Реферат микропроцессоры архитектуры arm

История развития

Шел 1979 год американская компания по производству и изданию компьютерных игр Atari, основанная в 1972 году представила свою версию игрового автомата Asteroids. На свет появился язык программирования ADA. Основались такие компании, как 3COM, Oracle, и Seagate. 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.
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, Acorn представила в 1985 году. Результат превзошел первоначально поставленные цели разработки, так как в процессоре использовалось менее 25000 транзисторов.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
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, контроллера ввода / вывода и простой операционной системы. После выхода на рынок Archimedes получил довольно прохладные отзывы, так 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. Тем временем, Герман Хаузер начал новый бизнес, основав компанию Active Book Company, сфокусировавшую свою деятельность на формирующемся рынке персональных электронных помощников (PDA).
Между тем, компания Apple также выходила на рынок PDA. 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. В 1990 году, удалось договориться о создании совместного предприятия между Apple, VLSI Technology и Acorn.
ноября 1990 Робин Сэксби (Robin Saxby), приглашенный на должность генерального директора, официально создал компанию Advanced RISC Machines (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». Было принято решение разрабатывать основные технологии с последующим их лицензированием в качестве интеллектуальной собственности (IP).
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.
Итак, ARM приступила к работе, 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.
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, 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.
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.
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 была внесена в объединенный список Лондонской Биржи и рынка NASDAQ. Как полагала ARM, NASDAQ был тем рынком, выход на который позволит компании получить ту оценку, которую она заслужила. Одна из проблем 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». Компания, обновившая свое название до ARM Holdings, уверенно попрощалась с двадцатым веком. В 1999 она была включена в базу расчета фондового индекса FTSE 100, который считается одним из наиболее влиятельных биржевых индикаторов в Европе. Тем самым ARM Holdings доказывала, что является одной из ста компаний с наибольшей капитализацией, включенных в списки Лондонской фондовой биржи. В том же году такие крупные игроки на рынке электронной продукции и компонентов, как STMicroelectronics, Fujitsu и LSI Logic, приобрели лицензии на продукцию ARM.
В техническом плане 1999 год стал для ARM также плодотворным. Весной компания представила новую модель процессора ARM9E, сочетающего традиционное ядро процессора ARM9 с расширенным набором команд цифровой обработки сигналов. Он быстро нашел свою нишу в мобильной телефонии, модемах, персональных информационных устройствах (PDA), средствах распознавания речи, автомобильных и промышленных приложениях. Впоследствии лицензию на этот процессор приобрели Samsung, Texas Instruments, Broadcom, Toshiba, NEC и многие другие компании.
Вершиной коммерческого развития ARM Holdings стало создание в 2000 году новой бизнес-модели, получившей название ARM Foundry Program. В рамках этой модели компании, не владеющие собственной производственной базой, смогли получить доступ к изготовлению ARM-систем сертифицированными производителями. Это, в свою очередь, способствовало сокращению времени выхода на рынок конечного продукта на базе процессора ARM, так как OEM производитель теперь мог напрямую работать с фирмой-производителем, одобренной ARM. В отличие от ставшей уже тогда классической схемы лицензирования, при которой передавались права, как на проектирование, так и на производство микросхем, новая модель предусматривала трехстороннее партнерство между ARM Holdings, фирмой-производителем и OEM-компанией.
В 2001 году на проходящем ежегодно в калифорнийском городе Сан-Хосе микропроцессорном форуме ARM представила архитектуру ARMv6, разработанную в тесном сотрудничестве с такими лицензиатами компании как Intel Corporation, Motorola и Texas Instruments. Такой подход позволил расширить возможности архитектуры при сохранении совместимости с более ранними ARM-продуктами, в первую очередь, на программном уровне. Это способствовало сокращению затрат партнеров компании на разработку нового программного обеспечения. Процессоры ARMv6 отличались от предыдущих версий повышенной на 30% общей производительностью, восьмикратно увеличенной производительностью для медиа приложений, лучшей поддержкой многопроцессорных систем.
В октябре того же года Уоррен Ист, ключевая фигура в истории развития бизнеса ARM, стал главным исполнительным директором компании. На этом посту он пребывает и по сегодняшний день. До того, как присоединиться к ARM в 1994, он работал в команде Texas Instruments. В феврале 1998 года Ист был назначен на должность вице-президента компании, а в октябре 2000 года - на должность главного операционного директора. И ровно через год он занимает кресло исполнительного директора, официально став первым лицом ARM Holdings. Под руководством Уоррена Иста компания ARM продолжила успешное развитие. Свой успех компания подтвердила громким заявлением о том, что 2002 году на основе архитектуры ARM было произведено более одного миллиарда процессоров. В этот же период лицензии приобретаются еще рядом крупных компаний, среди которых Seagate, Philips, Matsushita, eSilicon, Chip Express и другие.
Приблизительно через полгода после анонсирования ARMv6 компания представила ARM11 - новый тип микроархитектуры, разработанный специально для нужд беспроводных и потребительских устройств следующего поколения, предъявляющих особые требования в плане энергопотребления при сохранении высокой производительности Микроархитектура разрабатывалась при консультативной поддержке разработчиков операционных систем WindowsCE, Symbian OS, Palm OS, и Linux, что позволило с успехом использовать ARM11 в таких популярных устройствах как iPhone (2G и 3G), iPod Touch (1G и 2G), HTC Touch Diamond, LG Optimus One, Nokia 5800 XpressMusic, Nokia N8, Samsung Galaxy Ace и многих других.
В середине октября следующего года в названии новой серии процессоров ARM впервые использовала слово, знакомое сейчас практически каждому, - «Cortex». Анонсированный в качестве первого представителя нового семейства, процессор ARM Cortex-M3, по сути, стал флагманом этой серии. Основанный на архитектуре ARMv7-M, он имеет показатель производительности 1.25 DMIPS/МГц. Представлением этого ядра компания подчеркнула свою направленность на создание дешевой, но, в то же время, качественной продукции с высокими характеристиками. Ядро, имеющее всего 33000 транзисторов, унифицированная периферия и простота производства в целом делает данный процессор очень дешевым. Показатель энергопотребления процессоров Cortex-M3 составляет всего 0.19 мВт/МГц. В результате, естественной средой обитания этих процессоров стали микроконтроллерные приложения, о чем, собственно, и говорит литера M.
В 2005 году компания представила еще одну архитектуру процессоров семейства Cortex, но уже не для микроконтроллеров (процессоры с литерой M), а для широкого диапазона приложений (процессоры с литерой A или Applications processors) - Cortex-A8. Благодаря высокой производительности и эффективному энергопотреблению, менее чем 300 мВт, новый процессор стал с успехом применяться в мобильных телефонах, игровых приставках, автомобильных навигационных и развлекательных системах и пр. Cortex-A8 имеет широкую поддержку операционных систем высокого уровня, например Linux и Android, и операционных систем реального времени. Этот процессор стал настолько успешным, что в итоге, авторитетное издание в области микропроцессорных технологий Microprocessor Report признало Cortex-A8 лучшим продуктом 2005 года. Впрочем, и сама компания ARM не осталась без награды. В конце 2005 года американский журнал Electronic Business причислил ARM Holdings к десятке наиболее значимых компаний в сфере электроники за последние 30 лет. Издание охарактеризовало компанию как «яркую точку полупроводникового IP-бизнеса». Такое признание успехов как бы подводило черту в отчете о проделанной плодотворной работе за первую половину нулевых годов и устремляло компанию к новым горизонтам.
В мае 2006 года ARM анонсировала третью ветвь линейки Cortex с литерой R (для систем реального времени). Первенец этого семейства Cortex-R4 был предназначен для таких приложений как мобильные телефоны следующего поколения, приводы жестких дисков, принтеры, автомобильная электроника. Внушительный показатель производительности для такого класса устройств (до 1030 DMIPS) позволили ему качественно обрабатывать сложные алгоритмы управления в условиях реального времени, а малое энергопотребление ядра (примерно 0.09 … 0.12 мВт/МГц, в зависимости от конфигурации) сделало его популярным для широкого класса изделий.
Не смея бросать развитие других ответвлений семейства Cortex, компания в следующем году разработала Cortex-M1 - первый ARM-процессор, специально спроектированный для встраивания в FPGA.
Через полгода, осенью 2007 ARM анонсировала процессор Cortex-A9, который впоследствии приобрел огромную популярность. Компания предложила этот процессор сразу в двух вариантах - одноядерном и многоядерном. С тактовой частотой до двух гигагерц и производительностью 2.5 DMIPS/МГц на ядро Cortex-A9 стал настоящим монстром на рынке процессоров. В связи с этим неудивительно, что еще до релиза лицензию на процессор поспешили приобрести такие гиганты как NEC Electronics, NVIDIA, Samsung, STMicroelectronics и Texas Instruments. Он стал использоваться в смартфонах, мобильных компьютерах, различной потребительской электронике, автомобильных системах навигации и развлечения, сетевых устройствах и пр. Достаточно сказать, что два популярных сегодня продукта компании Apple - планшетный ПК iPad2 и смартфон iPhone4S используют систему-на-кристалле Apple A5, содержащую процессор Cortex-A9.
Но сотрудники компании работали не только на развитие семейства Cortex. Так, в феврале 2007 года миру электроники был представлен очередной продукт от ARM, который также был «обречен» стать успешным. На этот раз им стала архитектура двух графических процессоров (GPU) - Mali200 и Mali55. Первый предназначался для обработки сложной 3D графики мобильных игр следующего поколения в смартфонах и других современных портативных устройствах, а второй, благодаря очень компактным размерам и низкой стоимости, предназначался для работы с 3D в бюджетных телефонах. Впрочем, оба графических процессора поддерживали как маленькие дисплеи, так и экраны с разрешением HDTV
В 2008 году была преодолена очередная «юбилейная» планка уровня производства ARM-процессоров во всем мире, о чем компания торжественно объявила в январе. 10 миллиардов процессоров - такой объем смогла освоить мировая полупроводниковая промышленность с 1991 года, когда ARM разработала свой первый процессор с RISC-архитектурой - ARM6. «Теперь наши партнеры производят более одного процессора на каждого жителя планеты» - таковы были слова Уоррена Иста, вкратце описывающие впечатляющий масштаб данного события.
В 2009 году на свет появился Cortex-M0 - дешевый 32-разрядный процессор с низким уровнем энергопотребления и небольшим количеством выводов. Он был предназначен для тех приложений, в которых уже не хватало производительности 8- и 16-битных процессоров, а применение мощных 32-битных было излишним с технической и финансовой точек зрения. Cortex-M0 хорошо зарекомендовал себя в цифровых камерах, медиа проигрывателях, навигационных устройствах, бытовой технике. Но уже спустя год ARM выпустила диаметрально противоположный в плане производительности продукт того же семейства - Cortex-M4. Этот мощный, высокоэффективный 32-разрядный процессор, предназначенный для решения задач сложной обработки цифровых сигналов и нацеленный на применение в промышленных приложениях и встраиваемых системах.
В июле 2010 года два титана мира высоких технологий крепко пожали друг другу руки - коропорация Microsoft стала лицензиатом ARM Holdings. Эта новость сразу взбудоражила аналитиков рынка электронных компонентов и устройств. Некоторые издания публиковали статьи с заголовками типа «Будет ли следующим микропроцессор от Microsoft?». Впрочем, компании начали работать совместно еще с 1997 года. Это были взаимоотношения в рамках консультаций по поводу разработок программного обеспечения и более качественной его совместимости с аппаратной частью. Но теперь компьютерной общественности было неясно и очень любопытно, что же будет делать Microsoft с новоприобретенными правами. На этот счет главный менеджер корпорации К.Д. Холлман сказала следующее: «С лучшим доступом к технологиям ARM мы сможем усовершенствовать наши исследовательские и проектные работы над продуктами на базе ARM-архитектуры». Это означало, что Microsoft собирается оптимизировать свои операционные системы Windows Embedded и Windows Phone применительно к ARM-архитектуре.
Компания выпустила два мощнейших на сегодняшний день процессора из линейки своей продукции - Cortex-A15 и Cortex-A17. Они нацелены на работу в смартфонах, планшетных ПК, цифровом домашнем оборудовании, серверах и беспроводных точках доступа. По утверждению самой компании, это «самые высокопроизводительные процессоры, которые когда-либо видела индустрия». А уже в 2012 году ARM сообщила о выпуске новой серии процессоров ARM Cortex-A50 [8]. Они основаны на архитектуре ARMv8. Серию открыли модели Cortex-A53 и Cortex-A57, поддерживающие 64-разрядные и 32-разрядные вычисления. Модель Cortex-A57 - самый высокопроизводительный процессор ARM, а Cortex-A53 - наиболее энергетически эффективный. Кроме того, Cortex-A53 - самый маленький в мире 64-разрядный процессор.
Сегодня ARM Holdings представляет собой целую империю в области разработки и продвижения на рынок передовых процессорных технологий. Благодаря конкурентоспособности постоянно обновляемой продукции, доходы компании неуклонно увеличиваются [7].