ARM (arvutiarhitektuur)

ARM (algselt Acorn RISC Machines, hiljem ka Advanced RISC Machines) on kärbitud käsustikuga arvutiarhitektuur, mida arendab ARM Holdings. Tänu ARM-protsessorite lihtsusele on need sobivad madala voolutarbega rakenduste jaoks nagu mobiiltelefonid ja muud väikesed seadmed.

Umbes 95% mobiiltelefonidest kasutab ARM-i väljatöötatud protsessorit. ARM-i protsessoreid kasutatakse manussüsteemides: pihuarvutites, mobiiltelefonides, muusikapleierites, mängukonsoolides, kalkulaatorites ja arvuti- ja võrgutarvikutes.

ARM-i arhitektuur on litsentseeritav. Mõned tuntumad ARM-i kliendid on Apple Inc., Broadcom, Cirrus Logic, Digital Equipment Corporation, Freescale, Intel, LG, Marvell Technology Group, Microsoft, NEC, Nuvoton, Nvidia, Qualcomm, Samsung, Sharp, Texas Instruments ja Yamaha.

ARM ise protsessoreid ei arenda, seda teevad ARM Holdingsi alltöövõtjad ja teised volitatud tootjad. ARM Holdingsi enda tehtud on ARM7, ARM9, ARM11 ja Cortexi tootepered. Mõned tuntumad teiste tootjate tehtud protsessorid on DEC StrongARM, Freescale i.MX, Marvell (algselt Intel) XScale (põhineb ARM v5 -l), Nintendo, Nvidia Tegra, ST-Ericsson Nomadik, Qualcomm Snapdragon, Texas Instruments-i OMAP seeria ja Apple A4.

Ajalugu
ARM ajalugu algas 1979. aastal, mil loodi Inglismaal Cambridge'is firma Acorn Computers. Acorn tootis algul koduarvuteid. Tugeva konkurentsi tõttu hakkas Acorni meeskond keeruliste käsustikega protsessorite asemele midagi uut mõtlema ja selleks loodi uurimisprojekt. Selle projekti tulemusel sündiski esimene ARM (Acorn RISC Machine) protsessor. 1985. aastal lasid nad välja esimese 26-bitise protsessori. Sellel oli 25 000 transistori, mis oli isegi tolle aja kohta väga vähe, kuid siiski oli jõudluselt samaväärne Intel 80286 protsessoriga (134 000 transistori).

1987 lasti välja ARM versioon 2, millel oli kaasprotsessori tugi. Hiljem arendati selle põhjal ARM versioon 3, millele lisati sisemine vahemälu.

1990 lõid Apple, VLSI Technology ja Acorn ühisettevõtte ARM, mis tähendas nüüd Advanced RISC Machines.

1996 lasti välja ARM protsessorite neljas põlvkond. Suurim uuendus selles versioonis oli Thumb 16-bitise pakitud käsustiku lisamine. Thumb -i kood võtab 40% vähem ruumi võrreldes 32-bitise koodiga. Levinuim neljanda põlvakonna protsessor on ARM7TDMI, mida kasutab näiteks Apple iPod.

1999 lasti välja ARM protsessorite viies põlvkond, mis lisas ARM protsessoritele digitaalse signaalitöötluse ja Java baitkoodi laiendused. Tuntuim viienda põlvkonna implementatsioon on XScale protsessor.

2001 väljastati ARMv6, mis lisas SIMD käsustiku, TrustZone virtualiseerimistehnoloogia ja mitme protsessori toe. Parandati ka Thumb tehnoloogiat.

2006 ilmus ARM seitsmes põlvkond. See sisaldab parandatud SIMD käsustikku ja parandatud ujukoma tuge.

ARM-protsessorid
 Perekond  Arhitektuur  Omadused  Vahemälu  Jõudlus ARM1  ARMv1  esimene versioon  puudub  4 MIPS @ 8 MHz ARM2  ARMv2, ARMv2a  korrutamisinstruktsioon  puudub  7 MIPS @ 12 MHz ARM3  ARMv2a  integreeritud vahemälu  4 kB, ühtne  12 MIPS @ 25 MHz ARM6  ARMv3  ARM60: 32-bitise aadressiruumi tugi, ARM60: puudub kaasprotsessori siin  4 kB ühtne  10–28 MIPS @ 12 MHz ARM7  ARMv3  ARM710: puudub kaasprotsessori siin  8 kB ühtne  Pole teada ARM7TDMI  ARMv4T  kolmeastmeline pipeline, Thumb-käsustik  8 kB ühtne  15–63 MIPS @ 16,8 MHz ARM7EJ  ARMv5TEJ  viieastmeline pipeline, Thumb, Jazelle DBX, täiendatud DSP käsud  puudub  Pole teada ARM8  ARMv4  viieastmeline pipeline, staatiline hargnemise ennustamine, topelt mälu ülekandekiirus  8 kB  84 MIPS @ 72 MHz StrongARM  ARMv4  viieastmeline pipeline  8–16 kB  – ARM9TDMI  ARMv4T  viieastmeline pipeline, Thumb  4–16 kB  200 MIPS @ 180 MHz ARM9E  ARMv5TE, ARMv5TEJ  Thumb, Jazelle DBX, täiendatud DSP käsud,  16–32 kB, muutuv  220 MIPS @ 200 MHz ARM10E  ARMv5TE, ARMv5TEJ  Thumb, Jazelle DBX, täiendatud DSP käsud, VFP (Vector Floating Point)  4–16 kB  200 MIPS @ 180 MHz XScale  ARMv5TE  seitsmeastmeline pipeline, Thumb, täiendatud DSP käsud, Wireless MMX  32 kB  kuni 1,25 GHz ARM11  ARMv6  seitsmeastmeline pipeline, SIMD, Thumb, Jazelle DBX, Thumb-2, VFP, täiendatud DSP käsud  muutuv  740 @ 532–665 MHz (i.MX31 SoC), 400–528 MHz Cortex-A  ARMv7-A  Cortex-A5: VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb/Thumb-2, 1–4 tuuma  muutuv (L1+L2)  1,57 DMIPS / MHz tuuma kohta Cortex-A8: VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-astmeline superskalaarne pipeline  muutuv (L1+L2)  2,0 DMIPS/MHz Cortex-A9 MPCore: rakenduslik profiil, VFPv3 FPU, NEON, Thumb-2, Jazelle RCT/DBX, 1–4 tuuma (sümmeetriline multitöötlus)  32 kB / 32 kB L1, kuni 4 MB L2  2,5 DMIPS/MHz tuuma kohta, 10 000 DMIPS @ 2 GHz (jõudlusele optimeeritud TSMC 40G (kahetuumaline)Cortex-A15 MPCore: rakenduslik profiil, VFPv4 FPU, NEON, Thumb-2, Jazelle RCT/DBX, Large Physical Address Extensions (LPAE), riistvara virtualiseerimine, 1–4 tuuma (sümmeetriline multitöötlus)  32 kB / 32 kB L1, kuni 4 MB L2  Cortex-R  ARMv7-R  reaalaja profiil, Thumb-2, FPU  muutuv  740 @ 532–665 MHz (i.MX31 SoC), 400–528 MHz Cortex-M  ARMv6-M  Cortex-M0: mikrokontrolleri profiil, Thumb-2 alamhulk (16-bitine Thumb käsustik & BL, MRS, MSR, ISB, DSB ja DMB). Riistvaraline korrutamise käsk  puudub  0,9 DMIPS/MHzCortex-M1: FPGA targeted, mikrokontrolleri profiil, Thumb-2 alamhulk (16-bitine Thumb käsustik & BL, MRS, MSR, ISB, DSB ja DMB)  puudub  Kuni 136 DMIPS @ 170 MHzARMv7-M  Cortex-M3: mikrokontrolleri profiil, ainult Thumb-2. Riistvaraline jagamise käsk  valikuline  125 DMIPS @ 100 MHzARMv7-ME  Cortex-M4: mikrokontrolleri profiil, Thumb ja Thumb-2, FPU. Hardware MAC, SIMD ja jagamine  valikuline  1,25 DMIPS/MHz Perekond  Arhitektuur  Omadused  Vahemälu  Jõudlus

ARM ärimudel
ARM ei tooda ise füüsilisi protsessoreid, vaid ainult loob ja hooldab arhitektuure ning volitatud tootjad teevad nende arhitektuuride põhjal konkreetseid protsessoreid. Protsessorite põhjal luuakse konkreetsed seadmed.

 Omadused 
Arhitektuur
ARM arhitektuur määrab ära kuidas ARM protsessor peab käituma. Arhitektuur sisaldab:
 käsustik
 programmeerija mudel
 konfiguratsioon
 vigade haldus
 mälumudel

Iga arhitektuuri versioon määrab süsteemi omadused:
 vahemälu tasemete arv ja maht
 abijuhtregistri funktsionaalsus
 abiinstruktsioonide mõju

Arhitektuur võib määrata ära ka erinevad laiendused. Arhitektuuri muudatused eri versioonides on tavaliselt tagasiühilduvad eelmisete versioonidega.

 Protsessor 
Protsessor on konkreetne implementatsioon mingist arhitektuurist. Näiteks ARM1156T2(F)-S on ARMv6 arhitektuuri implementatsioon, millele on lisatud Thumb-2(T2), Ujukoma üksus (FPU)(F) ja SIMD(S), vastavalt tähistele protsessori nimes.
Samast arhitektuurist võib olla palju implementatsioone.

 Seade 
Seadmetes on tavaliselt ARM-protsessor ja selle lisad ühendatud ühte süsteemikiipi. Seadme arenduse ajal lisatakse erinevad kiibid vastavalt vajadusele. Seetõttu võivad erinevad seadmed põhineda samal protsessoril, kuid millel on näiteks erinev vahemälu suurus.

Näiteks võivad seadmel olla järgmised komponendid:
 2. taseme vahemälu kontroller
 staatilise mälu kontroller
 dünaamilise mälu kontroller
 vastastikune siin
 katkestuste kontroller
 taktsignaal
 väliste siinide liidesed

 Profiilid 
Alates ARM 7. põlvkonnast on sellel profiilid erinevate rakendusvaldkondade jaoks.
 Profiil  Nimi  Kirjeldus A  Rakenduslik profiil  Virtuaalse mälusüsteemi põhine mikroprotsessor. Mõeldud suure jõudlusega seadmetele, mis peavad käitama täisfunktsionaalseid operatsioonisüsteeme. R  Reaalaja profiil  Kaitstud mälusüsteemi põhine mikroprotsessor. Mõeldud ettemääratud ajastusega ja lühikest katkestusaega vajavatele süsteemidele. M  Mikrokontrolleri profiil  Võimaldab lühikese katkestusajaga pöördumist otse kõrgetaseme programmeerimiskeeltest. Toetab osaliselt kaitstud mälu süsteemi ja Thumb-käsustikku.

 Käsustik 
Lihtsus
 Vähendatud käsustik ehk RISC.
 Fikseeritud 32-bitine käsk muutuja asemel
 Lihtsam toota

Töö
 Riistvaraline käsu dekodeerimise loogika
 Paralleelne käskude täitmine
 Võimalik ühetsükliline käsutäitmine

Eelised
 Kiibi väiksem füüsiline suurus
 Lühem arendusaeg
 Kohati suurem võimsus kui keeruka käsustikuga kiipidel

Tingimuslik täitmine
ARM protsessorites ei kasutata tingimuslikku täitmist ainult hargnemiste(tingimuslausete) korral, vaid kõikide käskude korral. Selleks lisatakse igale käsule neljabitine tingimuskood. Käsk kas täidetakse või ei täideta vastavalt sellele, milline on N, Z, C ja V tähiste väärtus programmi oleku registris (Current Program Status Register – CPSR).

Näide. Eukleidese algoritmi põhjal C-keeles näeb kood välja selline:
  while(i!=j) {
    if (i > j)
      i -= j;
    else
      j -= i;
  }
ARM assembleris näeb sama kood välja selline:
 loop  CMP  Ri, Rj    ; määra tingimus "NE" if (i != j),
              ;        "GT" if (i > j),
              ;      or "LT" if (i < j)
    SUBGT Ri, Ri, Rj  ; if "GT" (suurem kui), i = i-j;
    SUBLT Rj, Rj, Ri  ; if "LT" (vähem kui), j = j-i;
    BNE  loop     ; if "NE" (pole võrdne), then loop
SUB käske täidetakse ainult siis, kui Ri ja Rj on võrdsed. Hargemist ei toimu, kui Ri ja Rj pole võrdsed.

Laiendused
Jazelle
Jazelle võimaldab täita Java baitkoodi otse ARM-protsessoril.

Thumb
Thumb on käsustiku olek. Selles olekus käsustik sisaldab muutuva pikkusega käske – 16–32 bitti. Lühem käsukood annab parema jõudluse.
Thumb olekus 16-bitistel käsukoodidel on väiksem funktsionaalsus. Tinglik täitmine on lubatud vaid hargnemiste korral.

Thumb-2
Thumb-2 laiendab nii ARM kui Thumb käsustikku, lisades bitivälja manipuleerimise, tabeli hargnevused ja tingliku täitmise.

NEON
On kombineeritud 64- ja 128-bitise SIMD käsustik, mis annab kiirenduse meedia ja signaalitöötlusele.

TrustZone
ARM TrustZone® tehnoloogia on süsteemikeskne lähenemine rakenduste turvamiseks nagu rahaülekanded, DRM ja veebiteenused. TrustZone tehnoloogia on tugevalt integreeritud A-profiili protsessoritesse.

Täitmise keelamine
Alates ARMv6 on ka ARM protsessoritel nn NX-bit, mis märgib teatud mälupiirkonnad mittetäidetavaks.

Toetavad operatsioonisüsteemid
ARM-arhitektuuri toetavad paljud operatsioonisüsteemid. Esimesed ARM-põhised arvutid kasutasid operatsioonisüsteemi Arthur, millest arenes välja RISC OS.

 Manusopsüsteemid 
Windows CE, Symbian OS, eCos, INTEGRITY, Nucleus PLUS, MicroC/OS-II, QNX, RTXC Quadros, ThreadX, VxWorks.

 UNIXi-laadsed 
Android, Apple iOS, WebOS (Palm), GNU/Linux, BSD, Plan 9 (Bell Labs), Inferno, Solaris.

 Personaalarvuti opsüsteemid 
 Linuxi distributsioonid: Ubuntu, Chrome OS, Debian, Fedora jt,
 BSD variandid: FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, RISC iX,
samuti OpenSolaris.

Vaata ka
 x86

Viited

Välislingid
 30 October 2012, Ian Smythe, Mali-T600 Series Completing the ARM 64-bit System Story

Kategooria:Arvutiarhitektuur