قسمت اول:سفر به درون پردازنده های ARM

دوستان و سروران گرامی،همانطور که می دانید،پردازنده های ARM امروزه به سطح قابل قبولی از کارایی و معماری دست یافته اند.دیگر کمتر کسی است که نام با صلابت ARM را نشنیده باشد.شرکتی که ابتدا با یک دفتر ساده و معمولی آغاز به کار کرد.در این مطلب،و در دو قسمت،شما عزیزان را با موارد مهم و برجسته ARM آشنا خواهیم کرد.با ما همراه باشید.

معماری آرم (ARM architecture) نوعی از معماری و ساختار پردازنده‌های کامپیوتری است که به‌وسیله شرکت انگلیسی آرم هولدینگز طراحی شده‌است و بیش‌تر برای تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و دستگاه‌های قابل‌حمل کاربرد دارد.شرکت آرم هولدینگز خود تولیدکننده پردازنده‌ها نیست و گواهی‌نامه به‌کارگیری از معماری آرم را به تولیدکنندگان نیمه‌هادی می‌فروشد.کمپانی‌ها نیز به راحتی تراشه‌های خود را براساس معماری آرم تولید می‌کنند. از جمله کمپانی‌هایی که پردازنده‌های خود را براساس معماری آرم طراحی می‌کنند می‌توان به اپل در تراشه‌های اختصاصی خود، سامسونگ الکترونیکس در پردازنده‌های اگزینوس، انویدیا در پردازشگرهای تگرا و کوالکام در پردازنده‌های اسنپ‌دراگون اشاره کرد. معماری آرم به‌گونه‌ای طراحی‌شده که برای هسته اصلی پردازشگر تنها به حدود ۳۵ هزار ترانزیستور نیاز است و این باعث می‌شود که پردازنده بسیار کم‌مصرف شود، کم‌تر داغ کند و نیازی به خنک‌کننده یا فن نداشته باشد بر خلاف معماری x86 به‌کار رفته در پردازنده‌های شرکت‌های اینتل و ای‌ام‌دی که نیازمند میلیون‌ها ترانزیستور هستند و همین مسأله باعث افزایش توان مصرفی و داغ شدن آنان می‌شود. شرکت آرم هولدینگز اعلام کرده بود که در سال ۲۰۱۴ معماری آرم با قابلیت پشتیبانی از دستورالعمل‌های ۶۴ بیتی در پردازنده‌های کورتکس-ای۵۳ و کورتکس-ای۵۷ که توسط این شرکت تولید خواهد شد، عرضه می‌شود.هم اکنون شاهد پردازنده های 64 بیتی این کمپانی هستیم.

تاریخچه ای از جنس ARM

ARM نوعی از معماری پردازنده‌های کامپیوتری است که بر طبق طراحی RISC CPU و توسط کمپانی بریتانیایی ARM Holding طراحی شده است. معماری ARM که دستورالعمل‌های 32 بیتی را پردازش می کرد از دهه 1980 تا به امروز در حال توسعه است.  ARM مخفف Advanced RISC Machine است و از آنجایی که این معماری براساس طراحی RISC بنا شده، هسته اصلی CPU نیاز به 35 هزار ترانزیستور دارد این در حالی است که پردازنده‌های معمولی رایج x86 که براساس CISC طراحی شده‌اند حداقل نیاز به میلیون‌ها ترانزیستور دارند. مهمترین دلیل مصرف بسیار پایین انرژی در پردازنده‌های مبتنی بر ARM که باعث استفاده گسترده آنها در ابزارهای پرتابل مانند تلفن هوشمند یا تبلت شده نیز همین موضوع است. از جمله کمپانی‌هایی که پردازنده خود را براساس معماری ARM طراحی می‌کنند می‌توان به اپل در تراشه‌های Ax، سامسونگ در پردازنده‌های Exynos، انویدیا در تگرا و کوالکام در پردازنده‌های Snpdragon اشاره کرد.

در سال 2011 مشتریان ARM توانستند 7.9 میلیارد ابزار مبتنی بر این معماری را وارد بازار کنند. شاید تصور می‌کنید که پردازنده‌های مبتنی بر ARM تنها در تبلت و تلفن‌های هوشمند بکار گرفته می‌شوند، اما جالب است بدانید که در همین سال بیش از 95 درصد تلفن‌های هوشمند دنیا، 90 درصد دیسک‌های سخت (HDD)، حدود 40 درصد تلویزیون‌های دیجیتال و ست‌تاپ‌باکس‌ها، 15 درصد میکروکنترلرها و 20 درصد کامپیوترهای موبایل مجهز به پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM بوده‌اند. بدون شک این آمار در سال های بعد رشد فوق‌العاده چشم گیری را تجربه کرده است، چون بازار تلفن‌های هوشمند و تبلت‌های در سال جاری پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته‌اند.

 تا اینجای کار معماری ARM تنها برروی پلتفرم 32 بیتی با عرض حافظه 1 بایت کار می‌کرد.اما با معرفی ARMv8 این معماری پشتیبانی از دستورهای 64 بیتی را نیز آغازکرد. در سال 2012 مایکروسافت نیز نسخه ویندوز سازگار با معماری ARM را به همراه تبلت سرفیس RT معرفی کرد. AMD نیز اعلام نمود که قصد دارد در سال 2014 سرورهای مبتنی بر معماری 64 بیتی ARM را روانه بازار کند. ARM گواهی استفاده از معماری خود را به شرکت‌های دیگر می‌دهد،برخی از کمپانی‌هایی که در حال حاضر گواهی استفاده از ARM را دارند عبارتند از: AMD, آلکاتل, اپل, AppliedMicro, Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, CSR plc, Digital Equipment Corporation, Ember, Energy Micro, Freescale, فوجیتسو, Fuzhou Rockchip, هواوی, اینتل توسط شرکت‌های زیر شاخه, ال جی, Marvell Technology Group, Microsemi, مایکروسافت, NEC, نینتندو, Nuvoton, انویدیا, NXP (formerly Philips Semiconductor), Oki, ON Semiconductor, پاناسونیک, کوالکام, Renesas, Research In Motion, سامسونگ, شارپ, Silicon Labs, سونی, اریکسون, STMicroelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments, توشیبا, یاماها و ZiiLABS.

اما این موارد تنها کاربردهای ARM نیستند.به دلایل ذکر شده در بالا،برخی از تولید کنندگان سخت افزار در ایالات متحده،روسیه و کشورهای اروپای شرقی،توجه ویژه ای به پردازنده های ARM دارند.از همین رو پردازنده های 64 بیتی این کمپانی در سخت افزارهای سرور و کمک پردازشی مورد استفاده قرار می گیرد.ARM به مانند گذشته محدود به تجهیزات همراه و گجت ها نیست.تلویزیون های بسیاری در سراسر جهان از معماری ARM بهره می برند.یکی از مهمترین دلایل آن نیز سازگاری آن با سیستم عامل های مبتنی بر لینوکس است.

RISC،CISC و ARM در برابر X86

RISC که مخفف Reduced instruction Set Computing یا مجموعه دستورها ساده شده است در واقع نوعی از طراحی CPU است که پایه و اساس آن، ساده سازی دستورها است که منجر به بازده بالا و سرعت بخشیدن به اجرای دستورها می‌شود. پردازده‌ای که براساس این طراحی ساخته می‌شود را RISC (بخوانید ریسک) می‌نامند. مهمترین و معروفترین معماری که براساس RISC طراحی شده، ARM است. درست نقطه مقابل ریسک، طراحی دیگری با نام CISC وجود دارد که مخفف Complex Instruction Set Computing یا مجموعه دستورها پیچیده است که معماری x86 اینتل براساس آن طراحی شده و پردازنده کامپیوترهای رومیزی و لپ تاپ‌ها و بسیاری از ابزارهای دیگر از آن بهره می‌برند. ایده اصلی RISC اولین بار توسط جان کوکی از IBM و در سال 1974 شکل گرفت، نظریه او به این موضوع اشاره داشت که یک کامپیوتر تنها از 20 درصد از دستورها نیاز دارد و 80 درصد دیگر، دستورها غیرضروری هستند.

پردازنده‌های ساخته شده براساس این طراحی از دستورها کمی پشتیبانی می‌کنند به این ترتیب به ترانزیستور کمتری نیز نیاز دارند و ساخت آنها نیز کم هزینه است. با کاهش تعداد ترانزیستورها و اجرای دستورها کمتر، پردازنده در زمان کمتری دستورها را پردازش می‌کند. کمی بعد اصطلاح RISC توسط یک استاد دانشگاه کالیفورنیا به نام دیوید پترسون ایجاد شد.  هر دو طراحی RISC و CISC به مراتب در انواع و اقسام ابزارها بکار گرفته می‌شوند، اما مفهوم کلی RISC در واقع سیستمی است که در آن به پردازش دستورها کوچک و به شدت بهینه شده پرداخته می‌شود، درست برخلاف CISC که در آن دستورها پیچیده ارسال می‌شوند. یکی از تفاوت‌های عمده بین RISC و CISC نیز در نحوه دسترسی به حافظه و ذخیره و اجرای اطلاعات برروی آن است. در ریسک دسترسی به حافظه تنها از طریق دستورالعمل‌های خاصی قابل انجام است و به عنوان مثال نمی‌توان از بخشی از دستور add به حافظه دسترسی داشت.علاوه بر ARM شرکت‌های بسیار دیگری از جمله Intel i860, AMD 29k, ARC و غیره از طراحی RISC برای ساخت پردازنده استفاده می‌ کردند، اما به لطف گسترش تلفن و تبلت‌ها، معماری ARM به عنوان برجسته‌ترین معماری مبتنی بر RISC شناخته می‌شود.

ادامه دارد…