Добро пожаловать обратно, начинающие хакеры!
В современном цифровом мире процессоры ARM повсюду! Практически каждый телефон и планшет использует процессоры ARM. Теперь все новые продукты Apple оснащены процессорами ARM. Некоторые лёгкие ноутбуки, такие как Chromebook, также используют процессоры ARM. Устройства Интернета вещей (IoT) в основном работают на базе ARM. Вскоре искусственный интеллект, в котором сейчас доминируют графические процессоры NVIDIA, будет работать на процессорах ARM. Учитывая повсеместное распространение ARM в нашем цифровом мире, вам действительно необходимо знать, что такое ARM.
Архитектура ARM, изначально разработанная британской компанией Acorn Computers, известна своей высокой производительностью и масштабируемостью. Благодаря энергоэффективности процессоры ARM сегодня используются в самых разных устройствах и приложениях, от смартфонов и планшетов до современных серверов.
Архитектура процессора основана на принципе RISC ( Reducated I nstruction Set Computer ). Используя этот набор инструкций, состоящий из ограниченного числа простых и быстрых инструкций, процессоры ARM могут работать быстрее и энергоэффективнее по сравнению с конкурирующими продуктами с более обширным набором инструкций (CISC, например, x86 ) .
В этом руководстве мы рассмотрим архитектуру RISC компании ARM, принципы эффективного проектирования и энергоэффективность.
Архитектура RISC основана на принципе, что более простые инструкции могут выполняться более эффективно. Вместо того, чтобы предоставлять огромный набор сложных инструкций, которые могут выполнять несколько операций за один шаг, RISC-процессоры используют меньший набор простых, единообразных инструкций. Каждая инструкция в архитектуре RISC обычно выполняет одну базовую операцию и может быть выполнена за один такт. Эта единообразность создаёт предсказуемые шаблоны выполнения, что позволяет разрабатывать более эффективные процессоры и оптимизировать их производительность.
[th]Особенность / Подход[/th][th]CISC (например, x86)[/th][th]RISC (например, ARM)[/th]
[td]Сложность инструкции[/td][td]Отдельные инструкции выполняют несколько задач (обработка данных, доступ к памяти, арифметика)[/td][td]Разбивает задачи на несколько более простых инструкций[/td]
[td]Пример исполнения[/td][td]Одна инструкция: загрузить → вычислить → сохранить[/td][td]Три отдельные инструкции: загрузка → вычисление → сохранение[/td]
[td]Декодирование логики[/td][td]Запутанный и сложный[/td][td]Проще, единообразно[/td]
[td]Тактов на инструкцию[/td][td]Часто несколько циклов[/td][td]Обычно один цикл на простую инструкцию[/td]
[td]Требования к оборудованию[/td][td]Значительное аппаратное обеспечение для декодирования и управления выполнением[/td][td]Меньше оборудования для декодирования, более унифицированная логика управления[/td]
[td]Влияние мощности и дизайна[/td][td]Более высокое энергопотребление и сложность конструкции[/td][td]Меньшее энергопотребление, более простая конструкция[/td]
[td]Оптимизация[/td][td]Труднее оптимизировать отдельные операции[/td][td]Легче оптимизировать каждый шаг независимо[/td]
[td]Параллельное выполнение[/td][td]Сложнее[/td][td]Легче достичь[/td]
В основе архитектуры ARM лежит архитектура загрузки-хранения, в которой арифметические и логические операции выполняются только с данными в регистрах, а не непосредственно в памяти. Хотя такой подход требует больше инструкций, он упрощает исполнительные блоки и шаблоны доступа к памяти, позволяя добиться оптимизации, которую сложно реализовать в сложных архитектурах.
Для этой цели в ARM предусмотрено шестнадцать регистров общего назначения. Эти регистры хранят промежуточные значения данных и операнды во время арифметических и логических операций.
ARM также использует кодирование инструкций с фиксированной разрядностью, обычно 32 бита, что упрощает выборку, декодирование и управление кэшем, поддерживая единообразный размер инструкций. Это способствует повышению общей эффективности системы.
Наконец, архитектура ARM делает акцент на условном выполнении, позволяя выполнять большинство инструкций на основе флагов процессора, а не с помощью частых команд ветвления. Такой подход уменьшает сбои в работе конвейера, вызванные ветвлениями, что обеспечивает более плавное и эффективное выполнение программ.
1. Использование транзисторов и простота
[th]Метод управления питанием[/th][th]Потенциал энергосбережения[/th][th]Сложность реализации[/th]
[td]Часовой строб[/td][td]10-30%[/td][td]Низкий[/td]
[td]Power Gating[/td][td]50-90%[/td][td]Середина[/td]
[td]Динамическое масштабирование напряжения[/td][td]30-70%[/td][td]Высокий[/td]
[td]Масштабирование частоты[/td][td]10-50%[/td][td]Середина[/td]
Процессоры ARM делятся на несколько семейств, каждое из которых ориентировано на определённые требования к производительности и энергопотреблению. Наиболее распространёнными семействами процессоров ARM являются серии Cortex-A, Cortex-R и Cortex-M. Серия Cortex-A разработана для высокопроизводительных приложений, таких как смартфоны, планшеты и серверы. Эти процессоры поддерживают расширенные функции, такие как внеочередное выполнение команд, суперскалярные конвейеры и аппаратную виртуализацию. Серия Cortex-R оптимизирована для систем реального времени, предлагая быстрое время отклика на прерывания и детерминированное поведение. Эти процессоры широко используются в автомобильной, промышленной и критически важной для безопасности области применения. Серия Cortex-M разработана для микроконтроллеров и маломощных устройств с акцентом на энергоэффективность и простоту использования.
Для управления и защиты памяти процессоры ARM включают в себя блок защиты памяти (MPU) для более простых систем и блок управления памятью (MMU) для более сложных систем, требующих виртуальной памяти. ARMv8-A, представленный в 2011 году, расширил возможности ARM, добавив поддержку 64-битных адресных пространств и ввел дополнительное 64-битное состояние выполнения, называемое AArch64. Это состояние включает в себя новый 64-битный набор инструкций (A64) наряду с существующими 32-битными наборами инструкций ARM (A32) и Thumb (T32). AArch64 предлагает расширенные вычислительные возможности, включая 31 64-битный регистр общего назначения, расширенную адресацию памяти (обычно до 48-битных виртуальных адресов), улучшенную SIMD-память и криптографические инструкции для шифрования и хеширования.
Кроме того, процессоры ARM поддерживают опциональные расширения ISA, такие как NEON SIMD для обработки мультимедиа и сигналов, а также криптографические расширения для аппаратного ускорения шифрования и дешифрования. Эти функции помогают процессорам ARM эффективно справляться с разнообразными рабочими нагрузками, сохраняя при этом низкое энергопотребление и компактность кристалла.
Благодаря низкому энергопотреблению ARM способствовал более широкому распространению смартфонов и других мобильных устройств. Его также начинают использовать в крупных центрах обработки данных для экономии энергии и затрат. Кроме того, современные процессоры ARM обладают интеллектуальными функциями, которые помогают им работать быстрее, потребляя при этом значительно больше энергии.
В условиях растущих потребностей в вычислительной технике и проблем с энергосбережением, ориентация ARM на эффективность служит отличным примером создания мощных и энергоэффективных компьютеров. Это означает, что ARM продолжит играть важную роль в будущем технологий.
В современном цифровом мире процессоры ARM повсюду! Практически каждый телефон и планшет использует процессоры ARM. Теперь все новые продукты Apple оснащены процессорами ARM. Некоторые лёгкие ноутбуки, такие как Chromebook, также используют процессоры ARM. Устройства Интернета вещей (IoT) в основном работают на базе ARM. Вскоре искусственный интеллект, в котором сейчас доминируют графические процессоры NVIDIA, будет работать на процессорах ARM. Учитывая повсеместное распространение ARM в нашем цифровом мире, вам действительно необходимо знать, что такое ARM.
Архитектура ARM, изначально разработанная британской компанией Acorn Computers, известна своей высокой производительностью и масштабируемостью. Благодаря энергоэффективности процессоры ARM сегодня используются в самых разных устройствах и приложениях, от смартфонов и планшетов до современных серверов.
Архитектура процессора основана на принципе RISC ( Reducated I nstruction Set Computer ). Используя этот набор инструкций, состоящий из ограниченного числа простых и быстрых инструкций, процессоры ARM могут работать быстрее и энергоэффективнее по сравнению с конкурирующими продуктами с более обширным набором инструкций (CISC, например, x86 ) .
В этом руководстве мы рассмотрим архитектуру RISC компании ARM, принципы эффективного проектирования и энергоэффективность.
Фонд RISC: простота в основе
В основе философии проектирования ARM лежит архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computing) – фундаментальный подход, определяющий все аспекты работы процессоров ARM. Чтобы понять, почему это важно, необходимо сначала рассмотреть, что представляет собой RISC и чем он отличается от подхода CISC (Complex Instruction Set Computing), который доминировал в вычислительной технике на протяжении десятилетий.Архитектура RISC основана на принципе, что более простые инструкции могут выполняться более эффективно. Вместо того, чтобы предоставлять огромный набор сложных инструкций, которые могут выполнять несколько операций за один шаг, RISC-процессоры используют меньший набор простых, единообразных инструкций. Каждая инструкция в архитектуре RISC обычно выполняет одну базовую операцию и может быть выполнена за один такт. Эта единообразность создаёт предсказуемые шаблоны выполнения, что позволяет разрабатывать более эффективные процессоры и оптимизировать их производительность.
Эффективная философия дизайна ARM
Эффективность ARM обусловлена наследием RISC-архитектуры, но глубоко проникает во все аспекты конструкции процессора, отдавая приоритет оптимальному использованию ресурсов, а не чистой вычислительной мощности. В результате процессоры обеспечивают высокую производительность при минимальном энергопотреблении и занимаемой площади.В основе архитектуры ARM лежит архитектура загрузки-хранения, в которой арифметические и логические операции выполняются только с данными в регистрах, а не непосредственно в памяти. Хотя такой подход требует больше инструкций, он упрощает исполнительные блоки и шаблоны доступа к памяти, позволяя добиться оптимизации, которую сложно реализовать в сложных архитектурах.
Для этой цели в ARM предусмотрено шестнадцать регистров общего назначения. Эти регистры хранят промежуточные значения данных и операнды во время арифметических и логических операций.
Наконец, архитектура ARM делает акцент на условном выполнении, позволяя выполнять большинство инструкций на основе флагов процессора, а не с помощью частых команд ветвления. Такой подход уменьшает сбои в работе конвейера, вызванные ветвлениями, что обеспечивает более плавное и эффективное выполнение программ.
Энергоэффективность и управление энергопотреблением
Архитектура ARM славится своей исключительной энергоэффективностью, что способствовало успеху устройств с питанием от аккумуляторов и снижению энергопотребления в центрах обработки данных по всему миру. Эта эффективность достигается за счёт тщательного проектирования, обеспечивающего баланс между энергосбережением и вычислительной мощностью.1. Использование транзисторов и простота
- Философия RISC компании ARM приводит к созданию более простых схем, использующих меньше транзисторов, чем эквивалентные конструкции CISC.
- Меньшее количество транзисторов снижает потребление активной мощности, ток утечки, площадь кремния и производственные затраты.
- Простые инструкции ARM требуют менее сложной логики выполнения, что снижает энергопотребление на операцию по сравнению с процессорами CISC.
- Сложные задачи решаются последовательностями простых инструкций, часто с меньшей общей энергией, чем одна сложная инструкция в CISC.
- Процессоры ARM имеют несколько доменов питания, которые могут независимо отключаться, когда они не используются (например, блоки с плавающей запятой или целые ядра).
- Отключение тактовых сигналов широко используется для отключения тактовых сигналов от неактивных частей процессора, предотвращая ненужное переключение транзисторов и экономя энергию.
- Простой набор инструкций ARM и предсказуемое выполнение делают возможным точное управление тактовой частотой даже для небольших функциональных блоков.
- DVFS позволяет процессору регулировать напряжение и частоту в соответствии с требованиями рабочей нагрузки.
- Снижение напряжения и частоты, когда полная производительность не требуется, значительно сокращает потребление энергии.
- Поскольку мощность приблизительно пропорциональна квадрату напряжения, небольшое снижение напряжения приводит к значительной экономии энергии.
Техническая архитектура
Для управления и защиты памяти процессоры ARM включают в себя блок защиты памяти (MPU) для более простых систем и блок управления памятью (MMU) для более сложных систем, требующих виртуальной памяти. ARMv8-A, представленный в 2011 году, расширил возможности ARM, добавив поддержку 64-битных адресных пространств и ввел дополнительное 64-битное состояние выполнения, называемое AArch64. Это состояние включает в себя новый 64-битный набор инструкций (A64) наряду с существующими 32-битными наборами инструкций ARM (A32) и Thumb (T32). AArch64 предлагает расширенные вычислительные возможности, включая 31 64-битный регистр общего назначения, расширенную адресацию памяти (обычно до 48-битных виртуальных адресов), улучшенную SIMD-память и криптографические инструкции для шифрования и хеширования.
Кроме того, процессоры ARM поддерживают опциональные расширения ISA, такие как NEON SIMD для обработки мультимедиа и сигналов, а также криптографические расширения для аппаратного ускорения шифрования и дешифрования. Эти функции помогают процессорам ARM эффективно справляться с разнообразными рабочими нагрузками, сохраняя при этом низкое энергопотребление и компактность кристалла.
Краткое содержание
Архитектура ARM основана на простых и энергоэффективных принципах, которые делают её мощной и гибкой. Её набор инструкций прост для понимания, потребляет мало энергии и занимает мало места, поэтому она одинаково хорошо подходит как для небольших устройств, так и для больших компьютеров.Благодаря низкому энергопотреблению ARM способствовал более широкому распространению смартфонов и других мобильных устройств. Его также начинают использовать в крупных центрах обработки данных для экономии энергии и затрат. Кроме того, современные процессоры ARM обладают интеллектуальными функциями, которые помогают им работать быстрее, потребляя при этом значительно больше энергии.
В условиях растущих потребностей в вычислительной технике и проблем с энергосбережением, ориентация ARM на эффективность служит отличным примером создания мощных и энергоэффективных компьютеров. Это означает, что ARM продолжит играть важную роль в будущем технологий.
