Что такое архитектура процессора в смартфоне, основные типы
Papa-jobs.ru

Ремонт телефонов

Что такое архитектура процессора в смартфоне, основные типы

Мобильные процессоры. Вводная часть

Процессор (CPU) – сердце абсолютного любого компьютера, в том числе и смартфона, отвечающее за все вычисления, производимые устройством и, одновременно, самая технически сложная часть коммуникатора. Процессоров с разными характеристиками существует великое множество и зачастую, пользователю бывает очень трудно разобраться в этом многообразии. Но тем, кому это действительно интересно, помогут освоиться наши статьи о мобильных процессорах.

Для начала важно отметить, что процессоры как таковые, в мобильных гаджетах не используются. Дело в том, что объединяясь вместе с другими компонентами они образуют SoC – System on a chip или систему-на-кристалле. Это означает, что на одной микросхеме находится полноценный компьютер, среди компонентов которого – процессор, графический ускоритель и другие, более специфические части. Как мы и обещали, сейчас речь пойдёт о процессорах, но в конце мы скажем пару слов и о GPU.

Список спецификаций любого процессора начинается с основополагающего понятия архитектуры процессора. Не будем вдаваться в подробные объяснения этого понятия, но, в общем смысле, архитектура – это совокупность свойств процессора по внутреннему устройству и возможности выполнять определённые наборы команд. Если мы говорим о чипах для смартфонов, то на рынке безоговорочно доминирует архитектура ARM, которая разрабатывается одноимённой компанией ARM Limited. Все остальные компании (лидерство держат Qualcomm, Nvidia, Samsung, MediaTek, Apple и другие) занимающиеся производством процессоров, лицензируют технологию у ARM и затем продают готовые чипы производителям смартфонов (или используют их в собственных устройствах). Также, некоторым количеством устройств представлена архитектура x86 компании Intel, но до недавнего времени она была рассчитана только на бюджетные коммуникаторы. С анонсом Lenovo IdeaPhone K900, выйти в hi-end сектор попыталась Intel, но конкурировать с компанией ARM будет очень трудно. Остаётся главный вопрос: в чём различие между различными архитектурами для конечного пользователя? Ответ звучит так: практически ни в чём. Android OS хорошо работает как на ARM процессорах, так и на x86, а несовместимость владелец x86-устройства сможет встретить, разве что, в каких-либо специфических приложениях или, возможно, в современных играх. Все остальные современные мобильные операционные системы, в том числе iOS и Windows Phone работают на ARM архитектуре.

Версия архитектуры

Неразрывно с архитектурой связана версия архитектуры – их иногда, с полным на то правом, рассматривают как единое целое. Причиной появления разных версий архитектур служит ничто иное, как технический прогресс: на смену устаревшей версии приходит новая, которая может обеспечить лучшую производительность, малое энергопотребление и другие преимущества. Зачастую различий между версиями архитектуры не меньше, чем между разными архитектурами. Например, владельцы устройств с процессорами ARMv6 столкнулись с тем, что на их смартфонах не работали игры, которые писались с расчётом на новую версию ARMv7 (на данный момент она и является актуальной).

Следующей характеристикой (идём от большего к меньшему) мобильного процессора является ядро. Именно используемое в том или ином чипе ядро и определяет производительность, энергопотребление и тактовую частоту процессора. Компания ARM разрабатывает ядра серии Cortex, но сторонним производителям процессоров ничего не мешает использовать собственные. Так, например, поступают компании Qualcomm (ядра Krait) и Apple (ядра Swift).

Раз уж мы заговорили о ядрах, здесь же стоит упомянуть и о количестве ядер в процессоре. В одном процессоре, которые можно найти в современных коммуникаторах, могут быть объединены 2 или 4 одинаковых ядра. Это делается для увеличения скорости работы девайса за счёт распараллеливания выполняемых процессов. То есть, задачи, требующие высокой производительности, можно выполнять не в одном процессе, а в нескольких. Такая возможность должна быть предусмотрена разработчиком и используется в некоторых приложениях, как, например, трёхмерные игры или программы для обработки видео. Если же программа сама по себе не поддерживает многопоточность и не требует больших ресурсов, то неиспользуемые ядра просто-напросто отключаются для экономии заряда батареи. Иногда с этой же целью используется пятое ядро-компаньон для самых неприхотливых задач, вроде работы устройства в спящем режиме или при проверке почты.

Тактовая частота

Последней характеристикой процессора, которая может оказаться полезной пользователю, является тактовая частота. Эта величина показывает, сколько тактов способен отработать процессор за единицу времени (одну секунду). Например, если в спецификациях к устройству указана частота 1,7 ГГц, это значит, что за 1 секунду его процессор осуществит 1 700 000 000 (1 миллиард 700 миллионов) тактов. Количество тактов, затрачиваемое на выполнение чипом одной операции может разниться в зависимости от его типа и самой операции, но, обобщённо, более высокая тактовая частота означает более высокую скорость работы. Особенно это становится заметно, если сравнивать одинаковые ядра, работающие на разной частоте. Это значение иногда ограничивается производителем, в целях уменьшения энергопотребления (разумеется, чем выше скорость процессора, тем больший ток он потребляет) или даже маркетинга (сейчас компания выпускает коммуникатор с ограничением частоты процессора, а через несколько месяцев – его улучшенную версию без таковых). К счастью, эти ограничения может снять любой владелец устройства, имея на нём права суперпользователя (иногда также может понадобиться установка сторонней прошивки ядра). Важное замечание: ядро как вычислительный элемент и ядро как часть прошивки устройства на английском языке имеют разные названия (core и kernel соответственно), но на русском обозначаются одинаково.

Конечно, на этом полный список характеристик любого процессора не заканчивается, но оставшиеся слишком специфичны для того, чтобы их было необходимо знать каждому пользователю.

Графические ускорители

Как и обещали в самом начале, мы не обойдём стороной ещё один немаловажный компонент SoC – графический процессор (GPU) или графический ускоритель. Нетрудно догадаться, что этот компонент отвечает за графическую производительность устройства и используется, в первую очередь, в играх. Соответственно, чем лучше GPU, тем более качественные трёхмерную графику и текстуры, а также быстродействие (или fps), можно получить. Также, графический ускоритель можно использовать и для отрисовки интерфейса операционной системы, но, в случае с Android OS производители коммуникаторов такой возможности могут и не давать, хотя зачастую умельцам удаётся её включить в неофициальных прошивках. Для выделения собственного GPU среди других некоторые производители могут заявить о высоких характеристиках их ускорителей, например о количестве так называемых “графических ядер” (у Nvidia Tegra 4 их аж 72), но обычно это всего лишь маркетинг. Главное значение для пользователя имеет лишь сам используемый графический процессор.

Компания ARM разрабатывает GPU серии Mali, но сторонним производителям чипов ничто не мешает использовать собственные графические ускорители. Так поступает, прежде всего, компания Nvidia, которая делает ставку именно на GPU при позиционировании чипов Tegra. В качестве другого примера можно привести крупнейшего производителя SoC, компанию Qualcomm, в процессорах которой используются графические ускорители серии Adreno.

Особенности процессоров в разных ОС

В настоящее время всё описанное выше многообразие процессоров можно найти, прежде всего, в коммуникаторах под управлением Android OS. Эта операционная система является открытой, то есть, любой производитель может использовать её в любых устройствах. Поэтому и применяться в Android-устройствах могут как сверхбюджетные одноядерные процессоры малоизвестных компаний с рабочей частотой ниже 1 ГГц, так и ультрамощные четырёхъядерные чипы (причём, ARM утверждает, что это ещё не предел) с частотой выше 2 ГГц (такими будут процессоры Qualcomm Snapdragon 800). Похоже, что подобная ситуация будет складываться в дальнейшем и с новыми ОС вроде Canonical Ubuntu или Mozilla Firefox OS, чей исходный код также доступен всем желающим.

Подобно Android, дела схожим образом обстоят и у Microsoft Windows Phone, но с некоторыми существенными отличиями. Дело в том, что Microsoft намеренно устанавливает рамки для устройств на своей операционке, несмотря на то, что производители всё равно имеют довольно широкий выбор. Возможно, это даже к лучшему: с одной стороны, компании не могут выпустить WP-смартфон с слишком низкими характеристиками, на котором подтормаживать будет даже стандартный интерфейс, а с другой стороны – конечные потребители не будут переплачивать за “лишние” гигагерцы и ядра, которые будут простаивать без дела. Вообще, причина того, что Android-смартфонам необходимы быстрые четырёхъядерные процессоры, в то время как другие операционки работают хорошо и на относительно “средних” двухъядерных кроется гораздо глубже, нежели в производительности “железа”, но затрагивать принципы работы ОС в рамках этого материала мы не будем. К чему всё это? Дело в том, что обратной стороной политики Microsoft является маркетинг: большинство пользователей, далёких от мира высоких технологий, скорее купят смартфон с процессором с большим количеством ядер и большей тактовой частотой, что предлагают именно производители Android-коммуникаторов.

Особняком стоят операционные системы Apple iOS и Blackberry OS. Компании Apple и Blackberry разрабатывают эти ОС только для собственных устройств и планомерно увеличивают их производительность в соответствии с реальными потребностями. В результате, современные трёхмерные игры идут с максимальным качеством графики на процессорах, которые в случае с Android OS считались бы решением для среднего сегмента. Пользователи указанных операционок, в свою очередь, не задумываются о мощности используемых чипов, зная, что покупая последнее устройство в линейке не будут испытывать проблем с производительностью.

Производители процессоров

Большинство современных смартфонов на самых различных операционных системах используют ARM-процессоры, производством которых по лицензиям ARM Limited занимаются сторонние компании. У кого-то это получается лучше, у кого-то – хуже, но признанным лидером среди производителей является Qualcomm. Чипы этой компании, которая предлагает как бюджетные, так и топовые решения, используются в девайсах на Android OS, Windows Phone, BlackBerry OS, Firefox OS и других операционных системах.

Тем не менее, сбрасывать со счетов другие компании было бы глупо. Основным конкурентом Qualcomm является Nvidia, разрабатывающая процессоры из линейки Tegra, направленные на игровую производительность. Такие чипы действительно имеют определённое преимущество перед другими в современных трёхмерных играх, но, вместе с тем, обладают и некоторыми недостатками и, фактически, являются менее универсальными.

Не слишком популярна на западе, лидирующие позиции в Китае занимает компания MediaTek, чьи процессоры используются как в бюджетных, так и топовых китайских смартфонах. По производительности они обычно уступают чипам компаний, ориентированных именно на западный рынок, но, вместе с тем, стоят гораздо дешевле. В отдельную группу можно вынести такие компании как Samsung (Exynos), Huawei (HiSilicon) и Apple, которые разрабатывают процессоры для собственных устройств (хотя Samsung, к примеру, продаёт чипы и некоторым сторонним производителям). Причём, если говорить об Android-устройствах, то в синтетических тестах процессоры Samsung иногда оказываются быстрее чипов Qualcomm. Конкуренция в этой сфере очень высока, и некоторые производители, не выдержав её, уходят с рынка. Так, например, поступила компания Texas Instruments, выпускавшая чипы OMAP. Одним из последних известных гаджетов, использующих такой процессор, можно считать Google Glass.

Читать еще:  Является ли номер мобильного телефона персональными данными

Конечно, производством ARM процессоров занимаются и другие компании, например STMicroelectronics, но среди процессоров в коммуникаторах и планшетах обычно можно встретить продукцию именно указанных поставщиков.

Заключение

Несмотря на то, что ARM является многопрофильной архитектурой, свою популярность она обрела именно в мобильных устройствах, где требуется низкое энергопотребление, в том числе в коммуникаторах и планшетах. Но если компания ARM Limited, занимающаяся разработками в этой области, фактически, является монополистом, то между производителями, создающими процессоры по лицензиям ARM, ведётся непрерывная борьба. Впрочем, это не мешает некоторым компаниям её успешно игнорировать и просто выпускать качественные чипы для своих устройств. Если вы решили при выборе гаджета смотреть на используемый процессор, то помните, это имеет смысл делать не со всеми операционными системами. К тому же, кроме чипов, имеется множество других характеристик, отличительных для каждого сегмента устройств, но при выборе флагманского коммуникатора действительно можно обратить внимание именно на используемый процессор. В этом материале мы обсудили основные характеристики мобильных чипов и лишь поверхностно коснулись предложений различных компаний. Тем не менее, такие гиганты как ARM и Qualcomm заслуживают более подробного рассказа, и мы обязательно уделим им внимание в ближайшее время.

Архитектуры мобильных устройств: Мобильное противостояние

На рынке «больших» компьютеров правит архитектура x86, тогда как мобильные решения захвачены разработками концерна ARM. Так ждут ли нас перемены?

С момента появления самых первых персональных компьютеров конкурентная борьба процессорных гигантов переживала множество обострений. Принято считать, что основным законодателем развития персоналок была компания Intel со своей архитектурой x86, хотя в те времена существовала масса других решений, многие из которых так или иначе дожили до наших дней.

Сейчас мы имеем относительно стабильную ситуацию: на рынке «больших» компьютеров правит архитектура x86, тогда как мобильные решения захвачены разработками концерна ARM. Так ждут ли нас перемены?

Вполне возможно. Развитие технологий и колебания рынка привели к ситуации, когда специалисты всерьез обсуждают возможность обострения конкуренции между процессорами ARM и x86.

Процессоры ARM впервые появились в 1978 году, когда была создана британская компания Acorn Computers. Под маркой Acorn выпускались несколько чрезвычайно популярных на местном рынке моделей персональных компьютеров на основе восьмибитных чипов MOS Tech 6502. Этот же ЦП, кстати, стоял в Apple I и II и Commodore PET.

Однако с появлением более совершенной модели 6510, которая в 1982 году стала устанавливаться в Commodore 64, линейка компьютеров Acorn, включая популярнейший образовательный BBC Micro, потеряла актуальность. Это подтолкнуло владельцев Acorn к созданию собственного процессора на базе архитектуры 6502, который позволил бы на равных конкурировать с машинами класса IBM PC.

Проект под названием Acorn RISC Machine (ARM) был создан в октябре 1983 года. Разработку возглавили Уилсон и Фербер — их основной целью было достижение низкой латентности обработки прерывания, как у MOS Technology 6502. Архитектура доступа к памяти, взятая от 6502, позволила разработчикам достичь хорошей производительности без использования дорогостоящего в реализации модуля DMA. Первый процессор был произведен компанией VLSI 26 апреля 1985 года — тогда он впервые заработал и был назван ARM1, а первые серийные процессоры под названием ARM2 стали доступны уже в 1986 году. Кристалл ARM2 состоял из 30 000 транзисторов, и эта компактность конструкции сопровождает нас до сих пор: у ARMv7 всего на 5000 транзисторов больше.

В отличие от Intel или AMD, корпорация сама ничего не производит, предпочитая продавать это право другим. Среди компаний, обладающих лицензиями, есть те же Intel и AMD, а также VIA Technologies, IBM, NVIDIA, Nintendo, Texas Instruments, Freescale, Qualcomm, Samsung и, конечно же, Apple.

До недавнего времени ARM-процессоры были 32-битными, и лишь в конце прошлого года был представлен первый процессор ARMv8, поддерживающий 64-разрядные вычисления. Он основан на ядре Cortex-A57/A53 и имеет следующие ключевые особенности: поддержка исполнения команд с изменением последовательности; 44-битная виртуальная адресация памяти; поддержка до 16 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4); 48 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 32 Кбайт кеш-памяти L1 для данных; мультимедийный SIMD-движок NEON; от 128 Кбайт до 2 Мбайт кеш-памяти L2 (с поддержкой ECC); 128-бит CoreLink Interconnect (CCI-400 и CCN-504).

В отличие от процессоров ARM, основанных на базе архитектуры RISC (Reduced Instruction Set Computer), ЦПУ x86 используют CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть полный набор инструкций), в котором каждая инструкция может выполнять сразу несколько низкоуровневых операций.

История возникновения семейства x86 началась в 1978 году, когда была представлена 16-разрядная модель Intel 8086. Сначала он работал на частоте 4,77 МГц, которая позднее была увеличена сперва до восьми, а затем до 10 МГц. Этот процессор изготавливался по 3-мкм технологии и имел 29 000 транзисторов.

Сейчас, говоря об архитектуре x86, мы подразумеваем процессоры Intel, хотя в те годы ситуация была далеко не столь проста. Дело в том, что эти чипы стали основой IBM PC, построенных по принципу открытой архитектуры. Соответственно, производить (и продавать) такие компьютеры хотели многие компании, процессоров на всех не хватало и, естественно, тут же нашлись специалисты, научившиеся копировать дефицитные микросхемы. Происходило это во всем мире, не исключая СССР – отечественные инженеры смогли создать чип КР1834ВМ86, не уступавший заокеанскому аналогу.

Впрочем, 32-битными процессоры x86 стали лишь в 1985 году, когда был представлен первый 80386. В 1989 году Intel выпустила скалярный (то есть выполняющий одну операцию за один такт) чип i486, в котором появились встроенная кэш-память и блок вычислений с плавающей запятой FPU. Процессоры Pentium, представленные в 1993 году, стали суперскалярными (то есть выполняющими несколько операций за такт) и суперконвейерными (в них было два конвейера).

Формально главным отличием линеек ARM и x86 является набор инструкций RISC и CISC. Однако начиная с модификации Intel 486DX, микросхемы x86, сохраняя совместимость со всеми предыдущими наборами команд, демонстрируют максимальную производительность лишь с ограниченным набором простых инструкций, который напоминает пресловутый набор RISC-команд. Впрочем, есть и другие отличия – так, сейчас x86 являются универсальными ЦПУ, имеющими множество блоков и модулей, предназначенных для реализации любых поставленных задач, начиная от обработки текстовых файлов и заканчивая работой с трехмерной графикой. В то же время ARM, ориентированные на использование в смартфонах, планшетах и других портативных устройствах имеют другие возможности и ориентированы на иные цели.

Разумеется, если сравнивать топовые модификации x86 и ARM, результат окажется плачевным для последних, ибо вычислительная мощность Core i7 существенно превосходит скромные возможности новейшего Apple A7. Однако на рынке мобильных устройств ситуация далеко не столь однозначна. Все, что может предложить Intel, это семейство процессоров Atom, тогда как ведущие компании успешно осваивают выпуск довольно мощных решений на ядре Cortex A-53 и A-57.

Интересно, что если большинство «настольных» процессоров Intel используют внеочередное выполнение команд, Atom работает по принципу последовательного исполнения инструкций. Неудивительно, ведь в его основе лежит модифицированное ядро, унаследованное от первых Pentium. Чип адаптировали под новый техпроцесс, добавили возможность исполнения 64-битного кода и мультимедийных инструкций, а также кэш-память второго уровня и поддержку многопоточного исполнения (SMT, аналог Hyper-threading). Однако как говорилось выше, для удешевления конструкции было решено отказаться от внеочередного исполнения команд, что не лучшим образом сказалось на производительности данного решения.

Переломным моментом может стать решение Intel, озвученное исполнительным директором корпорации Полом Отеллини (Paul Otellini) на ежегодной встрече с инвесторами в Санта Клара. По его словам, уже сейчас многие отраслевые специалисты интересуются, на какую долю рынка смартфонов и планшетов рассчитывает Intel. Соответственно, теперь основная задача компании сделать свои чипы привлекательными настолько, чтобы основные игроки рынка больше не смогли их игнорировать. Например, компания Apple использует процессоры Intel только в своих ноутбуках и настольных ПК, а в смартфонах и планшетах использует ARM-чипы собственной разработки. В Intel надеются, что в скором времени ситуация изменится в их пользу. Такая уверенность базируется на применении передовых технологий и огромном научно-производственном потенциале компании.

Конечно, это всего лишь слова – даже такой могущественной корпорации будет очень сложно догнать конкурентов, несколько десятилетий успешно работающих в сфере мобильных технологий. Однако оснований для оптимизма по завоеванию мобильного рынка у компании Intel более чем достаточно.

Преимущество может заключаться в том, что разрабатываемые Intel решения для мобильных устройств опираются на ту же архитектуру, что и в настольных процессорах, обеспечивая тем самым высокую производительность, а планируемый в этом году переход к 14-нм технологиям должен раз и навсегда решить проблему энергопотребления.

В то же время тайваньская компания MediaTek, известная недорогими решениями для смартфонов и планшетных компьютеров, анонсировала в этом году новую платформу для устройств указанных типов – MT6595. В новом чипсете используется концепция ARM big.LITTLTE, подразумевающая применение кластеров из процессорных ядер. В MT6595 предусмотрены четыре мощных ядра ARM Cotrex-A17, а также четыре экономичных ядра Cortex-A7. Судя по всему, все ядра могут работать параллельно – это одна их самых сложных реализаций ARM big.LITTLTE. За обработку графики в MT6595 отвечает ускоритель PowerVR Series 6 от Imagination Technologies.

Так стоит ли нам ожидать в ближайшее время обострение конкурентной борьбы между семействами процессоров ARM и x86? Вопрос довольно сложный. С одной стороны, Intel при желании, скорее всего, сможет модернизировать свои решения на базе Atom, доведя их до совершенства, с другой – не факт, что это сможет заинтересовать производителей популярных смартфонов и планшетов. Дело в том, что производственные мощности компании не безграничны, тогда как выпуск процессоров с ARM-архитектурой рассредоточен по всему миру. Рынок мобильных устройств, выпускаемых сейчас, исчисляется миллиардами, поэтому Intel, с ее нежеланием лицензировать свои решения, скорее всего, просто не сможет обеспечить требуемое количество процессоров – такая ситуация уже возникала в конце прошлого века.

Читать еще:  Что такое vpn на андроиде

Виды популярных архитектур процессоров

    Статьи , 16 июля 2018 в 16:30

Прежде чем рассмотреть основные виды архитектур процессоров, необходимо понять, что это такое. Под архитектурой процессора обычно понимают две совершенно разные сущности.

С программной точки зрения архитектура процессора — это совместимость с определённым набором команд (Intel x86), их структуры (система адресации, набор регистров) и способа исполнения (счётчик команд).

Говоря простым языком, это способность программы, собранной для архитектуры x86, работать практически на любой x86-совместимой системе. При этом такая программа не будет работать, например, на ARM системе.

С аппаратной точки зрения архитектура процессора — это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (Skylake – процессоры Intel Core 5 и 6 поколений).

Виды архитектур

В этой статье мы рассмотрим самые распространенные и актуальные архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров.

Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее.

Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине.

Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах.

Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам. Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор.

Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Виртуальные архитектуры

Но раз нельзя запустить программу одной архитектуры на другой, то откуда берутся магические JAR-файлы, которые можно запустить на любой машине? Это пример виртуальной JVM-архитектуры, которая, по сути, эмулируется на целевой реальной машине. Поэтому достаточно JVM-машины для целевой архитектуры для запуска на ней любой Java-программы. Другим примером виртуальной архитектуры является .NET CIL.

Из минусов виртуальных архитектур можно выделить меньшую производительность по сравнению с реальными архитектурами. Этот минус нивелируется с помощью JIT- и AOT-компиляции. Однако большим плюсом будет кроссплатформенность.

Дальнейшим развитием этих архитектур стали гибридные архитектуры. Например современные x86_64 процессоры хотя и CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд. Какое дальнейшее развитие получат архитектуры процессора, покажет только время.

Что такое архитектура процессора, какая бывает и используется в смартфонах

С момента изобретения первых электронно-вычислительных машин в первой половине 20 века произошла только одна истинная революция. Случилось это в 50-60-х годах, когда на смену громоздким вакуумным лампам пришли полупроводниковые технологии. Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов (техпроцесс), и увеличивается их количество на кристалле.

В условиях использования единой технологии (и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко) единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи — стало изобретение различных архитектур ЦП.

Что такое архитектура процессора

Архитектура процессора — это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом. Если еще более упрощенно, то архитектура — это схема, по которой устроен процессор.

За все время было создано много различных архитектур. Самые популярные из них — CISC, MISC, VLIW и RISC. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Сейчас активно используются конвейерные архитектуры CISC и RISC.

Как работает архитектура процессора

В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором — производится чтение данных из памяти, на третьем — осуществляется вычислительная операция, а на четвертой — выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается — он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса — конвейер двигается дальше. Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый — опять прикручивает ступицы на следующей машине.

Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер — тем больше операций выполняется за такт (1 герц частоты процессора). В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера — это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин. Чем больше мегагерц — тем быстрее движется лента, тем быстрее работают сборщики. Однако если первый работник что-то сделает не так — получится брак, машину придется собирать заново.

В процессоре все аналогично: если на раннем этапе конвейера происходит ошибка — конвейер нужно перезапускать. Это замедляет производительность и приводит к пустым тратам энергии. Так как для компактных и мобильных устройств энергоэффективность очень важна — специально для них была создана архитектура RISC. От CISC она отличается упрощенным набором команд, которые принимает процессор, и укороченным конвейером. Такая особенность приводит к снижению производительности на фоне CISC (а компьютерные x86-процессоры Intel и AMD построены на ней), но позволяет минимизировать пустую трату энергии.

Архитектура процессоров ARM

Всевозможные MIPS, PowerPC, SPARC и прочие архитектуры типа RISC оставим IT-специалистам. Когда дело касается смартфонов — стоит детальнее уделить внимание ARM, Это — разновидность RISC архитектуры с коротким конвейером, которая является одной из самых распространенных и удачных. Именно ARM использует большинство производителей (Qualcomm, MediaTek, Apple, Samsung, Huawei-HiSilicon и другие). Только Intel в своих SoC атом используют x86-совместимые CISC ядра.

Особенностью ARM процессоров является использование короткого конвейера. Его длина составляет 3 и более этапов, что немного на фоне десятков стадий у CISC. За счет этого сбои в работе конвейера минимально сказываются на скорости обработки программ, максимально эффективно нагружая каждый такт. Поэтому именно ARM стала самой популярной архитектурой процессоров для смартфонов и планшетов.

Архитектура и микроархитектура процессора

Довольно часто в СМИ и интернете происходит путаница между понятиями архитектуры и микроархитектуры процессора. Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура — это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура — всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой.

Виды микроархитектур ARM для смартфонов

Большинство чипсетов для смартфонов содержат процессоры, созданные на ARM, а именно — микроархитектурах семейства Cortex и других. Список актуальных версий и их отличия приведены ниже.

    Cortex A7. Устаревающая микроархитектура процессоров для смартфонов. Отличается низким энергопотреблением, имеет конвейер из 8-10 этапов. Не умеет работать с 64-битными инструкциями. Относится к семейству ARMv7.

Читать еще:  Как прошить китайский планшет

Cortex A73. Развитие предыдущей версии, сохраняет основные принципы этой архитектуры, но является более продуктивной и энергоэффективной.

Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы

Поделитесь в соцсетях:

Первые чипы ARM появились еще три десятилетия назад благодаря стараниям британской компании Acorn Computers (ныне ARM Limited), но долгое время пребывали в тени своих более именитых собратьев – процессоров архитектуры х86. Все перевернулось с ног на голову с переходом IT-индустрии в пост-компьютерную эпоху, когда балом стали править уже не ПК, а мобильные гаджеты.

Особенности архитектуры ARM

Начать стоит, пожалуй, с того, что в процессорной архитектуре x86, которую сейчас используют компании Intel и AMD, применяется набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоть и не в чистом виде. Так, большое количество сложных по своей структуре команд, что долгое время было отличительной чертой CISC, сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. Понятное дело, на всю эту цепочку действий уходит немало энергии.

Чип ARM1 – первенец компании Acorn Computers, который производился на фабриках VLSI

В качестве энергоэффективной альтернативы выступают чипы архитектуры ARM с набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Его преимущество в изначально небольшом наборе простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами. Как результат, сейчас на рынке потребительской электроники мирно (на самом деле, не очень мирно) уживаются две процессорные архитектуры – х86 и ARM, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Первым в истории устройством на базе процессора архитектуры ARM был персональный компьютер BBC Micro

Архитектура х86 позиционируется как более универсальная с точки зрения посильных ей задач, включая даже столь ресурсоемкие, как редактирование фотографий, музыки и видео, а также шифрование и сжатие данных. В свою очередь архитектура ARM «выезжает» за счет крайне низкого энергопотребления и в целом-то достаточной производительности для важнейших на сегодня целей: прорисовки веб-страниц и воспроизведения медиaконтента.

Архитектурные отличия процессоров x86 (набор команд CISC) и ARM (набор команд RISC)

Бизнес-модель компании ARM Limited

Сейчас компания ARM Limited занимается лишь разработкой референсных процессорных архитектур и их лицензированием. Создание же конкретных моделей чипов и их последующее массовое производство – это уже дело лицензиатов ARM, которых насчитывается превеликое множество. Есть среди них как известные лишь в узких кругах компании вроде STMicroelectronics, HiSilicon и Atmel, так и IT-гиганты, имена которых у всех на слуху – Samsung, NVIDIA и Qualcomm. С полным списком компаний-лицензиатов можно ознакомиться на соответствующей странице официального сайта ARM Limited.

Только компаний, получивших лицензию на производство чипов семейства ARM Cortex-A, насчитается несколько десятков, а ведь в портфолио ARM Limited есть и другие разработки

Столь большое число лицензиатов вызвано в первую очередь обилием сфер применения ARM-процессоров, причем мобильные гаджеты – это лишь вершина айсберга. Недорогие и энергоэффективные чипы используется во встраиваемых системах, сетевом оборудовании и измерительных приборах. Платежные терминалы, внешние 3G-модемы и спортивные пульсометры – все эти устройства основаны на процессорной архитектуре ARM.

Российская компания «ПКК Миландр» со штаб-квартирой в Зеленограде, что интересно, тоже получила лицензию на производство чипов архитектуры ARM

По подсчетам аналитиков, сама ARM Limited зарабатывает на каждом произведенном чипе $0,067 в виде роялти. Но это сильно усредненная сумма, ведь по себестоимости новейшие многоядерные процессоры значительно превосходят одноядерные чипы устаревшей архитектуры.

Однокристальная система

С технической точки зрения называть чипы архитектуры ARM процессорами не совсем верно, ведь помимо одного или нескольких вычислительных ядер они включают целый ряд сопутствующих компонентов. Более уместными в данном случае являются термины однокристальная система и система-на-чипе (от англ. system on a chip).

Так, новейшие однокристальные системы для смартфонов и планшетных компьютеров включают контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Узкоспециализированные чипы могут включать дополнительные контроллеры для взаимодействия с периферийными устройствами, например датчиками.

Схема строения однокристальной системы с четырьмя ядрами ARM Cortex-A9

Отдельные компоненты однокристальной системы могут быть разработаны как непосредственно ARM Limited, так и сторонними компаниями. Ярким тому примером являются графические ускорители, разработкой которых помимо ARM Limited (графика Mali) занимаются Qualcomm (графика Adreno) и NVIDIA (графика GeForce ULP).

Не стоит забывать и про компанию Imagination Technologies, которая ничем другим, кроме проектирования графических ускорителей PowerVR, вообще не занимается. А ведь именно ей принадлежит чуть ли не половина глобального рынка мобильной графики: гаджеты Apple и Amazon, планшетники Samsung Galaxy Tab 2, а также недорогие смартфоны на базе процессоров MTK.

Устаревшие поколения чипов

Морально устаревшими, но все еще широко распространенными процессорными архитектурами являются ARM9 и ARM11, которые принадлежат к семействам ARMv5 и ARMv6 соответственно.

ARM9. Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц и, скорее всего, именно они установлены внутри вашего беспроводного маршрутизатора и старенького, но все еще надежно работающего мобильного телефона вроде Sony Ericsson K750i и Nokia 6300. Критически важным для чипов ARM9 является набор инструкций Jazelle, который позволяет комфортно работать с Java-приложениями (Opera Mini, Jimm, Foliant и др.).

ARM11. Процессоры ARM11 могут похвастаться расширенным по сравнению с ARM9 набором инструкций и куда более высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц), хотя для современных задач их мощности тоже не достаточно. Тем не менее, благодаря невысокому энергопотреблению и, что не менее важно, себестоимости, чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня: Samsung Galaxy Pocket и Nokia 500.

Чип Broadcom Thunderbird – один из немногочисленных представителей поколения ARM11, который до сих пор применяется в Android-смартфонах

Современные поколения чипов

Все более-менее новые чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений. Лишь компании Qualcomm и Apple создали собственные модификации на основе ARMv7 – первая назвала свои творения Scorpion и Krait, а вторая – Swift.

Чип Apple A6 (ядро Swift) – первая попытка Купертино собственноручно модифицировать архитектуру ARMv7

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11. К тому же, ядро Cortex-A8 получило сопроцессор NEON для обработки видео высокого разрешения и поддержку плагина Adobe Flash.

Правда, все это негативно сказалось на энергопотреблении Cortex-A8, которое значительно выше чем у ARM11. Несмотря на то, что чипы ARM Cortex-A8 до сих пор применяются в бюджетных планшетниках (однокристальная система Allwiner Boxchip A10), их дни пребывания на рынке, по всей видимости, сочтены.

Однокристальная система TI OMAP 3 – представитель некогда популярного, но сейчас уже угасающего поколения ARM Cortex-A8

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

Сопроцессор NEON стал уже необязательным: компания NVIDIA в своей однокристальной системе Tegra 2 его упразднила, решив освободить побольше места для графического ускорителя. Правда, ничего хорошего из этого не вышло, ведь большинство приложений-видеопроигрывателей все равно ориентировались на проверенный временем NEON.

Именно во времена «царствования» Cortex-A9 появились первые реализации предложенной ARM Limited концепции big.LITTLE, согласно которой однокристальные системы должны иметь одновременно мощные и слабые, но энергоэффективные процессорные ядра. Первой реализацией концепции big.LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 с четырьмя ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) и пятым энергоэффективным ядром-компаньоном (500 МГц) для выполнения простеньких фоновых задач.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

Схема строения однокристальной системы c четырьмя ядрами ARM Cortex-A5

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Первой массовой однокристальной системой Cortex-A15 стала двухъядерная Exynos 5250, которая применяется в планшетнике Google Nexus 10 и лэптопе Samsung Chromebook

Очень скоро в продажу поступят многочисленные гаджеты на базе NVIDIA Tegra 4 с четырьмя ядрами ARM Cortex-A15 и пятым ядром-компаньоном Cortex-A7. Вслед за NVIDIA концепцию big.LITTLE подхватила компания Samsung: «сердцем» смартфона Galaxy S4 стал чип Exynos 5 Octa с четырьмя ядрами Cortex-A15 и таким же количеством энергоэффективных ядер Cortex-A7.

Схема однокристальной системы big.LITTLE с процессорными ядрами ARM Cortex-A15 (big) и Cortex-A7 (LITTLE)

Дальнейшие перспективы

Мобильные гаджеты на базе чипов Cortex-A15 еще толком не появились в продаже, а основные тенденции дальнейшего развития архитектуры ARM уже известны. Компания ARM Limited уже официально представила следующее семейство процессоров ARMv8, представители которого в обязательном порядке будут 64-разрядными. Открывают новую эпоху RISC-процессоров ядра Cortex-A53 и Cortex-A57: первое энергоэффективное, а второе высокопроизводительное, но оба способны работать с большими объемами оперативной памяти.

Производители потребительской электроники семейством процессоров ARMv8 пока особо-то не заинтересовались, но на горизонте вырисовались новые лицензиаты, планирующие вывести чипы ARM на серверный рынок: AMD и Calxeda. Идея новаторская, но вполне имеет право на жизнь: те же графические ускорители NVIDIA Tesla, состоящие из большого числа простых ядер, на практике доказали свою эффективность как серверных решений.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector