ARM mimarisi

ARM mimarisi (orijinal adı Acorn RISC Machine) RISC tabanlı bir işlemci mimarisidir. Genel itibarıyla düşük güç tüketimi, diğer RISC tabanlı işlemcilere göre yüksek performanslı oluşu ve x86-x64 işlemcilere göre daha hesaplı olmasından dolayı gömülü sistemlerde, taşınabilir aygıtlarda kullanılan yongasetlerinin dizaynında tercih edilir. 32 ve 64 bit modelleri bulunur.

ARM

Tasarımcı	Sophie Wilson Steve Furber Acorn Computers/ARM Holding
Bit	32-bit, 64-bit
Tanıtım	1985 (40 yıl önce) (1985)
Tasarım	RISC
Açık	Kapalı kaynak

ARM firması kendi başına işlemci üretmez, ISA dizaynı ve kullanım lisansı satar. Bu sebeple aynı nesil işlemci farklı üreticilerden değiştirilmiş olarak çıkabilir, bağlı olarak da performans farklılıkları görülür. Bu yüzden işlemci nesilleri ve özellikleri incelenirken ARM referans tasarımı ele alınır.

Tarihçe

Conexant ARM işlemcisi çoğunlukla router'larda kullanılırdı.

Acorn Computers Ltd tarafından geliştirme projesi olarak ARM dizaynı 1983 yılında başladı.

Roger Wilson and Steve Furber liderliğinde takım, gelişmiş bir MOS Technology 6502'sinin neye benzeyeceğinin geliştirilmesine başladı. Acorn, 6502'sini temel aldığı için programa benzer chip, şirket için önemli bir avantaj sağladı.

Takım, ARM1 isimli geliştirilmiş örneği Nisan 1985^[1]'te ve takip eden yılda ilk gerçek ürün olan ARM2'yi tamamladı. ARM2'nin göze çarpan özellikleri, 32-bit veriyolu, 26-bit address space, 64 Mbayt adres alanı ve 16 adet 32-bitlik yazmaç sağlar. Bu yazmaçlardan birtanesi program sayacı olarak kullanılır. Bu sayacın en fazla 6 bit'i ve en az 2 bit'i işlemci durum göstergesi'ni tutar. 30,000 transistör ile yeryüzündeki en basit kullanışlı 32-bit mikroişlemcisi ARM2 işlemcisidir. Bu basitliğin çoğu microkod bulundurmamasından ve günümüzün çoğu işlemcisinde olduğu gibi önbellek içermemesidir. Bu basitlik Intel 80286^{[kaynak belirtilmeli]} işlemcisinden hem daha iyi performans gösterirken hem de daha az güç kullanımı sağlıyordu. ARM3, performansı daha fazla arttırmasını sağlayan 4KB önbellek ile geliştirildi.

ARM6'nın ilk modeli 1991 yılında piyasaya sürüldü ve Apple, kendi Apple Newton PDA'ları için temel olarak ARM6-based ARM 610'nu kullandı. 1994 yılında, Acorn kendi Risc PC bilgisayarlarında ana CPU olarak the ARM6-based ARM 610'nu kullandı.

ARM çekirdekleri

Aile	Mimari Versiyon	Çekirdek	Özellik	Önbellek (I/D)/MMU	Tipik MIPS @ MHz	Yardımcı uygulama
ARM1	ARMv1	ARM1		Yok		ARM Evaluation System second processor for BBC Micro
ARM2	ARMv2	ARM2	Architecture 2 added the MUL (multiply) instruction	Yok	4 MIPS @ 8 MHz 0.33 DMIPS/MHz	Acorn Archimedes, Chessmachine
	ARMv2a	ARM250	Integrated MEMC (MMU), Graphics and IO processor. Architecture 2a added the SWP and SWPB (swap) instructions.	Yok, MEMC1a	7 MIPS @ 12 MHz	Acorn Archimedes
ARM3	ARMv2a	ARM2a	First use of a processor cache on the ARM.	4K tümleşik	12 MIPS @ 25 MHz 0.50 DMIPS/MHz	Acorn Archimedes
ARM6	ARMv3	ARM60	v3 architecture first to support addressing 32 bits of memory (as opposed to 26 bits)	Yok	10 MIPS @ 12 MHz	3DO Interactive Multiplayer, Zarlink GPS Receiver
		ARM600	As ARM60, cache and coprocessor bus (for FPA10 floating-point unit).	4K tümleşik	28 MIPS @ 33 MHz
		ARM610	As ARM60, cache, no coprocessor bus.	4K tümleşik	17 MIPS @ 20 MHz 0.65 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC 600, Apple Newton 100 series
ARM7	ARMv3	ARM700		8 KB tümleşik	40 MHz	Acorn Risc PC prototype CPU card
		ARM710	As ARM700	8 KB tümleşik	40 MHz	Acorn Risc PC 700
		ARM710a	As ARM700	8 KB tümleşik	40 MHz 0.68 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC 700, Apple eMate 300
		ARM7100	As ARM710a, integrated SoC.	8 KB tümleşik	18 MHz	Psion Series 5
		ARM7500	As ARM710a, integrated SoC.	4 KB tümleşik	40 MHz	Acorn A7000
		ARM7500FE	As ARM7500, "FE" Added FPA and EDO memory controller.	4 KB tümleşik	56 MHz 0.73 DMIPS/MHz	Acorn A7000+
ARM7TDMI	ARMv4T	ARM7TDMI(-S)	3-stage pipeline, Thumb	Yok	15 MIPS @ 16.8 MHz 63 DMIPS @ 70 MHz	Game Boy Advance, Nintendo DS, iPod, Lego NXT, Atmel AT91SAM7, Juice Box, NXP Semiconductors LPC2000 and LH754xx
		ARM710T	As ARM7TDMI, cache	8 KB tümleşik, MMU	36 MIPS @ 40 MHz	Psion Series 5mx, Psion Revo/Revo Plus/Diamond Mako
		ARM720T	As ARM7TDMI, cache	8 KB tümleşik, MMU with Fast Context Switch Extension	60 MIPS @ 59.8 MHz	Zipit Wireless Messenger, NXP Semiconductors LH7952x
		ARM740T	As ARM7TDMI, cache	MPU
	ARMv5TEJ	ARM7EJ-S	5-stage pipeline, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions	Yok
StrongARM	ARMv4	SA-110		16 KB/16 KB, MMU	203 MHz 1.0 DMIPS/MHz	Apple Newton 2x00 series, Acorn Risc PC, Rebel/Corel Netwinder, Chalice CATS, Psion Netbook
		SA-1110	As SA-110, integrated SoC	16 KB/16 KB, MMU	233 MHz	LART (computer), Intel Assabet, Ipaq H36x0, Balloon2, Zaurus SL-5x00, HP Jornada 7xx, Jornada 560 series, Palm Zire 31
ARM8	ARMv4	ARM810[2]	5-stage pipeline, static branch prediction, double-bandwidth memory	8 KB unified, MMU	84 MIPS @ 72 MHz 1.16 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC prototype CPU card
ARM9TDMI	ARMv4T	ARM9TDMI	5-stage pipeline, Thumb	Yok
		ARM920T	As ARM9TDMI, cache	16 KB/16 KB, MMU	200 MIPS @ 180 MHz	Armadillo, GP32,GP2X (first core), Tapwave Zodiac (Motorola i. MX1), Hewlet Packard HP-49/50 Calculators, Sun SPOT, Cirrus Logic EP9302, EP9307, EP9312, EP9315, Samsung S3C2442 (HTC TyTN, FIC Neo FreeRunner[3])
		ARM922T	As ARM9TDMI, caches	8 KB/8 KB, MMU		NXP Semiconductors LH7A40x
		ARM940T	As ARM9TDMI, caches	4 KB/4 KB, MPU		GP2X (second core), Meizu M6 Mini Player[4][5]
ARM9E	ARMv5TE	ARM946E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions, caches	variable, tightly coupled memories, MPU		Nintendo DS, Nokia N-Gage, Canon PowerShot A470, Conexant 802.11 chips
		ARM966E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions	Önbellek yok, TCMs		ST Micro STR91xF, includes Ethernet[6]
		ARM968E-S	As ARM966E-S	Önbellek yok, TCMs		NXP Semiconductors LPC2900
	ARMv5TEJ	ARM926EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions	Değişken, TCMs, MMU	220 MIPS @ 200 MHz,	Mobile phones: Sony Ericsson (K, W series); Siemens and Benq (x65 series and newer); Texas Instruments OMAP1710, OMAP1610, OMAP1611, OMAP1612, OMAP-L137, OMAP-L138; Qualcomm MSM6100, MSM6125, MSM6225, MSM6245, MSM6250, MSM6255A, MSM6260, MSM6275, MSM6280, MSM6300, MSM6500, MSM6800; Freescale i.MX21, i.MX27, Atmel AT91SAM9, NXP Semiconductors LPC3000, GPH Wiz, Marvell Feroceon, NEC C10046F5-211-PN2-A SoC - undocumented core in the ATi Hollywood graphics chip used in the Wii,[7] Samsung S3C2412 used in Squeezebox Duet's Controller. NeoMagic MiMagic Family MM6, MM6+, MM8, MTV; Buffalo TeraStation Live (NAS);
	ARMv5TE	ARM996HS	Clockless processor, as ARM966E-S	Önbellek yok, TCMs, MPU
ARM10E	ARMv5TE	ARM1020E	6-stage pipeline, Thumb, Enhanced DSP instructions, (VFP)	32 KB/32 KB, MMU
		ARM1022E	As ARM1020E	16 KB/16 KB, MMU
	ARMv5TEJ	ARM1026EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions, (VFP)	Değişken, MMU ya da MPU		Western Digital MyBook II World Edition
XScale	ARMv5TE	80200/IOP310/IOP315	I/O Processor, Thumb, Enhanced DSP instructions
		80219			400/600 MHz	Thecus N2100
		IOP321			600 BogoMips @ 600 MHz	Iyonix
		IOP33x
		IOP34x	1-2 core, RAID Acceleration	32K/32K L1, 512K L2, MMU
		PXA210/PXA250	Applications processor, 7-stage pipeline		PXA210: 133 and 200 MHz, PXA250: 200, 300, and 400 MHz	Zaurus SL-5600, iPAQ H3900, Sony CLIÉ NX60, NX70V, NZ90
		PXA255		32KB/32KB, MMU	400 BogoMips @ 400 MHz; 371-533 MIPS @ 400 MHz[8]	Gumstix basix & connex, Palm Tungsten E2, Zaurus SL-C860, Mentor Ranger & Stryder, iRex ILiad
		PXA263			200, 300 and 400 MHz	Sony CLIÉ NX73V, NX80V
		PXA26x			default 400 MHz, up to 624 MHz	Palm Tungsten T3
		PXA27x	Applications processor	32 KB/32 KB, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Gumstix verdex, eSOM2704 Mayıs 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. PXA270 COM, HTC Universal, HP hx4700, Zaurus SL-C1000, 3000, 3100, 3200, Dell Axim x30, x50, and x51 series, Motorola Q, Balloon3, Trolltech Greenphone, Palm TX, Motorola Ezx Platform A728, A780, A910, A1200, E680, E680i, E680g, E690, E895, Rokr E2, Rokr E6, Fujitsu Siemens LOOX N560, Toshiba Portégé G500, Trēo 650-755p, Zipit Z2
		PXA800(E)F
		Monahans		32KB/32KB L1, TCM, MMU	1000 MIPS @ 1.25 GHz	Samsung Omnia
		PXA900				Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)
		IXC1100	Control Plane Processor
		IXP2400/IXP2800
		IXP2850
		IXP2325/IXP2350
		IXP42x				NSLU2 IXP460/IXP465
ARM11	ARMv6	ARM1136J(F)-S[9]	8-stage pipeline, SIMD, Thumb, Jazelle DBX, (VFP)	Değişken, MMU	740 @ 532-665 MHz (i.MX31 SoC), 400-528 MHz	Texas Instruments OMAP2420 (Nokia E90, Nokia N93, Nokia N95, Nokia N82), Zune, BUGbase19 Mayıs 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., Nokia N800, Nokia N810, Qualcomm MSM7200 (with integrated ARM926EJ-S Coprocessor@274 MHz, used in Eten Glofiish, HTC TyTN II, HTC Nike), Freescale i.MX31 (used in the original Zune 30gb and Toshiba Gigabeat S), Freescale MXC300-30 (Nokia E63, Nokia E71, Nokia 5800, Nokia E51, Nokia E75, Nokia N97, Nokia N81), Qualcomm MSM7201A as seen in the HTC Dream. Motorola Z6. HTC Hero
	ARMv6T2	ARM1156T2(F)-S	9-stage pipeline, SIMD, Thumb-2, (VFP)	Değişken, MPU
	ARMv6KZ	ARM1176JZ(F)-S	As ARM1136EJ(F)-S	Değişken, MMU+TrustZone		Apple iPhone, Apple iPod touch, Conexant CX2427X, Motorola RIZR Z8, Motorola RIZR Z10, NVIDIA GoForce 6100[10]
	ARMv6K	ARM11 MPCore	As ARM1136EJ(F)-S, 1-4 core SMP	Değişken, MMU		Nvidia APX 2500
Cortex	ARMv7-A	Cortex-A8	Application profile, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-stage superscalar pipeline	Değişken (L1+L2), MMU+TrustZone	up to 2000 (2.0 DMIPS/MHz in speed from 600 MHz to greater than 1 GHz)	Texas Instruments OMAP3xxx series, SBM7000, Oregon State University OSWALD, Gumstix Overo Earth, Pandora, Archos 5, FreeScale i.MX51-SOC, BeagleBoard, Apple iPhone 3GS, Palm Pre, Samsung i8910, Sony Ericsson Satio, Touch Book, Nokia N900.
		Cortex-A9	Application profile, (VFP), (NEON), Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, Out-of-order speculative issue superscalar	MMU+TrustZone	2.0 DMIPS/MHz
		Cortex-A9 MPCore	As Cortex-A9, 1-4 core SMP	MMU+TrustZone	2.0 DMIPS/MHz (per core)	Texas Instruments OMAP4430/4440 ; "Sparrow" (planned)[11][12]
	ARMv7-R	Cortex-R4(F)	Embedded profile, Thumb-2, (FPU)	Değişken önbellek, MPU optional	600 DMIPS @ ~375 MHz	Broadcom is a user, TMS570 from Texas Instruments
	ARMv7-M	Cortex-M3	Microcontroller profile, Thumb-2 only.	Önbellek yok, MPU opsiyonel	125 DMIPS @ 100 MHz	Energy Micro's EFM32, Luminary Micro microcontroller family, ST Microelectronics STM3217 Mayıs 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., NXP Semiconductors LPC1700, Toshiba TMPM330FDFG14 Haziran 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., Ember's EM300 Series
	ARMv6-M	Cortex-M0 (kod adı "Swift")[13]	Microcontroller profile, Thumb-2 (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB).	Önbellek yok.	0.9 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors NXP LPC1100,[13] Triad Semiconductor,[14] Melfas[15]
		Cortex-M1	FPGA targeted, Microcontroller profile, Thumb-2 (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB).	Yok, sıkı bağlı bellek seçenekleri.	Up to 136 DMIPS @ 170 MHz[16] (0.8 DMIPS/MHz,[17] MHz achievable FPGA-dependent)	Actel ProASIC3, ProASIC3L, IGLOO and Fusion PSC devices7 Temmuz 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., Altera Cyclone III, other FPGA products are also supported e.g. Synplicity [18]
Aile	Mimari versiyon	Çekirdek	Özellik	Önbellek (I/D)/MMU	Tipik MIPS @ MHz	Yardımcı uygulama

Tasarım notları

Tasarımın açık, basit ve hızlı olabilmesi için Acorn microbilgisayarlarında kullanılan 8-bit 6502 işlemcisine benzer bir şekilde mikrokod barındırmayacak şekilde geliştirildi.

ARM Mimarisi, aşağıda belirtilen RISC özellikleri içerir:

• Load-store mimarisi
• Yanlış hafıza erişimlerine karşı desteği yok. (ARMv6 çekirdeklerinde destekleniyor.)
• Geniş 16 × 32-bit yazmaç dosyası

Intel 80286 ve Motorola 68020 işlemcilerindeki gibi bazı bilindik tasarım özellikleri kullanıldı:

• Güçlü indeksleme,
• Basit ama hızlı 2-öncelikli-bölüm kesme altsistemi,
• Aritmetik yönergelerde ve adres hesaplamalarında performans sorunu olmadan 32-bit barrel shifter

Her yönergenin öncesinde 4-bit condition code'u kullanması ARM tasarımına ilginç bir eklemedir.

Hafıza erişim talimatlarında yerini almalar olduğu için bu kesmeler, önemli şekilde geçerli bitlerin kodlanmasını ...., fakat öbür taraftan da küçük if koşulları için kodlar oluşturulurken dallanma talimatlarından kaçınılır. Euclid'in Euclidean algorithm örneği en bilinen ve standart örnektir:

C programlama dilinde, döngü:

int gcd (int i, int j) 
{
   while (i != j)
   { 
      if (i > j) 
          i -= j;
      else 
          j -= i;
   }
   return i;
} 

ARM assembly dilinde, döngü:

loop   CMP    Ri, Rj; set condition "NE" if (i != j)
                     ;            "GT" if (i > j), 
                     ;         or "LT" if (i < j)           
       SUBGT  Ri, Ri, Rj; if "GT", i = i-j; 
       SUBLT  Rj, Rj, Ri; if "LT", j = j-i; 
       BNE    loop   ; if "NE", then loop

then ve else yantümcelerinde dallanmalardan kaçınılır.

Komut kümelerinin başka tek özelliği de kaydırma ve döndürmeleri "veri işlemleri" (aritmetik, mantıksal ve yazmaç-yazmaç hareketi) komutlarına bağlayabilmesidir. Örneğin C dilinde

a += (j << 2);

Arm işlemcisinde tek çevrim komutu ve tek bir kelimeymiş gibi dönüştürülür.

ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2

Tipik Arm programında bu sonuç beklenenden daha az hafıza erişimi ve boru hattının daha verimli kullanılmasını sağlar. ARM işlemcisinin yavaş hızla çalıştığı düşünülmesine karşın daha gelişmiş işlemciler ile yine de yarışabilir durumdadır.

ARM lisansları

ARM lisanslarını elinde tutan bazı firmalar: Analog Devices, Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, Faraday technology, IBM, Infineon Technologies, Nintendo, NXP Semiconductors (spun off from Philips in 2006), OKI, Samsung, Sharp, STMicroelectronics, Texas Instruments ve VLSI

Yaklaşık lisans bedeli

2.45 milyar ünitenin lisanslama sonucu,^[19] ARM'nin yıllık raporuna göre lisans bedeli toplam 164.1 milyon Amerikan Doları'dır. Bu yaklaşık ünite başına 0.067 Amerikan dolarına denk gelir. Tüm çekirdeklerin ortalaması olmasına karşın pahalı ve ucuz eski çekirdekleri de buna dâhildir.