ARM (архитектура)

Официальный проект Acorn RISC Machine был начат в октябре 1983 года. VLSI Technology была выбрана в качестве поставщика кремниевых компонентов, так как она уже снабжала Acorn микросхемами ПЗУ и некоторыми нестандартными интегральными схемами. 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 VLSI 26 апреля 1985 года — именно тогда он впервые заработал и был назван ARM1. Первые серийные процессоры под названием ARM2 стали доступны в следующем году.

Его первое применение было в качестве второго процессора в BBC Micro, где он был использован при разработке программного обеспечения для моделирования, что позволило завершить работу над вспомогательными микросхемами компьютера, а также ускорить работу программного обеспечения CAD, используемого при разработке ARM2. Уилсон оптимизировала набор инструкций ARM для исполнения BBC BASIC. Изначальная цель компьютера, полностью построенного на базе ARM, была достигнута в 1987 году с выходом Acorn Archimedes.

Атмосфера вокруг проекта ARM была настолько секретна, что когда компания Olivetti вела переговоры о покупке контрольного пакета акций Acorn в 1985 году, они не стали рассказывать о развитии проекта до конца переговоров. В 1992 году Acorn ещё раз выиграл Премию королевы для предприятий за ARM.

В ARM2 была 32-разрядная шина данных, 26-битное адресное пространство и 16 32-разрядных регистров. Программный код должен был лежать в первых 64 мегабайтах памяти, а программный счётчик был ограничен 26 битами, так как верхние 4 и нижние 2 бит 32-битного регистра служили флагами. ARM2 стал, возможно, самым простым из популярных 32-битных процессоров в мире, имея всего лишь 30 тысяч транзисторов (для сравнения, в сделанном на 6 лет раньше процессоре Motorola 68000 было 68 тысяч транзисторов). Многое из этой простоты обусловлено отсутствием микрокода (который в процессоре 68000 занимает от одной четверти до одной трети площади кристалла) и отсутствием кэша, как и во многих процессорах того времени. Эта простота привела к низким затратам энергии, в то время как ARM был гораздо более производителен, чем Intel 80286[9]. У его преемника — процессора ARM3 — уже был кэш 4 кб, что ещё больше увеличило производительность.

В конце 1980-х годов Apple Computer и VLSI Technology начали работать с Acorn Computers над новыми версиями ядра ARM. Работа была настолько важна, что Acorn преобразовала команду разработчиков в 1990 году в новую компанию под названием Advanced RISC Machines. По этой причине ARM иногда расшифровывают как Advanced RISC Machines вместо Acorn RISC Machine. Advanced RISC Machines стала ARM, когда её родительская компания ARM Holdings вышла на Лондонскую фондовую биржу и NASDAQ в 1998 году.

Новая работа Apple-ARM в конечном итоге превратилась в ARM6, впервые выпущенный в 1992 году. Apple использовала основанный на базе ARM6 процессор ARM610 в качестве основы для своего продукта Apple Newton PDA. В 1994 году Acorn стала использовать ARM610 как главный процессор в своих компьютерах RISC PC. Компания DEC также купила лицензию на архитектуру ARM6 (чем вызвала небольшую путаницу, поскольку они также производили процессоры Alpha) и начала производить StrongARM. На 233 МГц этот процессор требовал всего 1 Вт мощности (более поздние версии требовали гораздо меньше). Позднее Intel получил права на эту работу в результате судебного процесса. Intel воспользовалась возможностью дополнить свою устаревшую линейку I960 процессором StrongARM и позднее разработала свою версию ядра под торговой маркой XScale, которую они впоследствии продали компании Marvell.

Ядро ARM сохранило все тот же размер после всех этих изменений. У ARM2 было 30 тысяч транзисторов, в то время как ARM6 дорос всего лишь до 35 тысяч.

Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов:

• User mode — обычный режим выполнения программ. В этом режиме выполняется большинство программ.
• Fast Interrupt (FIQ) — режим быстрого прерывания (меньшее время срабатывания).
• Interrupt (IRQ) — основной режим прерывания.
• System mode — защищённый режим для использования операционной системой.
• Abort mode — режим, в который процессор переходит при возникновении ошибки доступа к памяти (доступ к данным или к инструкции на этапе prefetch конвейера).
• Supervisor mode — привилегированный пользовательский режим.
• Undefined mode — режим, в который процессор входит при попытке выполнить неизвестную ему инструкцию.

Переключение режима процессора происходит при возникновении соответствующего исключения или же модификацией регистра статуса.

Чтобы сохранить устройство чистым, простым и быстрым, оригинальное изготовление ARM было исполнено без микрокода, как и более простой 8-разрядный процессор 6502, используемый в предыдущих микрокомпьютерах от Acorn Computers.

Режим, в котором исполняется 32-битный набор команд.

ARM Base Instruction Set:[49]

ADC, ADD, AND, B/BL, BIC, CMN, CMP, EOR, LDM, LDR/LDRB, MLA, MOV, MUL, MVN, ORR, RSB, RSC, SBC, STM, STR/STRB, SUB, SWI, SWP, TEQ, TST

Для улучшения плотности кода процессоры, начиная с ARM7TDMI, снабжены режимом «thumb». В этом режиме процессор выполняет альтернативный набор 16-битных команд. Большинство из этих 16-разрядных команд переводится в нормальные команды ARM. Уменьшение длины команды достигается за счёт сокрытия некоторых операндов и ограничения возможностей адресации по сравнению с режимом полного набора команд ARM.

В режиме Thumb меньшие коды операций обладают меньшей функциональностью. Например, только ветвления могут быть условными, и многие коды операций имеют ограничение в виде доступа только к половине главных регистров процессора. Более короткие коды операций в целом дают большую плотность кода, хотя некоторые операции требуют дополнительных команд. В ситуациях, когда порт памяти или ширина шины ограничены 16 битами, более короткие коды операций режима Thumb становятся гораздо производительнее по сравнению с обычным 32-битным ARM-кодом, так как меньший программный код придется загружать в процессор при ограниченной пропускной способности памяти.

Аппаратные средства типа Game Boy Advance, как правило, имеют небольшой объём оперативной памяти, доступной с полным 32-битным информационным каналом. Но большинство операций выполняется через 16-битный или более узкий информационный канал. В этом случае имеет смысл использовать Thumb-код и вручную оптимизировать некоторые тяжелые участки кода, используя переключение в режим полных 32-битных инструкций ARM.

Первым процессором с декодером Thumb-команд был ARM7TDMI. Все процессоры семейства ARM9, а также XScale, имели встроенный декодер Thumb-команд.

Thumb-2 — технология, появившаяся в ARM1156 core, анонсированном в 2003 году. Он расширяет ограниченный 16-битный набор команд Thumb дополнительными 32-битными командами, чтобы задать набору команд дополнительную ширину. Цель Thumb-2 — достичь плотности кода, как у Thumb, и производительности, как у набора команд ARM на 32 битах. Можно сказать, что в ARMv7 эта цель была достигнута.

Thumb-2 расширяет как команды ARM, так и команды Thumb ещё большим количеством команд, включая управление битовым полем, табличное ветвление, условное исполнение. Новый язык «Unified Assembly Language» (UAL) поддерживает создание команд, как для ARM, так и для Thumb из одного и того же исходного кода. Версии Thumb на ARMv7 выглядят, как код ARM. Это требует осторожности и использования новой команды if-then, которая поддерживает исполнение до 4 последовательных команд испытываемого состояния. Во время компиляции в ARM-код она игнорируется, но во время компиляции в код Thumb-2 генерирует команды. Например:

; if (r0 == r1)
CMP r0, r1
ITE EQ ; ARM: no code ... Thumb: IT instruction
; then r0 = r2;
MOVEQ r0, r2 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE 'T' (then)
; else r0 = r3;
MOVNE r0, r3 ; ARM: conditional; Thumb: condition via ITE 'E' (else)
; recall that the Thumb MOV instruction has no bits to encode "EQ" or "NE"

Все кристаллы ARMv7 поддерживают набор команд Thumb-2, а некоторые кристаллы, вроде Cortex-m3, поддерживают только Thumb-2. Остальные кристаллы Cortex и ARM11 поддерживают наборы команд как Thumb-2, так и ARM.

Jazelle — это технология, которая позволяет байткоду Java исполняться прямо в архитектуре ARM в качестве 3-го состояния исполнения (и набора команд) наряду с обычными командами ARM и режимом Thumb. Поддержка технологии Jazelle обозначается буквой «J» в названии процессора — например, ARMv5TEJ. Данная технология поддерживается начиная с архитектуры ARMv6, хотя новые ядра содержат лишь ограниченные реализации, которые не поддерживают аппаратного ускорения.

В конце 2011 года была опубликована новая версия архитектуры, ARMv8. В ней появилось определение архитектуры AArch64, в которой исполняется 64-битный набор команд A64. Поддержка 32-битных команд получила название A32 и исполняется на архитектурах AArch32. Инструкции Thumb поддерживаются в режиме T32, только при использовании 32-битных архитектур. Допускается исполнение 32-битных приложений в 64-битной ОС, и запуск виртуализованной 32-битной ОС при помощи 64-битного гипервизора[50]. Applied Micro, AMD, Broadcom, Calxeda, HiSilicon, Samsung, STM и другие заявили о планах по использованию ARMv8. Ядра Cortex-A53 и Cortex-A57, поддерживающие ARMv8, были представлены компанией ARM 30 октября 2012 года[51].

Как AArch32, так и AArch64, поддерживают VFPv3, VFPv4 и advanced SIMD (NEON). Также добавлены криптографические инструкции для работы с AES, SHA-1 и SHA-256.

Особенности AArch64:

• Новый набор команд A64
• 31 регистр общего назначения, каждый длиной 64 бит
• Отдельные регистры SP и PC
• Инструкции имеют размер 32 бит и многие совпадают с командами A32
• Большинство инструкций работают как с 32-, так и с 64-битными аргументами
• Адреса имеют размер 64 бит
• Улучшения Advanced SIMD (NEON) enhanced
• С 16 до 32 увеличено количество 128-битных регистров, доступных через NEON, VFPv4, криптоинструкции AES, SHA
• Поддерживает вычисления с числами с плавающей запятой двойной точности (64-бит double)
• Полная совместимость с IEEE 754
• Новая система исключений

• Трансляция виртуальных адресов из 48-битного формата работает с помощью существующих механизмов LPAE

Архитектура ARM обладает следующими особенностями RISC:

• Архитектура загрузки/хранения
• Нет поддержки нелинейного (не выровненного по словам) доступа к памяти (теперь поддерживается в процессорах ARMv6, за некоторыми исключениями, и полностью в ARMv7)
• Равномерный 16х32-битный регистровый файл
• Фиксированная длина команд (32 бита) для упрощения декодирования за счет снижения плотности кода. Позднее режим Thumb повысил плотность кода.
• Однотактное исполнение

Чтобы компенсировать простой дизайн, в сравнении с современными процессорами вроде Intel 80286 или Motorola 68020 были использованы некоторые особенности дизайна:

• Арифметические инструкции заменяют условные коды, только когда это необходимо
• 32-битное многорегистровое циклическое сдвиговое устройство, которое может быть использовано без потерь производительности в большинстве арифметических инструкций и адресных расчетов.
• Мощные индексированные адресные режимы
• Регистр ссылок для быстрого вызова функций листьев
• Простые, но быстрые, с двумя уровнями приоритетов подсистемы прерываний с включенными банками регистров.

Одним из существенных отличий архитектуры ARM (изначальная архитектура) от других архитектур ЦПУ является так называемая предикация — возможность условного исполнения команд. Под «условным исполнением» здесь понимается то, что команда будет выполнена или проигнорирована в зависимости от текущего состояния флагов состояния процессора. В Thumb и Arm 64 предикация не используется — в первом режиме для неё нет места в команде (всего 16 бит), а во втором — предикация бессмысленна и сложна для реализации на суперскалярных архитектурах.

В то время как для других архитектур таким свойством, как правило, обладают только команды условных переходов, в архитектуру ARM была заложена возможность условного исполнения практически любой команды. Это было достигнуто добавлением в коды их инструкций особого 4-битового поля (предиката). Одно из его значений зарезервировано на то, что инструкция должна быть выполнена безусловно, а остальные кодируют то или иное сочетание условий (флагов). С одной стороны, с учётом ограниченности общей длины инструкции, это сократило число битов, доступных для кодирования смещения в командах обращения к памяти, но с другой — позволило избавляться от инструкций ветвления при генерации кода для небольших if-блоков.

Пример, обычно рассматриваемый для иллюстрации — основанный на вычитании алгоритм Евклида. В языке C он выглядит так:

while (i != j) {
    if (i > j) {
        i -= j;
    } else {
        j -= i;
    }
}

А на ассемблере ARM — так:

loop CMP Ri, Rj     ; set condition «NE» if (i != j),
                    ;               "GT" if (i > j),
                    ;            or "LT" if (i < j)
SUBGT  Ri, Ri, Rj   ; if "GT" (greater than), i = i-j;
SUBLT  Rj, Rj, Ri   ; if "LT" (less than), j = j-i;
BNE    loop         ; if "NE" (not equal), then loop

Из кода видно, что использование предикации позволило полностью избежать ветвления в операторах else и then. Заметим, что если Ri и Rj равны, то ни одна из SUB-инструкций не будет выполнена, полностью убирая необходимость в ветке, реализующей проверку while при каждом начале цикла, что могло быть реализовано, например, при помощи инструкции SUBLE (меньше либо равно).

Один из способов, которым уплотнённый (Thumb) код достигает большей экономии объёма — это именно удаление 4-битового предиката из всех инструкций, кроме ветвлений.

Другая особенность набора команд — это возможность соединять сдвиги и вращения в инструкции «обработки информации» (арифметическую, логическую, движение регистр-регистр) так, что, например, выражение С:

 a += (j << 2);

может быть преобразовано в команду из одного слова и одного цикла в ARM:

ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2

Это приводит к тому, что типичные программы ARM становятся плотнее, чем обычно, с меньшим доступом к памяти. Таким образом, конвейер используется гораздо более эффективно. Даже несмотря на то, что ARM работает на скоростях, которые многие бы сочли низкими, он довольно-таки легко конкурирует с многими более сложными архитектурами ЦПУ.

ARM-процессор также имеет некоторые особенности, редко встречающиеся в других архитектурах RISC — такие, как адресация относительно счетчика команд (на самом деле счетчик команд ARM является одним из 16 регистров), а также пре- и постинкрементные режимы адресации.

Другая особенность, которую стоит отметить, — это то, что некоторые ранние ARM-процессоры (до ARM7TDMI), например, не имеют команд для хранения 2-байтных чисел. Таким образом, строго говоря, для них невозможно сгенерировать эффективный код, который бы вел себя так, как ожидается от объектов С типа «volatile int16_t».

ARM7 и более ранние версии имеют трехступенчатый конвейер. Это ступени переноса, декодирования и исполнения. Более производительные архитектуры, типа ARM9, имеют более сложные конвейеры. Cortex-a8 имеет 13-ступенчатый конвейер.

Архитектура предоставляет способ расширения набора команд, используя сопроцессоры, которые могут быть адресованы, используя MCR, MRC, MRRC, MCRR и похожие команды. Пространство сопроцессора логически разбито на 16 сопроцессоров с номерами от 0 до 15, причем 15-й зарезервирован для некоторых типичных функций управления, типа управления кэш-памятью и операции блока управления памятью (на процессорах, в которых они есть).

В машинах на основе ARM периферийные устройства обычно подсоединяются к процессору путём сопоставления их физических регистров в памяти ARM или в памяти сопроцессора, или путём присоединения к шинам, которые, в свою очередь, подсоединяются к процессору. Доступ к сопроцессорам имеет большее время ожидания, поэтому некоторые периферийные устройства проектируются для доступа в обоих направлениях. В остальных случаях разработчики чипов лишь пользуются механизмом интеграции сопроцессора. Например, движок обработки изображений должен состоять из малого ядра ARM7TDMI, совмещенного с сопроцессором, который поддерживает примитивные операции по обработке элементарных кодировок HDTV.

Расширение усовершенствованного SIMD, также называемое технологией NEON — это комбинированный 64- и 128-битный набор команд SIMD (single instruction multiple data), который обеспечивает стандартизованное ускорение для медиаприложений и приложений обработки сигнала. NEON может выполнять декодирование аудиоформата mp3 на частоте процессора в 10 МГц, и может работать с речевым кодеком GSM AMR (adaptive multi-rate) на частоте не более 13 МГц. Он обладает внушительным набором команд, отдельными регистровыми файлами, и независимой системой исполнения на аппаратном уровне. NEON поддерживает 8-, 16-, 32-, 64-битную информацию целого типа, одинарной точности и с плавающей запятой, и работает в операциях SIMD по обработке аудио и видео (графика и игры). В NEON SIMD поддерживает до 16 операций единовременно.

Одним из недостатков (или, скажем, особенностью) усовершенствованного SIMD является то, что сопроцессор выполняет команды усовершенствованного SIMD с достаточно значительной задержкой относительно кода основного процессора, задержка достигает двух десятков тактов и более (зависит от архитектуры и конкретных условий). По этой причине при попытке основного процессора воспользоваться результатами вычисления сопроцессора исполнение будет заморожено на значительное время.

Технология VFP (Vector Floating Point, вектора чисел с плавающей запятой) — расширение сопроцессора в архитектуре ARM. Она производит низкозатратные вычисления над числами с плавающей запятой одинарной/двойной точности, в полной мере соответствующие стандарту ANSI/IEEE Std 754—1985 Standard for Binary Floating-Point Arithmetic. VFP производит вычисления с плавающей запятой, подходящие для широкого спектра приложений — например, для КПК, смартфонов, сжатие звука, трёхмерной графики и цифрового звука, а также принтеров и телеприставок. Архитектура VFP также поддерживает исполнение коротких векторных команд. Но, поскольку процессор выполняет операции последовательно над каждым элементом вектора, то VFP нельзя назвать истинным SIMD-набором инструкций. Этот режим может быть полезен в графике и приложениях обработки сигнала, так как он позволяет уменьшить размер кода и выработку команд.

Другие сопроцессоры с плавающей запятой и/или SIMD, находящиеся в ARM-процессорах, включают в себя FPA, FPE, iwMMXt. Они обеспечивают ту же функциональность, что и VFP, но не совместимы с ним на уровне опкодов.

Расширения безопасности, позиционируемые как TrustZone Technology, находятся в ARMv6KZ и других, более поздних, профилированных на приложениях архитектурах. Оно обеспечивает низкозатратную альтернативу добавлению специального ядра безопасности, обеспечивая 2 виртуальных процессора, поддерживаемых аппаратным контролем доступа. Это позволяет ядру приложения переключаться между двумя состояниями, называемыми «миры» (чтобы избежать путаницы с названиями возможных доменов), чтобы не допустить утечку информации из более важного мира в менее важный. Этот переключатель миров обычно ортогонален всем другим возможностям процессора. Таким образом, каждый мир может работать независимо от других миров, используя одно и то же ядро. Память и периферия соответственно изготавливаются с учетом особенностей мира ядра, и могут использовать это, чтобы получить контроль доступа к секретам и кодам ядра. Типичные приложения TrustZone Technology должны запускать полноценную операционную систему в менее важном мире, и компактный, специализированный на безопасности, код в более важном мире, позволяя Digital Rights Management’у намного точнее контролировать использование медиа на устройствах на базе ARM, и предотвращая несанкционированный доступ к устройству.

На практике же, так как конкретные детали реализации TrustZone остаются собственностью компании и не разглашаются, остается неясным, какой уровень безопасности гарантируется для этой модели угроз.

Все современные процессоры ARM имеют аппаратные средства отладки, так как без них отладчики ПО не смогли бы выполнить самые базовые операции типа остановки, отступа, установки контрольных точек после перезагрузки.

Архитектура ARMv7 определяет базовые средства отладки на архитектурном уровне. К ним относятся точки останова, точки просмотра и выполнение команд в режиме отладки. Такие средства были также доступны с модулем отладки EmbeddedICE. Поддерживаются оба режима — остановки и обзора. Реальный транспортный механизм, который используется для доступа к средствам отладки, не специфицирован архитектурно, но реализация, как правило, включает поддержку JTAG.

Существует отдельная архитектура отладки «с обзором ядра», которая не требуется архитектурно процессорами ARMv7.

ARM предоставляет 31 регистр общего назначения разрядностью 32 бит. В зависимости от режима и состояния процессора пользователь имеет доступ только к строго определённому набору регистров. В ARM state разработчику постоянно доступны 17 регистров:

• 13 регистров общего назначения (r0..r12).
• Stack Pointer (r13) — содержит указатель стека выполняемой программы.
• Link register (r14) — содержит адрес возврата в инструкциях ветвления.
• Program Counter (r15) — биты [31:1] содержат адрес выполняемой инструкции.
• Current Program Status Register (CPSR) — содержит флаги, описывающие текущее состояние процессора. Модифицируется при выполнении многих инструкций: логических, арифметических, и др.

Во всех режимах, кроме User mode и System mode, доступен также Saved Program Status Register (SPSR). После возникновения исключения регистр CPSR сохраняется в SPSR. Тем самым фиксируется состояние процессора (режим, состояние; флаги арифметических, логических операций, разрешения прерываний) на момент непосредственно перед прерыванием[52].

Архитектура ARM использует единое адресное пространство[53]. На практике такая схема означает, что адрес может указывать на оперативную память, ROM или порты ввода-вывода, в противовес традиционной схеме, при которой содержимое ROM при запуске копируется в оперативную память, а порты ввода-вывода имеют собственное адресное пространство.

Большинство существующих продуктов с использованием архитектуры ARM представляет собой законченные системы на кристалле, имеющие возможность работы с внешней динамической оперативной памятью (DRAM) и содержащие в себе контроллеры множества периферийных шин, в частности USB, IIC (I2C), звуковые устройства, контроллеры для работы с флэш-носителями стандартов SD и MMC, контроллеры дисплеев и цифровых камер (MIPI).

Все процессоры имеют линии ввода-вывода общего назначения (GPIO). В потребительских устройствах к ним могут быть подключены кнопки «быстрого запуска» и регуляции громкости, сигнальные светодиоды, клавиатура и т. п.

Архитектура ARM поддерживается множеством операционных систем. Наиболее широко используемые: Linux (в том числе Android), iOS, Windows Phone.

Работать на системах с ARM-процессором могут различные Unix и Unix-подобные ОС: Linux (многие дистрибутивы), iOS, Android, BSD (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD), QNX, Plan 9, Inferno, OpenSolaris (2008—2009[54]), Firefox OS, macOS Big Sur.

Также на платформе запускаются отдельные варианты семейства Windows: Windows CE, Windows Phone, Windows RT, Windows 10.

Кроме того, ARM поддерживают: A2, FreeRTOS, Nucleus, Symbian OS, RISC OS, RISC iX.