 33 MHz
ARM610
캐시, 코프로세서 버스 없음.
4K 통합
17 MIPS @ 20 MHz0.65 DMIPS/MHz
 ARM7
 ARMv3
ARM700
8 KB 통합
40 MHz
ARM710
8KB 통합
40 MHz
ARM710a
8 KB 통합
40 MHz0.68 DMIPS/MHz
ARM7100
SoC.
8 KB 통합
18 MHz
ARM7500
SoC.
4 KB 통합
40 MHz
ARM7500FE
SoC. "FE" FPA와 EDO 메모리 컨트롤러 추가
4 KB 통합
56 MHz0.73 DMIPS/MHz
 ARM7TDMI
 ARMv4T
ARM7TDMI(-S)
3-단계 파이프라인, Thumb
없음
15 MIPS @ 16.8 MHz63 DMIPS @ 70 MHz
ARM710T
8 KB 통합, MMU
36 MIPS @ 40 MHz
ARM720T
8 KB 통합, MMU
60 MIPS @ 59.8 MHz
ARM740T
MPU
ARMv5TEJ
ARM7EJ-S
Jazelle DBX,  향상된 DSP 명령, 5-단계 파이프라인
없음
 StrongARM
 ARMv4
SA-110
16 KB/16 KB, MMU
203 MHz1.0 DMIPS/MHz
SA-1110
16 KB/16 KB, MMU
233 MHz
 ARM8
 ARMv4
 ARM810
5-단계 파이프라인, 고정된 예측 분기, 이중 대역폭 메모리
 8 KB 통합, MMU
 84 MIPS @ 72 MHz1.16 DMIPS/MHz
 ARM9TDMI
 ARMv4T
ARM9TDMI
5-단계 파이프라인
없음
ARM920T
16 KB/16 KB, MMU
200 MIPS @ 180 MHz
ARM922T
8 KB/8 KB, MMU
ARM940T
4 KB/4 KB, MPU
 ARM9E
 ARMv5TE
ARM946E-S
향상된 DSP 명령
가변적, 메모리 밀착형 MPU
ARM966E-S
캐시없음, TCMs
ARM968E-S
캐시없음, TCMs
ARMv5TEJ
ARM926EJ-S
Jazelle DBX, 향상된 DSP 명령
가변적, TCMs, MMU
220 MIPS @ 200 MHz,
ARMv5TE
ARM996HS
Clockless 프로세서, 향상된 DSP 명령
캐시없음, TCMs, MPU
 ARM10E
 ARMv5TE
ARM1020E
 VFP, 6-단계 파이프라인, 향상된 DSP 명령
32 KB/32 KB, MMU
ARM1022E
 VFP
16 KB/16 KB, MMU
ARMv5TEJ
ARM1026EJ-S
Jazelle DBX, 향상된 DSP 명령
가변적, MMU or MPU
 XScale
 ARMv5TE
80200/IOP310/IOP315
I/O 프로세서, 향상된 DSP 명령
80219
400/600 MHz
IOP321
600 BogoMips @ 600 MHz
IOP33x
IOP34x
1-2 core, RAID Acceleration
32K/32K L1, 512K L2, MMU
PXA210/PXA250
응용분야 프로세서, 7-단계 파이프라인
PXA255
32KB/32KB, MMU
400 BogoMips @ 400 MHz
PXA26x
default 400 MHz, up to 624 MHz
PXA27x
응용분야  프로세서
32 KiB/32 Kb, MMU
800 MIPS @ 624 MHz
PXA800(E)F
Monahans
1000 MIPS @ 1.25 GHz
PXA900
IXC1100
Control Plane 프로세서
IXP2400/IXP2800
IXP2850
IXP2325/IXP2350
IXP42x
IXP460/IXP465
 ARM11
ARMv6
ARM1136J(F)-S
SIMD, Jazelle DBX, VFP, 8-단계 파이프라인
가변적, MMU
740 @ 532-665 MHz (i.MX31 SoC), 400-528 MHz
ARMv6T2
ARM1156T2(F)-S
SIMD, Thumb-2, VFP, 9-단계 파이프라인
가변적, MPU
ARMv6KZ
ARM1176JZ(F)-S
SIMD, Jazelle DBX, VFP
가변적, MMU+TrustZone
ARMv6K
ARM11 MPCore
1-4 코어 SMP, SIMD, Jazelle DBX, VFP
가변적, MMU
 Cortex
ARMv7-A
Cortex-A8
응용분야 형상, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-단계 슈퍼스칼라 파이프라인
가변적 (L1+L2), MMU+TrustZone
2000 (2.0 DMIPS/MHz, 600 MHz부터 1 GHz) 까지
Cortex-A9
응용분야 형상, VFP, (NEON), Jazelle RCT and DBX, Thumb-2
MMU+TrustZone
2.5 DMIPS/MHz
Cortex-A9 MPCore
As Cortex-A9, 1-4 코어 SMP
MMU+TrustZone
2.0 DMIPS/MHz
Cortex-A12
2.96 DMIPS/MHz
Cortex-A15
3.5 DMIPS/MHz
ARMv7-R
Cortex-R4(F)
임베디드 형상, (FPU)
가변적 캐시, MPU optional
600 DMIPS
ARMv6-M
Cortex-M1
FPGA와 연동, 마이크로컨트롤러 형상, Thumb-2 (BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB).
없음, 선택적 메모리 밀착형.
 
ARMv7-M
Cortex-M3
마이크로컨트롤러 형상, Thumb-2 only.
캐시없음, (MPU)
125 DMIPS @ 100 MHz
ARMv7E-M
Cortex-M4
마이크로컨트롤러 형상
125 DMIPS
 ARMv8-A
Cortex-A53
64비트 명령어 지원
MMU, TrustZone, 64bit 가상 주소
2.3 DMIPS/MHz
Cortex-A57
64비트 명령어 지원
MMU, TrustZone, 64bit 가상 주소
4.1 DMIPS/MHz
Cortex-A72
64비트 명령어 지원
MMU, TrustZone, 64bit 가상 주소
=== 보안 확장 ===
==== 트러스트존 (Cortex-A 프로파일) ====
트러스트존 테크놀로지(TrustZone Technology)라는 이름으로 마케팅된 보안 확장 기능은 ARMv6KZ 이상의 애플리케이션 프로파일 아키텍처에 포함된다. 하드웨어 기반 접근 제어의 지원을 받는 2개의 가상 프로세서를 제공함으로써 SoC의 다른 전용 보안 코어를 추가하지 않으므로 비용을 낮출 수 있다.
==== ARMv8-M용 트러스트존 (Cortex-M 프로파일) ====
TrustZone for ARMv8-M Technology로 마케팅되는 보안 확장 기능은 ARMv8-M 아키텍처에 도입되었다.
C 언어로 다음과 같은 코드를,
    while (i != j) {
       if (i > j)
           i -= j;
       else
           j -= i;
    }
ARM 어셈블리어로는 다음과 같이 작성할 수 있다.
loop:   CMP  Ri, Rj         ; set condition "NE" if (i != j),
                            ;               "GT" if (i > j),
                            ;            or "LT" if (i 
현재 이클립스나 WAF 등을 통해서 운영체제와 상관없이 일정수준을 만족하는 기준에서 작성된 소스코드를 원하는 운영체제에 맞는 실행파일로 빌드를 지원하고있다. 한편 ARM社 역시 이러한 오픈소스와 작동하는 GNU Compiler (GCC) 툴체인 프로그램을 제공하고있다.
이에따라 특히 기존 인텔이나 AMD x86계열의 리눅스 프로그램들은 자유로이 싱글보드 컴퓨터에 포팅되어 사용할 수 있는 생태계가 형성되었다.
일부 마이크로컨트롤러유닛인 MCU타입 보드는 아두이노 IDE에서의 개발환경을 공식적으로 지원한다.
MCU타입 보드인 cortex-M4칩을 장착한 ST社의 STM32 NUCLEO-F303K8는 오픈 소스 하드웨어인 아두이노 나노 보드와 헤더배치에서 호환되도록 설계되었다. 한편 cortex-M4칩은 FPU를 포함한 32비트 CPU이다.
Cortex-A8을 채택한 10 cm X6cm 전후의 초소형 크기에 5V 전력을 사용하는 단일보드컴퓨터는 본격적으로 스마트폰이나 싱글보드컴퓨터등에 특화되어 사용되기 시작했다.
운영체제로는 우분투계열의 우분투 메이트나 아크 리눅스등이 리눅스 OS로서 지원되며 리눅스 운영체제를 기반으로하는 안드로이드가 스마트폰등에서 그리고 다양한 임베디드 기기를 위해 웹OS나 타이젠등이 사용되고있다.
* 애플 실리콘
* Big.LITTLE
* 멜트다운 (버그)
* 축소 명령어 집합 컴퓨터
* RISC-V
* 스펙터 (버그)
* 참고  ARM Cortex-M4-based STM32F4 MCU Series
* 참고  STM32F4 MCU - nucleo-f303k8
*  
 
분류:마이크로프로세서
분류:임베디드 시스템
분류:임베디드 마이크로프로세서
분류:마이크로컨트롤러
분류:명령어 집합 구조