ARM-protsessorid: arhitektuur, madal energiatarve ja mobiilseadmed

Avasta ARM-protsessorite arhitektuur, madal energiatarve ja 64-bitine jõudlus mobiilseadmetes — efektiivsus, akuiga ja tänapäevased rakendused

ARM-arhitektuur on arvutite protsessorite arhitektuur, mida kasutatakse tavaliselt manussüsteemides ja mobiilsetes seadmetes, nagu mobiiltelefonid, tahvelarvutid ja pihuarvutite mängukonsoolid, näiteks Game Boy Advance. ARM-protsessorid kasutavad väga vähe elektrit ja toodavad väga vähe soojust. Enamik ARM-protsessoreid töötab akutoitel ja ei vaja jahutusventilaatorit. ARM-protsessoritel kasutatakse kõige rohkem Linuxi operatsioonisüsteemi.

2013. aastal oli ARM maailma kõige populaarsem 32-bitise protsessori arhitektuur. Sellest ajast alates on toodang kasvanud miljoniteni päevas. 64-bitine ARM, mis võimaldab adresseerida mälu üle 3,8 GB, on sellest ajast saadik saadaval ja seda kasutatakse enamikus tänapäevastes nutitelefonides.

Mis on ARM ja miks see on energiasäästlik?

ARM põhineb RISC-ideel (Reduced Instruction Set Computer): käskude komplekt on suhteliselt lihtne ja optimeeritud kiireks täideviimiseks ühe või vähese tsükliga. Selle tulemusena nõuab ARM-protsessor harilikult vähem elektrit ühe tehtud tööühiku kohta kui keerukamate CISC-arhitektuuride puhul. Lisaks toetavad ARM-põhised süsteemid mitmeid energiasäästu tehnikaid, näiteks DVFS (dünaamiline pinge- ja sageduse reguleerimine), tuumaõrn haldus (power gating) ja sügav une režiimid, mis võimaldavad seadmel akuressursse säästa.

ARM-i ärimudel ja ökosüsteem

ARM Holdings (nüüd ARM Ltd.) disainib protsessori arhitektuuri ja südamikke, kuid ei tooda tavaliselt ise kiipe. Ettevõte litsentseerib oma arhitektuuri ja tuumasid tootjatele nagu Qualcomm, Samsung, Apple ja paljudele teistele, kes lisavad oma kiipidesse täiendusi ning integreerivad need süsteemina (SoC — System on Chip). ARM-ökosüsteem sisaldab ka GPU-sid, modemeid, turvalisi mooduleid ja riistvarakiirendeid masinõppe jaoks.

Tüüpilised ARM-tuumasid ja kasutusalad

• Cortex-A — mõeldud üldotstarbelisteks rakendusteks nagu nutitelefonid ja tahvelarvutid (suure jõudlusega tuumad).
• Cortex-M — madala energiatarbega mikrojuhtmed ja manussüsteemid (IoT, sensorid, kantavad seadmed).
• Cortex-R — reaalajasüsteemid ja nukad, kus on vaja deterministlikku jõudlust (nt autosüsteemid, salvestusseadmed).

Paljud kaasaegsed seadmed kasutavad ka heterogeenset arhitektuuri nagu big.LITTLE, kus ühe SoC sees on nii kiireid võimsuslikke kui ka säästlikke tuumasid — süsteem lülitab ülesandeid tuumade vahel vastavalt jõudlusnõuetele, et optimeerida akut ja soojuskadi.

64-bitine ARM ja mäluhaldus

64-bitine ARM (nt ARMv8-A ja uuemad) võimaldas aadressida palju suuremat mälukogust kui 32-bitine arhitektuur. See toob kaasa parema jõudluse suure mälukasutusega rakendustes, paranenud turvalisuse laiemate aadressivahemike ja lisafunktsioonide kaudu ning parema API/tootearenduse toe kaasaegsetes opsüsteemides ja rakendustes. Tänapäeval on 64-bitine ARM standard enamikus nutitelefonides, tahvelarvutites ja kasvavalt ka sülearvutites ning serverites.

Tarkvara ja tugi

ARM-il on lai tarkvarapõhi: Android ja iOS on suures osas ARM-i peal, samuti on tugev tugi Linuxile, FreeBSD-le ja üha enam ka Windowsile ARM-i jaoks. Arendajad kasutavad tavalisi tööriistu nagu GCC ja LLVM/Clang, ning virtualiseerimis- ja konteinerilahendused on samuti toetatud tänu riistvaralisele virtualiseerimisele ja laiale opsüsteemide valikule.

Turvalisus ja spetsiaalfunktsioonid

• TrustZone — riistvarapõhine turbekeskus, mis võimaldab eraldada turvalise ja mitteturvalise koodi täitmise.
• NEON — SIMD (Single Instruction, Multiple Data) laiendus, mis kiirendab multimeedia- ja masinõppe operatsioone.
• Krüptograafilised laiendused ja virtualiseerimisfunktsioonid, mis toetavad kaasaegseid turbe- ja pilverakendusi.

ARM väljaspool mobiilseadmeid

Kuna ARM pakub head jõudlust võrreldes energiakuluga, on seda kasutatud laialdaselt ka mujal kui mobiilis — IoT-seadmetes, ruuterites, telerites, autodes ja tööstusseadmetes. Viimastel aastatel on ARM laienemas ka serveritesse ja lauaarvutitesse: näited on Apple M-seeria protsessorid ja pilveteenuse pakkujate ARM-põhised lahendused (nt AWS Graviton), mis rõhutavad head jõudlus/võimsuse suhet suurema energiakulu piiramiseks.

Tulevikutrendid

Tulevikus on oodata, et ARM-i roll kasvab veelgi: integratsioon masinõppe kiirendajatega (NPU), parem energiatõhusus uute tootmisprotsesside kaudu, ning laiem levik serva- ja pilvearvutuses. Samuti jätkub arhitektuuri areng uute ARM-versioonidega, mis toovad kaasa rohkem turva- ja jõudlusvõimalusi ning parema toe virtualiseerimisele ja suurele mälukasutusele.

Kokkuvõte

ARM on arhitektuur, mis on kujunenud standardiks madala energiatarbega ja mobiilsete rakenduste maailmas. Sellel on tugev ökosüsteem, lai tarkvaraline tugi ja mitmekülgsed kasutusvõimalused — alates lihtsatest mikrojuhtmetest kuni võimsate süsteemideni, mis töötavad ilma aktiivse jahutuseta. Tänu pidevale arengule ja laialdasele litsentseerimise mudelile on ARM tõenäoliselt olulisel kohal ka tulevikus.

Küsimused ja vastused

K: Mis on ARMi arhitektuur?

K: Miks on ARM-protsessorid mobiilsetes seadmetes populaarsed?

K: Millist operatsioonisüsteemi kasutatakse tavaliselt ARM-protsessorites?

K: Millal oli ARM maailma kõige populaarsem 32-bitise protsessori arhitektuur?

K: Kui palju ARMi protsessoreid toodetakse iga päev?

K: Mis on 64-bitine ARM?

K: Kus kasutatakse tavaliselt 64-bitist ARM-i?

Otsing