1. Historia de ARM
La historia de desarrollo de ARM se remonta a 1978, cuando la empresa para la que trabajaba Chris Curry se encontró con una crisis financiera y su desarrollo fue de mal en peor. Curry decidió irse después de una comunicación profunda con el fundador. En ese momento, Curry estaba muy interesado en las microcomputadoras y luego fundó Cambridge Processor Unit Co., Ltd. con su amigo Hermann Hauser (Hermann Hauser). En 1979, Cambridge Processor Company cambió su nombre a Acorn Computer (Acorn Computer) Co., Ltd. Se dice que el nombre se cambió porque esperaba que el nombre de la empresa apareciera delante de Apple en orden alfabético. Dedicada principalmente al diseño y fabricación de equipos electrónicos en sus primeros días de negocio, su primer producto de gran éxito se lanzó en diciembre de 1981 como BBC Microcomputer. 1985 fue un hito importante para Acorn Computer, ya que completaron de forma independiente el diseño de un microprocesador de 32 bits, utilizando un conjunto de instrucciones reducido, un proceso de 3 micras y que contenía 25 000 transistores. Este procesador es el punto de partida de la arquitectura ARM, ARMv1.
En 1990, con inversiones de VLSI Technology Corporation, Acorn y Apple tenían cada una el 43 % de las acciones y establecieron ARM.Desde entonces, ARM se ha convertido en la abreviatura de Advanced RISC Machines. La membresía original de ARM consistía en un puñado de ingenieros y tenía su sede en un granero en Cambridge.
En 1996, ARM estableció una cooperación con Texas Instruments, Samsung, Nokia y otras empresas para lograr rentabilidad. El juego clásico en el teléfono móvil Nokia 6110 - Snake está desarrollado en base al chip ARM 7TDMI. En 1998, ARM se cotizó en Nasdaq y comenzó a cotizar. En ese momento, el valor de mercado de ARM había alcanzado los mil millones de dólares estadounidenses. En 2004, ARM lanzó tres series de procesadores: Cortex-A, R y M. Los lectores atentos pueden haber descubierto que estas tres series de procesadores son las tres letras de ARM. En febrero de 2007, entró oficialmente en el mercado la primera GPU de ARM, la Mali-200. En el mismo año, hubo otro evento importante en el mundo de la tecnología, es decir, ¡nació el iPhone! El iPhone se puede describir como un producto electrónico que hace época, que está equipado con chips basados en núcleos ARM. Con el advenimiento de la era de los teléfonos inteligentes, ARM también ha surgido. En 2007, el envío de chips basados en diseños de núcleo ARM ha llegado a 100. 100 millones!
Softbank de Japón adquirió ARM en 2016. En 2020, Softbank planeó vender ARM a Nvidia por 40.000 millones de dólares estadounidenses. Sin embargo, debido a la oposición de muchas agencias reguladoras, la transacción se canceló. ARM seguirá siendo neutral en la industria de los semiconductores. y continuar sirviendo a otras empresas.Las empresas de diseño de chips proporcionan autorización de IP (Propiedad Intelectual).
2. Familia de procesadores ARM
A lo largo de los años, ARM ha desarrollado bastantes productos de procesador diferentes. Como se muestra en la figura a continuación: los productos de procesador ARM se dividen en la serie de procesadores ARM clásicos (lado izquierdo de la línea divisoria en la figura a continuación) y la última serie de procesadores Cortex (lado derecho de la línea divisoria en la figura a continuación). Y según los diferentes ámbitos de aplicación, los procesadores ARM se pueden clasificar en 3 series.
- Procesadores de aplicaciones (Procesador de aplicaciones, el cuadro naranja en la figura a continuación): procesadores de gama alta para informática móvil, teléfonos inteligentes, servidores y otros mercados. Estos procesadores funcionan a frecuencias de reloj muy altas (más de 1 GHz) y admiten unidades de administración de memoria (MMU) requeridas por sistemas operativos completos como Linux, Android, MS Windows y sistemas operativos móviles. Si el producto que planea desarrollar necesita ejecutar uno de los sistemas operativos anteriores, debe elegir el procesador de aplicaciones ARM.
- Procesadores en tiempo real (procesadores en tiempo real, el cuadro gris en la figura a continuación): una familia de procesadores de alto rendimiento para aplicaciones en tiempo real, como controladores de disco duro, sistemas de propulsión de automóviles y control de banda base para comunicaciones inalámbricas. La mayoría de los procesadores en tiempo real no son compatibles con MMU, pero suelen tener MPU, caché y otras funciones de memoria diseñadas para aplicaciones industriales. Los procesadores en tiempo real funcionan a frecuencias de reloj relativamente altas (por ejemplo, de 200 MHz a >1 GHz) con latencias de respuesta muy bajas. Aunque los procesadores en tiempo real no pueden ejecutar versiones completas de los sistemas operativos Linux y Windows, admiten una gran cantidad de sistemas operativos en tiempo real (RTOS).
- Procesadores de microcontroladores: los procesadores de microcontroladores generalmente están diseñados para ser pequeños en tamaño y altamente eficientes energéticamente. Por lo general, estos procesadores tienen una tubería muy corta y una frecuencia de reloj máxima muy baja (aunque existen procesadores de este tipo en el mercado que pueden funcionar por encima de los 200 MHz). Además, la nueva familia de procesadores Cortex-M está diseñada para ser muy fácil de usar. Por lo tanto, los procesadores de microcontroladores ARM son muy exitosos y populares en los mercados de microcontroladores y sistemas integrados.
Características del procesador de la serie ARM tres
Además, ARM también lanzó una serie de GPU móviles, la GPU Mali.
3. Autorización ARM
ARM es un proveedor de propiedad intelectual (PI). La mayor diferencia entre él y las empresas generales de semiconductores es que no fabrica chips ni los vende a los usuarios finales. Los socios producen chips con sus propias características.
A grandes rasgos, la autorización ARM se divide en tres niveles:
- Usar autorización jerárquica
- Arquitectura de autorización a nivel de kernel
- Autorización de nivel de conjunto de instrucciones
Los tres niveles de autoridad están ascendiendo en orden. Los requisitos para las empresas de diseño de chips también son de menor a mayor, y el espacio de uso también es de menor a mayor: la autorización de nivel de conjunto de instrucciones (también conocida como núcleo suave) tiene el mayor espacio para jugar, y el uso de autorización jerárquica (también conocido como núcleo duro) tiene el menor espacio para jugar. (Por ejemplo, la fundición TSMC puede realizar la construcción con los planos, sin modificación).
Para comprar una empresa de diseño de chips que utiliza la autorización jerárquica de ARM (núcleo duro), en términos sencillos, utiliza la arquitectura de versión pública de ARM. En este caso, la empresa de diseño de chips debe llevar la marca de ARM al mundo exterior: la marca de la CPU es Cortex-AXX (XX significa dos números arábigos, el primer número indica la generación de la arquitectura y el segundo indica el ajuste fino de la arquitectura), la GPU es Mali-GXX (XX significa lo mismo que arriba).
Si usamos un ejemplo aproximado pero fácil de entender para ilustrar los permisos de estos tres niveles, generalmente podemos entenderlo así:
Supongamos que escribo un artículo, solo te autorizo a reenviarlo, no puedes cambiarlo, no puedes agregar aceite y vinagre, eso es usar autorización jerárquica; te autorizo a citar mi artículo en el artículo, que es Autorización a nivel de kernel; Te autorizo a obtener Para modificar y reorganizar mis artículos para formar un nuevo documento es la autorización de nivel de arquitectura.
Tenga en cuenta que la autorización a nivel de esquema para una determinada versión suele ser permanente.
En la actualidad, más de 1000 empresas han firmado acuerdos de licencia de tecnología con ARM, incluidas empresas tan grandes como Apple, Intel, Broadcom, IBM, LG, SONY, NXP y TI. Sin embargo, solo hay unas 15 empresas que se atreven a comprar licencias de arquitectura: Qualcomm, Apple, Broadcom, Marvell, Huawei y Samsung son usuarios típicos (y también son líderes en sus respectivas industrias).
Cuatro, análisis de arquitectura ARM
A continuación se toma S3C2440 como ejemplo para comparar y analizar con 51 microcomputadoras de un solo chip y se analiza la arquitectura ARM en detalle.
ARM Company diseña principalmente núcleos de procesador AISC de la serie ARM, no produce chips, sino que solo proporciona núcleos IP. Primero explique la arquitectura, el núcleo, el procesador y el chip con un ejemplo: S3C2440, este es un chip SoC. Tenga en cuenta que no es una CPU. S3C2440 es algo similar a la microcomputadora de un solo chip 51 con la que estamos familiarizados. En la actualidad, es ha pasado por tres etapas, a saber, SCM, MCU y SoC. 51 pertenece a SCM o MCU, y S3C2440 pertenece a SoC. Primero, echemos un vistazo a la estructura interna de 51 microcomputadoras de un solo chip, como se muestra en la figura a continuación.
Su estructura interna se puede dividir simplemente en dos partes: CPU y periféricos. Mira el 2440 de nuevo:
El ARM920T en el medio es su procesador En mi opinión, el procesador y el núcleo son un concepto aquí, pero uno es un concepto duro y el otro es un concepto suave. El ARM920T aquí es tanto un procesador como un núcleo. Lo que hace Samsung son otras cosas además de esta CPU.
¿Qué pasa con la arquitectura? Veamos otra imagen.
El de la izquierda es la arquitectura, y el de la derecha es el procesador, que también puede llamarse núcleo. La primera y más exitosa CPU de ARM fue la ARM7TDMI, que estaba basada en ARMv4. La arquitectura ARM incorpora las siguientes características RISC:
- esquema de lectura/almacenamiento
- No admite accesos a memoria desalineados (ahora compatibles con núcleos ARMv6)
- Conjunto de instrucciones ortogonales (las instrucciones de acceso arbitrario pueden acceder a los datos en cualquier modo de direccionamiento Conjunto de instrucciones ortogonales)
- Gran variedad de registros de 16 × 32 bits (archivo de registro)
- La longitud fija del código de operación (opcode) de 32 bits reduce el costo de codificación y reduce la carga de decodificación y canalización.
- La mayoría se ejecutan en un ciclo de CPU.
- Se ajustará la arquitectura de las diferentes versiones.
Al igual que Samsung, otros fabricantes importantes que cooperan con ARM generalmente juntan su CPU y varias IP periféricas, y luego toman los dibujos para grabarlos, y los productos producidos también son un cuadrado con muchos pines debajo. Esto incluye no solo la CPU, pero también otros controladores.Esto se llama SoC (sistema en chip). Desde un punto de vista inglés, el llamado SoC de cuatro núcleos no significa solo la CPU, sino un sistema de cuatro núcleos.
Entonces, lo que los principales fabricantes están haciendo actualmente es comprar la autorización ARM, obtener el código fuente del procesador ARM y luego crear una IP periférica (o comprarla o diseñarla usted mismo), formar un SoC y luego ir a la cinta. Los diferentes SoC tienen diferentes arquitecturas (es decir, cómo se conecta la CPU a IP, algunos con bus como núcleo y otros con DDR como núcleo), por lo que HiSilicon es una arquitectura SoC con derechos de propiedad independientes. Sin embargo, no importa lo que hagan los fabricantes, no importa cuánto lo intenten, la CPU no ha sido tocada, el núcleo ARM simplemente permanece allí, es decir, la unidad central de procesamiento.
V. Resumen
En la era posterior a los teléfonos inteligentes, ARM se ha desarrollado rápidamente y ha establecido un buen ecosistema en más de diez años. Incluso Microsoft, un antiguo socio de Intel, anunció su soporte para la arquitectura ARM en 2011. A partir de 2022, ARM tiene más de 1000 socios y el 95 % de los teléfonos inteligentes usan procesadores basados en núcleo ARM, con envíos acumulados de más de 225 000 millones de procesadores. Ya sabes, si alrededor del año 2000, si alguien dijera que el rendimiento de los procesadores de arquitectura ARM podría ser comparable a x86, o incluso superar a x86, entonces sería equivalente a una fantasía. Luego, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología al final del día, ARM viaja en el gran barco de Internet móvil y se convierte gradualmente en una nueva fuerza en el campo de la arquitectura del conjunto de instrucciones.