ARM mimarisi
ARM mimarisi (orijinal adı Acorn RISC Machine) RISC tabanlı bir işlemci mimarisidir, 32 ve 64 bit versiyonları vardır, 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 yongasetlerinde genelde ARM işlemci tercih edilir.
ARM firması kendi başına işlemci üretmez, dizayn ve lisansı satar, CISC tabanlı işlemcilere göre özelleştirilebildiğinden aynı jenerasyon işlemci farklı üreticilerden değiştirilmiş olarak çıkabilir, bağlı olarak da performans farklılıkları görülür. Bu yüzden işlemci jenerasyonları ve karakteristikleri incelenirken ARM referans tasarımı ele alınır.
Tarihi
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 veri yolu, 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, BUGbase[1]19 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). | Ön bellek 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 | ||
| 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 tarafdan 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.