آشنایی با ARM - بخش دوم: سری پردازنده*های Cortex-A

[rasol_mohabbat 34]

در بخش اول آشنایی با ARM، به معرفی الگوی کسب*وکار این شرکت و انواع معماری*های آن پرداختیم. همچنین اشاره نمودیم که شرکت ARM Holdings علاوه بر ارائه مجوز استفاده از معماری*های پایه خود، طراحی*های آماده*ای را نیز برای هسته پردازنده*های مبتنی بر معماری*های ARM ارائه می*نماید. این پردازنده*ها تحت نام عمومی Cortex معرفی گردیده و بر اساس کاربردشان به سه دسته: M برای سیستم*های Embedded یا جاسازی شده، R برای سیستم*های Real-Time یا بلادرنگ، و A برای Application*ها، تقسیم می*گردند. سومین گروه یعنی پردازنده*های سری Cortex-A، نقش بسیار پررنگی در بازار دستگاه*های همراه هوشمند داشته، از این رو قصد داریم که در این مطلب به شکل کامل*تر و دقیق*تری به معرفی و بررسی اعضای مختلف این خانواده بپردازیم.

 

سری Cortex-A شامل هسته پردازنده*های مختلفی*ست که با هدف پاسخگویی به نیازهای پردازشی متنوع و پیچیده -- از میزبانی یک سیستم*عامل تمام عیار و قدرتمند گرفته تا اجرای همزمان چند اپلیکیشن* متفاوت -- طراحی گردیده*اند. بر این اساس پردازنده*های سری A دامنه کاربرد وسیعی داشته و در دستگاه*های مختلفی قابل استفاده*اند، که از آن جمله می*توان به گوشی*ها و ساعت*های هوشمند، تبلت*ها، تلویزیون*ها، دستگاه*های پخش خانگی و حتی سرورها اشاره نمود. دیگر مشخصه بارز این سری از پردازنده*های ARM که امروزه مورد توجه ویژه تولیدکنندگان تراشه*ها و دستگاه*های هوشمند قرار دارد، مصرف پایین و بازده انرژی مناسب است. دیگر مزیت این پردازنده*ها، بهره*گیری از مجموعه دستورالعمل*ها و معماری پایه مشترکی*ست که موجب سازگاری آن*ها با یکدیگر گردیده است.

 

اولین عضو این خانواده به نام Cortex-A8 با ساختاری 32 بیتی تحت معماری ARMv7 طراحی و در سال 2005 معرفی گردید. پس از آن تا به امروز 9 عضو دیگر بر پایه نسخه 7 و 8 از معماری ARM و با طول دستورالعمل 32 و 64 بیتی، به مجموعه هسته پردازنده*های Cortex-A اضافه شده*اند. برخی از این پردازنده*ها با تمرکز بر توان پردازشی بالا، برخی با تمرکز بر مصرف بهینه انرژی و تعدادی نیز با هدف بهره*گیری از توان پردازشی بالا به همراه مصرفی مناسب و بهینه طراحی گردیده*اند.

 

طول بیتی دستورالعمل*ها

 

معماری

 

سال معرفی

 

نام هسته پردازنده

 

32

 

ARMv7-A

 

2005

 

Cortex-A8

 

32

 

ARMv7-A

 

2007

 

Cortex-A9

 

32

 

ARMv7-A

 

2009

 

Cortex-A5

 

32

 

ARMv7-A

 

2011

 

Cortex-A15

 

32

 

ARMv7-A

 

2011

 

Cortex-A7

 

32

 

ARMv7-A

 

2013

 

Cortex-A12

 

32

 

ARMv7-A

 

2014

 

Cortex-A17

 

64

 

ARMv8-A

 

2012

 

Cortex-A53

 

64

 

ARMv8-A

 

2012

 

Cortex-A57

 

64

 

ARMv8-A

 

2015

 

Cortex-A72

 

اعضای مختلف خانواده Cortex-A به همراه سال معرفی، نسخه معماری ARM و طول دستورالعمل*ها

 

پردازنده Cortex-A8

 

این پردازنده در سال 2005 به عنوان اولین پردازنده با معما ری ARMv7-A و همچنین اولین عضو از خانواده Cortex-A معرفی گردید. A8 به صورت یک پردازنده تک هسته*ای با تمرکز بر توان پردازشی بالا و در محدوده فرکانس پردازشی 600 تا 1900 مگاهرتز طراحی گردیده است. برای این پردازنده سه حافظه نهان (کش یا cache) در دو سطح، به منظور نگهداری داده*های پرکاربرد در نزدیکی هسته پردازنده و در نتیجه افزایش سرعت دسترسی پردازنده به این داده*ها در نظر گرفته شده است. کش سطح اول شامل دو حافظه 16 یا 32 کیلوبایتی مجزا برای داده*ها و دستورالعمل*ها بوده، و کش سطح دوم 512 کیلوبایت ظرفیت دارد.

 

ARM Cortex A8 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A8

 

Cortex-A8 دامنه کاربرد نسبتا وسیعی داشته و روی دستگاه*های مختلفی از جمله گوشی*های هوشمند، تبلت*ها، نت*بوک*ها، پرینترها و تلویزیون*ها به کار گرفته می*شد. با ظهور ارتباطات بی*سیم نسل سوم (3G)، افزایش استفاده از صفحات نمایش بزرگ در دستگاه*های همراه و شتاب گرفتن فروش گوشی*های هوشمند در بازار، پردازنده*های Cortex-A8 از سال 2008 به تولید انبوه رسیدند. از آن پس سالانه میلیون*ها دستگاه مختلف -- از گوشی*های هوشمند گرفته تا تبلت*ها، تلویزیون*های دیجیتال، پرینترها و خودروها -- به این نوع پردازنده*ها مجهز گردیدند.

 

تا کنون SoCهای متعددی مبتنی بر پردازنده Cortex-A8 طراحی و ساخته شده*اند. معروف*ترین و پرفروش*ترین این SoCها عبارتند از: Apple A4 که در محصولات مختلف این شرکت از جمله iPad ،iPhone 4 نسل اول و iPod Touch نسل چهارم به کار رفته است، Samsung Exynos 3110 به کار رفته در دستگاه*های مختلفی همچون P1000 Galaxy Tab ،i9000 Galaxy S و Google Nexus S و یا SoC شناخته شده دیگری با نام OMAP3 محصول شرکت Texas Instruments که در دستگاه*هایی از جمله Motorola Droid 2 ،Nokia N9 و ساعت هوشمند Moto360 مورد استفاده قرار گرفته است. با وجود اینکه تولیدکنندگان برای ساخت SoCهای مبتنی بر Cortex-A8 می*توانند از پردازنده*های گرافیکی مختلفی استفاده نمایند، اما معمول*ترین GPUهای بکار رفته به همراه این پردازنده عبارتند از PowerVR SGX540 ،Mali-400 و SGX535.

 

پردازنده Cortex-A9

 

این پردازنده چند هسته*ای یکی از معمول*ترین انتخاب*های تولیدکنندگان برای دستگاه*هایی به شمار می*رود که نیازمند پردازنده*ای با قدرت پردازشی مناسب، مصرف انرژی و تولید حرارت پایین و نسبتا ارزان قیمت هستند. Cortex-A9 با ساختاری 32 بیتی، مبتنی بر معماری ARMv7 طراحی گردیده و می*تواند 1، 2 و یا 4 هسته پردازشی با فرکانس 0.8 تا 2 گیگاهرتز را در دل خود داشته باشد. در هر هسته پردازشی، دو واحد حافظه نهان سطح اول مجموعا از 64 کیلوبایت فضا برخوردار بوده و کش سطح دوم این پردازنده می*تواند از 128 کیلوبایت تا 8 مگابایت فضا در اختیار داشته باشد. بهبودهای صورت گرفته در طراحی A9 موجب شده است تا نسبت به برادر بزرگتر خود (یعنی Cortex-A8) هم از لحاظ قدرت پردازشی و هم از نظر مصرف بهینه انرژی بهتر عمل نماید. بنا به نتایج تست*های استاندارد، یک پردازنده تک هسته*ای Cortex-A9 نسبت به یک پردازنده Cortex-A8 در شرایط یکسان بیش از 50 درصد کارایی پردازشی بهتری از خود نشان می*دهد.

 

ARM Cortex A9 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A9

 

تا به امروز بسیاری از تراشه*های پردازشی مطرح و پرفروش در بازار تجهیزات هوشمند از طراحی Cortex-A9 بهره گرفته*اند. از جمله SoCهای تولید شده بر مبنای این پردازنده می*توان به موارد زیر اشاره نمود:

 

تراشه*های A5 و A5X شرکت اپل که در محصولات مختلف این شرکت از جمله iPad 3 ،iPad 2 ،iPhone 5 ،iPhone 4S و iPad Mini مورد استفاده قرار گرفته*اند.

سه SoC معروف Nvidia با نام*های Tegra 3 ،Tegra 2 و Tegra 4i که در بسیاری از دستگاه*های تولید شده توسط شرکت*های مختلف مورد استفاده قرار گرفته*اند، از جمله: LG Optimus 4X HD ،HTC One X ،Nexus 7 ،Microsoft Surface RT ،Lenovo ThinkPad Tablet ،Asus Eee Pad Transformer ،Samsung Galaxy Tab 10.1 و Sony Xperia Tablet S.

سه مدل 4210، 4212 و 4412 از تراشه*های سری Exynos شرکت سامسونگ، به کار رفته در دستگاه*هایی همچون Galaxy S II و Galaxy Note II ،Galaxy Tab 7.7 ،S III و Note 8.

تراشه*های OMAP4 شرکت Texas Instruments، به کار رفته در دستگاه*های متعددی از جمله Huawei Ascend P1 ،Kindle Fire HD ،Galaxy Nexus ،Motorola Droid 3 ،LG Prada 3 و Google Glass.

A vastar 88W8787 محصول شرکت Marvell که در کنسول بازی قابل حمل سونی با نام PlayStation Vita به کار رفته است.

بد نیست اشاره کنیم که پردازنده گرافیکی به کار رفته در اغلب SoCهای مبتنی بر Cortex-A9 از نوع Mali-400 و Mali-450 طراحی شده توسط شرکت ARM و یا PowerVR SGX543 محصول شرکت Imagination Technologies هستند.

 

پردازنده Cortex-A5

 

A5 کوچک*ترین، کم هزینه*ترین، کم مصرف*ترین و به نوعی کم قدرت*ترین پردازنده مبتنی بر معماری ARMv7 در سری پردازنده*های Cortex-A محسوب می*گردد. بازار هدف این پردازنده، دستگاه*های کوچک و ارزان قیمت بوده و از نمونه کاربردهای آن می*توان به گوشی*های غیرهوشمند، گوشی*های هوشمند رده پایین، پوشیدنی*های هوشمند، تلویزیون*های دیجیتالی، پخش*کننده*های صدا و تصویر، و یا اینترنت اشیاء اشاره نمود. این پردازنده از لحاظ مصرف انرژی الکتریکی یکی از بهینه*ترین پردازنده*های ARM محسوب می*گردد. به این معنی که این پردازنده به ازای مصرف مقدار مشخصی انرژی الکتریکی، قادر به انجام کار بیشتری نسبت به اغلب پردازنده*های موجود در بازار است. اندازه فیزیکی کوچک در کنار حرارت پایین، مصرف انرژی بسیار کم و هزینه پایین تولید آن، این پردازنده را به گزینه*ای مناسب برای پوشیدنی*های هوشمند و دستگاه*های کوچک و ارزان قیمت تبدیل نموده است. نمودار زیر که روی وب*سایت رسمی ARM منتشر گردیده، کارایی و راندمان مصرف انرژی Cortex-A5 را در مقایسه با Cortex-A9 به تصویر می*کشد. فاکتورهای مطرح شده در این مقایسه از بالا به پایین به ترتیب عبارتند از: راندمان مصرف انرژی، میزان مصرف انرژی در فرکانس پردازشی 1 گیگاهرتز، مساحت فیزیکی هسته، و کارایی عمومی پردازنده.

 

ARM Cortex A5 vs A9

 

کارایی و راندمان مصرف انرژی Cortex-A5 نسبت به Cortex-A9

 

Cortex-A5 به صورتی طراحی شده است تا بسته به نیاز و کاربرد مورد نظر تولیدکننده، از جهات مختلف قابل تنظیم باشد. به عنوان مثال کش سطح 1 این پردازنده به منظور تامین کارایی بهتر می*تواند تا سقف 64 کیلوبایت ظرفیت داشته و یا با هدف کاهش هزینه تولید، تا حد 4 کیلوبایت کاهش یابد. فرکانس پردازشی هر یک از هسته*ها نیز بسته به تشخیص تولیدکننده می*تواند در بازه 600 تا 2000 مگاهرتز در نظر گرفته شود. به همین ترتیب مشخصه*ها و قابلیت*های مختلف دیگری نیز بسته به نیاز قابل افزایش، کاهش و یا حتی حذف هستند.

 

ARM Cortex A5 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A5

 

معروف*ترین و پرفروش*ترین SoCهای تولید شده بر مبنای این پردازنده عبارتند از:

 

سری تراشه*های Snapdragon S4 Play محصول شرکت Qualcomm که در دستگاه*هایی متعددی از جمله HTC Desire X، Huawei Ascend G510، Nokia X، Samsung Galaxy Core و HTC Desire 600 بکار رفته است.

برخی از SoCهای سری Snapdragon 200 شرکت Qualcomm به کار رفته در دستگاه*های همچون Samsung Galaxy Win و HTC Desire 600 .

پردازنده Cortex-A15

 

این پردازنده 32 بیتی چندهسته*ای که مبتنی بر معماری ARMv7-A طراحی شده است، در سال 2011 معرفی و اولین تراشه*های مبتنی بر آن در سال 2012 روانه بازار گردیدند. Cortex-A15 که پردازنده*ای با قدرت پردازشی بالا و مصرف انرژی مناسب محسوب می*شود، از محبوبیت و کارایی زیادی در میان تولیدکنندگان تجهیزات شبکه برخوردار است. این پردازنده در دنیای تجهیزات همراه نیز مورد استقبال تولیدکنندگان قرار گرفته و به ادعای ARM، پردازنده Cortex-A15 روی یک دستگاه همراه هوشمند می*تواند کارایی و توان پردازشی تا حدود دو برابر Cortex-A9 ارائه نماید. هر هسته A15 بسته به نیاز و کاربرد مربوطه می*تواند با فرکانس پردازشی در محدوده 1 تا 2.5 گیگاهرتز تولید گردیده و از حافظه کش سطح 1 با ظرفیت 64 کیلویابت(32 کیلوبایت کش داده + 32 کیلوبایت کش دستورالعمل) و کش سطح 2 با حداکثر ظرفیت 4 مگابایت (8 مگابایت برای کل تراشه) استفاده نماید.

 

ARM Cortex A15 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A15

 

Cortex-A15 اولین معماری ارائه شده از سوی ARM است که از تکنولوژی big.LITTLE بهره می*برد. در این معماری به منظور بهره*گیری از تکنولوژی big.LITTLE، هسته*های Cortex-A15 در کنار هسته*های Cortex-A7 قرار گرفته*اند. بر مبنای این تکنولوژی، یک تراشه چند*هسته*ای ناهمگون با ترکیب یک یا چند هسته پردازنده نسبتا ارزان قیمت، کم مصرف و کم توان، در کنار یک یا چند هسته قدرتمند و پرمصرف* طراحی و تولید می*گردد. هدف از این تکنولوژی به بیان ساده آن است که از یک سو پردازش*های سبکی که دستگا*ه*های همراه شخصی در طول روز بسیار با آن*ها سر و کار دارند، توسط هسته*های کم*مصرف رسیدگی شده و از سوی دیگر پردازش*های سنگین که نیاز به قدرت پردازشی بالاتری دارند، به هسته*های پرمصرف اما قدرتمند سپرده شوند. بدین ترتیب با این که دستگاه مورد نظر می*تواند به راحتی از پس پردازش*های پیچیده و سنگین برآید، در عین حال بخش عمده*ای از فعالیت روزانه*اش را به کمک هسته*های کم مصرف انجام داده و در مصرف انرژی به میزان قابل توجهی صرفه*جویی می*نماید. پیش از آن، دستگاه*های مجهز به پردازنده*های قدرتمند با معضل خالی شدن سریع شارژ باتری مواجه بوده و تولیدکنندگان ناچار به استفاده از باتری*های با ظرفیت بالاتر می*شدند. این مساله خود موجب بالا رفتن قیمت تمام شده دستگاه و همچنین افزایش وزن و اندازه آن می*گردید. شرکت Holdings ARM موفق شد تا با ارائه این تکنولوژی، تا حدودی این مشکل را برطرف و یا به عبارت دقیق*تر تعدیل نماید. چنان که در نمودار زیر قابل مشاهده است، استفاده از تکنولوژی big.LITTLE، دستیابی به کارایی پردازنده*ای قدرتمند همچون Cortex-A15 را با نیمی از متوسط انرژی مورد نیاز نسبت به حالت عادی، میسر می*سازد.

 

ARM Cortex A15/A7 big LITTLE

 

نتایج تکنولوژی big.LITTLE بر کارایی پردازنده و مصرف انرژی

 

یک تراشه مبتنی بر Cortex-A15 با معماری big.LITTLE قادر خواهد بود تا حداکثر از 4 هسته A15 در کنار 4 هسته A7 بهره گیرد. بدین ترتیب هر یک از هسته*ها از 64 کیلوبایت حافظه نهان سطح 1 برخوردار بوده و هر مجموعه 4 هسته*ای نیز یک حافظه نهان سطح 2 مشترک، با حداکثر ظرفیت 4 مگابایت در اختیار خواهند داشت.

 

تاکنون تولیدکنندگان مختلفی اقدام به طراحی و ساخت SoCهای مبتنی بر این معماری نموده* و روی دستگاه*های متعددی مورد استفاده قرار داده*اند. از آن جمله می*توان به موارد زیر اشاره نمود.

 

تراشه Tegra 4 محصول شرکت Nvidia که روی دستگاه*هایی همچون HP SlateBook x2 ،Microsoft Surface 2 ،Nvidia Shield Portable و Asus Transformer Pad TF701T مورد استفاده قرار گرفته است.

مدل 32 بیتی تراشه Tegra K1 شرکت Nvidia، مبتنی بر نسخه R3 از معماریCortex-A15 که روی دستگاه*هایی همچون Lenovo Think Vision 28 ،Acer Chromebook 13 ،Nvidia Shield Tablet و Xiaomi Mi Pad به کار رفته است.

SoCهای سری Exynos 5 محصول شرکت سامسونگ، که دستگاه*هایی از جمله Galaxy S5 ،Galaxy Tab S 8.4 ،Galaxy Note Pro 12.2 ،Nexus 10 و Samsung Galaxy Alpha به آن تجهیز گردیده*اند.

تراشه KIRIN 920 شرکت HiSilicon، به کار رفته روی چند محصول شرکت Huawei از جمله Honor 6 و Ascend Mate 7.

پردازنده Cortex-A7

 

Cortex-A7 که با Cortex-A15 در سال 2011 معرفی گردید، بهینه*ترین مصرف انرژی را در میان پردازنده*های چندهسته*ای هم*خانواده خود دارد. ARM در طراحی این پردازنده دو هدف و کاربرد اصلی را مد نظر داشته است. هدف اول، ارائه پردازنده*ای کوچک*تر، ساده*تر و کم* مصرف*تر نسبت به Cortex-A8 که بتواند جایگزین آن در رده پردازنده*های ارزان، کوچک و کم*مصرف گردد. این خصوصیات A8 آن را به گزینه*ای مناسب برای گوشی*های هوشمند ارزان قیمت، اینترنت اشیاء، پوشیدنی*های هوشمند پیشرفته، انواع مسیریاب*ها و تجهیزات زیرساخت شبکه بدل ساخته است. هدف دوم از طراحی این پردازنده نیز عبارت است از ترکیب آن با هسته*های Cortex-A15 به منظور تشکیل یک پردازنده چندهسته*ای ناهمگن بر اساس معماری big.LITTLE. بنابراین Cortex-A7 دامنه کاربرد گسترده*ای از دستگاه*های کوچک و ارزان قیمت گرفته تا تجهیزات هوشمند پیشرفته و قدرتمند دارد. همین مساله موجب شده است تا بسیاری از تولیدکنندگان بزرگ تراشه* در سرتاسر دنیا اقدام به گرفتن مجوز استفاده از معماری این پردازنده و تولید SoCهایی بر مبنای آن نمایند. از جمله این شرکت*ها می*توان به Freescale ،Texas Instruments ،Samsung ،LG ،HiSilicon ،Broadcom و بسیاری دیگر اشاره نمود.

 

این پردازنده 32 بیتی می*تواند 1، 2، 4 و یا 8 هسته، هر یک با فرکانس پردازشی 1.2 تا 1.9 گیگاهرتز را شامل شود. هر یک از این هسته*ها امکان استفاده از حافظه نهان سطح 1 با ظرفیت 8 تا 64 کیلوبایت را دارا بوده، حافظه نهان سطح 2 نیز بنا به نیاز و تشخیص تولیدکننده می*تواند حذف شده و یا تا سقف 1 مگابایت در نظر گرفته شود. پردازنده Cortex-A7 در شرایط یکسان می*تواند به راحتی دو عضو قدیمی*تر این خانواده، یعنی Cortex-A5 و Cortex-A8 را چه از لحاظ کارایی و چه از نظر مصرف انرژی پشت سر بگذارد. همچنین نتایج تست*ها نشان می*دهد که این پردازنده با مصرف انرژی به مراتب پایین*تر قادر است تا کارایی و توان پردازشی در حد Cortex-A9 ارائه نماید.

 

ARM Cortex A7 vs A9

 

کارایی و بهینگی مصرف انرژی Cortex-A7 نسبت به Cortex-A9

 

برخی SoCهای تولید شده توسط تولیدکنندگان مختلف که از این پردازنده بهره گرفته*اند عبارتند از:

 

تراشه*های سری Exynos 5 شرکت سامسونگ (به جز مدل 5250)، به کار رفته در دستگاه*های همچون Galaxy S4 (نسخه 8 هسته*ای)، Galaxy Note 3 (نسخه 8 هسته*ای)، Galaxy Tab S 8.4 (نسخه وای*فای)، Galaxy S5 (نسخه 8 هسته*ای)، Galaxy A7 (ورژن A700F) و Galaxy Alpha.

تراشه*های MT6589 ،MT6582 و MT6592 محصول شرکت MediaTek که در بسیاری از دستگاه*های رده پایین و میانی، به ویژه توسط تولیدکنندگان چینی مورد استفاده قرار گرفته*اند. از جمله این دستگاه*ها می*توان به QMobile Noir i6 ،Huawei Honor 3C ،Gionee V185 ،Lenovo A850 ،Lenovo S930 و البته برخی محصولات رده پایین HTC از جمله Desire 320 ،Desire 310 و Desire 816 اشاره نمود.

تعدادی از تراشه*های سری Snapdragon 200 و Snapdragon 400 شرکت Qualcomm که فروش بالایی داشته و در دستگاه*های مختلفی به کار رفته*اند، از جمله HTC Desire 610 ،Huawei Ascend P7 mini ،Sony Xperia M2 ،Nokia Lumia 730 ،Nokia Lumia 830 ،Moto E ،Motorola Moto G ،Samsung Galaxy Tab 4 8.0 ،LG G Pad 8 LTE و LG G2 mini.

تراشه KIRIN 920 شرکت HiSilicon، به کار رفته روی چند محصول شرکت Huawei از جمله Honor 6 و Ascend Mate7.

پردازنده*های Cortex-A12 و Cortex-A17

 

Cortex-A12 در سال 2013 به عنوان جایگزین Cortex-A9 به عنوان یک پردازنده عمومی، با ترکیبی متوازن از قدرت پردازشی، مصرف انرژی و هزینه تمام شده، برای دستگاه*های رده میانی بازار معرفی گردید. چندی بعد و در سال 2014، با معرفی Cortex-A17 که گزینه*ای بهتر در همان رده محسوب می*گردید، شرکت ARM Holdings سری A12 را از لیست رسمی محصولات خود حذف نموده و آن را به عنوان یک نمونه از هسته*های Cortex-A17 رده*بندی نمود. A17 یک پردازنده 32 بیتی دیگر مبتنی بر معماری ARMv-7 است که می*تواند تا 4 هسته پردازشی با فرکانس پردازشی 1.2 تا 3.3 گیگابایت را شامل شود. این رده از پردازنده*های ARM نیز با پشتیبانی از معماری big.LITTLE، امکان ترکیب حداکثر 4 هسته Cortex-A7 را با 4 هسته Cortex-A17 فراهم می*آورد.

 

ARM Cortex A17 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A17

 

*به ادعای ARM این پردازنده قادر است تا نسبت به Cortex-A9، 60 درصد کارایی بیشتر را در فرکانس پردازشی یکسان ارائه نماید. بعلاوه اینکه اساسا هر هسته A17 قادر به کار در فرکانس*هایی به مراتب بالاتر نسبت به محصول قبلی این شرکت در رده میانی* است. از جمله کاربردهای متصور برای این پردازنده می*توان به گوشی*ها و تبلت*های میان*رده، تلویزیون*های هوشمند و یا دستگاه*های هوشمند تامین سرگرمی و اطلاعات برای سرنشین خودروها اشاره نمود. با توجه به معرفی Cortex-A17 در سال 2014، انتظار می*رود که از سال جاری (2015) بیشتر شاهد استفاده از آن در دستگاه*های مختلف باشیم. با این حال تاکنون دو شرکت چینی Rockchip و MediaTek اقدام به معرفی و عرضه SoCهایی مبتنی بر این پردازنده نموده*اند، که عبارتند از:

 

تراشه*های MT6595M ،MT6595 و MT6595 Turbo محصول شرکت MediaTek به کار رفته در دستگاه*های همچون Lenovo Vibe X2-CU ،Meizu MX4 ،Alcatel OneTouch D820 و Mogu M7.

تراشه RK3288 شرکت Rockchip، به کار رفته در Teclast P90HD ،Pipo P1 و FNF iFive Mini 4.

دیگر پردازنده*های مبتنی بر معماری ARMv7

 

چنان که در بخش اول مطلب "آشنایی با ARM" اشاره شد، برخی تولیدکنندگان به جای استفاده از طراحی*های آماده مربوط به پردازنده*های Cortex که از سوی ARM Holdings ارائه می*شود، تنها به دریافت مجوز استفاده از معماری*های ARMv7 و یا ARMv8 بسنده نموده و پردازنده مورد نظر خود را بر مبنای این معماری*ها از پایه طراحی می*نمایند. در اینجا به معرفی برخی از این SoCها که مبتنی بر معماری ARMv7-A هستند خواهیم پرداخت.

 

Apple A6, A6X: این دو پردازنده بر مبنای ریزمعماری Swift شرکت اپل طراحی شده و از سال 2012 میلادی توسط شرکت سامسونگ و با تکنولوژی ساخت 32 نانومتری تولید گردیده*اند. هر یک شامل دو هسته مجهز به حافظه نهان سطح 1 با ظرفیت 64 کیلوبایت بوده و حافظه نهان سطح 2 هر دو پردازنده دارای ظرفیتی 1 مگابایتی است. تراشه Apple A6 مجهز به هسته*های پردازشی با حداکثر فرکانس 1.3 گیگاهرتز و پردازنده گرافیکی PowerVR SGX543MP3، تنها روی دو محصول iPhone 5 و iPhone 5C این شرکت به کار رفته است. برادر بزرگ*تر -- یعنی Apple A6X -- با فرکانس پردازشی 1.4 گیگاهرتز و پردازنده گرافیکی PowerVR SGX554MP4، روی نسل چهارم iPad مورد استفاده قرار گرفته است.

Qualcomm Scorpion: این پردازنده توسط Qualcomm و برای استفاده در SoCهای Snapdragon این شرکت که مخصوص دستگاه*های همراه هستند، طراحی گردیده است. این پردازنده قادر به بهره*گیری از 1 یا 2 هسته با حداکثر فرکانس پردازشی 2 گیگاهرتز بوده و امکان استفاده از 32 کیلوبایت حافظه نهان سطح 1 و حداکثر 2 مگابایت حافظه نهان سطح 2 را داراست. چندین مدل از سری تراشه*های S2 ،S1 و S3 خانواده Snapdragon بر مبنای این پردازنده تولید گردیده و در بسیاری از دستگاه*های همراه به کار رفته*اند. برخی از معروف*ترین و پرفروش*ترین دستگاه*های مجهز به پردازنده*های Scorpion عبارتند از: Samsung Galaxy Note i717 ،Nokia Lumia 900 ،LG Optimus 7 ،Nexus One ،HTC Evo 4G ،HTC HD2 و Sony Xperia S.

Qualcomm Krait: این پردازنده در سال 2012 به عنوان جایگزین پردازنده Scorpion برای استفاده روی SoCهای خانواده Snapdragon معرفی گردید. Krait که شباهت*هایی نیز با Cortex-A15 دارد، پتانسیل بهره*گیری از 2 یا 4 هسته با حداکثر فرکانس پردازشی بیش از 3 گیگاهرتز، حافظه نهان سطح 1 با ظرفیت 32 کیلوبایت و سطح 2 با ظرفیت 1 تا 2 مگابایت را داراست. شرکت Qualcomm چهار نسخه از این پردازنده را تحت نام*های Krait 300 ،Krait 200 ،Krait و Krait 400 طراحی نموده و در چند مدل از سری تراشه*های Snapdragon 600 ،Snapdragon 400 ،Snapdragon S4 و 602A همراه با تراشه*های بسیار محبوب Snapdragon 801 ،Snapdragon 800 و Snapdragon 805 مورد استفاده قرار داده است. این تراشه*های پرفروش، توسط بسیاری از تولیدکنندگان و در بسیاری از دستگاه*های همراه مورد استفاده قرار گرفته*اند که از آن جمله می*توان به Xperia Z3 ،Sony Xperia Z2 ،LG G Flex ،LG G2 ،Nexus 7 2013 ،HTC One M8 ،HTC One M7 ،Galaxy Note Edge ،Galaxy Tab Pro 8.4 ،Galaxy S4 mini ،Samsung Galaxy S4 I9505 و OnePlus One اشاره نمود.

پردازنده Cortex-A53

 

در ماه اکتبر سال 2011 معماری ARMv8-A که یک تغییر بنیادین در معماری و مجموعه دستورالعمل*های پایه محصولات ARM محسوب می*گردید، معرفی شد. برخلاف معماری 32 بیتی ARMv7، این معماری جدید ساختاری 64 بیتی دارد. با وجود اینکه زیرساخت 64 بیتی این معماری سیستم*عاملی 64 بیتی را نیز طلب می*کند، اما ARMv8 امکان اجرای بی*نقص نرم*افزارهای 32 بیتی را روی یک پردازنده و سیستم*عامل 64 بیتی فراهم می*آورد. در اکتبر سال 2012 میلادی -- دقیقا یک سال پس از معرفی ARMv8 --، شرکت ARM اقدام به معرفی دو پردازنده Cortex-A53 و Cortex-A57 مبتنی بر این معماری نمود.

 

Flexible Framework for Scalable Solutions

 

پردازنده Cortex-A53 که بهینه*ترین مصرف انرژی را در میان پردازنده*های مبتنی بر ARMv8-A دارد، به نوعی متناظر با Cortex-A7 در سری پردازنده*های مبتنی بر ARMv7-A محسوب می*گردد. البته لازم به ذکر است که بنا به زیرساخت 64 بیتی و تکنولوژی*های پیشرفته*تر به کار رفته در آن، Cortex-A53 در فرکانس پردازشی یکسان، از 30 تا 60 درصد نسبت به معادل 32 بیتی خود کارایی بهتری دارد. این پردازنده می*تواند به طور مستقل به عنوان قلب تپنده دستگاه*های رده پایین و میانی ایفای نقش نموده، و یا تحت یک طراحی big.LITTLE در کنار یکی از دو پردازنده قوی*تر معماری ARMv8-A -- یعنی Cortex-A57 و Cortex-A72-- قرار گیرد. از جمله کاربردهای متصور برای این پردازنده می*توان به دستگاه*های همراه رده پایین و میانی، دستگاه*های همراه رده بالا (در قالب معماری big.LITTLE)، تجهیزات شبکه*ای بی*سیم، سرورهای کم*توان، تلویزیون*های هوشمند و پخش*کننده*های هوشمند خانگی اشاره نمود.

 

برخی از SoCهای تولید شده توسط تولیدکنندگان مختلف که از پردازنده Cortex-A53 بهره گرفته*اند عبارتند از:

 

تراشه*های MT6735 ،MT6732 و MT6752 شرکت MediaTek که تاکنون در محصولاتی همچون HTC Desire 820s ،Meizu M1 Note ،Bluboo X8 و Desire 826 مورد استفاده قرار گرفته*اند.

تراشه*های سری Exynos 7 شرکت سامسونگ، که از ترکیب 4 هسته Cortex-A53 در کنار 4 هسته Cortex-A57 استفاده نموده و در دستگاه*هایی از جمله Samsung Galaxy Note 4 (نسخه 8 هسته*ای)، Samsung Galaxy Note Edge (نسخه 8 هسته*ای)، Galaxy S6 و Galaxy S6 Edge به کار رفته*اند.

تراشه Tegra X1 محصول Nvidia با ترکیب 4 هسته Cortex-A53 در کنار 4 هسته Cortex-A57 که هنوز در قالب دستگاهی برای مصرف*کنندگان وارد بازار نگردیده است.

تراشه*های مختلفی از شرکت Qualcomm همچون Snapdragon 610 ،Snapdragon 410 و Snapdragon 615 که به ترتیب از 4، 4 و 8 هسته Cortex-A53 بهره گرفته* و تا کنون در دستگاه*هایی از جمله Galaxy A5 ،Samsung Galaxy A3 ،Huawei Honor 4 Play ،Huawei Ascend G7 ،HTC Desire 820 ،HTC Desire 510 ،Lenovo Vibe X2 Pro ،Lenovo A6000 و Galaxy A7 به کار رفته*اند.

تراشه*های Snapdragon 808 و Snapdragon 810 شرکت Qualcomm که اولی از 2 هسته A57 در کنار 4 هسته A53 و تراشه دوم از 4 هستهA57 در کنار 4 هسته A53 استفاده نموده*اند. از میان این دو تراشه تا به امروز Snapdragon 810 در دو دستگاه LG G Flex 2 و Xiaomi Mi Note Pro به کار رفته است و تراشه Snapdragon 808 نیز در قالب LG G4 در بازار حضور دارد.

پردازنده Cortex-A57

 

این پردازنده مبتنی بر معماری ARMv8-A، با ساختاری 64 بیتی و با هدف ارائه توان پردازشی بالا برای کاربردهایی همچون گوشی*های رده بالا، کامپیوترها و سرورها طراحی گردیده است. Cortex-A57 همچون دیگر پردازنده*های مبتنی بر معماری ARMv8، قادر به فعالیت در دو حالت 64 و 32 بیتی بوده، در نتیجه مشکلی برای اجرای نرم*افزارهای قدیمی*تر و ناسازگار با پردازش 64 بیتی ندارد. قابلیت و کارایی Cortex-A57 در حدی*ست که یک گوشی هوشمند مجهز به این پردازنده با اتصال به یک صفحه نمایش، صفحه کلید و موس، به راحتی قادر به نقش آفرینی به عنوان یک لپ*تاپ کارآمد خواهد بود. این پردازنده در حالت عادی قابلیت بهره*گیری از 1، 2، 4 و یا 8 هسته را با حداکثر فرکانس پردازشی در حدود 4.7 گیگاهرتز روی دستگاه*های تجاری و 3 گیگاهرتز روی دستگاه*های همراه دارد. هر یک از این هسته*ها امکان استفاده از حافظه نهان سطح 1 با ظرفیت 80 کیلوبایت (48 کیلوبایت کش دستورالعمل و 32 کیلوبایت کش داده) را دارا بوده و حداکثر ظرفیت حافظه نهان سطح 2 این پردازنده 2 مگابایت در نظر گرفته شده است. Cortex-A57 که پردازنده*ای قدرتمند و در عین حال نسبتا پرمصرف محسوب می*گردد، قادر است تا با بهره*گیری از تکنولوژی big.LITTLE در کنار هسته*های کم*مصرف Cortex-A53 قرار گرفته و یک SoC با مصرف بهینه انرژی و قدرت پردازشی بالا را تشکیل دهد.

 

ARM Cortex A57 Diagram

 

دیاگرام منطقی معماری Cortex-A57

 

این پردازنده که متناظر با Cortex-A15 از مجموعه پردازنده*های مبتنی بر ARMv7-A محسوب می*گردد، بسته به شرایط و در کاربردهای مختلف از 50 تا 90 درصد کارایی بیشتری نسبت به هم*رده*ی 32 بیتی خود نشان می*دهد. نمودار زیر کارایی این دو پردازنده را در فرکانس پردازشی یکسان، برای کاربردهای مرور وب، پردازش و پخش محتوای چندرسانه*ای، و ذخیره و بازیابی داده*ها روی حافظه نشان می*دهد.

 

ARM Cortex A57 vs A15

 

کارایی Cortex-A57 نسبت به Cortex-A15

 

از جمله SoCهای تولید شده بر مبنای این پردازنده می*توان به موارد زیر اشاره نمود:

 

تراشه Opteron A1100 محصول شرکت AMD که مجهز به 4 یا 8 هسته Cortex-A57 بوده و در ابتدای سال 2014 برای استفاده روی سرورها معرفی گردیده است.

تراشه*های سری Exynos 7 شرکت سامسونگ، که از ترکیب 4 هسته Cortex-A53 در کنار 4 هسته Cortex-A57 استفاده نموده و در دستگاه*هایی از جمله Samsung Galaxy Note 4 (نسخه 8 هسته*ای)، Samsung Galaxy Note edge (نسخه 8 هسته*ای)، Galaxy S6 edge+ ،Galaxy S6 edge ،Galaxy S6 و Galaxy Note5 به کار رفته*اند.

تراشه Tegra X1 محصول Nvidia با ترکیب 4 هسته Cortex-A53 در کنار 4 هسته Cortex-A57 که هنوز در قالب دستگاهی برای مصرف*کنندگان وارد بازار نگردیده است.

تراشه*های Snapdragon 808 و Snapdragon 810 شرکت Qualcomm که در قالب معماری big.LITTLE، اولی از 2 هسته A57 در کنار 4 هسته A53 و دومی از 4 هستهA57 در کنار 4 هسته A53 استفاده نموده* است. از میان این دو تراشه تا به امروز Snapdragon 810 در دو دستگاه LG G Flex 2 و Xiaomi Mi Note Pro به کار رفته است و تراشه Snapdragon 808 نیز در قالب LG G4 در بازار حضور دارد.

پردازنده Cortex-A72

 

Cortex-A72 که در اوایل سال 2015 میلادی معرفی و منتشر گردید، پیشرفته*ترین و قدرتمندترین پردازنده ARM تا به امروز محسوب می*شود. بنا به اطلاعات ارائه شده از سوی شرکت ARM Holdings، این پردازنده 3.5 برابر نسبت به Cortex-A15 کارامد*تر بوده و در مصرف انرژی نیز به مراتب بهینه*تر عمل می*کند. بنا به اطلاعات موجود، این پردازنده نیز همچون Cortex-A57 قادر به بهره*گیری از 4 هسته (و یا بیشتر) مجهز به حافظه نهان سطح 1 با ظرفیت 80 کیلوبایت بوده و امکان استفاده از حافظه نهان سطح 2 با حداکثر ظرفیت 2 مگابایت را دارا خواهد بود.

 

ARM Cortex A15 vs A57 vs-A72

 

مقایسه کارایی سه پردازنده Cortex-A57 ،Cortex-A15 و Cortex-A72

 

دیگر پردازنده*های مبتنی بر معماری ARMv8

 

شرکت*های مختلفی از جمله AppliedMicro ،Broadcom ،Nvidia ،Apple و Cavium، اقدام به اخذ مجوز استفاده از معماری ARMv8-A و طراحی پردازنده بر اساس آن نموده*اند که در اینجا به معرفی برخی از این پردازنده*ها خواهیم پرداخت.

 

Apple A7: این پردازنده 64 بیتی توسط شرکت اپل طراحی گردیده و از سال 2013 تا کنون توسط شرکت سامسونگ در حال تولید است. تراشه A7 شامل 2 هسته با فرکانس پردازشی 1.3 تا 1.4 گیگاهرتز بوده و از پردازنده* گرافیکی 4-هسته*ای PowerVR G6430 بهره می*گیرد. سه سطح حافظه نهان برای این پردازنده در نظر گرفته شده است، به این ترتیب که هر هسته پردازشی شامل 128 کیلوبایت حافظه نهان سطح 1 بوده و هر دو هسته به صورت مشترک از حافظه نهان سطح 2 و سطح 3 به ترتیب با ظرفیت*های 1 مگابایت و 4 مگابایت استفاده می*نمایند. تراشه*های تولید شده بر مبنای این پردازنده روی iPad Mini 2 ،iPad Air ،iPhone 5S و iPad Mini 3 به کار رفته*اند.

Apple A8, A8X: ساخت این دو پردازنده شرکت اپل از سال 2014 آغاز گردیده و بر خلاف مدل*های قبلی که توسط سامسونگ مورد تولید قرار می*گرفت، به تولیدکننده*ای تایوانی با نام TSMC سپرده شده است. A8 شامل دو هسته 1.4 گیگاهرتزی است که هر دارای 128 کیلوبایت حافظه نهان سطح 1 بوده و مشترکا از 1 مگابایت حافظه نهان سطح 2 و 4 مگابایت حافظه نهان سطح 3 بهره می*گیرند. این تراشه که پردازنده گرافیکی 4-هسته*ای PowerVR Series 6XT GX6450 را نیز با خود به همراه دارد، به عنوان قلب تپنده دو دستگاه iPhone 6 و iPhone 6 Plus نقش آفرینی می*نماید. برادر آن یعنی A8X، در بسیاری از موارد از جمله شرکت تولیدکننده، تکنولوژی ساخت و حافظه نهان شرایطی مشابه با A8 دارد. از جمله مزایا و برتری*های این تراشه نسبت به نسخه A8 می*توان به بهره*گیری آن از 3 هسته پردازشی با حداکثر فرکانس 1.5 گیگاهرتز و همچنین پردازنده گرافیکی قدرتمند*تر و 8-هسته*ای PowerVR Series 6XT GXA6850 اشاره نمود. این موارد به علاوه برخی مشخصه*های دیگر موجب شده است تا A8X نسبت به دیگر تراشه هم*رده خود، در شرایط مختلف از 13 تا 55 درصد کارایی بهتری ارائه نماید. iPad Air 2 تنها محصولی*ست که مجهز به این تراشه وارد بازار گردیده است.

Nvidia Tegra K1: شرکت Nvidia تحت پروژه*ای با نام Denver اقدام به طراحی مدل 64 بیتی از پردازنده Tegra K1 بر مبنای مجموعه دستورالعمل*های ARMv8-A نمود. تبلت Nexus 9 شرکت گوگل که توسط HTC تولید گردیده است، اولین دستگاه مجهز به پردازنده*های مبتنی بر این معماری*ست که در سال 2014 روانه بازار گردید. این تبلت از یک پردازنده 2-هسته*ای Tegra K1 با فرکانس پردازشی 2.3 گیگاهرتز، مبتنی بر معماری 64 بیتی Denver بهره می*برد. دیگر دستگاه معرفی شده در سال 2014 که از پردازنده Tegra K1 بهره می*برد، تبلت مربوط به پروژه Tango شرکت گوگل است که ساخت آن به شرکت LG واگذار گردیده و انتظار می*رود عرضه آن به بازار در سال جاری میلادی (2015) صورت پذیرد.