ARM mimarisi

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Atla: kullan, ara

ARM mimarisi (orijinal adı Acorn RISC Machine) RISC tabanlı bir işlemci mimarisidir, 32 ve 64 bit versiyonları vardır, genel itibariyle 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 olarakta performans farklılıkları görülür. Bu yüzden işlemci jenerasyonları ve karakteristikleri incelenirken ARM referans tasarımı ele alınır.

Tarihi[değiştir | kaynağı değiştir]

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]'de 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[değiştir | kaynağı değiştir]

Family Architecture Version Core Feature Cache (I/D)/MMU Typical MIPS @ MHz In application
ARM1 ARMv1 ARM1 None ARM Evaluation System second processor for BBC Micro
ARM2 ARMv2 ARM2 Architecture 2 added the MUL (multiply) instruction None 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. None, MEMC1a 7 MIPS @ 12 MHz Acorn Archimedes
ARM3 ARMv2a ARM2a First use of a processor cache on the ARM. 4K unified 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) None 10 MIPS @ 12 MHz 3DO Interactive Multiplayer, Zarlink GPS Receiver
ARM600 As ARM60, cache and coprocessor bus (for FPA10 floating-point unit). 4K unified 28 MIPS @ 33 MHz
ARM610 As ARM60, cache, no coprocessor bus. 4K unified 17 MIPS @ 20 MHz
0.65 DMIPS/MHz
Acorn Risc PC 600, Apple Newton 100 series
ARM7 ARMv3 ARM700 8 KB unified 40 MHz Acorn Risc PC prototype CPU card
ARM710 As ARM700 8 KB unified 40 MHz Acorn Risc PC 700
ARM710a As ARM700 8 KB unified 40 MHz
0.68 DMIPS/MHz
Acorn Risc PC 700, Apple eMate 300
ARM7100 As ARM710a, integrated SoC. 8 KB unified 18 MHz Psion Series 5
ARM7500 As ARM710a, integrated SoC. 4 KB unified 40 MHz Acorn A7000
ARM7500FE As ARM7500, "FE" Added FPA and EDO memory controller. 4 KB unified 56 MHz
0.73 DMIPS/MHz
Acorn A7000+
ARM7TDMI ARMv4T ARM7TDMI(-S) 3-stage pipeline, Thumb none 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 unified, MMU 36 MIPS @ 40 MHz Psion Series 5mx, Psion Revo/Revo Plus/Diamond Mako
ARM720T As ARM7TDMI, cache 8 KB unified, 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 none
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 none
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 no cache, TCMs ST Micro STR91xF, includes Ethernet[6]
ARM968E-S As ARM966E-S no cache, TCMs NXP Semiconductors LPC2900
ARMv5TEJ ARM926EJ-S Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions variable, 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 no caches, 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) variable, MMU or 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, eSOM270 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) variable, 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], Nokia N800, Nokia N810, Qualcomm MSM7200 (with integrated ARM926EJ-S Coprocessor@274MHz, 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) variable, MPU
ARMv6KZ ARM1176JZ(F)-S As ARM1136EJ(F)-S variable, 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 variable, MMU Nvidia APX 2500
Cortex ARMv7-A Cortex-A8 Application profile, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-stage superscalar pipeline variable (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) variable cache, MPU optional 600 DMIPS @ ~375MHz Broadcom is a user, TMS570 from Texas Instruments
ARMv7-M Cortex-M3 Microcontroller profile, Thumb-2 only. no cache, MPU optional 125 DMIPS @ 100 MHz Energy Micro's EFM32, Luminary Micro microcontroller family, ST Microelectronics STM32, NXP Semiconductors LPC1700, Toshiba TMPM330FDFG, Ember's EM300 Series
ARMv6-M Cortex-M0 (codenamed "Swift")[13] Microcontroller profile, Thumb-2 (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB). No cache. 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). None, tightly coupled memory optional. Up to 136 DMIPS @ 170 MHz[16] (0.8 DMIPS/MHz,[17] MHz achievable FPGA-dependent) Actel ProASIC3, ProASIC3L, IGLOO and Fusion PSC devices, Altera Cyclone III, other FPGA products are also supported e.g. Synplicity

[18]

Family Architecture Version Core Feature Cache (I/D)/MMU Typical MIPS @ MHz In application

Tasarım Notları[değiştir | kaynağı değiştir]

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[değiştir | kaynağı değiştir]

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 and VLSI

Yaklaşık Lisans Bedeli[değiştir | kaynağı değiştir]

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

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ "Some facts about the Acorn RISC Machine" Roger Wilson posting to comp.arch, Nov 2 1988, Accessed 25 May 2007.
  2. ^ "ARM810 - Dancing to the Beat of a Different Drum" ARM Limited presentation at Hot Chips 8, 1996.
  3. ^ "Neo1973: GTA01Bv4 versus GTA02 comparison". http://wiki.openmoko.org/wiki/Neo1973:_GTA01Bv4_versus_GTA02_comparison. Erişim tarihi: 2007-11-15. 
  4. ^ "Rockbox Samsung SA58xxx series". http://www.rockbox.org/twiki/bin/view/Main/SamsungSA58. Erişim tarihi: 2008-02-22. 
  5. ^ "Rockbox Meizu M6 Port - Hardware Information". http://www.rockbox.org/twiki/bin/view/Main/MeizuM6Port. Erişim tarihi: 2008-02-22. 
  6. ^ "STR9 - STR912 - STR912FW44 microcontroller - documents and files download page". Mcu.st.com. http://mcu.st.com/mcu/modules.php?name=mcu&file=devicedocs&DEV=STR912FW44&FAM=101. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  7. ^ Starlet.
  8. ^ "Benchmarks - Albatross". Albatross-uav.org. 2005-06-18. http://www.albatross-uav.org/index.php/Benchmarks. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  9. ^ "ARM1136J(F)-S - ARM Processor". Arm.com. http://www.arm.com/products/CPUs/ARM1136JF-S.html. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  10. ^ "GoForce 6100". Nvidia.com. http://www.nvidia.com/page/goforce_6100.html. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  11. ^ Clarke, Peter (2009-02-03). "ARM tips plans for Swift and Sparrow processor cores". EE Times. http://www.eetimes.com/news/semi/rss/showArticle.jhtml?articleID=213000665&cid=RSSfeed_eetimes_semiRSS. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  12. ^ Segan, Sascha (2009-04-09). "ARM's Multicore Chips Aim for Netbooks". PC Magazine. http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2341032,00.asp. Erişim tarihi: 2009-04-18. 
  13. ^ a b Walko, John (2009-03-23). "NXP first to demo ARM Cortex-M0 silicon". EE Times. http://www.eetimes.com/news/design/rss/showArticle.jhtml?articleID=216200026. Erişim tarihi: 2009-06-29. 
  14. ^ http://www.triadsemi.com/services/arm-powered-vcas/
  15. ^ http://www.electronicsweekly.com/Articles/2009/06/10/46252/cortex-m0-used-in-low-power-touch-controller.htm
  16. ^ "ARM Extends Cortex Family with First Processor Optimized for FPGA", ARM press release, March 19 2007. Retrieved April 11, 2007.
  17. ^ "ARM Cortex-M1", ARM product website. Retrieved April 11, 2007.
  18. ^ ARM Extends Cortex Family with First Processor Optimized for FPGA.
  19. ^ "Business review/Financial review/IFRS", p. 10, ARM annual report and accounts, 2006. Retrieved May 7 2007