Сравнительный анализ микроконтроллеров с ядром ARM. Что такое ARM-архитектура? x86 – главный соперник

ARM - семейство 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер, которые широко используются в потребительской электронике. Появилась при изучении документации проекта RISC. Официальный проект Acorn RISC Machine был начат в октябре 1983 года. И первый процессор ARM1 был произведен 26 апреля 1985 года. Через год появились серийные процессоры arm2. Далее было семейство ARM3. ARM6 в 1992 году. И так далее. Сама компания не производит микросхемы и на данный момент не производит процессоры. Основной бизнес это продажа лицензий. Например обладатели «архитектурную лицензию» имеют право разрабатывать собственные микропроцессорные ядра, реализующие инструкции ARM и использующие патенты ARM. А в 2016 году японская компания Softbank (третий по величине оператор Страны восходящего солнца) приобрела британскую компанию ARM за $32 млрд.

Если сравнивать ARM c х86 , то последняя позиционируется как обработчик ресурсоемких задач, а ткакже CISC (Complex Instruction Set Computing), т.е. реализованы инструкции на все случаи жизни, в отличии от, RISC - набором минимально необходимых для работы команд. Минусом х86 можна назвать энергоемкость, соответственно выделения большого количества теплоты ну и сложность команд. ARM — минимальное энергопотребление, низкая цена, и низкая производительность работы по сравнению с x86. В последнее время грань между обоими архитектурами стирается. ARM процессоры становятся более производительными и быстрыми. В общем стоит отметить что эти две архитектуры представляют основной процент продаж на рынке.

Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля:
— ‘A’(application) - для устройств, требующих высокой производительности (смартфоны, планшеты)
— ‘R’(real time) - для приложений, работающих в реальном времени,
— ’M’(microcontroller) - для микроконтроллеров и недорогих встраиваемых устройств.
M-профиль (версии ARMv6-M и ARMv7-M, ядра 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 несовместим 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. Всю интересующую документацию можна скачать на официальном сайте https://developer.arm.com/
Забегая на перед, мы с Вами будем работать с архитектурой ARMv7Е-M, ядро Cortex-M. В процессе работы с ним изучим все тонкости.
Ниже таблица семейства Cortex-M.

И последнее рассмотрим набор инструкций Thumb. Это режим процессоров ARM (начиная с ARM7TDMI), где используется сокращенная система команд. Состоит из 36 команд, взятых из стандартного набора 32-разрядных команд архитектуры ARM и преобразованных до 16-разрядных кодов, т.е. выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Длина команд Thumb составляет половину длины стандартных 32-разрядных команд, что позволяет существенно сократить необходимые объёмы памяти программ (порядка 30 %), а также использовать более дешёвую 16-разрядную память. При выполнении эти команды дешифруются процессором в эквивалентные операции ARM, выполняемые за то же количество тактов. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 16 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM-кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти. Thumb-2 (являющийся смесью ARM и Thumb) - технология, стартовавшая с ARM1156 core, анонсированного в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 - достичь плотности кода, как у Thumb, и производительности, как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута. Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb ещё большим количеством команд. Язык «Unified Assembly Language» (UAL) поддерживает создание команд, как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят, как код ARM. Все кристаллы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые кристаллы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные кристаллы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.

Архитектура ARM имеет много версий, на сегодняшний день (2017) последняя это ARMv8-A семейства Cortex-A50, кстати весной 2017 года компания ARM представила два процессорных ядра Cortex-A75 и Cortex-A55. Мы с Вами не рассматриваем разработки сторонними компаниями, владеющими архитектурной лицензией от ARM, которая разрешала реализацию запатентованных инструкций. Мы с Вами познакомимся с архитектурой ARMv7E-M на ядре Cortex-M4, работая с микроконтроллером STM32F303VCT6 на отладочной плате STM32F3 Discovery. Выше я писал, о переходе на arm ради производительности и функциональности, но также мы расширим немного кругозор, изучим новую технологию и научимся ее интегрировать в проекты, совмещая с другими технологиями. В следующей записи познакомимся с микроконтроллером STM32F303VCT6, рассмотрим его архитектуру, и научимся с ним работать. На этом сегодня и остановимся. Всем пока.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Дальнейшие перспективы

Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.

Компьютерный мир стремительно меняется. Настольные ПК уступили первые строчки в рейтингах продаж ноутбукам, а они вот-вот могут отдать рынок планшетам и другим мобильным устройствам. 10 лет назад мы ценили чистые мегагерцы, настоящую мощь и производительность. Теперь, чтобы завоевать рынок процессор должен быть не только быстрым, но и экономичным. Многие считают, что архитектурой XXI века является ARM. Так ли это?

Новое – хорошо забытое старое

Журналисты вслед за пиарщиками ARM нередко преподносят эту архитектуру как нечто совершенно новое, что должно похоронить убеленную сединами х86.

На самом деле ARM и х86, на базе которой построены процессоры Intel, AMD и VIA, устанавливаемые в ноутбуки и настольные ПК, практически ровесники. Первый чип х86 увидел свет в 1978 году. Проект ARM официально стартовал в 1983, но при этом базировался на разработках, которые велись практически одновременно с созданием х86.

Первые ARM впечатляли своим изяществом специалистов, но со своей относительной низкой производительностью не могли бы завоевать рынок, который требовал высоких скоростей и не обращал внимание на эффективность работы. Должны были сложиться определенные условия, чтобы популярность ARM резко пошла вверх.

На рубеже восьмидесятых и девяностых с их относительно недорогой нефтью были востребованы огромные внедорожники с мощными 6-литровыми двигателями. Мало кого интересовали электромобили. Но в наше время, когда баррель нефти стоит больше $100, большие машины с прожорливыми движками нужны только богатым, остальные спешат пересесть на экономичные автомобили. Похожее случилось и с ARM. Когда встал вопрос мобильности и экономичности, архитектура оказалась сверхвостребованной.

«Рисковый» процессор

ARM представляет собой RISC-архитектуру. В ней используется сокращенный набор команд – RISC (reduced instruction set computer). Архитектура этого типа появилась в конце семидесятых, примерно тогда же, когда Intel предложила свою х86.

Экспериментируя с различными компиляторами и процессорами с микрокодной реализацией, инженеры заметили, что в некоторых случаях последовательности простых команд выполнялись быстрее, чем одна сложная операция. Было решено создать архитектуру, которая предполагала бы работу с ограниченным набором простейших инструкций, декодирование и выполнение которых занимало бы минимум времени.

Один из первых проектов RISC-процессоров был реализован группой студентов и преподавателей из Университета Беркли в 1981 году. Как раз в это время британская компания Acorn столкнулась с вызовом времени. Она выпускала весьма популярные на Туманном Альбионе образовательные компьютеры BBC Micro на базе процессора 6502. Но вскоре эти домашние ПК стали проигрывать более совершенным машинам. Acorn рисковала потерять рынок. Инженеры компании, познакомившись со студенческими работами по RISC-процессорам, решили, что справиться с созданием собственного чипа будет достаточно просто. В 1983 году стартовал проект Acorn RISC Machine, который позднее превратился в ARM. Через три года был выпущен первый процессор.

Первые ARM

Он был крайне простым. Первые чипы ARM даже были лишены команд умножения и деления, которые представлялись набором более простых инструкций. Другой особенностью чипов стали принципы работы с памятью: все операции с данными могли осуществляться только в регистрах. При этом процессор работал с так называемым регистровым окном, то есть мог обращаться лишь к части из всех доступных регистров, которые были в основном универсальными, а их работа зависела от режима, в котором находился процессор. Это позволило в самых первых версиях ARM отказаться от кэша.

Кроме того, упрощая наборы команд, разработчики архитектуры смогли обойтись без ряда других блоков. Например, в первых ARM начисто отсутствовал микрокод, а также модуль выполнения операций с плавающей запятой – FPU. Общее число транзисторов в первом ARM составляло 30 000. В аналогичных х86 их было в несколько раз, а то и на порядок больше. Дополнительная экономия энергии достигается за счет условного выполнения команд. То есть та или иная операция будет выполнена, если в регистре есть соответствующий факт. Это помогает процессору избежать «лишних телодвижений». Все инструкции выполняются последовательно. В результате ARM потерял в производительности, но не существенно, при этом значительно выиграл в энергопотреблении.

Основные принципы построения архитектуры остаются теми же, что и в первых ARM: работа с данными только в регистрах, сокращенный набор команд, минимум дополнительных модулей. Все это обеспечивает архитектуре низкое энергопотребление при относительно высокой производительности.

С целью ее увеличения ARM в течение последних лет внедрила несколько дополнительных наборов инструкций. Наряду с классической ARM, существуют Thumb, Thumb 2, Jazelle. Последняя предназначена для ускорения выполнения Java-кода.

Cortex – самые совершенные ARM

Cortex – современные архитектуры для мобильных устройств, встроенных систем и микроконтроллеров. Соответственно CPU обозначаются как Cortex-A, встроенные – Cortex-R и микроконтроллеры – Cortex-M. Все они построены на базе архитектуры ARMv7.

Наиболее совершенная и мощная архитектура в линейке ARM – Cortex-A15. Предполагается, что на ее базе будут производиться в основном двух или четырехъядерные модели. Cortex-A15 из всех предыдущих ARM наиболее близка к х86 по количеству и качеству блоков.

В основе Cortex-A15 лежат процессорные ядра, снабженные блоком FPU и набором SIMD-инструкций NEON, призванных ускорить обработку мультимедийных данных. Ядра имеют 13-стадийный конвейер, они поддерживают выполнение инструкций в свободном порядке, виртуализацию на базе ARM.

Cortex-A15 поддерживает систему расширенной адресации памяти. ARM остается 32-битной архитектурой, но инженеры компании научились преобразовывать 64-битную или другую расширенную адресацию в понятную процессору 32-битную. Технология получила название Long Physical Address Extensions. Благодаря ей, Cortex-A15 в теории может адресовать до 1 Тбайт памяти.

Каждое ядро снабжено кэшем первого уровня. Кроме того, есть до 4 Мбайт распределенного кэша второго уровня с низким уровнем латентности. Процессор снабжен 128-битной когерентной шиной, которая может быть использована для связи с другими блоками и периферией.

Ядра, которые лежат в основе Cortex-A15 являются развитием Cortex-A9. Они имеют схожую структуру.

Cortex-A9, в отличие от Cortex-A15, может выпускаться как во много-, так и одноядерном варианте. Максимальная частота составляет 2.0 ГГц, Cortex-A15 предполагает возможность создания чипов, работающих на частоте 2.5 ГГц. Чипы на ее базе будут изготавливаться по техпроцессам 40 нм и более тонким. Cortex-A9 выпускается по техпроцессам 65 и 40 нм.

Cortex-A9, как и Cortex-A15, предназначен для использования в высокопроизводительных смартфонах и планшетах, но более серьезное применение, например, в серверах ему не по зубам. Только Cortex-A15 имеет аппаратную виртуализацию, расширенную адресацию памяти. Кроме того, набор SIMD-инструкций NEON Advanced и блок FPU в Cortex-A9 являются опциональными элементами, в то время как в Cortex-A15 они обязательны.

Cortex-A8 в будущем будет постепенно уходить со сцены, но пока этот одноядерный вариант найдет применение в бюджетных смартфонах. Недорогое решение с частотой от 600 МГц до 1 ГГц представляет собой сбалансированную архитектуру. Она имеет блок FPU, поддерживает первый вариант SIMD NEON. Cortex-A8 предполагает единственный техпроцесс – 65 нм.

ARM предыдущих поколений

На мобильном рынке довольно распространены процессоры ARM11. Они построены на базе архитектуры ARMv6 и ее модификаций. Она характеризуется 8-9-стадийными конвейерами, поддержкой Jazelle, способствующей ускорению обработки Java-кода, потоковых инструкций SIMD, Thumb-2.

XScale, процессоры ARM10E, ARM9E основаны на архитектуре ARMv5 и ее модификациях. Максимальная длина конвейера составляет 6 стадий, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP. Чипы XScale имеют кэш второго уровня. Процессоры использовались в смартфонах середины нулевых, сегодня их можно найти в некоторых недорогих мобильниках.

ARM9TDMI, ARM8, StrongARM – представители ARMv4, обладающей 3-5 стадийным конвейером, поддерживающей Thumb. ARMv4, например, можно было найти в первых классических iPod.

ARM6 и ARM7 относятся к ARMv3. В этой архитектуре впервые появился блок FPU, было реализована 32-битная адресация памяти, а не 26-битная, как в первых образцах архитектуры. Формально ARMv2 и ARMv1 были 32-битными чипами, но в действительности активно работали только с 26-битным адресным пространством. Кэш впервые появился в ARMv2.

Имя им легион

Acorn изначально не собиралась становиться игроком процессорного рынка. Задачей проекта ARM должно было стать создание чипа собственного производства для выпуска компьютеров – именно создание ПК в Acorn считали своим основным бизнесом.

Из группы разработчиков ARM превратилась в компанию, благодаря Apple. В 1990 году Apple совместно с VLSI и Acorn начала разработку экономичного процессора для первого карманного компьютера Newton. Для этих целей и была создана отдельная компания, получившая имя внутреннего проекта Acorn – ARM.

При участии Apple была создан процессор ARM6, наиболее близкий к современным чипам английского разработчика. В то же время компания DEC смогла запатентовать архитектуру ARM6 и начала выпуск чипов под маркой StrongARM. Спустя пару лет, технологии перешли к Intel в рамках очередного патентной спора. Микропроцессорный гигант создал на основе ARM свой аналог – процессор XScale. Но в середине предыдущего десятилетия Intel избавилась от этого «непрофильного актива», сосредоточившись исключительно на х86. XScale перекочевал в руки Marvell, которая уже лицензировала ARM.

Новоявленная миру ARM на первых порах была не в состоянии заниматься производством процессорам. Ее руководство выбрало другой способ зарабатывания денег. Архитектура ARM отличалась простотой и гибкостью. Ядро на первых порах было лишено даже кэша, поэтому впоследствии дополнительные модули, включая FPU, контроллеры не тесно интегрировались в процессор, а как бы навешивались на основу.

Соответственно, ARM получил в руки интеллектуальный конструктор, который позволял технологически развитым компаниям создавать процессоры или микроконтроллеры под свои нужды. Делается это при помощи так называемых сопроцессоров, которые могут расширять стандартную функциональность. Всего архитектура поддерживает до 16 сопроцессоров (номера от 0 до 15), но номер 15 зарезервирован под сопроцессор, выполняющий функции управления кэшем и памятью.

Периферийные устройства подключаются к чипу ARM, отображая свои регистры в пространстве памяти процессора или сопроцессора. К примеру, чип для обработки изображений может состоять из сравнительно простого ядра на базе ARM7TDMI и из сопроцессора, обеспечивающего декодирование HDTV-сигнала.

ARM начала лицензировать свою архитектуру. Воплощением ее в кремнии занимались уже другие компании, среди них Texas Instruments, Marvell, Qualcomm, Freescale, но и также совсем непрофильные вроде Samsung, Nokia, Nintendo или Canon.

Отсутствие собственных фабрик, а также внушительные лицензионные отчисления позволили ARM быть более гибкой в разработке новых версий архитектуры. Компания пекла их как горячие пирожки, выходя в новые ниши. Помимо смартфонов и планшетов, архитектура задействована в специализированных процессорах, например, в GPS-навигаторах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. На ее базе создаются промышленные контроллеры и другие чипы для встраиваемых систем.

Система лицензирования ARM представляет собой настоящий гипермаркет микроэлектроники. Компания лицензирует не только новые, но и устаревшие архитектуры. Последние могут быть использованы для создания микроконтроллеров или чипов для недорогих устройств. Естественно, уровень лицензионных отчислений зависит от степени новизны и сложности интересующего производителя варианта архитектуры. Традиционно техпроцессы, под которые ARM разрабатывает процессоры, отстают на 1-2 шага от тех, что считаются актуальными для х86. Высокая энергоэффективность архитектуры делает ее менее зависимой от перехода на новые технормы. Intel и AMD стремятся делать более «тонкие» чипы, чтобы наращивать частоты и количество ядер при сохранении физических размеров и энергопотребления. ARM изначально обладает меньшими требованиями к питанию, а также выдает больший уровень производительности на один ватт.

Особенности процессоров NVIDIA, TI, Qualcomm, Marvell

Лицензируя ARM направо и налево, разработчики усиливали позиции своей архитектуры за счет компетенций партнеров. Классическим примером в данном случае можно считать NVIDIA Tegra. Эта линейка систем-на-чипе имеет в основе архитектуру ARM, но у NVIDIA уже были свои весьма серьезные наработки в области трехмерной графики и системной логики.

ARM дает своим лицензиарам широкие полномочия по переработке архитектуры. Соответственно инженеры NVIDIA получили возможность совместить в Tegra сильные стороны ARM (вычисления CPU) и собственной продукции – работа с трехмерной графикой и т.д. В результате Tegra обладают высочайшей для своего класса процессоров производительностью в 3D. Они на 25-30% быстрее PowerVR, используемых Samsung и Texas Instruments, а также почти в два раза превосходят Adreno, разработку Qualcomm.

Другие производители процессоров на базе архитектуры ARM усиливают те или иные дополнительные блоки, совершенствуют чипы, чтобы добиться более высоких частот и производительности.

Например, Qualcomm не использует референсный дизайн ARM. Инженеры компании серьезно переработали его и назвали Scorpio – именно он лежит в основе чипов Snapdragon. Отчасти дизайн был переработан с целью освоения более тонких техпроцессов, чем предусмотрено стандартным IP ARM. В результате первые Snapdragon выпускались по нормам 45 нм, что обеспечило им более высокие частоты. А новое поколение этих процессоров с заявленными 2.5 ГГц и вовсе может стать самым быстрым среди аналогов на базе ARM Cortex-A9. Также Qualcomm применяет собственное графическое ядро Adreno, созданное на базе разработок, приобретенных у AMD. Так что в некотором роде Snapdragon и Tegra – враги на генетическом уровне.

Samsung при создании Hummingbird также пошла по пути оптимизации архитектуры. Корейцы совместно с компанией Intrinsity изменили логику, благодаря чему сократилось количество инструкций необходимых для выполнения некоторых операций. Таким образом удалось выиграть 5-10% производительности. Кроме того, был добавлен динамический кэш второго уровня и мультимедийное расширение ARM NEON. В качестве графического модуля корейцы использовали PowerVR SGX540.

Texas Instruments в новых сериях OMAP на базе архитектуры ARM Cortex-A добавила специальный модуль IVA, ответственный за ускорение обработки изображений. Он позволяет быстрее обрабатывать данные, поступающие с сенсора встроенной камере. Кроме того, он подключен к ISP и содействует ускорению видео. В OMAP также применяется графика PowerVR.

Apple A4 обладает большим кэшем в 512 Кбайт, в нем используется графика PowerVR, а само ARM-ядро построено на базе варианта архитектуры, переработанного Samsung.

Двухъядерный Apple A5, дебютировавший в iPad 2 в начале 2011 года, базируется на архитектуре ARM Cortex-A9, также, как и в предыдущий раз оптимизированной Samsung. По сравнению с А4 новый чип обладает удвоенным объемом кэш-памяти второго уровня - его увеличили до 1 Мбайт. Процессор содержит двухканальный контроллер оперативной памяти, обладает улучшенным видеоблоком. В результате его производительность в некоторых задачах вдвое выше, чем у Apple A4.

Marvell предлагает чипы на базе собственной архитектуры Sheeva, которая при ближайшем рассмотрении оказывается гибридом XScale, некогда купленной у Intel, и ARM. Данные чипы обладают большим по сравнению с аналогами объемом кэш-памяти, снабжены специальным мультимедийным модулем.

Сейчас лицензиаты ARM производят только чипы на базе архитектуры ARM Cortex-A9. При этом, хотя она и позволяет создавать четырехъядерные варианты, NVIDIA, Apple, Texas Instruments и другие пока ограничиваются моделями с одним или двумя ядрами. Кроме того, чипы работают на частоте до 1.5 ГГц. Cortex-A9 позволяет делать двухгигагерцовые процессоры, но опять же производители не стремятся быстро наращивать частоты - ведь пока рынку хватит и двухъядерников на 1.5 ГГц.

По-настоящему многоядерными должны стать процессоры на базе Cortex-A15, но они если и анонсированы, то на бумаге. Их появления в кремнии стоит ожидать в следующем году.

Современные процессоры лицензиатов ARM на базе Cortex-A9:

x86 – главный соперник

х86 – представитель CISC-архитектур. В них используется полный набор команд. Одна инструкция в данном случае выполняет несколько низкоуровневых операций. Программный код, в отличие от ARM, компактнее, но выполняется не столь быстро и требует больших ресурсов. Кроме того, с самого начала х86 оснащались всеми необходимыми блоками, что предполагало как их универсальность, так и прожорливость. Дополнительная энергия тратилась на безусловное, параллельное выполнение команд. Это позволяет достичь преимущества в скорости, но некоторые операции при этом выполняются вхолостую, так как не удовлетворяют предыдущим условиям.

Такими были классические х86, но, уже начиная с 80486, Intel де-факто создала внутреннее RISC-ядро, которое выполняло CISC-инструкции, предварительно разложенные на более простые команды. Такую же конструкцию имеют современные процессоры Intel и AMD.

Windows 8 и ARM

ARM и х86 сегодня различаются меньше, чем 30 лет назад, но все-таки базируются на разных принципах, что и разводит их по разным нишам процессорного рынка. Архитектуры могли бы никогда не пересечься, если бы не стал видоизменяться сам компьютер.

На первое место вышла мобильность и экономичность, больше внимания стало уделяться смартфонам и планшетам. Apple делает огромные деньги на мобильных гаджетах и привязанной к ним инфраструктуре. Microsoft не желает отставать и уже второй год пытается закрепиться на рынке планшетов. Достаточно успешно действует Google.

Настольный ПК становится в первую очередь рабочим инструментом, нишу бытового компьютера занимают планшеты и специализированные устройства. В этих условиях Microsoft собирается пойти на беспрецедентный шаг. . Пока не совсем ясно, к чему это приведет. Мы получим две версии операционной системы, или одну, которая будет работать с обеими архитектурами. Похоронит ли поддержка ARM со стороны Microsoft x86, или нет?

Информации пока немного. Microsoft продемонстрировала работу Windows 8 на устройстве с ARM-процессором во время выставки CES 2011. Стив Балмер показал, что на платформе ARM с помощью Windows можно смотреть видео, работать с изображениями, пользоваться Интернетом – Internet Explorer даже работал с аппаратным ускорением – подключать USB-устройства, печатать документы. Наиболее важным в этой демонстрации было наличие Microsoft Office, работающего на ARM без участия виртуальной машины. На презентации были показаны три гаджета на базе процессоров Qualcomm, Texas Instruments и NVIDIA. Windows имела стандартную оболочку «семерки», но представители Microsoft заявил о новом, переработанном ядре системы.

Однако, Windows - это не только ОС, сделанная инженерами Microsoft, это еще и миллионы программ. Некоторое ПО является критичным для людей многих профессий. Например, пакет Adobe CS. Будет ли компания поддерживать версию ПО для ARM-Windows, или новое ядро позволит Photoshop и другим популярным приложениям работать на компьютерах с NVIDIA Tegra или другим похожим чипам без дополнительных модификаций кода?

Кроме того встает вопрос с видеокартами. Сейчас видеокарты для ноутбуков делаются путем оптимизации энергопотребления настольных графических чипов – архитектурно они совпадают. В то же время сейчас видеокарта представляет собой что-то вроде «компьютера в компьютере» - у нее есть собственная сверхскоростная оперативная память и собственный вычислительный чип, который в специфических задачах существенно превосходит обычные процессоры. Само собой, что под них сделана соответствующая оптимизация приложений, работающих с 3D-графикой. Да и различные программы видеомонтажа и графические редакторы (в частности Photoshop с версии CS4), а с недавних пор еще и браузеры используют аппаратное ускорение средствами GPU.

Конечно, в Android, MeeGo, BlackBerry OS, iOS и других мобильных системах сделана необходимая оптимизация под различные присутствующие на рынке мобильные (точнее сверхмобильные) ускорители. Однако их поддержки нет в Windows. Драйверы, само собой, написаны будут (да и уже написаны – процессоры Intel Atom серии Z500 поставляются вкупе с чипсетом, куда интегрировано «смартфонное» графическое ядро PowerVR SGX 535), но вот оптимизация под них приложений может запоздать, если вообще случится.

Очевидно, что «ARM на десктопе» особо не приживется. Разве что в маломощных системах, на которых будут выходить в Интернет, да фильмы смотреть. На неттопах в общем. Так что ARM пока лишь пытается замахнуться на ту нишу, что занял Intel Atom и куда сейчас активно щемится AMD со своей платформой Brazos. И у нее это, видимо, отчасти получится. Если только обе процессорные компании не «выстрелят» чем-нибудь весьма конкурентоспособным.

Местами Intel Atom и ARM уже конкурируют. Они используются для создания сетевых хранилищ данных и маломощных серверов, которые могут обслуживать малый офис или квартиру. Также есть несколько коммерческих проектов кластеров на базе экономичных чипов Intel. Характеристики новых процессоров на базе ARM Cortex-A9 позволяют использовать их для поддержания инфраструктуры. Таким образом, через пару лет мы можем получить ARM-серверы или ARM-NAS для небольших локальных сетей, нельзя исключать и появление маломощных веб-серверов.

Первый спарринг

Главным соперником ARM со стороны х86 является Intel Atom, а теперь к ним можно прибавить еще и платформу . Сравнение х86 и ARM провёл Вэн Смит, который создал тестовые пакеты OpenSourceMark, miniBench и один из соавторов SiSoftware Sandra. В «забеге» приняли участие Atom N450, Freescale i.MX515 (Cortex-A8), VIA Nano L3050. Частоты чипов х86 были снижены, но у них все равно оставалось преимущество за счет более совершенной памяти.

Результаты оказались весьма интересными. ARM-чип оказался также быстр, как и конкуренты в целочисленных операциях, при этом расходуя меньше энергии. Здесь нет ничего удивительного. Изначально архитектура была и достаточно быстрой и экономичной. В операциях с плавающей точкой ARM уступила х86. Здесь сказался традиционно мощный блок FPU, имеющийся у чипов Intel и AMD. Напомним, что в ARM он появился относительно недавно. Задачи, ложащиеся на FPU, занимают в жизни современного пользователя значительно место – это игры, кодирование видео и аудио, другие потоковые операции. Конечно, тесты, проведенные Вэном Смитом, сегодня уже не так актуальны. ARM значительно усилила слабые стороны своей архитектуры в версиях Cortex-A9 и особенно Cortex-A15, которая, например, уже может выполнять инструкции безусловно, распараллеливая решение задач.

Перспективы ARM

Так на какую архитектуру ставить в итоге, на ARM или х86? Наиболее правильно будет ставить на обе. Сегодня мы живем в условиях переформатирования компьютерного рынка. В 2008 году нетбукам предрекали безоблачное будущее. Дешевые компактные ноутбуки должны были стать основным компьютером для большинства пользователей, особенно на фоне мирового кризиса. Но затем началось восстановление экономики и появился iPad. Теперь королями рынка объявлены планшеты. Однако планшет хорош в качестве развлекательной консоли, но не очень удобен для работы в первую очередь из-за сенсорного ввода – эту статью писать на iPad было бы очень непросто, да и долго. Выдержат ли планшеты проверку временем. Возможно, через пару лет мы придумаем себе новую игрушку.

Но все-таки в мобильном сегменте, там, где не требуется высокой производительности, а активность пользователя в основном ограничена развлечениями, и не связана с работой, ARM выглядят предпочтительнее х86. Они обеспечивают приемлемый уровень производительности, а также большое время автономной работы. Попытки Intel довести до ума Atom пока неудачны. ARM задает новую планку производительности на ватт потребляемой энергии. Скорее всего, в компактных мобильных гаджетах ARM будут пользоваться успехом. На рынке нетбуков они также могут стать лидерами, но здесь все зависит не столько от разработчиков процессоров, сколько от Microsoft и Google. Если первая реализует нормальную поддержку ARM в Windows 8, а вторая доведет до ума Chrome OS. Пока же смартбуки, предложенные Qualcomm, не сделали рынка. Нетбуки на базе х86 устояли.

Прорыв в этом направлении, по задумке ARM должна совершить архитектура Cortex-A15. Компания рекомендует двух- и четырехъядерные процессоры на ее базе с частотой 1.0-2.0 ГГц для домашних развлекательных систем, которые будут объединять воедино медиаплеер, 3D-телевизор и интернет-терминал. Четырехъядерные чипы с частотой 1.5-2.5 ГГц могут стать основой домашних и веб-серверов. Наконец самый амбициозный вариант применения Cortex-A15 - инфраструктура беспроводных сетей. Здесь могут использоваться чипы с четырьмя и более ядрами, частотой 1.5-2.5 ГГц.

Но пока это только планы. Cortex-A15 была представлена ARM в сентябре прошлого года. Cortex-A9 была показана компанией в октябре 2007 года, через два года компания презентовала вариант А9 с возможностью увеличения частоты чипы до 2.0 ГГц. Для сравнения NVIDIA Tegra 2 - одно из самых раскрученных решений на базе Cortex-A9 – увидело свет только в январе прошлого года. Ну а первые гаджеты на его основе пользователи смогли пощупать еще через шесть месяцев.

Сегмент рабочих ПК и высокопроизводительные решения останутся за х86. Это не будет означать смерти архитектуры, но в денежном выражении Intel и AMD стоит подготовиться к потери части доходов, которые перейдут производителям ARM-процессоров.

Новый фаворит в гонке процессорных вооружений - фирма не из Кремниевой долины, а из английского научного городка Кембридж. Однако ее успех - вещь вовсе не внезапная, и за ним стоит история длиной в тридцать лет.

Бок о бок с Intel мы живем еще с восьмидесятых годов - имя этой компании встречается в новостях так часто, что название нынешнего поколения ее процессоров нередко известно даже далеким от техники людям. Но времена изменились, и планшеты со смартфонами стали потихоньку отбирать внимание и пользователей у персоналок, а отливают их ядра вовсе не на фабриках Intel. На передний план внезапно вышла британская компания ARM, о которой до недавних пор слышали лишь специалисты. Что за люди стоят за созданием процессоров, давших дорогу новому поколению компьютеров?

Формально фирма ARM Holdings была создана в 1990 году, а конкретнее - в тот момент, когда было подписано соглашение между тремя компаниями: Apple Computer, Acorn Computers и VLSI Technology. Apple в представлении не нуждается, а вот об Acorn и VLSI стоит поговорить подробнее.

Кембриджский желудь

История Acorn связана с другой известной британской компанией - Sinclair Research, где был создан небезызвестный компьютер ZX Spectrum. Будущий сооснователь Acorn Крис Карри сделал свою карьеру именно в Sinclair Radionics (позднее - Research). В те времена Карри и Синклер были друзьями и вместе работали над карманным калькулятором и другими проектами, но в 1978 году во время подготовки прототипа ZX80 (одного из предшественников ZX Spectrum) они так сильно разошлись во мнениях относительно будущего компьютера, что Карри покинул Синклера и его компанию. А вскоре основал собственную - совместно с предпринимателем, изобретателем и инвестором Германом Хаузером. Фирма называлась Cambridge Processor Unit, или просто CPU.

Хаузер к тому времени уже успел завербовать одного гениального студента Кембриджского университета - Роджера Уилсона. Тот был буквально влюблен в электронику, на память цитировал справочники компонентов и писал программы в машинных кодах без единой ошибки - по крайней мере такова легенда. Опыт настоящей работы у Уилсона был небольшой - за ним числилось разве что создание автоматизированной кормушки для коров на основе чипа MOS Technology 6502. Но когда Хаузер предложил Уилсону поучаствовать в создании электронной записной книжки (которая так потом и не появилась на свет), тот немедленно согласился.

Карри привел с собой в новую фирму еще одного студента Кембриджа - второкурсника Стива Фербера. Фербер, как и Карри, ранее работал на Синклера и занимался разработкой набора MK14, из которого любой желающий мог собрать простенький домашний компьютер. Первое время Ферберу приходилось совмещать работу в CPU с учебой, но зато у него не было никаких сомнений в том, что после получения диплома он сможет продолжать заниматься любимым делом - придумывать компьютеры.

В 1979 году CPU был переименован в Acorn (что переводится как «желудь»), якобы чтобы числиться в телефонном справочнике до Apple. Но самое главное - фирма в тот год выпустила свой первый продукт, Acorn System 1. Это был очень скромный компьютер для научных расчетов, имевший однострочный ЖК-дисплей и продававшийся за 80 фунтов стерлингов. Для сравнения, ZX80, тоже считавшийся экстремально дешевым, в сборе стоил сотню.

Настоящий успех ждал Acorn двумя годами позже, когда совместно с BBC (да-да, той самой Британской широковещательной корпорацией, что по сей день снабжает весь мир своими новостями и сериалом «Доктор Кто») Карри и Хаузеру удалось выиграть тендер на поставки компьютеров в британские школы, - так родился BBC Micro. Клайв Синклер тоже участвовал в тендере и был настолько взбешен поражением, что напал на своего бывшего друга и коллегу Криса Карри в одном из кембриджских пабов и отхлестал его свернутой в трубочку газетой.

Сверхбольшие интегральные схемы

В то время как индустрия переживала бум домашних компьютеров, в научной части отрасли происходили другие не менее захватывающие события. Одно из них имеет непосредственное отношение к появлению ARM.

Общеизвестно, что интернет был придуман в Агентстве по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA), однако это не единственный проект DARPA, оказавший мощное влияние на всю индустрию. VLSI Project как раз из таких разработок: его относительно малая известность просто несоизмерима с его важностью. VLSI расшифровывается как Very-large-scale integration - сверхбольшая интегральная схема, или СБИС. В начале восьмидесятых все шло к переходу на такие схемы, но при их разработке инженеры столкнулись с серьезными проблемами.

С ростом числа транзисторов, умещающихся на кристалле интегральной схемы, проектировать процессоры становилось все сложнее, и, когда число транзисторов стало превышать сотню тысяч, старые методы начали приводить к появлению ошибок. Требовался новый способ проектирования, и вряд ли кого-то удивит, что решение заключалось в использовании компьютера.

Профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид и программист из лаборатории Xerox PARC Лин Конвей предложили создать систему автоматизированного проектирования (САПР), которая бы помогала делать процессоры фактически любой сложности. На тот момент для работы с такой программой понадобился бы суперкомпьютер, так что DARPA пришлось профинансировать не только создание САПР, но и все вокруг: разработку рабочих станций и даже операционной системы. Позднее из этих проектов вырастут фирмы Sun Microsystems и Silicon Graphics, а в качестве ОС будет создана новая ветвь UNIX - Berkley Distribution Software (BSD).

Мид и Конвей полагали, что если разработка процессоров будет лучше автоматизирована, то делать их смогут небольшие фирмы или даже студенты в ходе обучения. Идея оказалась не только верной, но и очень удачной: с помощью новых инструментов процессоры стало намного легче проектировать и появилась возможность делать это в отрыве от производства. Мало того, новый софт позволил выявить доселе скрытые особенности строения процессоров.

RISC - благородное дело

Современные процессорные архитектуры принято делить на два класса: CISC (Complex Instruction Set Computing - вычислители с комплексным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computing - вычислители с сокращенным набором команд). Между этими подходами есть принципиальная разница, но появилась она не сразу.

Ранние восьмибитные процессоры вроде Intel 8080 или Motorola 6800 умели исполнять всего несколько простых инструкций. Например, не было специальной инструкции для перемножения чисел, это действие требовало нескольких процессорных команд - смещений и сложений. Такой подход кажется неудобным, и потому решение добавить более емкие инструкции было интуитивным.

Считалось к тому же, что операции, воплощенные непосредственно в железе, будут исполняться намного быстрее, чем выполненные в виде программ. Так что в последующих разработках создатели процессоров стали добавлять поддержку все новых и новых инструкций. Перемножение двух чисел, к примеру, превратилось в одну команду, зато устройство микросхемы усложнилось, поскольку стало включать в себя отдельную подсистему, предназначенную для умножения. Так появились процессоры с комплексным набором команд. К этому семейству относятся и последующие чипы Intel, и другие процессоры, пользовавшиеся популярностью в восьмидесятые годы.

Не сказать, что у комплексного набора команд нет своих достоинств, но за них пришлось заплатить хорошую цену. Если первые процессоры за один тик генератора тактовой частоты выполняли одну простую инструкцию, то более сложные инструкции стали требовать по несколько тактов.

В рамках все того же проекта VSLI профессор Калифорнийского университета в Беркли Дэвид Паттерсон провел исследование, в ходе которого нащупал иной подход к процессоростроению, который он назвал RISC. Выяснилось, что если ограничить набор инструкций лишь теми, которые могут быть исполнены за один такт, то можно увеличить скорость их исполнения и таким образом повысить общую производительность. Житейская логика подсказывает, что такого быть не должно: программы ведь получаются длиннее! Но когда речь идет о системах из сотен тысяч компонентов, житейская логика может отдохнуть, а верный ответ дадут моделирование и симуляция.

Заодно Паттерсону удалось значительно снизить влияние «бутылочного горлышка» фон-неймановской архитектуры - медленного канала между процессором и оперативной памятью. RISC отличается большим числом регистров, чем CISC, и это позволяет реже обращаться к оперативной памяти - в особенности если программа пропущена через оптимизирующий компилятор и выгодно использует ресурсы. Еще лучше такой подход работает в многоядерных или многопроцессорных системах, где к одной и той же памяти обращаются несколько вычислителей. Чем реже они это делают, тем реже каждому из них приходится ждать своей очереди и, соответственно, тем больше прирост производительности.

По закону «Архимеда»

Вернемся, однако, к истории Acorn. Если не считать нелепой ссоры с отцом ZX Spectrum, дела у компании в 1983 году шли неплохо: BBC Micro был продан полуторамиллиардным тиражом, и прибыль Acorn подскочила с трех тысяч фунтов до почти девяти миллионов. Билл Гейтс даже предлагал Хаузеру портировать MS-DOS и фирменный интерпретатор BASIC на BBC Micro, но Хаузер отказался.

Команда собственных разработчиков Acorn росла, а учредители подумывали о том, что пора перейти на новый виток развития: вместо компьютеров на основе восьмиразрядных чипов выпускать машины помощнее - с шестнадцатиразрядными ЦП.

В качестве варианта рассматривались процессоры National Semiconductor, но Роберт Уилсон посетил израильскую штаб-квартиру этой компании и остался недоволен: «У них там над чипом работает по сто человек, и все равно то и дело ошибки». Следом Уилсон отправился в американскую фирму Western Design Center, где увидел ровно противоположенную картину: процессоры разрабатывали небольшие группы инженеров, причем почти что в домашних условиях. Уилсон задался вопросом: а нужно ли покупать чужой процессор, если можно сделать собственный? Пример WDC показывал, что это не так сложно, как может показаться.

Идею в Acorn приняли благосклонно, и работа закипела. Уилсон придумал набор инструкций, а Фербер с небольшой командой разработал архитектуру будущего процессора. Именно тогда было принято судьбоносное решение использовать новомодный принцип RISC.

Первый в истории процессор ARM (Acorn RISC Machine) был выпущен в 1985 году, но компьютера на его основе так и не появилось. Его продавали в качестве дополнения к BBC Master - у этой продвинутой версии BBC Micro был специальный интерфейс для подключения сопроцессоров. В комплект также входил набор для разработки программ для RISC.

Следующую инкарнацию процессора - ARM 2 ждала куда более интересная судьба: он лег в основу уникальной машины под названием Archimedes, впервые поступившей в продажу в 1987 году. ARM 2 имел 32-разрядную архитектуру, а адресная шина поддерживала 26 разрядов, и таким образом могло быть адресовано до 64 Мб оперативной памяти (огромное пространство по тем временам и несерьезное по нынешним). Частота ARM 2 сейчас тоже вряд ли кого-нибудь поразит, да и 1985 году 8 МГц можно было считать средним показателем. Вышедший примерно в то же время Intel 80368 работал на вдвое большей частоте, но это не значит, что вдвое эффективнее. 386-й выдавал лишь на миллион операций больше - пять против четырех у ARM 2. Вот оно, преимущество RISC!

Archimedes стоил приличных денег - от 800 фунтов стерлингов (с учетом инфляции и в пересчете на сегодняшние рубли получилось бы не меньше ста тысяч), но пользовался определенной популярностью благодаря мощности, хорошему видеоадаптеру (режимы до 256 цветов) и восьмиканальной звуковой карте. По сути, это был этакий британский Macintosh - рабочая станция для издательств и телестудий.

Империя Olivetti

Хоть Archimedes и выпускался под маркой Acorn, компания к тому времени уже не была частным бизнесом Хаузера и Карри. За успешным 1983 годом последовал ужасный 1984-й, когда рынок домашних компьютеров перенасытился. Это имело трагические последствия для многих игроков: Atari и Commodore сменили хозяев, а в Apple (в первый раз) столкнулись с перспективой банкротства.

В Acorn к этой альфа-версии краха доткомов тоже не были готовы: компания только-только вышла на биржу, и заработанных на этом денег стало достаточно, чтобы удовлетворить непрерывно росший до того момента спрос. В результате на складах Acorn скопилось 250 тысяч компьютеров, продать которые внезапно оказалось нереально.

И тут на горизонте появилась итальянская фирма Olivetti. Ее руководство уже и раньше предпринимало попытки перейти от производства пишущих машинок к компьютерам. С конвейеров Olivetti с 1983 по 1985 год сходили модели на основе Zilog Z8000 и Intel 8088. Но ARM, Archimedes и его операционная система RISC OS казалась для менеджеров Olivetti лакомым кусочком: иметь собственные технологии всегда лучше - по крайней мере в то время так казалось.

Вскоре была заключена сделка, в результате которой к Olivetti перешло 80 процентов акций Acorn, а Герман Хаузер стал руководителем исследовательского подразделения. Второй основатель Acorn Крис Карри, получив дивиденды от продажи, предпочел основать новую компанию - General Information Systems. Она до сих пор функционирует и занимается смарт-картами, электронными денежными переводами и системами безопасности.

Итальянцы, правда, тоже предвидели будущее неверно: в конце восьмидесятых годов началось победное шествие IBM PC и его клонов. Стало понятно, что все несовместимое с PC скоро окажется на свалке истории, и компании вместо того, чтобы взращивать свои технологии, массово переходили на сборку компьютеров из готовых компонентов. Тогдашние действия Olivetti можно сравнить с HP, три года назад купившей Palm, чтобы затем отказаться от него и перейти на вездесущий Android.

Хаузер тоже не был горд тем, что продал свою компанию. В одном из интервью он сетует: можно было бы поступить, как IBM, - дать возможность сторонним фирмам производить компоненты и собирать компьютеры. И тогда, возможно, Acorn и ARM, а не IBM и Intel оказались бы в центре новой индустрии. Но нужное решение вовремя принято не было, и стать британским IBM фирме Acorn было не суждено. Зато у Хаузера имелся запасной план.

Братство «проца»

То, что в Olivetti отказались от идеи развивать собственную компьютерную платформу, вовсе не означало погибель для ARM. Хаузер изыскал способ выделить процессорный бизнес в отдельную компанию и нашел двух заинтересованных в этом партнеров. Объединенное предприятие назвали так же, как и архитектуру процессора, - ARM, но расшифровку сменили с Acorn RISC Machines на Advanced RISC Machines.

Кому в тот момент могло понадобиться партнерство с разработчиком процессоров RISC? Очевидно, фирме, выпускающей устройства на их основе. Ей стала Apple: там в 1990 году как раз проектировали будущий наладонник Newton, и процессор ARM отлично годился для него благодаря своей экономичности по отношению к заряду батареи.

В качестве третьего партнера была выбрана фирма VLSI Technologies. Это прямая наследница VLSI Project, которая занималась проектированием и производством интегральных микросхем. Для будущего совместного предприятия было важно то, что VLSI могла предоставить собственную систему автоматизированного проектирования.

Самой же VLSI был нужен новый заказчик процессоров. Это в чистом виде воплощение идеи Конвея и Мида, когда разработчик и производитель СБИС работают раздельно (а в данном случае даже находятся по разные стороны Атлантического океана). Наученный неудачей Acorn, Хаузер внес еще одну коррективу: вместо того, чтобы выпускать сам продукт, он предложил заниматься исключительно проектированием процессоров и продавать интеллектуальную собственность - то есть дизайны микросхем и лицензии на их производство.

Если Intel знаменита тем, что имеет десятки заводов по всему миру, то у ARM нет ни одного. Это не помешало сегодняшней ARM не только встать в один ряд с Intel и AMD, но и потихоньку превратиться в серьезную угрозу для них.

Новая жизнь ARM

Бурный рост продаж клонов IBM PC в девяностые годы сказался на популярности RISC не лучшим образом. Там, где стали заправлять Intel и Microsoft, альтернативы процессорам семейства x86 фактически не было. Зато оставались профессиональные применения: серверы и рабочие станции IBM и Sun Microsystems, где используются «рисковые» архитектуры PowerPC и SPARC соответственно, а также рынок микроконтроллеров, долго служивший для ARM главной статьей дохода.

Первым процессором, дизайн которого выпустили в ARM Holdings после отсоединения от Acorn, стал ARM6, разработанный специально для наладонника Newton и в сотрудничестве с Apple. Впервые спецификация ARM6 была выпущена в 1992 году, а в 1993-м компания объявила о первых прибылях.

С тех пор рост и совершенствование архитектуры ARM не прекращались, а в 1998 году компания успешно вышла на биржу. Тогда же, кстати, Apple продала свою часть акций: для нее это был год тяжелого кризиса, и отказ от доли в ARM помог из него выбраться. Мог ли тогда Стив Джобс предположить, насколько важной для Apple окажется продукция ARM через десять лет?

Среди клиентов ARM на сегодняшний день числится больше четырех десятков крупных производителей электроники. Процессоры на основе дизайнов ARM можно обнаружить в самых разных устройствах - от жестких дисков до автомобилей и от игровых приставок до фото- и видеокамер и телевизоров. Даже в Intel одно время выпускали процессоры на основе ARM (серия называлась XScale, но в 2006 году была продана вместе с подразделением).

Однако самую большую славу ARM принесло развитие мобильных устройств. Apple Newton и наладонники Pocket PC были лишь предисловием к тому, что случилось после выпуска iPhone в 2007 году и iPad - в 2010-м. Энергоемкость архитектуры RISC оказалась ключом к строению портативных устройств, и, сколько Intel ни пытается соревноваться с ARM на этом поприще, сделать конкурентоспособный процессор для планшетов и смартфонов на основе x86 пока что не удалось.

Благодаря ARM архитектура RISC наконец получила заслуженную славу, но на этом история вовсе не заканчивается. Специалисты с интересом следят за ростом популярности многопроцессорных серверных решений на основе ARM (их, к примеру, активно внедряют в дата-центрах Facebook) и обсуждают недавнее появление 64-разрядного ARMv8. Так что будущее ARM видится крайне интересным. Пока что это еще не «британский IBM», о котором мечтал Хаузер, но процветающая фирма, бодро идущая к этому званию.