Tous ceux qui s'intéressent aux technologies mobiles ont entendu parler de l'architecture ARM. Dans le même temps, pour la plupart des gens, cela est associé aux processeurs des tablettes ou des smartphones. D’autres les corrigent en précisant qu’il ne s’agit pas de la pierre elle-même, mais seulement de son architecture. Mais pratiquement aucun d’entre eux ne s’intéressait à l’endroit et au moment où cette technologie était apparue.
Pendant ce temps, cette technologie est répandue parmi de nombreux gadgets modernes, qui deviennent de plus en plus nombreux chaque année. De plus, sur le chemin du développement d'une entreprise qui a développé des processeurs ARM, il existe un cas intéressant qui n'est pas un péché à mentionner, peut-être que pour quelqu'un, cela deviendra une leçon pour l'avenir.
Architecture ARM pour les nuls
Sous l'abréviation ARM se cache une société britannique assez prospère, ARM Limited, dans le domaine des technologies informatiques. Il signifie Advanced RISC Machines et est l'un des principaux développeurs et concédants de licence au monde de l'architecture de processeur RISC 32 bits qui alimente la plupart des appareils portables.
Mais, de manière caractéristique, l'entreprise elle-même ne se consacre pas à la production de microprocesseurs, mais se contente de développer et de concéder sous licence sa technologie à d'autres parties. En particulier, l'architecture ARM des microcontrôleurs est achetée par les fabricants suivants :
- Atmel.
- Cirrus Logique.
- Intel.
- Pomme.
- nVidia.
- SalutSilicon.
- Merveilleux.
- Samsung.
- Qualcomm.
- Sony Ericsson.
- Texas Instruments.
- Broadcom.
Certains d’entre eux sont connus d’un large public de consommateurs de gadgets numériques. Selon les assurances de la société britannique ARM, le nombre total de microprocesseurs produits grâce à leur technologie s'élève à plus de 2,5 milliards. Il existe plusieurs séries de pierres mobiles :
- ARM7 - fréquence d'horloge 60-72 MHz, ce qui est pertinent pour les téléphones mobiles économiques.
- ARM9/ ARM9E - la fréquence est déjà plus élevée, environ 200 MHz. De tels microprocesseurs sont équipés de smartphones et d'ordinateurs de poche (PDA) plus fonctionnels.
Cortex et ARM11 sont déjà des familles de microprocesseurs plus avancées que les architectures de microcontrôleurs ARM précédentes, avec des vitesses d'horloge allant jusqu'à 1 GHz et des capacités avancées de traitement du signal numérique.
Les microprocesseurs xScale populaires de Marvell (jusqu'au milieu de l'été 2007, le projet était à la disposition d'Intel) sont en fait une version étendue de l'architecture ARM9, complétée par le jeu d'instructions Wireless MMX. Cette solution d'Intel était axée sur la prise en charge des applications multimédia.
La technologie ARM fait référence à une architecture de microprocesseur 32 bits contenant un jeu d'instructions réduit, appelé RISC. Selon les calculs, l'utilisation de processeurs ARM représente 82 % du nombre total de processeurs RISC produits, ce qui indique une zone de couverture assez large pour les systèmes 32 bits.
De nombreux appareils électroniques sont équipés d'une architecture de processeur ARM, et il ne s'agit pas seulement des PDA et des téléphones portables, mais aussi des consoles de jeux portables, des calculatrices, des périphériques informatiques, des équipements réseau et bien plus encore.
Un petit voyage dans le passé
Montons sur une machine à voyager dans le temps imaginaire il y a quelques années et essayons de comprendre comment tout a commencé. On peut affirmer sans se tromper qu'ARM est davantage un monopole dans son domaine. Et cela est confirmé par le fait que la grande majorité des smartphones et autres appareils électroniques numériques fonctionnent sous le contrôle de microprocesseurs créés selon cette architecture.
En 1980, Acorn Computers a été fondée et a commencé à créer des ordinateurs personnels. Par conséquent, ARM a été précédemment présenté sous le nom de Acorn RISC Machines.
Un an plus tard, une version domestique du BBC Micro PC dotée de la toute première architecture de processeur ARM a été présentée aux consommateurs. Ce fut un succès, cependant, la puce ne faisait pas face aux tâches graphiques et d'autres options face aux processeurs Motorola 68000 et National Semiconductor 32016 n'étaient pas non plus adaptées à cela.
La direction de l'entreprise a alors pensé à créer son propre microprocesseur. Les ingénieurs s'intéressaient à une nouvelle architecture de processeur inventée par des diplômés d'une université locale. Il utilisait simplement le jeu d’instructions réduit, ou RISC. Et après l'apparition du premier ordinateur, contrôlé par le processeur Acorn Risc Machine, le succès est venu assez rapidement : en 1990, un accord est signé entre la marque britannique et Apple. Cela a marqué le début du développement d'un nouveau chipset, qui a conduit à la formation d'une équipe de développement entière, appelée Advanced RISC Machines, ou ARM.
À partir de 1998, la société a changé son nom pour ARM Limited. Et désormais, les spécialistes ne sont plus engagés dans la production et la mise en œuvre de l'architecture ARM. Qu'est-ce que ça a donné ? Cela n'a en rien affecté le développement de l'entreprise, même si la direction principale et unique de l'entreprise était le développement de technologies, ainsi que la vente de licences à des sociétés tierces afin qu'elles puissent utiliser l'architecture du processeur. Dans le même temps, certaines entreprises acquièrent les droits sur des cœurs prêts à l'emploi, tandis que d'autres équipent les processeurs de leurs propres cœurs sous une licence achetée.
Selon certaines données, le bénéfice de l'entreprise sur chacune de ces solutions est de 0,067 $. Mais ces informations sont moyennes et dépassées. Le nombre de cœurs dans les chipsets augmente chaque année et, par conséquent, le coût des processeurs modernes dépasse les anciens échantillons.
Champ d'application
C'est le développement des appareils mobiles qui a apporté une énorme popularité à ARM Limited. Et lorsque la production de smartphones et d’autres appareils électroniques portables s’est généralisée, des processeurs économes en énergie ont immédiatement été utilisés. Je me demande s'il y a Linux sur l'architecture arm ?
Le point culminant du développement d'ARM tombe en 2007, lorsque les partenariats avec la marque Apple sont renouvelés. Après cela, le premier iPhone basé sur un processeur ARM a été présenté au tribunal de la consommation. Depuis lors, une telle architecture de processeur est devenue un composant invariable de presque tous les smartphones fabriqués que l'on ne trouve que sur le marché mobile moderne.
Nous pouvons dire que presque tous les appareils électroniques modernes qui doivent être contrôlés par un processeur sont équipés d'une manière ou d'une autre de puces ARM. Et le fait qu’une telle architecture de processeur prenne en charge de nombreux systèmes d’exploitation, que ce soit Linux, Android, iOS et Windows, constitue un avantage indéniable. Parmi eux se trouvent Windows Embedded CE 6.0 Core, qui prend également en charge l'architecture Arm. Cette plateforme est conçue pour les ordinateurs de poche, les téléphones mobiles et les systèmes embarqués.
Caractéristiques distinctives de x86 et ARM
De nombreux utilisateurs ayant beaucoup entendu parler d’ARM et de x86 confondent un peu ces deux architectures. Et pourtant, ils présentent certaines différences. Il existe deux principaux types d'architectures :
- CISC (informatique à jeu d'instructions complexe).
- L'informatique).
CISC comprend des processeurs x86 (Intel ou AMD), RISC, comme vous pouvez déjà le comprendre, est la famille ARM. L'architecture et le bras x86 ont leurs fans. Grâce aux efforts des spécialistes d'ARM, qui ont mis l'accent sur l'efficacité énergétique et l'utilisation d'un jeu d'instructions simple, les processeurs en ont grandement bénéficié - le marché mobile a commencé à se développer rapidement et de nombreux smartphones ont presque assimilé les capacités des ordinateurs.
À son tour, Intel a toujours été célèbre pour la sortie de processeurs offrant des performances et une bande passante élevées pour les ordinateurs de bureau, les ordinateurs portables, les serveurs et même les supercalculateurs.
Ces deux familles ont conquis à leur manière le cœur des utilisateurs. Mais quelle est leur différence ? Il existe plusieurs particularités voire caractéristiques, nous analyserons les plus importantes d'entre elles.
Puissance de calcul
Commençons l'analyse des différences entre les architectures ARM et x86 avec ce paramètre. Une particularité des professeurs RISC est d'utiliser le moins d'instructions possible. De plus, ils doivent être aussi simples que possible, ce qui leur confère des avantages non seulement pour les ingénieurs, mais également pour les développeurs de logiciels.
La philosophie ici est simple : si l'instruction est simple, alors trop de transistors ne sont pas nécessaires pour le circuit souhaité. En conséquence, de l'espace supplémentaire est libéré pour quelque chose ou la taille des puces devient plus petite. Pour cette raison, les microprocesseurs ARM ont commencé à combiner des périphériques, tels que des processeurs graphiques. Un bon exemple est l’ordinateur Raspberry Pi, qui comporte un nombre minimal de composants.
Cependant, la simplicité des instructions a un coût. Pour effectuer certaines tâches, des instructions supplémentaires sont nécessaires, ce qui entraîne généralement une augmentation de la consommation de mémoire et du temps nécessaire pour effectuer les tâches.
Contrairement à l'architecture arm du processeur, les instructions des puces CISC, qui sont des solutions d'Intel, peuvent exécuter des tâches complexes avec une grande flexibilité. En d'autres termes, les machines basées sur RISC effectuent des opérations entre les registres, et il est généralement nécessaire que le programme charge les variables dans un registre avant d'effectuer l'opération. Les processeurs CISC sont capables d'effectuer des opérations de plusieurs manières :
- entre les registres ;
- entre un registre et un emplacement mémoire ;
- entre les cellules mémoire.
Mais ce n'est qu'une partie des caractéristiques distinctives, passons à l'analyse d'autres caractéristiques.
Consommation d'énergie
Selon le type d'appareil, la consommation électrique peut avoir une importance différente. Pour un système connecté à une source d’alimentation permanente (secteur), il n’y a tout simplement aucune limite à la consommation d’énergie. Cependant, les téléphones mobiles et autres gadgets électroniques dépendent entièrement de la gestion de l’énergie.
Une autre différence entre les architectures arm et x86 est que la première a une consommation électrique inférieure à 5 watts, y compris de nombreux packages associés : GPU, périphériques, mémoire. Cette faible consommation est due à un nombre réduit de transistors combiné à des vitesses relativement faibles (à comparer avec les processeurs de bureau). Dans le même temps, cela a eu un impact négatif sur les performances : les opérations complexes prennent plus de temps à être réalisées.
Les cœurs Intel se distinguent par leur structure complexe et, par conséquent, leur consommation d'énergie est nettement plus élevée. Par exemple, un processeur Intel I-7 hautes performances consomme environ 130 watts d'énergie, les versions mobiles - 6 à 30 watts.
Logiciel
Il est assez difficile de faire une comparaison sur ce paramètre, puisque les deux marques sont très appréciées dans leur entourage. Les appareils basés sur des processeurs à architecture ARM fonctionnent parfaitement avec les systèmes d'exploitation mobiles (Android, etc.).
Les machines exécutant des processeurs Intel sont capables d'exécuter des plates-formes telles que Windows et Linux. De plus, les deux familles de microprocesseurs sont compatibles avec les applications écrites en langage Java.
En analysant les différences d'architecture, une chose peut être dite sans équivoque : les processeurs ARM contrôlent principalement la consommation électrique des appareils mobiles. La tâche des solutions de bureau est avant tout d'assurer des performances élevées.
Nouvelles réalisations
ARM, grâce à sa politique intelligente, a complètement conquis le marché du mobile. Mais à l’avenir, elle ne compte pas s’arrêter là. Il n'y a pas si longtemps, un nouveau développement de cœurs a été introduit : Cortex-A53 et Cortex-A57, dans lesquels une mise à jour importante a été effectuée : la prise en charge de l'informatique 64 bits.
Le cœur A53 est un successeur direct de l'ARM Cortex-A8 qui, bien que n'ayant pas de performances très élevées, mais la consommation électrique était à un niveau minimum. Selon les experts, l'architecture de l'architecture a réduit la consommation d'énergie de 4 fois et, en termes de performances, elle ne sera pas inférieure au cœur Cortex-A9. Et ce malgré le fait que la zone centrale de l'A53 est 40 % plus petite que celle de l'A9.
Le cœur A57 remplacera les Cortex-A9 et Cortex-A15. Dans le même temps, les ingénieurs ARM affirment une augmentation phénoménale des performances - trois fois supérieure à celle du cœur A15. Autrement dit, le microprocesseur A57 sera 6 fois plus rapide que le Cortex-A9, et son efficacité énergétique sera 5 fois meilleure que celle de l'A15.
En résumé, la série Cortex, à savoir la plus avancée a53, se distingue de ses prédécesseurs par des performances plus élevées dans le contexte d'une efficacité énergétique tout aussi élevée. Même les processeurs Cortex-A7 que l'on trouve dans la plupart des smartphones ne peuvent pas rivaliser !
Mais ce qui est plus précieux, c'est que l'architecture du cortex du bras a53 est celle qui évitera les problèmes liés au manque de mémoire. De plus, l’appareil déchargera la batterie plus lentement. Grâce à la nouveauté, ces problèmes appartiendront désormais à un passé lointain.
Solutions graphiques
En plus de développer des processeurs, ARM travaille sur la mise en œuvre d'accélérateurs graphiques de la série Mali. Et le tout premier d'entre eux est le Mali 55. Le téléphone LG Renoir était équipé de cet accélérateur. Et oui, c’est le téléphone mobile le plus courant. Seulement, le GPU n'était pas responsable des jeux, mais restituait seulement l'interface, car, à en juger par les normes modernes, le processeur graphique a des capacités primitives.
Mais les progrès avancent inexorablement et donc, afin de rester dans l'air du temps, ARM propose également des modèles plus avancés qui conviennent aux smartphones de milieu de gamme. Nous parlons des GPU communs Mali-400 MP et Mali-450 MP. Bien qu'ils aient de faibles performances et un ensemble limité d'API, cela ne les empêche pas d'être utilisés dans les modèles mobiles modernes. Un exemple frappant est le téléphone Zopo ZP998, dans lequel la puce MTK6592 à huit cœurs est associée à l'accélérateur graphique Mali-450 MP4.
Compétitivité
À l'heure actuelle, personne n'est encore opposé à ARM, et cela est principalement dû au fait que la bonne décision a été prise à un moment donné. Mais il était une fois, au début de son voyage, une équipe de développement travaillait à la création de processeurs pour PC et tentait même de rivaliser avec un géant comme Intel. Mais même après le changement de direction de l'activité, l'entreprise a connu des moments difficiles.
Et lorsque la marque informatique de renommée mondiale Microsoft a conclu un accord avec Intel, les autres fabricants n'avaient tout simplement aucune chance : le système d'exploitation Windows a refusé de fonctionner avec les processeurs ARM. Comment ne pas résister à l'utilisation d'émulateurs gcam pour l'architecture arm ?! Quant à Intel, observant la vague de succès d'ARM Limited, ils ont également tenté de créer un processeur digne de la concurrence. Pour cela, la puce Intel Atom a été mise à disposition du grand public. Mais cela a pris beaucoup plus de temps que l’ARM Limited. Et la puce n'est entrée en production qu'en 2011, mais un temps précieux avait déjà été perdu.
Fondamentalement, Intel Atom est un processeur CISC avec une architecture x86. Les spécialistes ont réussi à obtenir une consommation d'énergie inférieure à celle des solutions ARM. Néanmoins, tous les logiciels qui sortent pour les plateformes mobiles sont mal adaptés à l'architecture x86.
En fin de compte, l'entreprise a reconnu l'omniprésence totale de la décision et a ensuite abandonné la production de processeurs pour appareils mobiles. Le seul grand fabricant de puces Intel Atom est ASUS. Dans le même temps, ces processeurs ne sont pas tombés dans l'oubli, ils ont été massivement équipés de netbooks, nettops et autres appareils portables.
Cependant, il est possible que la situation change et que le système d'exploitation Windows bien-aimé prenne en charge les microprocesseurs ARM. De plus, des mesures sont prises dans cette direction, peut-être que quelque chose comme des émulateurs gcam sur l'architecture ARM pour les solutions mobiles apparaîtra ?! Qui sait, le temps nous le dira et remettra chaque chose à sa place.
Il y a un moment intéressant dans l'histoire du développement d'ARM (au tout début de l'article, c'était lui qui était visé). Apple était autrefois au cœur d'ARM Limited, et il est probable que toute la technologie ARM lui aurait appartenu. Cependant, le destin en a décidé autrement : en 1998, Apple était en crise et la direction a été contrainte de vendre sa participation. Il est actuellement à égalité avec d'autres fabricants et continue de s'approvisionner en technologie auprès d'ARM Limited pour ses iPhones et iPads. Qui aurait pu savoir comment les choses pourraient se passer ?!
Les processeurs ARM modernes sont capables d'effectuer des opérations plus complexes. Et dans un avenir proche, la direction de l'entreprise ambitionne de se lancer sur le marché des serveurs, qui l'intéresse sans aucun doute. De plus, à notre époque moderne, alors que l'ère du développement de l'Internet des objets (IoT) approche, y compris les appareils électroménagers « intelligents », on peut prédire une demande encore plus grande de puces à architecture ARM.
ARM Limited a donc un avenir loin d’être désespéré ! Et il est peu probable que dans un avenir proche, quelqu'un puisse évincer un tel géant de la téléphonie mobile dans le développement de processeurs pour smartphones et autres appareils électroniques similaires.
Comme conclusion
Les processeurs ARM ont rapidement conquis le marché des appareils mobiles et tout cela grâce à une faible consommation d'énergie et, bien que pas très élevée, mais toujours de bonnes performances. À l’heure actuelle, la situation chez ARM ne peut qu’être enviée. De nombreux fabricants utilisent ses technologies, ce qui place Advanced RISC Machines à égalité avec des géants dans le domaine du développement de processeurs comme Intel et AMD. Et malgré le fait que l'entreprise ne dispose pas de sa propre production.
Pendant quelque temps, MIPS avec l'architecture du même nom était un concurrent de la marque mobile. Mais à l'heure actuelle, il reste le seul concurrent sérieux en la personne d'Intel Corporation, même si sa direction ne croit pas que l'architecture Arm puisse constituer une menace pour sa part de marché.
De plus, selon les experts d'Intel, les processeurs ARM ne sont pas capables d'exécuter les versions de bureau des systèmes d'exploitation. Une telle affirmation semble cependant un peu illogique, car les possesseurs de PC ultra-mobiles n'utilisent pas de logiciels « lourds ». Dans la plupart des cas, vous avez besoin d'accéder à Internet, d'éditer des documents, d'écouter des fichiers multimédias (musique, films) et d'autres tâches simples. Et les solutions ARM font un excellent travail avec de telles opérations.
Les premières puces ARM sont apparues il y a trois décennies grâce aux efforts de la société britannique Acorn Computers (aujourd'hui ARM Limited), mais elles sont restées longtemps dans l'ombre de leurs homologues plus célèbres - les processeurs d'architecture x86. Tout a basculé avec la transition de l'industrie informatique vers l'ère post-informatique, où la balle n'était plus dirigée par les PC, mais par les gadgets mobiles.
Cela vaut peut-être la peine de commencer par le fait que dans l'architecture de processeur x86, désormais utilisée par Intel et AMD, le jeu d'instructions CISC (Complex Instruction Set Computer) est utilisé, mais pas sous sa forme pure. Ainsi, un grand nombre de commandes complexes dans leur structure, qui a longtemps été une caractéristique du CISC, sont d'abord décodées en commandes simples, puis traitées. Il est clair que toute cette chaîne d’actions demande beaucoup d’énergie.
Les puces d'architecture ARM avec le jeu d'instructions RISC (Reduced Instruction Set Computer) agissent comme une alternative économe en énergie. Son avantage réside dans le petit ensemble de commandes simples qui sont traitées à un coût minime. En conséquence, deux architectures de processeurs, x86 et ARM, cohabitent paisiblement (en fait, pas très paisiblement) sur le marché de l'électronique grand public, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients.
L'architecture x86 se positionne comme plus polyvalente en termes de tâches qu'elle peut effectuer, y compris même celles qui nécessitent beaucoup de ressources telles que l'édition de photos, de musique et de vidéos, ainsi que le cryptage et la compression des données. À son tour, l'architecture ARM « part » en raison d'une consommation d'énergie extrêmement faible et, en général, de performances suffisantes pour les objectifs les plus importants aujourd'hui : dessiner des pages Web et lire du contenu multimédia.
Modèle économique d’ARM Limited
Désormais, ARM Limited se consacre uniquement au développement d'architectures de processeurs de référence et à leur licence. La création de modèles de puces spécifiques et leur production en série ultérieure sont déjà l'affaire des licenciés ARM, qui sont très nombreux. Parmi eux se trouvent des entreprises connues uniquement dans des cercles restreints comme STMicroelectronics, HiSilicon et Atmel, ainsi que des géants de l'informatique dont les noms sont sur toutes les lèvres - Samsung, NVIDIA et Qualcomm. La liste complète des sociétés titulaires de licence se trouve sur la page correspondante du site officiel d'ARM Limited.
Un si grand nombre de titulaires de licence est principalement dû à l'abondance d'applications pour les processeurs ARM, et les gadgets mobiles ne sont que la pointe de l'iceberg. Des puces peu coûteuses et économes en énergie sont utilisées dans les systèmes embarqués, les équipements réseau et les instruments de mesure. Les terminaux de paiement, les modems 3G externes et les cardiofréquencemètres sportifs sont tous basés sur l'architecture du processeur ARM.
Selon les analystes, ARM Limited gagne elle-même 0,067 $ de redevances sur chaque puce produite. Mais il s'agit d'un montant très moyen, car le coût des derniers processeurs multicœurs est nettement supérieur à celui des puces monocœur d'architecture obsolète.
Système à puce unique
D'un point de vue technique, appeler des processeurs de puces d'architecture ARM n'est pas tout à fait correct, car en plus d'un ou plusieurs cœurs de calcul, ils comprennent un certain nombre de composants associés. Les termes système à puce unique et système sur puce (de l'anglais system on a chip) sont plus appropriés dans ce cas.
Ainsi, les derniers systèmes monopuce pour smartphones et tablettes comprennent un contrôleur RAM, un accélérateur graphique, un décodeur vidéo, un codec audio et des modules de communication sans fil en option. Les puces hautement spécialisées peuvent inclure des contrôleurs supplémentaires pour interagir avec des périphériques tels que des capteurs.
Les composants individuels d'un système monopuce peuvent être développés directement par ARM Limited ou par des tiers. Un exemple frappant en est les accélérateurs graphiques qui, en plus d'ARM Limited (graphiques Mali), sont développés par Qualcomm (graphiques Adreno) et NVIDIA (graphiques GeForce ULP).
N'oubliez pas la société Imagination Technologies, qui ne fait rien d'autre que concevoir des accélérateurs graphiques PowerVR. Mais c'est elle qui possède près de la moitié du marché mondial des graphiques mobiles : les gadgets Apple et Amazon, les tablettes Samsung Galaxy Tab 2, ainsi que les smartphones bon marché basés sur des processeurs MTK.
Générations de puces héritées
Les architectures de processeur obsolètes mais encore répandues sont ARM9 et ARM11, qui appartiennent respectivement aux familles ARMv5 et ARMv6.
BRAS9. Les puces ARM9 peuvent atteindre des vitesses d'horloge de 400 MHz et sont très probablement celles installées à l'intérieur de votre routeur sans fil et d'un téléphone mobile ancien mais toujours fiable comme le Sony Ericsson K750i et le Nokia 6300. Le jeu d'instructions Jazelle est d'une importance cruciale pour les puces ARM9. à l'aise avec les applications Java (Opera Mini, Jimm, Foliant, etc.).
BRAS11. Les processeurs ARM11 disposent d'un ensemble d'instructions étendu par rapport à ARM9 et d'une vitesse d'horloge beaucoup plus élevée (jusqu'à 1 GHz), bien que leur puissance ne soit pas non plus suffisante pour les tâches modernes. Cependant, en raison de leur faible consommation d'énergie et, non moins importante, de leur coût, les puces ARM11 sont toujours utilisées dans les smartphones d'entrée de gamme : Samsung Galaxy Pocket et Nokia 500.
Générations modernes de puces
Toutes les puces d'architecture ARM plus ou moins nouvelles appartiennent à la famille ARMv7, dont les représentants phares ont déjà atteint la barre des huit cœurs et d'une fréquence d'horloge supérieure à 2 GHz. Les cœurs de processeur développés directement par ARM Limited appartiennent à la gamme Cortex et la plupart des fabricants de systèmes monopuce les utilisent sans modifications significatives. Seuls Qualcomm et Apple ont créé leurs propres modifications basées sur ARMv7 - le premier a appelé leurs créations Scorpion et Krait, et le second - Swift.
BRAS Cortex-A8. Historiquement, le premier cœur de processeur de la famille ARMv7 était le Cortex-A8, qui constituait la base de SoC bien connus de l'époque comme Apple A4 (iPhone 4 et iPad) et Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S et Galaxy Tab). Il démontre des performances environ deux fois supérieures à celles de son prédécesseur ARM11. De plus, le cœur Cortex-A8 a reçu un coprocesseur NEON pour le traitement de la vidéo haute résolution et la prise en charge du plugin Adobe Flash.
Certes, tout cela a eu un impact négatif sur la consommation électrique du Cortex-A8, qui est nettement supérieure à celle de l'ARM11. Malgré le fait que les puces ARM Cortex-A8 sont toujours utilisées dans les tablettes économiques (système monopuce Allwiner Boxchip A10), leurs jours sur le marché sont apparemment comptés.
BRAS Cortex-A9. Après le Cortex-A8, ARM Limited a introduit une nouvelle génération de puces, le Cortex-A9, qui est désormais la plus courante et occupe un créneau de prix moyen. Les performances des cœurs Cortex-A9 ont été multipliées par trois par rapport au Cortex-A8, et il est également possible d'en combiner deux voire quatre sur une seule puce.
Le coprocesseur NEON est déjà devenu optionnel : NVIDIA l'a supprimé dans son système monopuce Tegra 2, décidant de libérer plus d'espace pour l'accélérateur graphique. Certes, cela n'a rien donné de bon, car la plupart des applications de lecture vidéo se concentraient toujours sur le NEON qui a fait ses preuves.
C'est sous le « règne » du Cortex-A9 qu'apparaissent les premières implémentations du concept big.LITTLE proposé par ARM Limited, selon lequel les systèmes monopuce devraient avoir à la fois des cœurs de processeur puissants et faibles, mais économes en énergie. La première implémentation du concept big.LITTLE était un système sur puce NVIDIA Tegra 3 avec quatre cœurs Cortex-A9 (jusqu'à 1,7 GHz) et un cinquième cœur compagnon économe en énergie (500 MHz) pour des tâches simples en arrière-plan.
ARM Cortex-A5 et Cortex-A7. Lors de la conception des cœurs de processeur Cortex-A5 et Cortex-A7, ARM Limited a poursuivi le même objectif : parvenir à un compromis entre la consommation d'énergie minimale de l'ARM11 et la vitesse acceptable du Cortex-A8. Nous n'avons pas oublié la possibilité de combiner deux ou quatre cœurs - des puces multicœurs Cortex-A5 et Cortex-A7 apparaissent progressivement en vente (Qualcomm MSM8625 et MTK 6589).
BRAS Cortex-A15. Les cœurs du processeur Cortex-A15 sont devenus une suite logique du Cortex-A9. En conséquence, pour la première fois dans l'histoire, les puces de l'architecture ARM ont réussi à égaler à peu près les performances d'Intel Atom, et c'est déjà un grand succès. Ce n'est pas pour rien que Canonical a spécifié un processeur ARM Cortex-A15 double cœur ou un Intel Atom similaire dans la configuration système requise pour la version du système d'exploitation Ubuntu Touch avec multitâche complet.
De nombreux gadgets basés sur NVIDIA Tegra 4 avec quatre cœurs ARM Cortex-A15 et un cinquième cœur compagnon Cortex-A7 seront mis en vente très prochainement. Après NVIDIA, le concept big.LITTLE a été repris par Samsung : le « cœur » du smartphone Galaxy S4 était la puce Exynos 5 Octa avec quatre cœurs Cortex-A15 et le même nombre de cœurs Cortex-A7 économes en énergie.
Perspectives d'avenir
Les gadgets mobiles basés sur les puces Cortex-A15 ne sont pas encore vraiment apparus en vente et les principales tendances dans le développement ultérieur de l'architecture ARM sont déjà connues. ARM Limited a déjà officiellement dévoilé la prochaine famille de processeurs ARMv8, qui sera obligatoire en 64 bits. Les cœurs Cortex-A53 et Cortex-A57 ouvrent une nouvelle ère de processeurs RISC : le premier est économe en énergie et le second est hautes performances, mais les deux sont capables de fonctionner avec de grandes quantités de RAM.
Les fabricants d'électronique grand public ne se sont pas encore particulièrement intéressés à la famille de processeurs ARMv8, mais de nouveaux licenciés se profilent à l'horizon, envisageant d'introduire les puces ARM sur le marché des serveurs : AMD et Calxeda. L'idée est innovante, mais elle a droit à la vie : les mêmes accélérateurs graphiques NVIDIA Tesla, constitués d'un grand nombre de cœurs simples, ont prouvé dans la pratique leur efficacité en tant que solutions serveur.
Le nom ARM a certainement été entendu par tous ceux qui s'intéressent à la technologie mobile. Beaucoup comprennent cette abréviation comme un type de processeur pour smartphones et tablettes, tandis que d'autres précisent qu'il ne s'agit pas du tout d'un processeur, mais de son architecture. Et certainement peu de gens se sont penchés sur l’histoire de l’émergence d’ARM. Dans cet article, nous allons essayer de comprendre toutes ces nuances et vous expliquer pourquoi les gadgets modernes ont besoin de processeurs ARM.
Une brève excursion dans l'histoire
Lorsqu'on lui demande « ARM », Wikipédia donne deux significations à cette abréviation : Acorn RISC Machine et Advanced RISC Machines. Commençons dans l'ordre. Dans les années 1980, Acorn Computers a été fondée au Royaume-Uni et a commencé ses activités en créant des ordinateurs personnels. À cette époque, Acorn était aussi appelée la « pomme britannique ». La période décisive pour l'entreprise a eu lieu à la fin des années 1980, lorsque son ingénieur en chef a profité de la décision de deux diplômés de l'université locale pour proposer un nouveau type d'architecture de processeur à jeu d'instructions réduit (RISC). C'est ainsi qu'est apparu le premier ordinateur basé sur le processeur Acorn Risc Machine. Le succès ne se fait pas attendre. En 1990, les Britanniques ont conclu un accord avec Apple et ont rapidement commencé à travailler sur une nouvelle version du chipset. En conséquence, l’équipe de développement a formé une société appelée Advanced RISC Machines, similaire au processeur. Les puces dotées de la nouvelle architecture sont également connues sous le nom d'Advanced Risc Machine, ou ARM en abrégé.Depuis 1998, Advanced Risc Machine est connue sous le nom d'ARM Limited. Pour le moment, l’entreprise ne produit ni ne vend ses propres processeurs. La principale et unique activité d'ARM Limited est le développement de technologies et la vente de licences à diverses sociétés pour utiliser l'architecture ARM. Certains fabricants achètent une licence pour les cœurs disponibles dans le commerce, d'autres une "licence architecturale" pour produire des processeurs avec leurs propres cœurs. Ces sociétés comprennent Apple, Samsung, Qualcomm, nVidia, HiSilicon et d'autres. Selon certains rapports, ARM Limited gagne 0,067 $ sur chacun de ces processeurs. Ce chiffre est moyen et également dépassé. Chaque année, les chipsets contiennent de plus en plus de cœurs et les nouveaux processeurs multicœurs surpassent les échantillons obsolètes en termes de coût.
Caractéristiques techniques des puces ARM
Il existe deux types d'architectures de processeur modernes : ICIC(Calcul de jeux d'instructions complexes) et RISQUE(Calcul à jeu d’instructions réduit). L'architecture CISC fait référence à la famille de processeurs x86 (Intel et AMD), tandis que l'architecture RISC fait référence à la famille ARM. La principale différence formelle entre RISC et CISC et, par conséquent, x86 et ARM réside dans le jeu d'instructions réduit utilisé dans les processeurs RISC. Ainsi, par exemple, chaque instruction de l'architecture CISC est transformée en plusieurs instructions RISC. De plus, les processeurs RISC utilisent moins de transistors et consomment donc moins d'énergie.La principale priorité des processeurs ARM est le rapport performances/consommation d'énergie. ARM a un rapport performances par watt plus élevé que x86. Vous pouvez obtenir la puissance dont vous avez besoin à partir de 24 cœurs x86 ou de centaines de petits cœurs ARM à faible consommation. Bien entendu, même le processeur le plus puissant de l’architecture ARM ne sera jamais comparable en puissance à l’Intel Core i7. Mais le même Intel Core i7 a besoin d'un système de refroidissement actif et ne rentrera jamais dans un étui de téléphone. Ici, ARM est hors compétition. D’une part, cela semble être une option intéressante pour construire un superordinateur utilisant un million de processeurs ARM au lieu d’un millier de processeurs x86. En revanche, les deux architectures ne peuvent être comparées sans ambiguïté. À certains égards, l'avantage sera pour ARM et, à certains égards, pour x86.
Cependant, appeler des processeurs de puces à architecture ARM n'est pas tout à fait correct. En plus de plusieurs cœurs de processeur, ils incluent également d'autres composants. Le terme le plus approprié serait « système monopuce » ou « système sur puce » (SoC). Les systèmes monopuces modernes pour appareils mobiles comprennent un contrôleur RAM, un accélérateur graphique, un décodeur vidéo, un codec audio et des modules de communication sans fil. Comme mentionné précédemment, les composants individuels du chipset peuvent être développés par des fabricants tiers. L'exemple le plus frappant en est les cœurs graphiques, qui sont développés en plus d'ARM Limited (graphiques Mali), par Qualcomm (Adreno), NVIDIA (GeForce ULP) et Imagination Technologies (PowerVR).
En pratique, cela ressemble à ceci. La plupart des appareils mobiles Android économiques sont équipés de chipsets fabriqués par la société. MédiaTek, qui suit presque invariablement les instructions d'ARM Limited et les complète avec des cœurs Cortex-A et des graphiques Mali (moins souvent PowerVR).
Les marques A pour leurs appareils phares utilisent souvent des chipsets fabriqués par Qualcomm. À propos, les dernières puces Qualcomm Snapdragon (,) sont équipées de cœurs Kryo entièrement personnalisés pour le processeur central et Adreno pour l'accélérateur graphique.
Concernant Pomme, puis pour l'iPhone et l'iPad, la société utilise ses propres puces de la série A avec accélérateur graphique PowerVR, qui sont produites par des sociétés tierces. Ainsi, un processeur A10 Fusion quadricœur 64 bits et un processeur graphique PowerVR GT7600 sont installés.
L'architecture des processeurs de la famille est considérée comme pertinente au moment de la rédaction de l'article. ARMv8. C'était le premier à utiliser un jeu d'instructions 64 bits et à prendre en charge plus de 4 Go de RAM. L'architecture ARMv8 est rétrocompatible avec les applications 32 bits. Le cœur de processeur le plus efficace et le plus puissant développé jusqu'à présent par ARM Limited est Cortex-A73, et la plupart des fabricants de SoC l'utilisent inchangé.
Le Cortex-A73 offre des performances 30 % plus rapides que le Cortex-A72 et prend en charge l'ensemble des architectures ARMv8. La fréquence maximale du cœur du processeur est de 2,8 GHz.
Portée d'utilisation d'ARM
La plus grande gloire d'ARM a été le développement des appareils mobiles. En prévision de la production de masse de smartphones et autres équipements portables, les processeurs économes en énergie se sont révélés utiles. Le point culminant du développement d'ARM Limited a eu lieu en 2007, lorsque la société britannique a renouvelé son partenariat avec Apple, et quelque temps plus tard, les Cupertiniens ont présenté leur premier iPhone doté d'un processeur à architecture ARM. Par la suite, le système monopuce basé sur l'architecture ARM est devenu un composant invariable de presque tous les smartphones du marché.
Le portefeuille d'ARM Limited ne se limite pas à la famille de cœurs Cortex-A. En fait, sous la marque Cortex, il existe trois séries de cœurs de processeur, désignés par les lettres A, R, M. Famille de cœurs Cortex-A, comme nous le savons déjà, est le plus puissant. Ils sont principalement utilisés dans les smartphones, les tablettes, les décodeurs, les récepteurs satellite, les systèmes automobiles et la robotique. Cœurs de processeur Cortex-R sont optimisés pour effectuer des tâches hautes performances en temps réel, c'est pourquoi ces puces se retrouvent dans les équipements médicaux, les systèmes de sécurité autonomes et les supports de stockage. La tâche principale de la famille Cortex-M est la simplicité et le faible coût. Techniquement, ce sont les cœurs de processeur les plus faibles avec la consommation d’énergie la plus faible. Les processeurs basés sur de tels cœurs sont utilisés presque partout où l'appareil nécessite une consommation d'énergie minimale et un faible coût : capteurs, contrôleurs, alarmes, écrans, montres intelligentes et autres équipements.
En général, la plupart des appareils actuels, petits ou grands, nécessitant un processeur, utilisent des puces ARM. Un énorme avantage est le fait que l'architecture ARM est prise en charge par de nombreux systèmes d'exploitation basés sur Linux (y compris Android et Chrome OS), iOS et Windows (Windows Phone).
Concurrence sur le marché et perspectives d'avenir
Certes, pour le moment, ARM n’a pas de concurrents sérieux. Et dans l'ensemble, cela est dû au fait qu'ARM Limited a fait le bon choix à un moment donné. Mais au tout début de son parcours, l'entreprise produisait des processeurs pour PC et tentait même de concurrencer Intel. Après qu'ARM Limited ait changé l'orientation de ses activités, cela n'a pas non plus été facile pour elle. Ensuite, le monopole logiciel représenté par Microsoft, ayant conclu un accord de partenariat avec Intel, n'a laissé aucune chance aux autres fabricants, dont ARM Limited - Windows ne fonctionnait tout simplement pas sur les systèmes équipés de processeurs ARM. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, la situation pourrait maintenant changer radicalement et Windows est déjà prêt à prendre en charge les processeurs basés sur cette architecture.
Suite au succès des puces ARM, Intel a tenté de créer un processeur compétitif et est entré sur le marché avec une puce Intel Atome. Pour ce faire, il lui a fallu beaucoup plus de temps qu'ARM Limited. Le chipset est entré en production en 2011, mais, comme on dit, le train est déjà parti. L'Intel Atom est un processeur CISC x86. Les ingénieurs de la société ont obtenu une consommation d'énergie inférieure à celle d'ARM, mais actuellement, de nombreux logiciels mobiles sont mal adaptés à l'architecture x86.
L'année dernière, Intel a abandonné plusieurs décisions clés dans le développement ultérieur des systèmes mobiles. En fait, une entreprise pour les appareils mobiles car ils ne sont plus rentables. Le seul grand fabricant à proposer à ses smartphones des chipsets Intel Atom était ASUS. Cependant, Intel Atom est toujours massivement utilisé dans les netbooks, les nettops et autres appareils portables.
La position d'ARM Limited sur le marché est unique. À l'heure actuelle, presque tous les fabricants utilisent ses développements. Dans le même temps, l’entreprise ne dispose pas de ses propres usines. Cela ne l'empêche pas de rivaliser avec Intel et AMD. L'histoire d'ARM comprend un autre fait curieux. Il est possible que la technologie ARM appartienne désormais à Apple, qui était à l'origine de la création d'ARM Limited. Ironiquement, en 1998, les Cupertino, traversant une période de crise, ont vendu leur participation. Apple est désormais obligé, avec d'autres sociétés, d'acheter une licence pour les processeurs ARM utilisés dans l'iPhone et l'iPad.
Désormais, les processeurs ARM sont capables d'effectuer des tâches sérieuses. Dans un avenir proche, ils seront utilisés dans les serveurs, notamment les centres de données Facebook et PayPal disposent déjà de telles solutions. À l’ère de l’Internet des objets (IoT) et des appareils domestiques intelligents, les puces ARM sont devenues encore plus demandées. La chose la plus intéressante pour ARM reste donc à venir.
Comment va le processeur. Pourquoi ARM est-il l'avenir ?Le consommateur moderne d'électronique est très difficile à surprendre. Nous sommes déjà habitués au fait que notre poche est légalement occupée par un smartphone, qu'un ordinateur portable est dans un sac, qu'une montre « intelligente » compte docilement les pas sur la main et que des écouteurs dotés d'un système de réduction active du bruit caressent nos oreilles.
C'est drôle, mais nous avons l'habitude de transporter non pas un, mais deux, trois ordinateurs ou plus à la fois. Après tout, c’est ainsi que l’on peut appeler un appareil doté d’un processeur. Et peu importe à quoi ressemble un appareil en particulier. Une puce miniature est responsable de son travail, après avoir surmonté un chemin de développement turbulent et rapide.
Pourquoi avons-nous évoqué le sujet des processeurs ? Tout est simple. Depuis une dizaine d’années, il y a eu une véritable révolution dans le monde des appareils mobiles.
Il n’y a que 10 ans de différence entre ces appareils. Mais le Nokia N95 nous a alors semblé un appareil spatial, et aujourd'hui on regarde ARKit avec une certaine méfiance
Mais tout aurait pu se passer différemment et le Pentium IV cabossé serait resté le rêve ultime d'un acheteur ordinaire.
Nous avons essayé de nous passer des termes techniques compliqués, d'expliquer comment fonctionne le processeur et de découvrir quelle architecture est l'avenir.
1. Comment tout a commencé
Les premiers processeurs étaient complètement différents de ce que vous pouvez voir lorsque vous ouvrez le couvercle de l'unité centrale de votre PC.
Au lieu de microcircuits dans les années 40 du XXe siècle, on utilisait des relais électromécaniques, complétés par des tubes à vide. Les lampes agissaient comme une diode dont l'état pouvait être régulé en abaissant ou en augmentant la tension dans le circuit. Les structures ressemblaient à ceci :
Pour faire fonctionner un gigantesque ordinateur, il fallait des centaines, voire des milliers de processeurs. Mais, en même temps, vous ne seriez pas en mesure d'exécuter même un simple éditeur comme NotePad ou TestEdit à partir de l'ensemble standard de Windows et macOS sur un tel ordinateur. L'ordinateur n'aurait tout simplement pas assez de puissance.
2. L'avènement des transistors
Les premiers transistors à effet de champ sont apparus en 1928. Mais le monde n’a changé qu’après l’apparition des transistors dits bipolaires, découverts en 1947.
À la fin des années 1940, le physicien expérimental Walter Brattain et le théoricien John Bardeen ont développé le premier transistor ponctuel. En 1950, il fut remplacé par le premier transistor à jonction, et en 1954, le célèbre fabricant Texas Instruments annonça un transistor au silicium.
Mais la véritable révolution a eu lieu en 1959, lorsque le scientifique Jean Henri a développé le premier transistor planaire (plat) en silicium, qui est devenu la base des circuits intégrés monolithiques.
Oui, c'est un peu délicat, alors creusons un peu plus et abordons la partie théorique.
3. Comment fonctionne un transistor
Ainsi, la tâche d'un composant électrique tel qu'un transistor est de contrôler le courant. En termes simples, ce petit interrupteur délicat contrôle le flux d’électricité.
Le principal avantage d’un transistor par rapport à un interrupteur classique est qu’il ne nécessite pas la présence d’une personne. Ceux. un tel élément est capable de contrôler indépendamment le courant. De plus, cela fonctionne beaucoup plus rapidement que si vous allumiez ou éteigniez vous-même le circuit électrique.
La tâche de l’ordinateur est de représenter le courant électrique sous forme de nombres.
Et si auparavant la tâche de commutation des états était assurée par des relais électriques encombrants, encombrants et inefficaces, le transistor a désormais pris en charge ce travail de routine.
Dès le début des années 60, les transistors ont commencé à être fabriqués en silicium, ce qui a permis non seulement de rendre les processeurs plus compacts, mais aussi d'augmenter considérablement leur fiabilité.
Mais d'abord, parlons de la diode
Le silicium (également connu sous le nom de Si - « silicium » dans le tableau périodique) appartient à la catégorie des semi-conducteurs, ce qui signifie que, d'une part, il transmet mieux le courant qu'un diélectrique, d'autre part, il le fait moins bien que le métal. .
Que cela nous plaise ou non, mais pour comprendre le travail et l'histoire ultérieure du développement des processeurs, nous devrons nous plonger dans la structure d'un atome de silicium. N'ayez pas peur, soyons brefs et très clairs.
La tâche du transistor est d'amplifier un signal faible dû à une source d'alimentation supplémentaire.
L'atome de silicium possède quatre électrons, grâce auxquels il forme des liaisons (ou, pour être plus précis, des liaisons covalentes) avec les trois mêmes atomes voisins, formant ainsi un réseau cristallin. Même si la plupart des électrons sont liés, une petite partie d’entre eux est capable de se déplacer à travers le réseau cristallin. C’est à cause de ce transfert partiel d’électrons que le silicium a été classé parmi les semi-conducteurs.
Mais un mouvement d'électrons aussi faible ne permettrait pas l'utilisation d'un transistor dans la pratique, c'est pourquoi les scientifiques ont décidé d'augmenter les performances des transistors par dopage ou, plus simplement, en ajoutant des atomes au réseau cristallin de silicium avec une disposition caractéristique des électrons.
Ils ont donc commencé à utiliser une impureté de phosphore à 5 valences, grâce à laquelle des transistors de type N ont été obtenus. La présence d'un électron supplémentaire a permis d'accélérer leur mouvement, augmentant ainsi le flux de courant.
Lors du dopage des transistors de type P, le bore, qui comprend trois électrons, est devenu un tel catalyseur. En raison de l'absence d'un électron, des trous apparaissent dans le réseau cristallin (ils jouent le rôle d'une charge positive), mais du fait que les électrons sont capables de remplir ces trous, la conductivité du silicium augmente considérablement.
Supposons que nous prenions une plaquette de silicium et en dopions une partie avec une impureté de type p et l’autre avec une impureté de type n. Nous avons donc une diode - l'élément de base d'un transistor.
Or les électrons situés dans la partie n auront tendance à aller vers les trous situés dans la partie p. Dans ce cas, le côté n aura une légère charge négative et le côté p aura une charge positive. Le champ électrique formé à la suite de cette « gravité » - la barrière - empêchera le mouvement ultérieur des électrons.
Si vous connectez une source d'alimentation à la diode de telle manière que "-" touche le côté p de la plaque et que "+" touche le côté n, le flux de courant ne sera pas possible car les trous seront sera attiré vers le contact négatif de la source d'alimentation et les électrons vers le positif, et la liaison entre les électrons p et n sera perdue en raison de l'expansion de la couche combinée.
Mais si vous connectez l'alimentation avec une tension suffisante, c'est l'inverse, c'est-à-dire "+" de la source vers le côté p et "-" vers le côté n, les électrons placés sur le côté n seront repoussés par le pôle négatif et poussés vers le côté p, occupant des trous dans le côté p- région.
Mais maintenant, les électrons sont attirés vers le pôle positif de la source d’énergie et continuent de se déplacer à travers les trous P. Ce phénomène est appelé polarisation directe de la diode.
diode + diode = transistor
En soi, le transistor peut être considéré comme deux diodes reliées l’une à l’autre. Dans ce cas, la région p (celle où se trouvent les trous) devient commune pour eux et est appelée la « base ».
Le transistor N-P-N possède deux régions n avec des électrons supplémentaires - elles sont également "l'émetteur" et le "collecteur" et une région faible avec des trous - la région p, appelée "base".
Si vous connectez une alimentation (appelons-la V1) aux n régions du transistor (quel que soit le pôle), une diode sera polarisée en inverse et le transistor sera à l'état bloqué.
Mais, dès que nous connectons une autre source d'alimentation (appelons-la V2), en réglant le contact "+" sur la région p "centrale" (base), et le contact "-" sur la région n (émetteur), certains des électrons circuleront à travers la chaîne à nouveau formée (V2) et la partie sera attirée par la région n positive. En conséquence, les électrons circuleront dans la région du collecteur et un faible courant électrique sera amplifié.
Exhaler!
4. Alors, comment fonctionne réellement un ordinateur ?
Et maintenant le plus important.
Selon la tension appliquée, le transistor peut être ouvert ou fermé. Si la tension est insuffisante pour franchir la barrière de potentiel (la même à la jonction des plaques p et n) - le transistor sera à l'état fermé - à l'état « off » ou, dans le langage du système binaire, « 0".
Avec suffisamment de tension, le transistor devient passant, et on obtient la valeur "on" ou "1" en binaire.
Cet état, 0 ou 1, est appelé « bit » dans l’industrie informatique.
Ceux. nous obtenons la propriété principale du commutateur même qui a ouvert la voie aux ordinateurs pour l'humanité !
Dans le premier ordinateur numérique électronique ENIAC, ou, plus simplement, le premier ordinateur, environ 18 000 lampes triodes ont été utilisées. La taille de l'ordinateur était comparable à celle d'un court de tennis et son poids était de 30 tonnes.
Pour comprendre le fonctionnement du processeur, il y a deux autres points clés à comprendre.
Moment 1. Nous avons donc décidé ce qu'est un bit. Mais avec son aide, nous ne pouvons obtenir que deux caractéristiques de quelque chose : soit « oui », soit « non ». Pour que l’ordinateur apprenne à mieux nous comprendre, ils ont imaginé une combinaison de 8 bits (0 ou 1), qu’ils ont appelé un octet.
À l'aide d'un octet, vous pouvez coder un nombre de zéro à 255. En utilisant ces 255 nombres - des combinaisons de zéros et de uns, vous pouvez coder n'importe quoi.
Moment 2. La présence de chiffres et de lettres sans aucune logique ne nous donnerait rien. C'est pourquoi est apparue la notion d'opérateurs logiques.
En connectant seulement deux transistors d'une certaine manière, vous pouvez réaliser plusieurs actions logiques à la fois : « et », « ou ». La combinaison de la quantité de tension sur chaque transistor et du type de connexion vous permet d'obtenir différentes combinaisons de zéros et de uns.
Grâce aux efforts des programmeurs, les valeurs des zéros et des uns, le système binaire, ont commencé à être traduites en décimal afin que nous puissions comprendre exactement ce que « dit » exactement l'ordinateur. Et pour saisir des commandes, nos actions habituelles, comme saisir des lettres au clavier, sont représentées comme une chaîne binaire de commandes.
En termes simples, imaginez qu'il existe une table de correspondance, disons ASCII, dans laquelle chaque lettre correspond à une combinaison de 0 et 1. Vous avez appuyé sur un bouton du clavier, et à ce moment-là sur le processeur, grâce au programme, le les transistors sont commutés de manière à ce que la lettre la plus écrite soit sur la clé.
5. Et la course aux transistors a commencé
Après que l'ingénieur radio britannique Geoffrey Dahmer ait proposé en 1952 de placer les composants électroniques les plus simples dans un cristal semi-conducteur monolithique, l'industrie informatique a fait un bond en avant.
Des circuits intégrés proposés par Dahmer, les ingénieurs sont rapidement passés aux puces électroniques, basées sur des transistors. À leur tour, plusieurs de ces puces constituaient déjà le processeur lui-même.
Bien entendu, les dimensions de ces processeurs ne ressemblent pas beaucoup à celles des processeurs modernes. De plus, jusqu'en 1964, tous les processeurs avaient un problème. Ils nécessitaient une approche individuelle : leur propre langage de programmation pour chaque processeur.
1964 Système IBM/360. Ordinateur compatible avec le code de programmation universel. Un jeu d’instructions pour un modèle de processeur peut être utilisé pour un autre.
années 70. L'apparition des premiers microprocesseurs. Processeur monopuce d'Intel. Intel 4004 - TPU 10 µm, 2 300 transistors, 740 kHz.
1973 Intel 4040 et Intel 8008. 3 000 transistors, 740 kHz pour l'Intel 4040 et 3 500 transistors à 500 kHz pour l'Intel 8008.
1974 Intel 8080. TPU 6 µm et 6000 transistors. La fréquence d'horloge est d'environ 5 000 kHz. C'est ce processeur qui a été utilisé dans l'ordinateur Altair-8800. La copie nationale de l'Intel 8080 est le processeur KR580VM80A, développé par l'Institut de recherche sur les micro-appareils de Kiev. 8 bits
1976 Intel 8080. TPU 3 µm et 6500 transistors. Fréquence d'horloge 6 MHz. 8 bits
1976 Zilog Z80. TPU 3 microns et 8500 transistors. Fréquence d'horloge jusqu'à 8 MHz. 8 bits
1978 Intel 8086. TPU 3 µm et 29 000 transistors. La fréquence d'horloge est d'environ 25 MHz. Le jeu d’instructions x86 qui est toujours utilisé aujourd’hui. 16 bits
1980 Intel 80186. TPU 3 µm et 134 000 transistors. Fréquence d'horloge - jusqu'à 25 MHz. 16 bits
1982 Intel 80286. TPU 1,5 µm et 134 000 transistors. Fréquence - jusqu'à 12,5 MHz. 16 bits
1982 Motorola 68000. 3 µm et 84 000 transistors. Ce processeur a été utilisé dans l'ordinateur Apple Lisa.
1985 Intel 80386. 1,5 µm Tp et 275 000 transistors. Fréquence - jusqu'à 33 MHz dans la version 386SX.
Il semblerait que la liste puisse être poursuivie indéfiniment, mais les ingénieurs d'Intel ont ensuite été confrontés à un sérieux problème.
Sorti à la fin des années 80. Au début des années 60, l'un des fondateurs d'Intel, Gordon Moore, a formulé la « loi de Moore ». Cela ressemble à ceci :
Tous les 24 mois, le nombre de transistors sur une puce de circuit intégré double.
Il est difficile de qualifier cette loi de loi. Il serait plus juste de parler d’observation empirique. En comparant le rythme du développement technologique, Moore a conclu qu'une tendance similaire pourrait se former.
Mais déjà lors du développement de la quatrième génération de processeurs Intel i486, les ingénieurs ont été confrontés au fait qu'ils avaient déjà atteint le plafond de performances et ne pouvaient plus installer plus de processeurs dans la même zone. À cette époque, la technologie ne le permettait pas.
En guise de solution, une variante a été trouvée utilisant un certain nombre d'éléments supplémentaires :
mémoire cache;
convoyeur;
coprocesseur intégré ;
multiplicateur.
Une partie de la charge de calcul repose sur ces quatre nœuds. En conséquence, l'apparition de la mémoire cache, d'une part, a compliqué la conception du processeur, d'autre part, il est devenu beaucoup plus puissant.
Le processeur Intel i486 était déjà composé de 1,2 million de transistors et sa fréquence maximale de fonctionnement atteignait 50 MHz.
En 1995, AMD a rejoint le développement et a lancé le processeur Am5x86 compatible i486 le plus rapide de l'époque sur une architecture 32 bits. Il était déjà fabriqué selon la technologie de traitement de 350 nanomètres et le nombre de processeurs installés atteignait 1,6 million de pièces. La fréquence d'horloge est passée à 133 MHz.
Mais les fabricants de puces n'ont pas osé continuer à augmenter le nombre de processeurs installés sur une puce et à développer l'architecture déjà utopique CISC (Complex Instruction Set Computing). Au lieu de cela, l'ingénieur américain David Patterson a proposé d'optimiser le fonctionnement des processeurs, en ne laissant que les instructions de calcul les plus nécessaires.
Les fabricants de processeurs ont donc opté pour la plate-forme RISC (Reduced Instruction Set Computing), mais cela n'a pas suffi.
En 1991, le processeur R4000 64 bits est sorti, fonctionnant à une fréquence de 100 MHz. Trois ans plus tard, le processeur R8000 apparaît, et deux ans plus tard, le R10000 avec des fréquences d'horloge allant jusqu'à 195 MHz. Parallèlement, se développe le marché des processeurs SPARC dont la particularité architecturale est l'absence d'instructions de multiplication et de division.
Au lieu de se battre sur le nombre de transistors, les fabricants de puces ont commencé à repenser l'architecture de leur travail. Le rejet des commandes « inutiles », l'exécution des instructions en un seul cycle, la présence de registres de valeur générale et le pipeline ont permis d'augmenter rapidement la fréquence d'horloge et la puissance des processeurs sans fausser le nombre de transistors.
Voici quelques-unes des architectures apparues entre 1980 et 1995 :
Ils étaient basés sur la plateforme RISC et, dans certains cas, sur une utilisation partielle et combinée de la plateforme CISC. Mais le développement de la technologie a une fois de plus poussé les fabricants de puces à continuer de développer des processeurs.
En août 1999, l'AMD K7 Athlon est entré sur le marché, fabriqué à l'aide d'une technologie de traitement de 250 nm et comprenant 22 millions de transistors. Plus tard, la barre a été relevée à 38 millions de processeurs. Puis, jusqu'à 250 millions, le processeur technologique a augmenté, la fréquence d'horloge a augmenté. Mais comme le dit la physique, il y a une limite à tout.
7. La fin de la compétition des transistors est proche
En 2007, Gordon Moore a fait une déclaration très directe :
La loi de Moore cessera bientôt de s'appliquer. Il est impossible d’installer indéfiniment un nombre illimité de processeurs. La raison en est la nature atomique de la matière.
Il est évident à l'œil nu que les deux principaux fabricants de puces, AMD et Intel, ont clairement ralenti le développement des processeurs au cours des dernières années. La précision du processus technologique a augmenté jusqu'à quelques nanomètres seulement, mais il est impossible d'installer encore plus de processeurs.
Et tandis que les fabricants de semi-conducteurs menacent de lancer des transistors multicouches, faisant un parallèle avec la mémoire 3DN et la mémoire, un concurrent sérieux est apparu à l'architecture x86 murée il y a 30 ans.
8. Ce qui attend les processeurs « classiques »
La loi de Moore est invalidée depuis 2016. Cela a été officiellement annoncé par le plus grand fabricant de processeurs Intel. Doubler la puissance de calcul de 100 % tous les deux ans n’est plus possible pour les fabricants de puces.
Et maintenant, les fabricants de processeurs disposent de plusieurs options peu prometteuses.
La première option concerne les ordinateurs quantiques. Il y a déjà eu des tentatives pour construire un ordinateur utilisant des particules pour représenter des informations. Il existe plusieurs dispositifs quantiques similaires dans le monde, mais ils ne peuvent gérer que des algorithmes de faible complexité.
De plus, le lancement en série de tels appareils dans les décennies à venir est hors de question. Cher, inefficace et… lent !
Certes, les ordinateurs quantiques consomment beaucoup moins d’énergie que leurs homologues modernes, mais ils seront également plus lents jusqu’à ce que les développeurs et les fabricants de composants passent à de nouvelles technologies.
La deuxième option concerne les processeurs avec des couches de transistors. Intel et AMD ont sérieusement réfléchi à cette technologie. Au lieu d’une seule couche de transistors, ils prévoient d’en utiliser plusieurs. Il semble que dans les années à venir, des processeurs pourraient bien apparaître dans lesquels non seulement le nombre de cœurs et la fréquence d'horloge seront importants, mais également le nombre de couches de transistors.
La solution a droit à la vie, et les monopoles pourront ainsi exploiter le consommateur pendant encore deux décennies, mais, en fin de compte, la technologie atteindra à nouveau le plafond.
Aujourd'hui, conscient du développement rapide de l'architecture ARM, Intel a annoncé discrètement la famille de puces Ice Lake. Les processeurs seront fabriqués selon un procédé de 10 nanomètres et constitueront la base des smartphones, tablettes et appareils mobiles. Mais cela arrivera en 2019.
9. ARM est l'avenir Ainsi, l'architecture x86 est apparue en 1978 et appartient au type de plateforme CISC. Ceux. en soi, cela implique l’existence d’instructions pour toutes les occasions. La polyvalence est le principal point fort du x86.
Mais, en même temps, la polyvalence a joué un tour cruel avec ces processeurs. x86 présente plusieurs inconvénients majeurs :
la complexité des commandes et leur franche confusion ;
consommation d'énergie et dégagement de chaleur élevés.
Pour des performances élevées, j’ai dû dire adieu à l’efficacité énergétique. De plus, deux sociétés travaillent actuellement sur l'architecture x86, qui peut être attribuée en toute sécurité aux monopoles. Ce sont Intel et AMD. Eux seuls peuvent produire des processeurs x86, ce qui signifie qu'ils sont les seuls à diriger le développement des technologies.
Parallèlement, plusieurs sociétés participent au développement d’ARM (Arcon Risk Machine). En 1985, les développeurs ont choisi la plate-forme RISC comme base pour poursuivre le développement de l'architecture.
Contrairement à CISC, RISC implique la conception d'un processeur avec le nombre minimum d'instructions requis, mais une optimisation maximale. Les processeurs RISC sont beaucoup plus petits que CISC, plus économes en énergie et plus simples.
De plus, ARM a été créé à l’origine uniquement pour concurrencer x86. Les développeurs se sont donné pour tâche de construire une architecture plus efficace que x86.
Depuis les années 40, les ingénieurs ont compris que l'une des tâches prioritaires était de travailler à la réduction de la taille des ordinateurs et, en premier lieu, des processeurs eux-mêmes. Mais il y a près de 80 ans, personne n’aurait pu imaginer qu’un ordinateur à part entière serait plus petit qu’une boîte d’allumettes.
Pour les utilisateurs sceptiques qui parcourent les principales lignes de Geekbench, je tiens juste à vous rappeler : dans la technologie mobile, la taille est ce qui compte avant tout.
Placez une barre chocolatée dotée d'un puissant processeur à 18 cœurs qui « déchire l'architecture ARM en lambeaux » sur la table, puis placez votre iPhone à côté. Sentir la différence?
11. Au lieu de la sortie
Il est impossible de couvrir les 80 ans d’histoire du développement des ordinateurs en un seul document. Mais après avoir lu cet article, vous serez en mesure de comprendre comment est organisé l'élément principal de tout ordinateur - le processeur, et à quoi s'attendre du marché dans les années à venir.
Bien entendu, Intel et AMD travailleront à augmenter encore le nombre de transistors sur une seule puce et à promouvoir l'idée d'éléments multicouches.
Mais en tant que client, avez-vous besoin d’une telle puissance ?
Je ne pense pas que vous soyez insatisfait des performances d'un iPad Pro ou de l'iPhone X phare. Je ne pense pas que vous soyez insatisfait des performances de votre multicuiseur dans votre cuisine ou de la qualité d'image sur un 4K de 65 pouces LA TÉLÉ. Mais tous ces appareils utilisent des processeurs sur l'architecture ARM.
Windows a déjà officiellement annoncé qu'il regardait avec intérêt vers ARM. La société a inclus la prise en charge de cette architecture dans Windows 8.1 et travaille désormais activement en tandem avec le principal fabricant de puces ARM, Qualcomm.
Google a également réussi à s'intéresser à ARM - le système d'exploitation Chrome OS prend en charge cette architecture. Plusieurs distributions Linux sont apparues à la fois, également compatibles avec cette architecture. Et ce n'est que le début.
Et essayez un instant d'imaginer à quel point il sera agréable de combiner un processeur ARM économe en énergie avec une batterie au graphène. C'est cette architecture qui permettra d'obtenir des gadgets ergonomiques mobiles qui pourront dicter l'avenir.
Salut tout le monde. Dans l'article d'aujourd'hui, nous nous familiariserons avec l'architecture ARM. .
Et dans les entrées suivantes, nous travaillerons avec ces microcontrôleurs, augmentant ainsi la productivité et la fonctionnalité des projets. Les micro AVR que nous avons déjà envisagés et impliqués dans divers appareils, par exemple ce dernier, en tant que périphérique USB, sera utilisé comme lien intermédiaire dans les projets futurs.
BRAS- une famille de cœurs de microprocesseurs 32 bits et 64 bits largement utilisés dans l'électronique grand public. Apparu lors de l'étude de la documentation du projet RISC. Le projet officiel Acorn RISC Machine a été lancé en 
Octobre 1983. Et le premier processeur ARM1 a été produit le 26 avril 1985. Un an plus tard, les processeurs série arm2 sont apparus. Vient ensuite la famille ARM3. ARM6 en 1992. Et ainsi de suite. L'entreprise elle-même ne produit pas de puces et ne produit actuellement pas de processeurs. L'activité principale est la vente de licences. Par exemple, les titulaires d'une « licence d'architecture » ont le droit de développer leurs propres cœurs de microprocesseur qui implémentent les instructions ARM et d'utiliser les brevets ARM. Et en 2016, la société japonaise Softbank (troisième opérateur au Pays du Soleil Levant) a acquis la société britannique ARM pour 32 milliards de dollars.
Si l'on compare ARM avec x86, alors ce dernier se positionne comme un processeur pour les tâches gourmandes en ressources, ainsi que le CISC (Complex Instruction Set Computing), c'est-à-dire des instructions pour toutes les occasions sont implémentées, contrairement à RISC - un ensemble de commandes minimales nécessaires au fonctionnement. L'inconvénient du x86 peut être appelé consommation d'énergie, respectivement, dégagement d'une grande quantité de chaleur et complexité des commandes. ARM - consommation d'énergie minimale, prix bas et performances médiocres par rapport à x86. Récemment, la frontière entre les deux architectures s’est estompée. Les processeurs ARM deviennent plus productifs et plus rapides. De manière générale, il convient de noter que ces deux architectures représentent le principal pourcentage des ventes du marché.
L'architecture a évolué au fil du temps et depuis ARMv7 3 profils ont été définis :
- 'A'(application) - pour les appareils nécessitant des performances élevées (smartphones, tablettes)
- 'R' (temps réel) - pour les applications temps réel,
- 'M' (microcontrôleur) - pour les microcontrôleurs et les appareils embarqués à faible coût.
Le profil M (versions ARMv6-M et ARMv7-M, cœurs Cortex-M) ne fait pas référence à proprement parler aux « vrais » processeurs ARM. Premièrement, son architecture système diffère radicalement de tous les autres développements ARM et, par conséquent, au niveau du système, il est incompatible soit avec les processeurs antérieurs, soit avec d'autres profils de la 7e version de l'architecture. Deuxièmement, ces puces implémentent uniquement le jeu d'instructions Thumb (cœurs ARMv6-M, Cortex-M0 et -M1) ou Thumb-2 (ARMv7-M, tous les autres cœurs Cortex-M), et les instructions de jeu ARM ne sont pas prises en charge. Cette série est destinée à être utilisée comme microcontrôleurs de petites et moyennes performances. En raison de leur faible coût et de leur faible consommation d'énergie, ils peuvent rivaliser avec succès avec des microcontrôleurs 8 et 16 bits beaucoup plus faibles en termes de capacités informatiques. A noter que l'affiliation des cœurs Cortex-M0 et -M1 à la 6ème version de l'architecture est purement formelle. Toute la documentation intéressante peut être téléchargée sur le site officiel https://developer.arm.com/
Pour l’avenir, nous travaillerons avec l’architecture ARMv7E-M, le cœur Cortex-M. En travaillant avec lui, nous étudierons toutes les subtilités.
Vous trouverez ci-dessous un tableau de la famille Cortex-M. 
Enfin, considérons l'ensemble des instructions Pouce. C'est le mode des processeurs ARM (à commencer par ARM7TDMI) où le jeu d'instructions abrégées est utilisé. Se compose de 36 instructions tirées du jeu d'instructions de l'architecture ARM 32 bits standard et converties en codes 16 bits, c'est-à-dire exécute un ensemble alternatif d'instructions de 16 bits. La longueur des instructions Thumb est la moitié de celle des instructions 32 bits standard, ce qui vous permet de réduire considérablement la mémoire de programme requise (environ 30 %), ainsi que d'utiliser une mémoire 16 bits moins chère. Une fois exécutées, ces instructions sont décodées par le processeur en opérations ARM équivalentes effectuées dans le même nombre de cycles. Les opcodes plus courts entraînent généralement une plus grande densité de code, bien que certains opcodes nécessitent des instructions supplémentaires. Dans les situations où le port mémoire ou la largeur du bus est limité à 16 bits, les opcodes plus courts du mode Thumb sont beaucoup plus rapides que les opcodes ARM 32 bits classiques, car moins de code doit être chargé dans le processeur avec une bande passante mémoire limitée. Pouce-2(qui est un mélange d'ARM et de Thumb) est une technologie qui a débuté avec le cœur ARM1156, annoncé en 2003. Il étend le jeu d'instructions Thumb limité de 16 bits avec des instructions supplémentaires de 32 bits pour donner au jeu d'instructions une largeur supplémentaire. L'objectif de Thumb-2 est d'atteindre une densité de code semblable à celle d'un Thumb et des performances de jeu d'instructions ARM 32 bits. On peut dire que dans ARMv7 cet objectif a été atteint. Thumb-2 étend les instructions ARM et Thumb avec encore plus d'instructions. Le langage d'assemblage unifié (UAL) prend en charge la création d'instructions pour ARM et Thumb à partir du même code source. Les versions ARMv7 de Thumb ressemblent au code ARM. Toutes les matrices ARMv7 prennent en charge le jeu d'instructions Thumb-2, tandis que certaines matrices, comme le Cortex-m3, ne prennent en charge que Thumb-2. Les matrices Cortex et ARM11 restantes prennent en charge les jeux d'instructions Thumb-2 et ARM.
L'architecture ARM a de nombreuses versions, aujourd'hui (2017) la dernière est ARMv8-A de la famille Cortex-A50, d'ailleurs, au printemps 2017, ARM a introduit deux cœurs de processeur Cortex-A75 et Cortex-A55. Vous et moi ne considérons pas les développements de sociétés tierces possédant une licence architecturale d'ARM, qui a permis la mise en œuvre d'instructions propriétaires. Nous nous familiariserons avec l'architecture ARMv7E-M sur le cœur Cortex-M4, en travaillant avec le microcontrôleur STM32F303VCT6 sur la carte de développement STM32F3 Discovery. J'ai écrit ci-dessus sur le passage à Arm pour des performances et des fonctionnalités, mais nous allons également élargir un peu nos horizons, étudier les nouvelles technologies et apprendre à les intégrer dans des projets, en les combinant avec d'autres technologies. Dans le prochain article, nous nous familiariserons avec le microcontrôleur STM32F303VCT6, examinerons son architecture et apprendrons comment l'utiliser. C'est là que nous nous arrêterons aujourd'hui. Tout pour maintenant.
