آشنایی با arm - بخش اول: معرفی، تاریخچه، سیستم مجوزدهی و معماری*ها

[rasol_mohabbat 34]

ARM چیست؟

 

ARM خانواده*ای از معماری*های پردازنده*های کامپیوتری*ست که توسط شرکت ARM Holdings طراحی و توسعه می*یابد. واژه ARM که مخفف عبارت Acron RISC Machine است، نام پروژه*ای*ست که به طور رسمی از سال 1983 توسط یک شرکت انگلیسی تولیدکننده کامپیوتر با نام Acron Computers و با هدف طراحی معماری پردازنده*هایی مبتنی بر الگوی طراحی RISC (یا Reduced Instruction Set Computing) آغاز گردید. البته کار تحقیقاتی معماری RISC سال*ها قبل از آن در دانشگاه Berkeley در حال انجام بود. ایده اصلی در طراحی RISC چنین است که با بسنده کردن به پرکاربردترین دستورالعمل*ها، تا حد امکان مجموعه دستورالعمل*های پایه --که توسط مدارات الکترونیکی و منطقی درون پردازنده پیاده*سازی می*شوند-- کاهش پیدا نموده و از فضای آزاد فراهم آمده برای گنجاندن مداراتی با هدف افزایش سرعت و کارایی پردازنده استفاده گردد. بنابراین یک پردازنده ARM مبتنی بر طراحی RISC، نسبت به پردازنده*های x86 که در اکثر کامپیوترهای شخصی مورد استفاده قرار گرفته و مبتنی بر طراحی CISC (یا Complex Instruction Set Computing) هستند، به تعداد ترانزیستورهای به مراتب کمتری نیاز دارد. تبعیت از الگوی طراحی RISC، کاهش هزینه* تمام شده وکاهش گرما و مصرف انرژی الکتریکی را برای پردازنده*های ARM به ارمغان آورده است. مزایایی که به ویژه مطلوب دستگاه*های کوچک و قابل حملی*ست که برای تامین انرژی خود از باتری استفاده می*کنند. به علاوه معماری نسبتا ساده*تر و کوچک*تر این پردازنده*ها، کارایی بهتر در حالت چندهسته*ای و همچنین امکان استفاده از تعداد هسته*های بیشتر را با هزینه*ای کمتر به دنبال خواهد داشت.

 

تاریخچه معماری ARM

 

شرکت Acron که پروژه ARM را از سال 1983 آغاز نموده بود، ساخت اولین پردازنده مبتنی بر این معماری را به یک شرکت تولیدکننده انواع تراشه*های الکترونیکی با نام VLSI سپرد. بدین ترتیب اولین پردازنده سیلیکونی مبتنی بر معماری ARM در تاریخ 26 آوریل 1985 توسط VLSI تولید گردید. یک سال بعد هم نسخه بهبود یافته این معماری با نام ARM2 معرفی شده و با بهره*گیری از 30 هزار ترانزیستور تولید گردید. در سال 1987 شرکت Acron اولین کامپیوتر خانگی مبتنی بر پردازنده*های ARM را با نام Acorn Archimedes به بازار عرضه نمود. با توجه به پیشرفت سریع این معماری و جلب توجه برخی شرکت*های بزرگ دنیای تکنولوژی به سوی آن، سرانجام در سال 1990 شرکتی با نام ARM Holdings توسط Acron تاسیس گردید تا وظیفه پشتیبانی، طراحی و توسعه این معماری را به عهده گیرد. این شرکت به موجب طراحی و توسعه معماری ARM، در سال 1992 جایزه ویژه ملکه انگلستان را در زمینه تکنولوژی از آن خود نمود.

 

از اواخر دهه 80 میلادی شرکت اپل نیز همکاری خود را با دو شرکت Acron و VLSI برای کار روی نسخه*های جدیدتر معماری ARM آغاز نمود. یکی از مهم*ترین نتایج این همکاری، نسخه 6 از معماری ARM بود که در سال 1992 معرفی گردید. در آن سال*ها اپل پردازنده ARM610 را بر اساس همین معماری طراحی نموده و در PDA خود با نام Newton به کار برد. شرکت Acron نیز در سال 1994 از همین پردازنده به عنوان قلب تپنده کامپیوتر شخصی جدید خود با نام RiscPC استفاده نمود. در این سال*ها استفاده از ARM تنها به شرکت*های طراحی*کننده آن محدود نگردید و شرکت DEC با خرید مجوز استفاده از معماری ARMv4، پردازنده 233 مگاهرتزی خود را با نام StrongARM طراحی و تولید نمود. پس از آن اقبال عمومی تولیدکنندگان تراشه*های کامپیوتری برای تجهیزات قابل حمل به سوی معماری ARM به شدت افزایش یافت. چند سال بعد و با معرفی ARMv7 تولیدکنندگان بزرگی همچون Texas Instruments ،Samsung ،HiSilicon ،Broadcom و Fujitsu به این معماری روی آورده و تراشه*های مختلفی را بر اساس آن طراحی و تولید نمودند.

 

مدل کسب*وکار و سیستم مجوزدهی ARM

 

بر خلاف شرکت*هایی همچون AMD ،Intel و NVIDIA که درآمد اصلی*شان از محل تولید و فروش تراشه* تامین می*شود، شرکت ARM Holdings هیچگونه سخت*افزاری تولید نمی*نماید. سرمایه اصلی این شرکت مالکیت معنوی (IP یا Intellectual Property) معماری*های ARM است. این شرکت اجزای مختلف تراشه*های کامپیوتری – همچون هسته پردازنده*ها – را طراحی * کرده و مجوز (license) استفاده از مالکیت معنوی این معماری*ها را به تولیدکنندگان تراشه*ها ارایه می*نماید. سازندگان تراشه*ها با پرداخت مبالغی و در اختیار گرفتن حق استفاده از یک یا چند معماری ARM، از آن*ها برای طراحی و ساخت محصولات مختلفی استفاده می*نمایند. در واقع مهم*ترین نقطه قوتی که ARM را قادر ساخته است تا در مقابل رقبای بزرگی همچون اینتل قد علم نموده و پابرجا باقی بماند، چهارچوب قانونی و فنی خاصی*ست که شرکت*های مختلفی را به راحتی قادر به ساخت تراشه*های مبتنی بر این معماری کرده است. اغلب محصولات تولید شده بر مبنای معماری*های ARM، عبارتند از SoC یا سیستم روی چیپ*هایی*ست که تمامی اجزای اصلی یک ماشین محاسبه*گر را روی یک تراشه، با قیمتی مناسب و مصرف انرژی الکتریکی پایین ارایه می*نمایند.

 

Ian Thornton، نایب رئیس ارتباطات و روابط سرمایه*گذاران شرکت ARM، این شرکت را به عنوان یک واحد عملیات تحقیق و توسعه (R&D) مستقل و خارجی برای سازندگان تراشه*ها توصیف می*کند. این شرکت روی توسعه ریزمعماری*های جدید برای پردازنده*ها تمرکز نموده و بقیه کار برای تولید یک SoC کامل را به مشتری*های خود می*سپارد. شرکت Intel که یکی از مهم*ترین رقبای ARM در زمینه طراحی معماری پردازنده*ها محسوب می*گردد، استراتژی کاملا متفاوتی دارد. این شرکت علاوه بر طراحی و توسعه معماری پردازنده*ها، کار پیاده*سازی و تولید آن*ها را نیز خود انجام می*دهد. Intel با حفظ حق مالکیت معنوی این معماری*ها برای خود، درآمد اصلی*اش را از محل فروش تراشه*های تولیدی کسب می*نماید. معماری x86 این شرکت که سیستم*عامل ویندوز متکی بر آن طراحی شده است، به شدت محافظت گردیده و به جز Intel و معدود شرکت*هایی همچون AMD و Via که از گذشته حق مالکیت لازم را در اختیار داشته*اند، هیچ شرکت دیگری حق طراحی و تولید پردازنده*های مبتنی بر این معماری را ندارد.

 

 

 

مدل کسب و کار ARM

 

الگوی کلی این سیستم مجوزدهی موفق و سودآور ARM نسبتا ساده است. هر شرکتی که تمایل داشته باشد از تکنولوژی و معماری*های ARM برای ساخت تراشه و یا طراحی معماری*های مشابه استفاده نماید، بایستی دو نوع پرداخت را متقبل شود: یک مبلغ اولیه برای دریافت حق استفاده از معماری مورد نظر، و یک حق امتیاز به ازای هر تراشه تولید شده بر اساس آن معماری. مبالغ این پرداخت*ها به ماهیت مشتری و نوع تکنولوژی مورد درخواست وابسته است. به گفته Thornton، مبلغ پرداختی اولیه برای دریافت مجوز استفاده از تکنولوژی مورد نظر مشتری، از 1 تا 10 میلیون دلار متغیر است. مشتری با پرداخت این مبلغ و دریافت مجوز مربوطه، به معماری و تکنولوژی مورد نظر خود دست یافته و همچنین پشتیبانی پرسنل ARM را در راستای استفاده از آن معماری و تولید محصولات مبتنی بر آن، دریافت خواهد کرد. پروژه طراحی و توسعه یک SoC معمولا 3 تا 4 سال به طول *انجامیده و در این مدت متخصصین ARM اغلب بدون نیاز به پرداخت مبلغی (به جز همان حق مجوز اولیه)، در کنار نیروهای شرکت مشتری به ارایه مشاوره و کمک فنی جهت تکمیل فرآیند توسعه تراشه مورد نظر می*پردازند. همچنین شرکت ARM همواره در تلاش است تا با گسترش دامنه معماری*های خود، نیاز تولیدکنندگان را به صرف وقت و هزینه به منظور توسعه سایر اجزای یک SoC کامل برطرف نموده، و فاز تحقیق و توسعه پردازنده*های جدید را تا حد امکان کوتاه نماید. بدین ترتیب علاوه بر سود حاصل از فروش مجوز استفاده از تکنولوژی*های بیشتر، تراشه*ها هر چه زودتر به مرحله تولید و فروش رسیده و در نتیجه مبالغ دریافتی ARM به ازای تراشه*های فروخته شده، با سرعت بیشتری به حساب این شرکت سرازیر خواهند شد. معماری پردازنده*های گرافیکی Mali از جمله دیگر محصولات موفق ARM هستند که در SoC بخش قابل توجهی از دستگاه*های هوشمند موجود در بازار مورد استفاده قرار گرفته*اند.

 

زمانی که محصول مورد نظر مشتری بر مبنای معماری ARM تولید گردیده و فروش آن – به کاربران و یا به سایر تولیدکنندگان محصولات هوشمند – آغاز گردید، شرکت دریافت کننده مجوز بایستی به ازای هر تراشه فروخته شده مبلغی را به شرکت ARM Holdings پرداخت نماید. این مبلغ معمولا برای معماری*های قدیمی*تر معادل 1 تا 1.5 درصد و برای معماری*های جدیدتر معادل با 1.5 تا 2.5 درصد از قیمت فروش آن تراشه در نظر گرفته می*شود. این حق امتیاز به صورتی تنظیم می*شود که برای شرکت تولید*کننده تراشه مبلغی نسبتا ناچیز محسوب گردیده و اثر منفی قابل توجهی روی سود آن شرکت نگذارد. با این حال به راحتی قابل تصور است که مجموع مبالغ دریافتی به ازای هر یک از تراشه*هایی که در اکثریت قریب به اتفاق گوشی*های هوشمند و تبلت*های موجود در بازار به کار رفته*اند، درآمد هنگفتی را برای شرکت ARM به ارمغان آورده است. خصوصا با توجه به این مساله که فروش هر مدل از تراشه*های توسعه یافته توسط مشتری*های ARM معمولا بیش از 20 سال ادامه خواهد یافت. به عنوان مثال تا سال 2013 تعداد شرکای تجاری ARM به حدود 320 شرکت می*رسید که این تعداد مجموعا بیش از 1000 مجوز استفاده از تکنولوژی*های مختلف این شرکت را اخذ نموده و تنها در سال 2013 در حدود 10 میلیارد تراشه* مبتنی بر ARM را در بطن محصولات مختلف به فروش رسانده*اند.

 

ARM Production Count

 

میزان فروش پردازنده*های مبتنی بر ARM در مقیاس میلیارد و در بازه زمانی 1997 تا 2013

 

در این سیستم مجوزدهی، گزینه*های مختلفی برای انواع مختلف مشتری*های ARM در نظر گرفته شده است. شرکت*های تجاری می*توانند مجوز استفاده از یک مالکیت معنوی خاص را برای یک محصول مشخص دریافت نموده و یا با پرداخت حق اشتراک کامل در کتابخانه معماری*های ARM، از آن*ها برای تولید محصولاتی متعدد استفاده نمایند. البته گزینه دوم که در آن مشتری به تمامی محصولات استاندارد شرکت ARM دسترسی می*یابد، بسیار گران قیمت بوده و تنها مناسب تعداد معدودی از تولیدکنندگان بزرگ تراشه در دنیاست. طبق اطلاعات موجود، تعداد مشترکین این سرویس کمتر از 15 شرکت تخمین زده می*شود که از آن جمله می*توان به Samsung، Broadcom و ST اشاره نمود. لازم به ذکر است که شرکت ARM Holdings راهکارهایی را نیز با تخفیف*های بالا برای استفاده دانشگاهی و بکارگیری در start-up ها فراهم آورده است.

 

معماری*ها و رده*های مختلف پردازنده*های ARM

 

شرکت*های تولیدکننده تراشه*های مبتنی بر ARM، سه راه پیش رو دارند. در حالت اول -- که معمول*ترین روش به شمار می*رود -- مشتری معماری و طراحی مربوط به یکی از پردازنده*های ARM را دریافت نموده و اقدام به طراحی فیزیکی مدارات هسته پردازنده نهایی می*نماید. بسیاری از SoCهای طراحی شده توسط شرکت*هایی همچون Mediatek ،Samsung ،Nvidia و Rockchip بر اساس همین روش طراحی و تولید گردیده*اند. راه دوم عبارت است از خرید طراحی*های فیزیکی از پیش آماده*ای که شرکت ARM برای هسته پردازنده**های مبتنی بر معماری*های این شرکت ارایه می*کند. این راهکار برای شرکت*هایی مناسب است که به منظور حذف و یا هر چه کوتاه*تر نمودن فاز طراحی محصول نهایی و یا کاهش هزینه*های مربوطه، تمایلی به طراحی فیزیکی هسته پردازنده مورد نظر خود ندارند. در سومین روش، مشتری با پرداخت حق استفاده از مالکیت معنوی یکی از معماری*های پایه ARM، قادر به استفاده از آن معماری برای طراحی هسته پردازنده مورد نظر خود خواهد بود. در این حالت شرکت دریافت کننده مجوز می*تواند با پیروی از معماری پایه و استانداردهایی مشخص، تغییرات مورد نظر خود را بر روی طرح اولیه اعمال نموده و از تکنولوژی*های خاص خود در طراحی هسته پردازنده بهره گیرد. شرکت*هایی همچون Apple و Qualcomm معمولا از این روش برای طراحی پردازنده*های به کار رفته بر روی تراشه*های خود استفاده می*کنند.

 

تا کنون 8 نسل مختلف از معماری*های ARM معرفی گردیده* و در قالب 14 مجوز و معماری مختلف به شرکت*های متقاضی قابل ارایه هستند. لیست کامل این معماری*ها به همراه اطلاعاتی همچون طول یا پهنای بیتی دستورالعمل**ها، هسته*های پردازنده طراحی شده توسط Holdings ARM و هسته*های طراحی شده توسط سایر شرکت*ها در جدول زیر آورده شده است.

 

معماری*ها

 

طول بیتی دستورالعمل*ها

 

هسته*های طراحی شده توسط ARM Holdings

 

هسته*های طراحی شده توسط سایر شرکت*ها

 

ARMv1

 

32/26

 

ARM1

 

 

 

ARMv2

 

32/26

 

ARM2, ARM3

 

Amber, Strong Open Soft Core

 

ARMv3

 

32/26

 

ARM6, ARM7

 

 

 

ARMv4

 

32/26

 

ARM8

 

StrongARM, FA526

 

ARMv4-T

 

32

 

ARM7TDMI, ARM9TDMI

 

 

 

ARMv5

 

32

 

ARM7EJ, ARM9E, ARM10E

 

XScale, FA626TE, Feroceon, PJ1/Mohawk

 

ARMv6

 

32

 

ARM11

 

 

 

ARMv6-M

 

32

 

Cortex-M0, Cortex-M0+, Cortex-M1

 

 

 

ARMv7-M

 

32

 

Cortex-M3

 

 

 

ARMv7E-M

 

32

 

Cortex-M4, Cortex-M7

 

 

 

ARMv7-R

 

32

 

Cortex-R4, Cortex-R5, Cortex-R7

 

 

 

ARMv7-A

 

32

 

Cortex-A5, Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A12, Cortex-A15, Cortex-A17

 

Qualcomm Krait, Qualcomm Scorpion, PJ4/Sheeva, Apple A6/A6X

 

ARMv8-A

 

64/32

 

Cortex-A53, Cortex-A57, Cortex-A72

 

X-Gene, Nvidia Project Denver, AMD K12, Apple A7/A8, Cavium Thunder X

 

ARMv8.1-A

 

64/32

 

هنوز معرفی نگردیده*اند

 

 

 

ARMv8-R

 

32

 

هنوز معرفی نگردیده*اند

 

 

 

 

 

در گذشته از پردازنده*های مبتنی بر معماری ARMv6 روی دستگاه*های هوشمند رده پایین استفاده می*شد، اما امروزه گوشی*های رده پایین و میانی از معماری ARMv7 و گوشی*های هوشمند و تبلت*های رده بالا به پردازنده*هایی مبتنی بر معماری ARMv7 و ARMv8 مجهز می*شوند. از جمله دستگاه*های مجهز به پردازنده*های مبتنی بر ARMv11) ARMv6) می*توان به Samsung Galaxy Ace ،Nintendo 3DS ،Nokia 808 PureView ،Apple iPhone 3GS ،Kindle 2 Amazon و Motorola Fire XT اشاره نمود. اما تعداد بسیار زیادی از دستگاه*های هوشمند موجود در بازار مجهز به پردازنده*هایی مبتنی بر معماری ARMv7 هستند. از جمله معروف*ترین این دستگاه*ها می*توان به برخی محصولات اپل از جمله iPhone 5 و iPad 4، بسیاری از محصولات سامسونگ از جمله Galaxy S5 ،Galaxy S4 و Note 3، کنسول همراه PlayStation Vita، نسل اول و دوم گوشی*های هوشمند سری One شرکت HTC، اعضای پیشین سری G از شرکت LG و بسیاری دیگر از دستگاه*های هوشمند تولید شده توسط سایر شرکت*ها اشاره نمود. تعدادی از دستگاه*های هوشمند مجهز به پردازنده*های مبتنی بر ARMv8 هم تاکنون وارد بازار گردیده*اند که از آن جمله می*توان به اکثر محصولات 2014 و 2015 شرکت اپل همچون iPhone 6 و iPad Air 2، نسل جدید LG G4 ،HTC One M9 و همچنین تبلت Google Nexus 9 ساخته شده توسط شرکت HTC اشاره نمود.

 

همان طور که در جدول فوق قابل مشاهده است، هسته*های پردازنده طراحی شده توسط ARM پس از عنوان معماری ARMv6 با نام تجاری Cortex مورد اشاره قرار می*گیرند. همچنین در کنار این نام، یکی از حروف M ، R و یا A قرار می*گیرد که بیان*گر ماهیت و کاربرد طراحی آن پردازنده خاص است. خانواده پردازنده*های Cortex-M شامل پردازنده*هایی کم مصرف و نسبتا ارزان است برای بکارگیری در سیستم*های Embedded، همچون تجهیزات هوشمند خانگی، اینترنت اشیا، تجهیزات هوشمند شهری و عمومی، ابزارهای بازی و سرگرمی، و بسیاری کاربردهای دیگر. پردازنده*های Cortex-R به گونه*ای طراحی می*شوند تا با ارایه قدرت پردازشی بالا، کارایی و پایداری مناسب و قابلیت تحمل خطای بالا، مناسب استفاده در سیستم*های بلادرنگ یا Real-Time باشند. از نمونه کاربردهای این خانواده پردازنده*های ARM می*توان به سیستم*های هوشمند به کار رفته در انواع خودروها، دستگاه*های ارتباط پرسرعت بی*سیم و مودم*های 3G و 4G، دستگاه*های ذخیره*سازی داده*ها، دوربین*های دیجیتالی و انواع دستگاه*ها و تجهیزات پزشکی هوشمند اشاره نمود.

 

ARM Generations

 

سومین گروه یعنی سری Cortex-A که پرجمعیت*ترین خانواده پردازنده*های ARM محسوب می*شود، اختصاص به پردازنده*هایی دارد که برای پردازش اپلیکیشن*ها روی انواع دستگاه*ها کاربرد دارند. پردازنده*های سری A قادر هستند تا یک سیستم*عامل غنی و کامل را میزبانی نموده و همزمان به اجرای چندین اپلیکیشن با پیچیدگی*های پردازشی و ماهیت*های مختلف بپردازند. این سری از پردازنده*های ARM در بسیاری از دستگاه*ها قابل استفاده*اند، از جمله گوشی*ها، عینک*ها و ساعت*های هوشمند، تبلت*ها، تلویزیون*های هوشمند، دستگاه*های پخش محتوای چندرسانه*ای، تجهیزات شبکه*های تجاری و سرورها. با توجه به اهمیت ویژه سری پردازنده*های Cortex-A و کاربرد گسترده آن*ها در دنیای گوشی*ها هوشمند و تبلت*ها، در بخش دوم این مطلب به بررسی دقیق*تر این خانواده و اعضای آن خواهیم پرداخت.