قسمت دوم:سفر به درون پردازنده های ARM

در قسمت اول سفر به پردازنده ARM،شاهد تاریخچه،اهداف،پیشرفت و موضع آن به نسبت RISC و CISC بودیم.این شما و این هم قسمت دوم و پایانی پردازنده های ARM.

پیاده سازی و معماری ARM

چندین نوع مختلف از معماری برای پردازنده‌های ARM وجود دارد که از آن جمله می‌توان به ARM V2 ،ARMv3 Arm v7 و …اشاره کرد. کمپانی‌ها برای استفاده از هر کدام از این طراحی‌ها باید گواهی مربوط به آن را از ARM Holder دریافت کنند. کمپانی‌ها از این معماری در ساخت پردازنده های مورد نظر خود بهره برده و در نهایت یا یکپارچه سازی آن با واحد پردازش گرفیک (GPU)، حافظه رم و قسمت کنترلر باند رادیویی (در تلفن‌های هوشمند) سیستم -روی-یک-چیپ خود را می سازند . سیستم-روی-یک-چیپ (System on a Chip) که آن را به اختصار SoC می‌نامند در واقع یک تراشه است که در آن پردازنده اصلی (CPU)، پردازنده گرافیک (GPU)، حافظه رم، کنترلرهای ورودی و خروجی و بعضا کنترلر باند رادیویی قرار دارند. پس لازم است بدانید که کل SoC براساس معماری ARM تولید نمی‌شود و تنها بخش CPU آن بر مبنای معماری ARM طراحی و تولید می‌گردد.

نکته:برای آشنایی با معماری گرافیک های MALI می توانید به مطلب (آشنایی کامل با پردازنده های گرافیکی ( Mali GPU) کمپانی ARM) مراجعه نمایید.

 پس این باور که فلان SoC براساس معماری ARM ساخته شده، اشتباه است و بخش پردازنده اصلی اکثر SoCها براساس یکی از طراح‌های معماری ARM ساخته می‌شوند.از جمله سیستم-روی-یک-چیپ‌هایی که هسته اصلی آن‌ها براساس معماری ARM طراحی شده‌اند می‌توان به 3 نسل اول تگرا انویدیا، Quatro شرکت CSRT، نوا شرکت اریکسون، OMAP شرکت تکزاس، Exynos شرکت سامسونگ و Ax شرکت اپل اشاره کرد. این شرکت ها از معماری ARM و همچنین معماری یکی از هسته‌های طراحی شده توسط این شرکت بهره برده‌اند.اما شرکت‌ها می‌توانند گواهی استفاده از معماری ARM را تهیه کرده و سپس بر اساس آن هسته سفارشی مورد نظرشان را طراحی کنند یعنی به جای اینکه هسته CPU را براساس Cortex-A9 یا Cortex-A15 یا دیگر هسته‌های ARM بسازنند، خودشان براساس معماری یکی از خانواده‌های ARM، هسته خاص خود را طراحی کنند. به عنوان مثال سیستم-روی-یک-چیپ A6 اپل، X-Gene ،Krait کوالکام، StrongARM شرکت DEC ،XScale شرکت Marvell اینتل یا Project Denver شرکت انویدیا اینگونه هستند و اگر چه بخش CPU از سیستم-روی-یک-چیپ‌ آنها براساس معماری ARM طراحی شده‌اند، اما طراحی هسته‌ها با آنچه ARM پیشنهاد کرده متفاوت هستند.

چه سیستم‌عامل‌هایی از ARM پشتیبانی می‌کنند؟

سیستم‌های Acorn: اولین کامپیوتر مبتنی بر معماری ARM، کامپیوتر شخصی Acorn بود که از سیستم‌عاملی به نام Arthur بهره می‌برد. سیستم‌عاملی مبتنی بر RISC OS که از معماری ARM پشتیانی می‌کرد و Acorn و برخی دیگر از تولیدکنندگان از آن استفاده می‌کردند.

 سیستم‌عامل‌های توکار: معماری ARM از طیف وسیعی از سیستم‌عامل‌های توکار مانند Windows CE, Windows RT, Symbian, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus PLUS, MicroC/OS-II, QNX, RTEMS, CoOS, BRTOS, RTXC Quadros, ThreadX, Unison Operating System, uTasker, VxWorks, MQX و OSE پشتیبانی می‌کند.

یونیکس: یونیکس و برخی از سیستم‌عامل‌های مبتنی بر یونیکس مانند: Inferno, Plan 9, QNX و Solaris از ARM پشتیبانی می‌کنند.

لینوکس: بسیاری از توزیع‌های لینوکس از ARM پشتیبانی می‌کنند از آن جمله می‌توان به اندروید و کروم گوگل، Arch Linux، بادا سامسونگ، Debian، Fedora،OpenSuse، Ubuntu و WebOS اشاره کرد.

BSD: برخی از مشتق‌های BSD مانند OpenBSD و iOS و OS X اپل نیز از ARM پشتیبانی می‌کند.  ویندوز: معماری‌های ARMv 5, 6 و 7 از ویندوز CE که در ابزارهای صنعتی و PDAها استفاده می‌شود، پشتیبانی می‌کند. ویندوز RT و ویندوز فون نیز از معماری ARMv7 پشتیبانی می‌کنند.

همچنین نوعی از ویندوز 10 نیز از ARM پشتیبانی می کند.

گواهی و هزینه استفاده از معماری ARM

ARM خود تولیدکننده نیمه هادی نیست و در عوض از راه صدور مجوز استفاده از طراحی‌های خود، درآمد کسب می‌کند که این کسب درآمد بسیار هم زیاد است. گواهی استفاده از معماری ARM شرایط خاص و متنوعی را دارد و در شرایط مختلف هزینه مربوط به استفاده از آن نیز تفاوت می‌کند. ARM به همراه گواهی‌نامه خود اطلاعات جامعی در مورد نحوه یکپارچگی قسمت‌های مختلف با هسته‌ها را ارائه می‌کند تا تولیدکنندگان به راحتی بتوانند از این معماری در سیستم-روی-یک-چیپ‌های خود بهره ببرند.  ARM در سال 2006 و در گزارش سالانه خود اعلام کرد که 164.1 میلیون دلار از بابت حق امتیاز یا حق اختراع، درآمد داشته که این مبلغ از بابت فروش گواهی استفاده از معماری این شرکت در 2.45 میلیارد دستگاه مبتنی بر ARM بدست آمده است. این یعنی ARM Holding بابت هر گواهی 0.067 دلار درآمد کسب نموده، اما این رقم میانگین است و براساس نسل‌های مختلف و نوع هسته‌ها متفاوت خواهد بود. مثلا هسته‌های قدیمی ارزان‌تر و معماری جدید گران‌تر است.

اما در سال 2006 این شرکت از بابت گواهی استفاده از طراحی هسته پردازنده، نزدیک به 119.5 میلیون دلار درآمد بدست آورده است. در آن سال 65 پردازنده براساس معماری هسته های ARM ساخته شده بودند که به این ترتیب بابت هر گواهی پردازنده مبلغ 1.84 میلیون دلار درآمد کسب کرده است. این عدد نیز بصورت میانگین می‌باشد و براساس نوع و نسل هسته‌ها متفاوت خواهد بود.  در واقع شرکت ARM Holding از معماری ARM دو نوع درآمد دارد یکی بابت استفاده از معماری این شرکت در ابزارهای مختلف که بابت هر تلفن یا تبلت یا هر ابزار دیگری مبلغی بدست می‌آورد و دیگری بابت هر پردازنده مبتنی بر معماری هسته‌های ARM نیز یک رقم نسبتا سنگین حدود 2 میلیون دلار دریافت می‌کند. در سال 2006 نزدیک به 60 درصد درآمد ARM از بابت حق امتیاز و 40 درصد بابت گواهی ساخت پردازنده براساس معماری ARM بوده است.رشد درآمد این شرکت در سه ماهه نخست سال 2014 مقدار آهسته شد اما در سال 2015 مجددا به روند ثابت خود بازگشت.دلیل آن هم واضح بود؛گستره گوشی و تبلت های هوشمند،گجت ها،سخت افزارهای کامپیوتری و…

آرم چطور تجارت می‌کند؟

روش کار آرم بسیار ساده است و با آنچه در دنیای PC شاهد هستیم، متفاوت می‌باشد. به طور کلی آرم سه نوع لایسنس اصلی به مشتریان واگذار می‌کند: POP، پردازنده و معماری.  لایسنس پردازنده اجازه‌ی استفاده‌ی مایکروپراسسور یا پردازنده‌ی گرافیکی طراحی شده توسط آرم است. در این صورت نمی‌توان طراحی را تغییر داد، اما می‌توان از آن به هر شکل ممکن استفاده کرد. به عنوان مثال تراشه‌های اگزینوس اُکتای سامسونگ را در نظر بگیرید، در این تراشه‌ها از 4 هسته‌ی ARM Cortex A7 و 4 هسته‌ی Cortex A15 استفاده شده است. این روش استفاده بیان‌گر لایسنس استفاده از پردازنده است.  آرم در مورد کاربرد طرح‌ها در سیلیکون راهنمایی‌هایی می‌کند، اما در نهایت تیم به کارگیری فیزیکی پردازنده است که برای رسیدن به بهترین فرکانس در توان مصرفی مورد نظر تصمیم می‌گیرد.

 بسته‌ی بهینه‌سازی پردازنده یا Processor Optimization Pack یک قدم فراتر از لایسنس استفاده از پردازنده است. اگر مشتری در کاربرد فیزیکی پردازنده ماهر نباشد،آرم با فروش POP به آنها کمک می‌کند و یا به عبارت دیگر یک طرح یک پردازنده‌ی بهینه را به مشتری می‌فروشد تا پس از تولید در یک کارخانه‌ی خاص، حداقل کارایی مشخص شده را دارا باشد.در مورد هسته‌های Cortex A8 آرم، اپل و سامسونگ به شکل خاصی از آن استفاده کردند که باعث بهینه شدن فرکانس در برابر توان مصرفی شد.

 این دو کمپانی به مواردی که طراحی و کاربرد Cortex A8 را دشوار می‌کرد، دسترسی داشتند؛ اما بسیاری از دیگر تولیدکنندگان پهنای باند لازم و یا بودجه‌ی کافی برای انجام بهینه‌سازی‌ها را نداشتند.  POPها برای ترکیبی از پردازنده‌ها، کارخانه‌ها و فرآیندهای تولیدی مختلف آماده شده است. به عنوان مثال برای تولید پردازنده‌ی Cortex A12 در کارخانه‌ی TSMC طی فرآیند تولید 28 نانومتری HPM یک POP مشخص وجود دارد.  آخرین و کامل‌ترین لایسنس، لایسنس معماری است. در این روش آرم لایسنس یکی از معماری‌ها مثل ARMv7 یا ARMv8 را به مشتری واگذار می‌کند و مشتری می‌تواند به هر شکل دلخواهی از آن استفاده کند.

کوآلکام برای طراحی و تولید هسته‌های Krait و اپل برای طراحی هسته‌های Swift از این لایسنس استفاده کرده‌اند. چنین مایکروپراسسورهایی با معماری‌ استاندارد صنعتی (یا ISA) هسته‌های Cortex A15 سازگاری دارند، اما کاربرد خاصی از معماری استاندارد صنعتی آرم هستند. برای تأیید سازگاری باید طبق دستورالعمل آرم عمل کرده و تست‌ها را یکی پس از دیگری انجام داد. آرم پشتیبانی‌هایی برای طراحان در نظر گرفته ولی تصمیم نهایی، استفاده و بررسی اعتبار طرح‌ها بر عهده‌ی مشتری است.

ARM و اینترنت اشیاء

سیستم‌عامل Mbed جایگزین نرم‌افزار چند بخش توسعه‌داده شده‌ای خواهد شد که برنامه‌نویسان از آن روی تراشه‌های مبتنی بر معماری ARM استفاده می‌کردند. کمپانی ARM همچنین mbed Device Server را نیز توسعه داده است که براساس آن توسعه‌دهندگان قادر خواهند بود تا گواهی مورد نیاز برای پشتیبانی از سمت سرور را برای ابزار‌های مبتنی بر اینترنت اشیا ایجاد کنند.همانطور که گفتیم، کمپانی‌های مختلفی تلاش‌هایی را در جهت توسعه‌ی هرچه بیشتر اینترنت اشیا به انجام رسانده‌اند که البته در این بین جای خالی ابزار‌های مبتنی بر این فناوری خالی است. ARM به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین کمپانی‌ها در زمینه‌ی طراحی تراشه‌‌های موبایل برای فعالیت بهتر در این حوزه باید پلتفرمی را ایجاد می‌کرد تا بیش از۷۰،۰۰۰ توسعه‌دهنده‌ی موجود برای mbed را تغذیه کند.

پایان

قسمت اول