1. História da ARM
A história do desenvolvimento da ARM remonta a 1978, quando a empresa para a qual Chris Curry trabalhava encontrou uma crise financeira e seu desenvolvimento foi de mal a pior. Curry decidiu sair após uma comunicação profunda com o fundador. Naquela época, Curry estava muito interessado em microcomputadores e, em seguida, fundou a Cambridge Processor Unit Co., Ltd. com seu amigo Hermann Hauser (Hermann Hauser). Em 1979, Cambridge Processor Company mudou seu nome para Acorn Computer (Acorn Computer) Co., Ltd. Diz-se que o nome foi mudado porque esperava que o nome da empresa fosse listado na frente da Apple em ordem alfabética. principalmente envolvida no projeto e fabricação de equipamentos eletrônicos em seus primeiros dias. negócio, seu primeiro produto de enorme sucesso foi lançado em dezembro de 1981 como o BBC Microcomputer. O ano de 1985 foi um marco importante para a Acorn Computer. Eles concluíram independentemente o projeto de um microprocessador de 32 bits, usando um conjunto de instruções reduzido, um processo de 3 mícrons e contendo 25.000 transistores. Este processador é o ponto de partida da arquitetura ARM, ARMv1.
Em 1990, investidas pela VLSI Technology Corporation, a Acorn e a Apple detinham 43% das ações cada uma, e estabeleceram a ARM.Desde então, a ARM se tornou a abreviação de Advanced RISC Machines. A associação original da ARM consistia em um punhado de engenheiros e estava baseada em um celeiro em Cambridge.
Em 1996, a ARM estabeleceu cooperação com a Texas Instruments, Samsung, Nokia e outras empresas para obter lucratividade. O jogo clássico no celular Nokia 6110 - Snake é desenvolvido com base no chip ARM 7TDMI. Em 1998, a ARM foi listada na Nasdaq e listada para negociação. Naquela época, o valor de mercado da ARM atingiu um bilhão de dólares americanos! Em 2004, a ARM lançou três séries de processadores: Cortex-A, R e M. Leitores atentos podem ter descoberto que essas três séries de processadores são as três letras de ARM. Em fevereiro de 2007, entrava oficialmente no mercado a primeira GPU da ARM, a Mali-200. No mesmo ano, acontecia outro grande evento no mundo da tecnologia, ou seja, nascia o iPhone! O iPhone pode ser descrito como um produto eletrônico que marcou época, equipado com chips baseados em núcleos ARM. Com o advento da era dos smartphones, o ARM também surgiu. Em 2007, o envio de chips baseados em designs de núcleo ARM atingiu 100. 100 milhões!
Em 2016, a ARM foi adquirida pela Softbank do Japão. Em 2020, a Softbank planejava vender a ARM para a Nvidia por US$ 40 bilhões. No entanto, devido à oposição de muitas agências reguladoras, a transação foi abortada. A ARM ainda permanecerá neutra na indústria de semicondutores e continuar a servir outras empresas.As empresas de design de chips fornecem autorização de IP (Propriedade Intelectual).
2. Família de processadores ARM
Ao longo dos anos, a ARM desenvolveu alguns processadores diferentes. Conforme mostrado na figura abaixo: Os produtos de processadores ARM são divididos em séries clássicas de processadores ARM (lado esquerdo da linha divisória na figura abaixo) e a mais recente série de processadores Cortex (lado direito da linha divisória na figura abaixo). E de acordo com diferentes escopos de aplicação, os processadores ARM podem ser classificados em 3 séries.
- Application Processors (Application Processor, a caixa laranja na figura abaixo) – processadores de ponta para computação móvel, smartphones, servidores e outros mercados. Esses processadores funcionam em frequências de clock muito altas (acima de 1 GHz) e suportam unidades de gerenciamento de memória (MMUs) exigidas por sistemas operacionais completos como Linux, Android, MS Windows e sistemas operacionais móveis. Se o produto que você planeja desenvolver precisa executar um dos sistemas operacionais acima, você precisa escolher o processador de aplicativos ARM.
- Processadores em tempo real (processadores em tempo real, a caixa cinza na figura abaixo) – uma família de processadores de alto desempenho para aplicações em tempo real, como controladores de disco rígido, powertrains automotivos e controle de banda base para comunicações sem fio. A maioria dos processadores de tempo real não suporta MMU, mas geralmente possuem MPU, Cache e outras funções de memória projetadas para aplicações industriais. Os processadores de tempo real são executados em frequências de clock relativamente altas (por exemplo, 200MHz a >1GHz) com latências de resposta muito baixas. Embora os processadores de tempo real não possam executar versões completas dos sistemas operacionais Linux e Windows, eles suportam um grande número de sistemas operacionais de tempo real (RTOS).
- Processadores de microcontroladores – Os processadores de microcontroladores geralmente são projetados para serem pequenos em tamanho e altamente eficientes em termos de energia. Normalmente, esses processadores têm um pipeline muito curto e uma frequência de clock máxima muito baixa (embora existam processadores desse tipo no mercado que podem rodar acima de 200Mhz). Além disso, a nova família de processadores Cortex-M foi projetada para ser muito fácil de usar. Portanto, os processadores de microcontroladores ARM são muito bem-sucedidos e populares nos mercados de microcontroladores e sistemas profundamente integrados.
Características do processador ARM três séries
Além disso, a ARM também lançou uma série de GPU móvel, a Mali GPU.
3. Autorização ARM
A ARM é uma fornecedora de propriedade intelectual (PI). A maior diferença entre ela e as empresas de semicondutores em geral é que ela não fabrica chips e não vende chips para usuários finais. Os parceiros produzem chips com características próprias.
De um modo geral, a autorização ARM é dividida em três níveis:
- Usar autorização hierárquica
- Arquitetura de autorização em nível de kernel
- Autorização de nível de conjunto de instruções
Os três níveis de autoridade estão subindo em ordem. Os requisitos para empresas de design de chips também são de baixo a alto, e o espaço para uso também é de baixo a alto: a autorização de nível de conjunto de instruções (também conhecida como núcleo macio) tem o maior espaço para jogar e o uso de autorização hierárquica (também conhecido como hard core) tem menos espaço para jogar. (Por exemplo, a fundição TSMC pode realizar a construção com os desenhos, sem modificações).
Para comprar uma empresa de design de chips que usa a autorização hierárquica (hard core) da ARM, em termos leigos, ela usa a arquitetura de versão pública da ARM. Nesse caso, a empresa de design de chips deve trazer a marca ARM para o mundo exterior: a marca da CPU é Cortex-AXX (XX significa dois algarismos arábicos, o primeiro número indica a geração da arquitetura e o segundo indica o ajuste fino da arquitetura), a GPU é Mali-GXX (XX significa o mesmo que acima).
Se usarmos um exemplo aproximado, mas fácil de entender, para ilustrar as permissões desses três níveis, geralmente podemos entender assim:
Suponha que eu escreva um artigo, eu apenas autorizo você a encaminhá-lo, você não pode alterá-lo, não pode adicionar azeite e vinagre, ou seja, usar a autorização hierárquica; eu autorizo você a citar meu artigo no artigo, que é autorização no nível do kernel; eu autorizo você a obter Modificar e reorganizar meus artigos para formar um novo artigo é a autorização do nível da arquitetura.
Observe que a autorização em nível de esquema para uma determinada versão geralmente é permanente.
Atualmente, mais de 1.000 empresas assinaram acordos de licenciamento de tecnologia com a ARM, incluindo grandes empresas como apple, Intel, Broadcom, IBM, LG, SONY, NXP e TI. No entanto, existem apenas cerca de 15 empresas que ousam comprar licenças de arquitetura. Qualcomm, Apple, Broadcom, Marvell, Huawei e Samsung são usuários típicos (e também são líderes em seus respectivos setores).
Quatro, análise de arquitetura ARM
O seguinte toma S3C2440 como um exemplo para comparar e analisar com 51 microcomputadores de chip único e analisa a arquitetura ARM em detalhes.
A ARM Company projeta principalmente núcleos de processador AISC da série ARM, não produz chips, mas apenas fornece núcleos IP. Primeiro, explique a arquitetura, núcleo, processador e chip com um exemplo: S3C2440, este é um chip SoC. Observe que não é uma CPU. S3C2440 é um pouco semelhante ao microcomputador de chip único 51 que conhecemos. Atualmente, ele passou por três estágios, ou seja, SCM, MCU e SoC. 51 pertence a SCM ou MCU, e S3C2440 pertence a SoC. Primeiro, vamos dar uma olhada na estrutura interna do microcomputador de chip único 51, conforme mostrado na figura abaixo.
Sua estrutura interna pode ser simplesmente dividida em duas partes: CPU e periféricos. Olhe para o 2440 novamente:
O ARM920T no meio é seu processador.Na minha opinião, processador e núcleo são um conceito aqui, mas um é um conceito rígido e o outro é um conceito flexível. O ARM920T aqui é um processador e um núcleo. O que a Samsung faz são outras coisas além desta CPU.
E a arquitetura? Vejamos outra foto.
O da esquerda é a arquitetura e o da direita é o processador, que também pode ser chamado de núcleo. A primeira e mais bem-sucedida CPU da ARM foi a ARM7TDMI, baseada na ARMv4. A arquitetura ARM incorpora os seguintes recursos RISC:
- ler/armazenar esquema
- Não suporta acessos de memória desalinhados (agora suportados por núcleos ARMv6)
- Conjunto de instruções ortogonais (instruções de acesso arbitrário podem acessar dados em qualquer modo de endereçamento Conjunto de instruções ortogonais)
- Grande matriz de registros de 16 × 32 bits (arquivo de registro)
- O comprimento fixo do código de operação de 32 bits (opcode) reduz o custo de codificação e reduz a carga de decodificação e pipeline.
- A maioria é executada em um ciclo de CPU.
- A arquitetura de diferentes versões será ajustada.
Assim como a Samsung, outros grandes fabricantes que cooperam com a ARM geralmente colocam suas CPUs e vários IPs periféricos juntos e depois levam os desenhos para colar, e os produtos produzidos também são um quadrado com muitos pinos embaixo. Isso inclui não apenas a CPU, mas também outros controladores.Essa coisa é chamada de SoC (system on chip). Do ponto de vista inglês, o chamado SoC quad-core não significa apenas a CPU, mas um sistema quad-core.
Portanto, o que os principais fabricantes estão fazendo atualmente é comprar a autorização ARM, obter o código-fonte do processador ARM e, em seguida, criar algum IP periférico (ou comprá-lo ou projetá-lo você mesmo), formar um SoC e, em seguida, ir para a fita. Diferentes SoCs têm arquiteturas diferentes (ou seja, como a CPU está conectada ao IP, algumas com barramento como núcleo e outras com DDR como núcleo), portanto HiSilicon é uma arquitetura SoC com direitos de propriedade independentes. No entanto, não importa o que os fabricantes façam, não importa o quanto tentem, a CPU não foi tocada, o núcleo ARM apenas fica lá, que é a unidade central de processamento.
V. Resumo
Na era pós-smartphone, o ARM se desenvolveu rapidamente e estabeleceu um bom ecossistema em mais de dez anos. Até a Microsoft, um antigo parceiro da Intel, anunciou seu suporte para a arquitetura ARM em 2011. A partir de 2022, a ARM tem mais de 1.000 parceiros e 95% dos smartphones usam processadores baseados em núcleo ARM, com remessas cumulativas de mais de 225 bilhões de processadores. Você sabe, se por volta de 2000, se alguém dissesse que o desempenho dos processadores de arquitetura ARM poderia ser comparável ao x86, ou mesmo superar o x86, isso seria equivalente à fantasia. Então, com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia no final do dia, a ARM embarca no grande navio da Internet móvel e gradualmente se desenvolve em uma nova força no campo da arquitetura de conjunto de instruções!