ARM (arvutiarhitektuur)

ARM (algselt Acorn RISC Machines, hiljem ka Advanced RISC Machines^[1]) 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.^[2] 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^[3]), 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^[4]).^[5][6]

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^[7] 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[8]: VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb/Thumb-2, 1–4 tuuma	muutuv (L1+L2)	1,57 DMIPS / MHz tuuma kohta
		Cortex-A8[9]: VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-astmeline superskalaarne pipeline	muutuv (L1+L2)	2,0 DMIPS/MHz
		Cortex-A9 MPCore[10]: 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[11]: 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/MHz
		Cortex-M1: FPGA targeted, mikrokontrolleri profiil, Thumb-2 alamhulk (16-bitine Thumb käsustik & BL, MRS, MSR, ISB, DSB ja DMB)	puudub	Kuni 136 DMIPS @ 170 MHz
	ARMv7-M	Cortex-M3: mikrokontrolleri profiil, ainult Thumb-2. Riistvaraline jagamise käsk	valikuline	125 DMIPS @ 100 MHz
	ARMv7-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.^[12]

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.^[13]
• 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)^[14].

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