ARM arhitektūra — kas ir, īpašības un pielietojums mobilajās ierīcēs
ARM arhitektūra ir datoru CPU arhitektūra, ko parasti izmanto iegultajās sistēmās un mobilajās ierīcēs, piemēram, mobilajos tālruņos, planšetdatoros un rokas spēļu konsolēs, piemēram, Game Boy Advance. ARM procesori patērē ļoti maz elektroenerģijas un rada ļoti maz siltuma. Lielākā daļa ARM CPU darbojas ar akumulatora enerģiju, un tiem nav nepieciešams dzesēšanas ventilators. ARM procesoros visbiežāk tiek izmantota Linux operētājsistēma.
ARM arhitektūra pamatā balstās uz RISC (reducētās instrukciju kopas) principiem — tas nozīmē, ka instrukcijas ir vienkāršākas un izpildās ātrāk, lietojot mazāk enerģijas salīdzinājumā ar sarežģītākām CISC tipa arhitektūrām. ARM tehnoloģija tiek licencēta no uzņēmuma Arm (iepriekš ARM Holdings), kas nozīmē, ka ražotāji (piem., Qualcomm, Samsung, Apple) var iegādāties ARM dizaina IP un veidot savus procesorus vai SoC (sistēma uz čipa).
Galvenās īpašības
- Energoefektivitāte: ARM kodoli ir optimizēti zemam elektroenerģijas patēriņam, kas pagarinā baterijas darbības laiku mobilajās ierīcēs.
- RISC arhitektūra: vienkāršas, ātras instrukcijas, kas samazina izpildes ciklu skaitu un mikroshēmas kompleksitāti.
- Dažādi kodolu veidi: ARM piedāvā vairākas līnijas — Cortex‑A (veiktspējai), Cortex‑M (mikrokontrolleriem) un Cortex‑R (reāllaika sistēmām).
- Heterogēnā aprēķinu arhitektūra: tehnoloģijas kā big.LITTLE apvieno jaudīgus un energoefektīvus kodolus, lai dinamiskā režīmā optimizētu veiktspēju un taupību.
- Instrukciju kopas varianti: AArch32 (32 bitu), AArch64 (64 bitu) — kopš parādīšanās 64 bitu ARM (AArch64) ļauj adresēt vairāk nekā 4 GB operatīvās atmiņas un to izmanto mūsdienu viedtālruņos un datoros.
- Multimediju un vektorapstrāde: NEON SIMD paplašinājumi un VFP (virtuālais peldošā komata) bloki paātrina multimedia, audio un mašīnmācīšanās uzdevumus.
- Drošības funkcijas: TrustZone nodala drošās un nedrošās vides, jaunākās versijas ietver arī Pointer Authentication (PAC) un drošu ātrās palaišanas mehānismus.
Pielietojums mobilajās ierīcēs un citur
ARM procesori dominē mobilajā tirgū — gandrīz visi mobilie tālruņi un planšetdatori darbojas uz ARM bāzes, jo tie nodrošina labu veiktspējas/enerģijas patēriņa attiecību. ARM SoC bieži integrē arī GPU, modemus, uzlabotus drošības blokus un NPU (neironu procesoru vienības), kas ļauj veikt kameru apstrādi, mašīnmācīšanos un citas prasīgas funkcijas bez atsevišķas aparatūras.
Papildus mobilajām ierīcēm ARM plaši izmanto:
- iegultajās sistēmās un IoT ierīcēs (sadzīves tehnika, sensori, rūpniecības vadības iekārtas),
- mikrokontrolleros (Cortex‑M sērija) — zemas jaudas reāllaika uzdevumiem,
- automašīnu elektroniskajās sistēmās un infotainment,
- datoros un serveros — pēdējos gados ARM ir ienācis arī datu centru tirgū (piem., serveri ar energoefektīviem ARM čipiem),
- personālajos datoros — ražotāji piedāvā Windows on ARM un Apple savā M‑sērijā izmanto ARM arhitektūru, kas demonstrē ARM potenciālu arī tradicionālajos datoros.
Atbalsts programmatūrai un izstrāde
Uz ARM balstītas ierīces atbalsta plašu operētājsistēmu klāstu — no Linux un Android līdz iOS (Apple ierīcēs) un Windows on ARM. Izstrādātāji izmanto tādas rīku ķēdes kā GCC, LLVM/Clang, Arm Development Studio, kā arī specifiskus SDK un RTOS mikrokontrolleriem (piem., Keil, FreeRTOS).
Salīdzinājums ar x86
- Plusi: labāka energoefektivitāte, zemāks siltuma izdalījums, vieglāka SoC integrācija, plašs mobilajam tirgum optimizētu risinājumu klāsts.
- Mīnusi: līdz šim mazāks veiktspējas maksimums attiecībā uz dažiem galddatoru/servera slodzēm (taču atsevišķi ARM risinājumi to maina), programmatūras saderības izaicinājumi (emulācija vai pārkompilēšana x86 lietotnēm), licencēšanas modelis — ražotāji bieži izstrādā savus pielāgojumus.
Secinājums
ARM arhitektūra ir izplatīta izvēle, ja nepieciešama energoefektīva, viegli integrējama un elastīga procesoru platforma. Tā aptver plašu pielietojumu spektru — no mazjaudas mikrokontrolleriem līdz jaudīgiem mobilajiem procesoriem un pat serveriem. Attīstoties 64 bitu (AArch64) risinājumiem un paplašinoties programmatūras ekosistēmai, ARM ierīces arvien biežāk konkurē arī tradicionālajos datoru un datu centru segmentos.
Produktu piemēri, kuros izmanto ARM
- Lielākā daļa Android ierīču
- Apple iPhone, iPod Touch un iPad
- Samsung Chromebook
- Game Boy Advance, Nintendo DS, Nintendo 3DS un Nintendo Switch.
- Windows RT un Windows Phone
- Daudzi Wi-Fi maršrutētāji un citas tīkla iekārtas
- Digitālās kameras
- DVD un Blu-ray atskaņotāji
- Daži jaunāki televizori
- Daži automobiļu stereosistēmas
- Raspberry Pi, neliels 35 ASV dolāru dators
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ARM arhitektūra?
A: ARM arhitektūra ir datoru CPU arhitektūra, ko izmanto dažāda lieluma datoros līdz pat superdatoriem un ko parasti izmanto iegultajās sistēmās un mobilajās ierīcēs, piemēram, mobilajos telefonos, planšetdatoros un rokas spēļu konsolēs, piemēram, Game Boy Advance.
J: Kāpēc ARM procesori ir populāri mobilajās ierīcēs?
A: ARM procesori patērē ļoti maz elektroenerģijas un rada ļoti maz siltuma. Lielākā daļa ARM procesoru darbojas ar akumulatora enerģiju, un tiem nav nepieciešams dzesēšanas ventilators, tāpēc tie ir ideāli piemēroti mobilajām ierīcēm.
J: Kādu operētājsistēmu parasti izmanto ARM CPU?
A: ARM procesoros visbiežāk izmanto Linux operētājsistēmu.
J: Kad ARM bija pasaulē populārākā 32 bitu CPU arhitektūra?
A: 2013. gadā ARM bija pasaulē populārākā 32 bitu CPU arhitektūra.
J: Cik daudz ARM procesoru tiek saražoti katru dienu?
A: Ražošanas apjoms ir pieaudzis līdz miljoniem dienā.
J: Kas ir 64 bitu ARM?
A: 64 bitu ARM ir ARM arhitektūras versija, kas ļauj adresēt atmiņu, kura ir lielāka par 3,8 GB.
J: Kur parasti izmanto 64 bitu ARM?
A.: 64 bitu ARM izmanto lielākajā daļā mūsdienu viedtālruņu.
