Кто разработал архитектуру arm

19

История ARM. Часть 1 — От возникновения до акционерной компании

Шел 1979 год. Atari представила свою версию игрового автомата Asteroids. На свет появился язык программирования ADA. Основались такие компании, как 3COM, Oracle, и Seagate. TI вышла на компьютерный рынок. Hayes начала продажи своих первых модемов, которые впоследствии стали промышленным стандартом. Были представлены процессоры Motorola 68K и Intel 8088. И в это же время Герман Хаузер (Hermann Hauser) и Крис Керри (Chris Curry) с группой студентов и исследователей из различных лабораторий Кембриджского университета основали Acorn Computers, чтобы начать разработку персональных компьютеров в Кембридже.

Первым продуктом Acorn стал британский домашний компьютер Atom с быстрым по тем временам процессором 1 МГц и 12 килобайтами ПЗУ и ОЗУ. После этого, в целях расширения производства и сбыта домашних компьютеров, а также, для повышения компьютерной грамотности британцев компания начала работу с Британской телерадиовещательной корпорацией (BBC). Получившийся продукт, BBC micro, достиг поразительного успеха после выхода в свет в 1982 году.

Однако остальные игроки на компьютерном рынке тоже не сидели сложа руки. Например, компания Apple представила компьютер Lisa, который сочетал в себе первую для ПК коммерческую оконную среду и 16-разрядный процессор. Это дало понять людям из Acorn, что все увеличивающаяся производительность будет необходима за пределами сферы 8-разрядных вычислительных машин. И в качестве непосредственного результата в Acorn был организован отдел Перспективных исследований и разработок, чтобы попытаться реализовать специальный проект процессора с сокращенным набором команд (RISC). На тот момент эта идея была довольно-таки революционной.

Рождение ARM процессоров

Результатом этой научно-исследовательской работы стал первый ARM процессор (от сокращения фразы Acorn RISC Machine, которая потом сменилась на Advanced RISC Machine). Первые экземпляры процессора, изготовленного компанией VLSI Technology на основе кремния по 3-мкм технологии, Acorn представила в 1985 году. Результат превзошел первоначально поставленные цели разработки, так как в процессоре использовалось менее 25000 транзисторов.

ARM1 вскоре сменился моделью ARM2, первой версией ARM процессора, запущенной в массовое производство, и, возможно, самым простым RISC процессором в мире, состоящем всего лишь из 30000 транзисторов. По сравнению с ARM1 он имел улучшенный набор инструкций, повышающий производительность окружающих его систем. Процессор имел 32-разрядную шину данных, 26-разрядную шину адреса, 16 регистров, а также внешний кэш. Среди прочего, были добавлены инструкции умножения и умножения с накоплением, облегчающие цифровую обработку сигналов, необходимую для генерации звуков – важной функции для домашних компьютеров и компьютеров, используемых в сфере образования. Несмотря на все эти дополнения, кристалл ARM2 все равно отличался малыми размерами и небольшим количеством транзисторов. Новый процессор, как и ARM1, также производился компанией VLSI Technology, получившей права на его продажу.

Первым продуктом на базе ARM2 была ARM система разработки, включающая в себя сам ARM процессор и три дополнительные микросхемы, 4 Мб ОЗУ и набор средств разработки с расширенной версией BBC BASIC.

Вторым изделием, в котором использовался ARM процессор, был мультимедийный ПК компании Acorn под названием Archimedes, выпущенный в 1987 году. Компьютер состоял из 8-мегагерцовой версии процессора ARM2, трех микросхем поддержки (MEMC, VIDC и IOC), контроллера ввода/вывода и простой операционной системы. После выхода на рынок Archimedes получил довольно прохладные отзывы, поскольку тогда большинство персональных компьютеров придерживалось стандарта IBM PC, в то время как Acorn представила компьютер с новым процессором, новой операционной системой и без какого-либо программного обеспечения, необходимого пользователям. Потребовалось два-три года, чтобы разработать достаточное количество приложений для ARM процессора и ПК Archimedes. После этого компания Acorn улучшила и развила свои модели компьютеров, чтобы утвердиться в качестве лидера на британском рынке компьютеров для дома и образования.

После выхода Archimedes Acorn продолжала поддерживать свою команду исследователей и разработчиков в создании улучшенных версий ARM процессоров. Для обеспечения такого уровня производительности, который отвечал бы требованиям самых современных персональных компьютеров, были добавлены 4 Кб встроенного кэша данных и команд, а тактовая частота увеличена до 25 МГц. Так появился ARM3. В 1990 он стал использоваться в настольных компьютерах компании Acorn.

Acorn падает с дерева: яблоко и Ньютон

Тем временем, Герман Хаузер начал новый бизнес, основав компанию Active Book Company, сфокусировавшую свою деятельность на формирующемся рынке персональных электронных помощников (PDA). А команда разработчиков ARM переделала продукт, сделав процессор полностью статическим, что позволяло останавливать тактирование для снижения потребляемой мощности – непременное условие для подобных приложений.

Между тем, компания Apple также выходила на рынок PDA, и уже разработала первый Newton, основанный на процессоре AT&T с низким энергопотреблением, названным Hobbit. Джон Стоктон (John Stockton), научный сотрудник VLSI Technology, убедил проектную группу и Ларри Теслера (Larry Tesler), который возглавлял команду в Apple, в необходимости использования ARM. Оба пришли к согласию в том, что компания Apple желала бы использовать в своей продукции процессоры ARM, но по причинам конкуренции в этом плане хочет сотрудничать с какой-либо другой компанией, а не с Acorn. Только через шесть недель, в 1990 году, удалось договориться о создании совместного предприятия между Apple, VLSI Technology и Acorn.

Причудливым завихрением в этой истории со сделкой было то, что Герман заключил ее с AT&T через Active Book Company, и все это стало называться EO Ltd. Конструкция EO перешла с процессоров ARM на процессоры Hobbit, а Newton фирмы Apple стал, в свою очередь, использовать ARM вместо Hobbit!

Двенадцать инженеров и паб

В свое время Герман Хаузер также создал компанию Cambridge Processor Unit (CPU). Робин Сэксби (Robin Saxby) из Motorola поставлял чипы Герману для CPU, и у них уже тогда наладились хорошие отношения. После собеседования Робин был приглашен на должность генерального директора, но прежде чем согласиться, он попросил организовать ему встречу с «командой двенадцати». Робин вспоминает: «Следовало принять ключевое решение: смогу ли я расширить команду, или же не создавать дополнительных затрат, нанимая кого-нибудь со стороны. После этой встречи я выбрал последнее». Члены команды вспоминают, что Робин хотел встретиться с ними на нейтральной территории, поэтому они выбрали паб неподалеку. Все пришли вовремя, но Робин пришел за 10 минут до назначенного времени. Робин был известен команде как «наемный убийца», который привел в порядок бизнес ES2, поэтому его приветствие «Вы опоздали на четыре минуты, еще одна минута – и я бы ушел» оставило незабываемое впечатление.

Новый ARM на перепутье

В своей новой роли генерального директора, 27 ноября 1990 Робин официально создал компанию Advanced RISC Machines Ltd. (ARM). По заявлению Робина, целью новой компании было «повернуться к растущему рынку и атаковать его высокопроизводительными, малопотребляющими и дешевыми 32-разрядными микросхемами с RISC-архитектурой».

На тот момент Робину пришлось решать множество стратегических дилемм. Так, один из вариантов развития состоял в том, чтобы слить бизнес с полупроводниковой компанией, а затем выделить и возглавить новое подразделение с крупной финансовой поддержкой. Другой путь заключался в создании полупроводниковой компании, которая разрабатывала бы и поставляла на рынок микросхемы, в то время как их производство выполнялось бы на субподрядной основе. Возможно, ARM могла бы стала бы партнером Apple, чтобы стимулировать разработку всей новой продукции. Однако принятое в конечном итоге решение заключалось в разработке основных технологий с последующим их лицензированием в качестве интеллектуальной собственности (IP). Оригинальной мыслью для ARM, в данном случае, было создание «партнерской модели», посредством которой могли бы быть созданы глобальные стандарты. В последствии это развилось в модель лицензирования IP, используемую сегодня.

По мере развития полупроводниковой отрасли с 1960-х, игроки на этом поле становились все менее интегрированы по вертикали. Впервые это проявило себя, когда компании стали продавать собственные подразделения по изготовлению оборудования для полупроводникового производства. Fairchild, Motorola и Texas Instruments – все прошли этот путь. В 1980-х в Кремниевой долине зародился новый вид бизнеса – фаблесс-компании, т.е., компании без собственного производства. Они заключали субподрядные договоры на производство своей продукции в Японии и на Тайване. В 1990-х появилась новая модель маленьких инновационных компаний, создающих продукцию интеллектуальной собственности, которая превращалась в реальные изделия с помощью уже других компаний, занимающихся также ее продажей и представлением на рынке. И ARM была первооткрывателем этой модели.

Первый год ARM

ARM приступила к работе, невзирая на скептицизм, исходящий от отрасли полупроводниковых приборов. Один из близких друзей Робина настаивал на том, что такая модель совместного предприятия никогда не заработает, потому что все партнеры (которые также были первыми клиентами ARM) имели определенные капиталовложения – Acorn предоставляла персонал, Apple обеспечивала финансовую поддержку, а VLSI Technology – технологии средств разработки. В первый год ARM столкнулась с серьезной проблемой, исчерпав практически все финансовые ресурсы. Как утверждал Робин, «В первые дни мы были очень экономны и скупы, считая мили, потраченные на перелеты. Начальная фаза была очень тяжела, и получение кредитной линии также было тяжелым испытанием. В конечном счете, благодаря старым контактам с одним банковским служащим, я все же получил кредит». В качестве одной из мер экономии, маленькая команда ARM располагает свои офисы в переделанном амбаре в местечке Swaffham Bulbeck близ Кембриджа.

А где же ARM4 и ARM5?

Они никогда не производились, но ARM зарезервировала место для ARM4 и ARM5 в своей линейке на случай, если бы компания пошла по пути создания упрощенной продукции. Так как данная разработка переходила от Acorn к ARM Ltd., числовое обозначение процессоров было изменено. И, в итоге, номера 4 и 5 оказались пропущены.

Первая микросхема ARM

Хотя процессор ARM создавался как заказное устройство для совершенно конкретной цели, разрабатывающая его команда чувствовала, что самый правильный путь – это путь производства процессоров с характеристиками, удовлетворяющими как можно более широкому кругу приложений. Однако надо отметить, что судьба архитектуры ARM сложилась случайно. В то время как большинство производителей процессоров с RISC архитектурой занималось конструированием сравнительно больших микросхем (SPARC RISC, Intel i860, AMD 29000 и т. д.), ARM предпочла создавать процессоры с малой степенью интеграции. Одной из причин такого решения, было то, что имеющихся у компании на тот момент средств разработки было недостаточно для создания больших и сложных устройств. Сейчас это является несомненным преимуществом ARM-процессоров, но начиналось все с того, что команде талантливых, но неопытных инженеров (большинство членов команды было программистами и разработчиками схем на уровне печатных плат) потребовалось создать процессор, используя новые для нее инструменты разработки, многие из которых, к тому же, давно устарели.

Несмотря на стесненные условия работы, мотивация и азарт у маленькой команды были высоки. Как и для большинства стартаповых компаний, главной целью ARM было выпустить свою первую готовую продукцию. В данном случае, таковой стал процессор ARM610, специально разработанный для Apple. Это устройство поддерживало полную 32-разрядную адресацию и обратный порядок байтов – одно из многочисленных требований компании Apple, необходимых для использования процессора ARM в ее будущих разработках. Были также разработаны улучшенный видеоконтроллер VIDC20 и сопроцессор с плавающей точкой. Целью Apple было использование их продукта в процессоре персонального карманного органайзера. От процессора, ставшего известным под названием ARM600, впоследствии произошел 20-мегагерцовый ARM610, использовавшийся в компьютерах Newton. Одновременно, команда разработчиков программного обеспечения из ARM создала межплатформенный кросс-инструментарий разработки, позволявший проектировщикам при работе на разных платформах применять средства разработки ARM, ассемблер, компиляторы, отладчики и эмуляторы.

Производились также аппаратные оценочные комплекты, с помощью которых разработчики могли экспериментировать с ARM6 и начинать разработку операционной системы и программ поддержки для своих приложений, не дожидаясь появления законченной системы. ARM разработала также оценочную кросс-платформу PIE (Platform Independent Evaluation), позволявшую конструктору проверять свои идеи, вставив кросс-плату ARM процессора в хост-компьютер и запустив инструментарий кросс-разработки.

Первая настоящая сделка

В конце 1991 года ARM впервые получила возможность показать себя в телевизионной рекламе, когда продала лицензию на свою продукцию британской компании GEC-Plessey Semiconductor.

Между тем, Sharp лицензировала компьютер Newton фирмы Apple, что повысило интерес к процессорам ARM. ARM начала переговоры с представителями Sharp в Соединенном Королевстве, Японии и Америке, но окончательный договор был подписан в отеле неподалеку от британского городка Мэйденхэд. Стороны не могли прийти к соглашению на протяжении целого вечера. В конце концов, вошел служащий отеля, чтобы сказать, что конференц-зал забронирован для свадебной церемонии, и все должны покинуть помещение. Тогда Робин позвонил жене и сообщил, что они отправляются домой. Чтобы не давить на его семью, вся делегация Sharp и команда ARM, вместе с семьей Робина, пошли на обед, заключили соглашение, и затем принялись обсуждать американский футбол.

Момент решающего прорыва для ARM настал в 1993 году с началом сотрудничества с Texas Instruments (TI). Это был прорыв, который повысил уровень доверия к ARM и доказал жизнеспособность новой бизнес-модели лицензирования. Соглашение подтолкнуло ARM к формализации этой модели, а также к созданию более рентабельных продуктов.

Вслед за TI, за лицензией к ARM обратилась компания Samsung, и всего лишь после четырех встреч соглашение было достигнуто. Деловые связи внутри отрасли оказали существенное влияние на повышение уровня восторженной поддержки продукции ARM и принесли компании новые соглашения о лицензировании. Эти сделки также открыли дополнительные возможности для развития RISC-архитектуры. Относительно небольшая, но динамичная культура ARM дала этому направлению преимущество в сроках разработки продукции, что является существенным фактором в такой быстро развивающейся сфере производства. Подтверждением этому явилась лицензия Digital Equipment Corporation (DEC), ставшая той движущей силой, которая привела ARM к созданию версии ARM10 названной StrongARM.

Время выхода в большое плавание

К концу 1997 года капитал компании вырос до 26.6 миллионов фунтов стерлингов, £2.9 миллиона из которых были чистой прибылью, и пришло время выходить в большое плавание. Хотя компания готовилась к расширению на протяжении трех лет, Робин на счет этого советовал всем: «Подождите, пока вы не поймете, что уже готовы, и затем подождите еще шесть месяцев».

17 апреля 1998 года ARM Holdings plc была внесена в объединенный список Лондонской Биржи и рынка NASDAQ. Для такого шага были две причины. Во-первых, как полагала ARM, NASDAQ был тем рынком, выход на который позволит компании получить ту оценку, которую она заслужила. Во-вторых, два основных акционера ARM были американцами и англичанами, и компания хотела позволить продолжать сотрудничество существующим акционерам Acorn в Великобритании.

Другая проблема для ARM заключалась в продвижении их бренда, так как новые условия требовали привлечения внимания со стороны новой аудитории, включая обычного потребителя. Как говорил Уоррен Ист (Warren East), занявший в феврале 1998 г. пост исполнительного директора ARM, «Наша архитектура лежит в основе широкого спектра потребительской электроники, и нам необходимо учитывать влияние и важность формирования осведомленности о нашей продукции в среде потребителей. Такая осведомленность поможет как ARM, так и нашим партнерам. Но мы не будем решать эту задачу в одиночку. Наш успех основан на стратегических отношениях с нашими партнерами, и мы продолжим разрабатывать наши стратегические планы, включая планы по продвижению бренда, в тесном сотрудничестве с ними».

История ARM, без которой не было бы смартфонов

В закладки

Имя ARM, конечно же, на слуху у тех, кто хоть немного интересуется миром технологий, понимает, что такое процессор, зачем он нужен в современной технике — в мобильных гаджетах, да и в настольных ПК тоже. Но мало кто вникал и интересовался историей компании, которая стоит за созданием самых востребованных и качественных процессорных технологий. А история у ARM действительно интересная.

Располагается ARM в Кембриджшире, Великобритания, в той его части, что зовется Кремниевым Болотом. Да, все верно, это некий британский аналог Кремниевой Долины по соседству с Кембриджским университетом, где базируются фирмы из сферы компьютерных технологий.

Микро-бизнес

Вначале была компания Acorn Computers, которую еще иногда называют «британской Apple». Ее основали в Кембридже в 1978, именно на заре революции микрокомпьютеров. И как раз на компьютерную сферу сделали ставку ее создатели. Первый продукт фирмы получил название Acorn Systems 1. Это был стандартный для того времени вариант ПК, который продавался за £80 и предназначался для студентов. Состоял агрегат из небольшого монитора, клавиатуры и кассетного магнитофона (компакт-кассета с магнитной лентой использовалась до дискет). Компания выпустила несколько поколений такого компьютера – System 1, 2, 3 и 4, а также ориентированный на потребительский рынок вариант Acorn Atom. Однако настоящий прорыв ждал Acorn Computers в 1981-м, когда телерадиовещательная корпорация BBC задумала обучить массы компьютерной грамотности в серии своих специализированных программ. Именно новинка от Acorn, компьютер Proton, переименованный в BBC Micro, и стал символом новой эры. К 1984 году в 80% британских школ уже использовался хотя бы один такой ПК.

В Acorn поняли, что перед фирмой открываются большие перспективы, и ее руководство решило определиться с планами и вектором развития. Когда стало ясно, что графический интерфейс в ПК — это будущее компьютерной сферы, оказалось, что в первую очередь нужно решать вопрос со скоростью обработки данных. Все сводилось к необходимости создать мощный и эффективный чип, и у Acorn в этом направлении было два пути. Либо разрабатывать собственный процессор с нуля (непросто и долго), либо купить готовый для интеграции в новые ПК (не вариант, ведь чипы для Micro уже покупались на стороне, и их скорость не удовлетворяла требования Acorn).

Как вспоминает Стефан Фербер — в те времена главный инженер Acorn — решение пришло само собой в виде научной работы ребят из Беркли, что в Стенфорде, Калифорния. Фербер вместе с коллегой Софи Уилсон обнаружили, что исследователи из Стенфордского университета придумали новый вид процессорной архитектуры с сокращенным набором команд (RISC, или «reduced instruction set computing»). Авторы новой технологии — Дэвид Паттерсон и Карло Секуин — до сих пор работают в Беркли. А в здании университета в отделе компьютерных наук на стене красуется памятная табличка с их именами и благодарностью за вклад в развитие компьютерных технологий.

Решение, придуманное Паттерсоном и Секуин, оказалось революционным. По словам Фербера, их разработка была тем процессором, который создала пара выпускников Беркли всего за год, но который был вполне конкурентоспособным на рынке. В Acorn не могли упустить уникальную возможность. Так увидел свет первый компьютер на базе нового процессора Acorn Risc Machine, или ARM.

RISC-ованный бизнес

Руководство Acorn поначалу переживало о коммерческом успехе всего предприятия, но эти страхи оказались необоснованными. Бизнес развивался, и вскоре Acorn Computers заполучила свою крутейшую сделку: в 1990-м британцы стали партнерами Apple в создании процессора для карманного компьютера Newton. Новая фирма, сформированная в партнерстве с Apple, получила название ARM. Соответственно, и компьютеры на базе чипа с новой архитектурой также стали именоваться ARM — Advanced Risc Machine.

Дизайн RISC оказался для Newton идеальным решением. Именно особенности RISC-процессоров давали шанс на жизнь маломощным компьютерам (а в перспективе, лет этак через 20 — смартфонам). С другой стороны, компьютерный бизнес Acorn начал рушиться. У британцев появился сильный конкурент в лице Microsoft, чье партнерство с Intel на тот момент не оставляло шансов другим производителям. Тандем Wintel (Windows и Intel) стал настоящим монополистом. У компьютеров Acorn не было шансов, ОС Windows не работала на системах с процессором ARM. А у руководства Acorn не хватало влияния, чтобы привлечь на свою сторону разработчиков, которые могли бы работать именно на ее платформе.

За стремление усовершенствовать свой процессор Acorn поплатилась долей компьютерного рынка, и вскоре судьбы ARM и собственно Acorn Computers разошлись. Но британская компания не опустила руки и затеяла непростую гонку на выживание, растянувшуюся на десятилетие. Ее инженеры пытались создать электронный ридер с сенсорным дисплеем NewsPad, новые версии домашних компьютеров вроде Electron и NetStation, а также все еще сотрудничали с Apple в поставке ПК в британские школы. Но большого успеха Acorn достичь так и не удалось, и в 1999-м после переименования в Element 14 ее выкупила некая частная инвестиционная фирма.

Этот же период для подразделения ARM стал действительно решающим, хотя фирма пропала из поля зрения прессы, и о ее работе мало кто знал. В преддверии мобильной революции разработка энергоэффективных процессоров пришлась как нельзя кстати. Вначале новые чипы от ARM использовались в первых сотовых телефонах. В 2007 году британцы возобновили партнерство с Apple, когда компания из Купертино представила свой первый iPhone. В нем использовался процессор от Samsung, созданный по технологии ARM. Да и в последующих моделях iPhone чип на базе архитектуры ARM остается неизменным компонентом, как и в других смартфонах на рынке.

Скрытый бизнес

В свое время Acorn не смогла противостоять сильному конкуренту Wintel. Теперь ситуация изменилась, монада перевернулась, как говорят философствующие китайцы. Сегодня именно Intel пытается адаптировать свои чипы под требования новых реалий, а Microsoft с трудом держится на плаву на мобильном рынке.

Еще в 2007-м в Intel решили отказаться от производства энергозатратных процессоров Pentium и перейти к созданию и продвижению экономных чипов линейки Core. Эти процессоры годились для использования в ноутбуках, но Intel потребовался еще год, чтобы создать собственную версию мобильного чипа Atom, подобного ARM.

В ARM осознают, что компания сейчас лидирует на рынке процессоров. В самом начале работы с процессорной технологией в ARM делалась ставка именно на низкое энергопотребление, это ее наследие, основа ее ДНК. Так считает глава подразделения стратегического маркетинга ARM Лоренс Брайант.

Мы увеличиваем вычислительные возможности и улучшаем опыт использования соответственно. При этом мы не приносим в жертву энергоэффективность. Низкое потребление энергии процессором позволяет использовать в гаджете небольшие и легкие батареи и обеспечить правильное управление тепловым режимом, избавившись от кулеров. Я уверен, что наш успех зависит именно от этого пути.

Лоренс Брайант, глава подразделения стратегического маркетинга ARM

При этом у руководства ARM особенная линия продвижения такого востребованного товара. Процессорная технология рекламируется не за счет ее выдающихся особенностей, а за счет того, как с ней могут работать производители самих чипов. По мнению Эда Геммела, директора по маркетингу бренда, у архитектуры ARM есть два преимущества — это ее энергоэффективность и экосистема, в которой работают процессоры. В ARM не диктуют партнерам-производителям, что и как делать. Компания просто предлагает им лучшую технологию, а они сами решают, как оформлять ее в готовый продукт. Цель британской фирмы — создание обширной и разнообразной клиентской базы. Конкуренты ее пока так работать не готовы. При сотрудничестве с Intel, например, партнерам-производителям ПК достается готовый процессор, который им остается только встроить в систему. Здесь с инновациями развернуться просто негде.

В ARM же клиентам предлагают центральный процессорный элемент — ядро с набором инструкций. Многие используют его, как есть, добавляя нужные компоненты и собирая качественные «системы-на-чипе». А вот Apple готова доплатить за право адаптировать под свои нужды уже существующий дизайн, и ее подход отлично работает.

Становится понятно, что позиция ARM на рынке в сегодняшних условиях уникальна. Все пользуются ее наработками и дизайном, даже конкуренты в NVIDIA и Intel. Но между ними существует доверие, эти фирмы уверены, что напрямую ARM никогда не будет конкурировать с ними на рынке процессоров, мы вряд ли увидим в продаже ПК или мобильные гаджеты с собственным чипом ARM на борту. В компании уверены, что она не смогла бы работать, как сейчас, если бы ее партнеры не доверяли ей.

А вот еще один секрет успеха ARM, который обеспечивает сверхприбыли от ее бизнеса. Оказывается, практически все ее разработки «многоразовые», фирма продает их по нескольку раз. Так, технология, используемая в смартфоне, через несколько лет находит применение в маршрутизаторах, а для смартфонов создается новая, более современная. И за каждый вид применения ARM получает прибыли, даже продавая технологии, разработанные пару-тройку лет назад.

На будущее у ARM тоже есть грандиозные планы. Уже на данный момент компания поставляет процессорную технологию для большинства устройств помимо смартфонов. Британцы собираются создать мощные процессоры для серверов таких фирм как PayPal, здесь ARM сможет потягаться за рынок с Intel.

В компании также есть и подразделение, работающее с интернетом вещей. Так что в перспективе чипы на базе архитектуры ARM, вероятно, будут использоваться и в «умных» домашних приборах и технике. Все это британский разработчик планирует делать традиционно, в режиме инкогнито, чтобы как можно дольше оставаться незамеченным и при этом незаменимым. [The Guardian]

В закладки

Общие сведения об архитектуре ARM

С момента появления архитектуры ARM и до 2011 года появилось семь «больших» версий архитектуры — до ARMv7 включительно. Кроме того, если не у всех, то у многих версий имеются разновидности. Несмотря на все различия, все эти версии и разновидности являются 32-разрядными, используют одинаковый с точки зрения прикладного программиста набор регистров общего назначения и функционально одинаковый базовый набор команд (хотя каждая последующая версия добавляет новые команды и иногда расширяет возможности уже имевшихся).

Ранние процессоры архитектуры ARM использовали 26-разрядные адреса памяти. Первой версией с 32-разрядной адресацией и одновременно последней с 26-разрядной стала ARMv3. Все эти версии к 2010 году практически полностью исчезли, поэтому в дальнейшем они обсуждаться не будут.

Первой по времени появления из пока ещё досаточно широко используемых архитектур стала ARMv4. В ней впервые отказались от поддержки 26-разрядных адресов, но зато в дополнение к командам обработки слов (32 бита) и байтов ввели команды обработки полуслов (16 бит).

Вскоре появилась разновидность ARMv4T, в которой впервые был реализован набор команд Thumb. Команды этого набора функционально являлись подмножеством основного набора команд (с этого момента обозначаемого как набор команд ARM), причём в них отсутствовали команды системного назначения. По этой причине ни для этой, ни для основной массы последующих архитектур вплоть до версии 7 невозможно создать ОС или системно-независимую программу (т. е. программу, работающую на «голом железе» без использования ОС), использующую только систему команд Thumb: начальные участки обработчиков прерываний, а также некоторые действия по управлению процессором можно выполнить только с помощью команд набора ARM. Поскольку каждая команда Thumb кодируется полусловом (16 бит), а команда ARM всегда занимает целое слово (32 бита), программа, написанная с использованием системы команд Thumb, почти всегда занимает существенно меньше памяти, чем программа на ARM (конечно, при условии ручного её кодирования на языке ассемблера или при использовании компилятора, обеспечивающего нормальную поддержку Thumb, чего нет, например, в GCC).

Помимо ARMv4 и ARMv4T, четвёртая версия архитектуры ARM имела ещё две разновидности — ARMv4xM и ARMv4TxM, отличавшиеся от первых двух отсутствием команды длинного умножения (сомножители по 32 разряда, результат — 64 разряда). К началу 2010 года все эти разновидности, кроме ARMv4T, уже утратили актуальность и исчезли с рынка.

Пятая версия архитектуры в «чистом» виде — ARMv5, а также её разновидность без длинного умножения ARMv5xM тоже уже не употребляются. От предыдущей архитектуры они отличаются несколько расширенной системой команд. В частности, именно в ARMv5 появились первые команды набора ARM, не имеющие возможности условного выполнения.

Thumb-разновидность ARMv5T отличается от ARMv4T наличием нескольких дополнительных команд, улучшенными возможностями взаимодействия ARM- и Thumb-кода и некоторыми другими усовершенствованиями; она ещё иногда встречается. Её разновидность с «обрезанными» возможностями умножения, ARMv5TxM, из употребления вышла.

Вскоре после появления процессоров семейства ARMv5T архитектура была вновь весьма существенно расширена: появилась целая группа команд, намного упростившая реализацию алгоритмов цифровой обработки сигналов (так называемые DSP-команды). Новое семейство получило обозначение ARMv5TE и весьма широко используется до сих пор. Некоторые ранние реализации этого семейства имели лишь часть новых команд; эта разновидность получила обозначение ARMv5TExP и уже почти не применяется.

Венцом развития пятой версии архитектуры стало включение специальных средств, предназначенных для упрощения реализации виртуальной машины Java (технология Jazelle; в отличие от большинства других аспектов архитектуры ARM, она не документирована). Такие процессоры получили обозначение ARMv5TEJ и, вероятно, стали самыми распространёнными для пятой версии архитектуры.

Очередная версия архитектуры, ARMv6, изначально не имела разновидностей и включала все возможности ARMv5TEJ, но с рядом улучшений. Так, в ней были расширены обе системы команд, пересмотрена архитектура подсистемы памяти (ставшая намного более унифицированной; до появления ARMv6 очень многие важные решения отдавались «на откуп» производителям, из-за чего при переносе ОС с одного процессора на другой зачастую требовалось выполнить очень много доработок), обеспечен нормальный доступ к невыровненным данным в памяти и др.

Через некоторое время появилась разновидность ARMv6T2, в которой система команд Thumb была существенно расширена и получила наименование Thumb-2. Помимо нескольких новых 16-разрядных команд, в Thumb-2 появилось большое число 32-разрядных команд, покрывающих почти все возможности системы команд ARM. Особого распространения эта разновидность, однако, не получила.

Ещё одной разновидностью шестой версии архитектуры является ARMv6K, включающая некоторые расширения для упрощения реализации ядер операционных систем и тому подобного ПО. Некоторые процессоры этой разновидности поддерживают виртуализацию . Система команд Thumb/Thumb-2 по сравнению с версией ARMv6T2 была расширена, благодаря чему, сохраняя намного более высокую плотность кода (а значит, потребляя меньше памяти), чем система команд ARM, Thumb/Thumb-2 обеспечивает практически равную с ней производительность. Все процессоры Cortex-A в обязательном порядке оснащены устройством управления памятью (MMU); часто на одном кристалле размещаются несколько процессорных ядер, дополненных графическим процессором. Такие микросхемы предназначены для использования в мощных мобильных устройствах. Нередко производители расширяют их возможности, добавляя специализированные узлы. Например, фирма nVidia выпускает семейство процессоров Tegra, у которых, помимо процессорных ядер ARM, имеется графическое ядро самой nVidia, архитектурно близкое к графическим процессорам, используемым на ПК, и обеспечивающее намного более высокую производительность, чем графическое ядро самой ARM (Mali).

Кристаллы R-профиля (версия ARMv7-R, ядра семейства Cortex-R) в целом аналогичны процессорам A-профиля (хотя поддержка ThumbEE и ряда других «продвинутых» возможностей не является обязательной), но оснащены не устройством управления памятью, а значительно более простым устройством защиты памяти (MPU). Они предназначены в первую очередь для использования в высоконадёжных промышленных контроллерах и тому подобных устройствах, работающих в реальном времени (отсюда буква R в обозначении), не нуждающихся в виртуальной памяти (её использование прямо противоречит целям работы в реальном времени), однако имеющих достаточно высокие требования к производительности.

Наконец, M-профиль (версии ARMv6-M и ARMv7-M, ядра семейства Cortex-M), строго говоря, не относится к «настоящим» ARM-процессорам. Во-первых, он кардинальным образом отличается по системной архитектуре от всех прочих разработок фирмы ARM, а соответственно, на системном уровне не совместим ни с более ранними процессорами, ни с другими профилями 7-й версии архитектуры. Во-вторых, в этих кристаллах реализована только система команд Thumb (ARMv6-M, ядра Cortex-M0 и -M1) или Thumb-2 (ARMv7-M, все прочие ядра Cortex-M), а команды набора ARM не поддерживаются. Предназначена эта серия для использования в качестве микроконтроллеров малой и средней производительности. Благодаря низкой стоимости и энергопотреблению они могут успешно конкурировать с намного более слабыми по вычислительными возможностям 8- и 16-разрядными микроконтроллерами. Заметим, что принадлежность ядер Cortex-M0 и -M1 к 6-й версии архитектуры является чисто формальной и показывает, что по своим возможностям (системе команд) они находятся ниже «настоящей» архитектуры ARMv7-M.

Первые 64-разрядные процессоры (версия архитектуры ARMv8) появились в 2012 году. Здесь сохранилось разделение по профилям, причём, если A-профиль стал действительно новым, то R- и M-профили остались 32-разрядными и являются, по существу, несколько расширенными вариантами этих же профилей 7-й версии архитектуры.

У процессорных ядер, разработанных ARM, существует своя система нумерации, не связанная с номером версии архитектуры. Так, ядра ARM7TDMI и ARM920T реализуют версию ARMv4T, большинство других ядер семейства ARM9 — различные разновидности версии ARMv5 (например, ядро ARM926EJ-S реализует архитектуру ARMv5TEJ). Все ядра семейства Cortex, за исключением Cortex-M0 и -М1, относятся к разновидностям 7-й или 8-й версии архитектуры (ядрам Cortex-M0 и -М1, как уже говорилось, соответствует версия ARMv6-M). Между собой ядра одной и той же версии и разновидности архитектуры могут отличаться конструкцией и объёмом кэш-памяти, наличием MMU, MPU, FPU и т. д.

Некоторые расширения, предпринятые фирмой ARM в своих разработках, оказались невостребованными или недостаточно эффективными. К ним в первую очередь относятся технология Jazelle и система команд ThumbEE, которые уже объявлены устаревшими и могут отсутствовать в новейших ядрах.

Главные особенности [ ]

Несмотря на то, что аббревиатура ARM расшифровывается как «Advanced RISC Machine» («передовая RISC-машина»), с самого начала это была не совсем типичная RISC-архитектура. С одной стороны, для RISC’а она имела не очень много регистров общего назначения (сейчас с формальной точки зрения у большинства разновидностей архитектуры их 31 штука, однако программисту доступны лишь 16 из них, причём три регистра имеют специальные функции; таким образом, «настоящих» регистров общего назначения с точки зрения программиста всего 13, в то время как целый ряд «настоящих» RISC-процессоров имеют их больше сотни). С другой стороны, уникальной особенностью этой архитектуры являлась возможнось исполнения любой команды при соблюдении заданного условия, отсутствующая не только у других RISC’ов, но и у CISC’ов (первые безусловно выполняемые команды в наборе ARM появились лишь в версии ARMv5). Кроме того, в командах обработки данных в ряде случаев возможно совмещение выполнения основной операции (например, сложения) со сдвигом. Наконец, команды чтения и записи памяти у ARM располагают развитым набором видов адресации, который превосходит по своим возможностям не только RISC’и, но и основную массу CISC-процессоров (среди последних единственными конкурентами в этом плане могли бы служить лишь появившиеся в 1970-х годах миниЭВМ PDP-11 и VAX-11 фирмы DEC, а из достаточно современных архитектур — довольно близкие по основным чертам к PDP-11 16-разрядные микроконтроллеры MSP430 фирмы Texas Instruments).

Однако время показало ошибочность идеи, на которой базировались «настоящие» RISC-архитектуры: достижение высокой производительности через быстрое выполнение простых команд в противовес медленному выполнению сложных команд у CISC-процессоров (предполагалось, что, пока CISC выполнит одну свою сложную команду, RISC успеет выполнить несколько простых и в итоге обгонит CISC по производительности, хотя каждая команда индивидуально выполнит меньший объём действий, чем одна команда CISC’а). На практике оказалось, что даже очень неудачные с архитектурной точки зрения системы команд, например, Intel IA-32, можно выбирать из памяти, декодировать и исполнять чрезвычайно быстро (это наглядно демонстрирует пример самой Intel: несмотря на всю громоздкость и неэффективность её системы команд, именно её процессоры на сегодняшний день по производительности обгоняют почти любые другие кристаллы — правда, ценой чрезвычайно сложной внутренней организации, ставшей возможной лишь благодаря использованию очень совершенной технологии производства). Неудивительно, что в своём развитии архитектура ARM постепенно эволюционировала в сторону CISC-процессоров.

На сегодняшний день у ARMа от RISCа у неё остались только две вещи: невозможность прямой работы с операндами в памяти и название. Некоторые имеющиеся у современных процессоров ARM команды (в частности, деление) недопустимы в «настоящих» RISC’ах в связи с их сложностью и переменным временем выполнения. Внедрение же системы команд Thumb-2 похоронило и другую важнейшую черту RISC-процессоров: одинаковую длину кода команды, призванную упростить её выборку из памяти и декодирование.

Современные 32-разрядные процессоры архитектуры ARM способны обрабатывать 8-, 16- и 32-разрядные целые числа, а процессоры архитектуры ARMv8-A — и 64-разрядные. Возможность обработки вещественных чисел является необязательной и достигается с помощью сопроцессоров (которые, если присутствуют, выполняются на одном кристалле с собственно центральным процессором и с точки зрения прикладного программиста неотличимы от него). Старшие модели способны работать с виртуальной памятью, поскольку имеют необходимое для этого устройство управления памятью (MMU). Более простые изделия не располагают MMU, но в некоторых случаях имеют устройство защиты памяти (MPU), не позволяющее реализовать виртуальную память, но обеспечивающее необходимую поддержку аппаратной защиты одних выполняющихся процессором задач от других.

Терминология и язык ассемблера [ ]

Компания ARM не всегда последовательна в выборе терминов для обозначения различных понятий и механизмов, описываемых в документации. Особенно это касается ранних версий архитектуры. Например, она использует термины interrupt, fault, abort, exception, trap без чёткого, недвусмысленного и неукоснительного их разграничения. В документации на последние версии архитектуры применение этих слов стало более строгим и упорядоченным, и именно оно положено в основу статей, посвящённых архитектуре ARM. Так, для обозначения произвольного вида прерывания текущего выполняемого кода применяется термин «исключение» (exception). Когда источником прерывания является внешнее устройство, применяется термин «прерывание» (interrupt — внешние и быстрые прерывания IRQ и FIQ). Термин «отказ» (abort для A- и R-профилей, fault для M-профиля) применяется к прерываниям, возникающим в результате неудачной попытки обращения к памяти для выборки команды (отказ предвыборки — prefetch abort) или считывания/записи данных (отказ данных — data abort), а также в других случаях, прямо связанных с действиями программы.

С появлением системы команд Thumb-2 (версия архитектуры ARMv6T2) компания ARM унифицировала язык ассемблера для наборов команд ARM и Thumb, назвав получившийся гибрид аббревиатурой UAL (Unified Assembler Language). Упоминаемые и описываемые в статьях команды приводятся в соответствии с нотацией UAL, которая, особенно для команд набора Thumb, может заметно отличаться от ранее применявшихся обозначений.

Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Особенности архитектуры ARM

Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

Чип ARM1 – первенец компании Acorn Computers, который производился на фабриках VLSI

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Первым в истории устройством на базе процессора архитектуры ARM был персональный компьютер BBC Micro

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Архитектурные отличия процессоров x86 (набор команд CISC) и ARM (набор команд RISC)

Бизнес-модель компании ARM Limited

Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited.

Только компаний, получивших лицензию на производство чипов семейства ARM Cortex-A, насчитается несколько десятков, а ведь в портфолио ARM Limited есть и другие разработки

Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.

Российская компания «ПКК Миландр» со штаб-квартирой в Зеленограде, что интересно, тоже получила лицензию на производство чипов архитектуры ARM

По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).