Процессоры для мобильных устройств и гаджетов.

Введение

Актуальность исследования процессоров для мобильных устройств и гаджетов обусловлена тем, что:
― в современной жизни широко используются всевозможные мобильные устройства: смартфоны, КПК, планшеты, GPS-навигаторы, игровые приставки и консоли;
― сегодня никого уже не удивляет девайс с большой диагональю экрана и с совершенно невообразимым разрешением в 4 к; то, что на сравнительно маленьком и тонком устройстве без проблем работают «тяжелые» 3D-игры с умопомрачительной графикой; наличие фото- и видеокамер, разрешающая способность которых уже давно измеряется не одним десятком мегапикселей, снимающих видео высокой четкости и делающие потрясающие фотографии, по качеству не уступающие многим профессиональным «зеркалкам» ;
― тем не менее, различные корпорации борются за то, чтобы всяческими способами усовершенствовать процессоры, вводя все более оригинальные и уникальные новшества.
Целью настоящей работы является исследование процессоров для мобильных устройств и гаджетов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
― осветить историю развития микропроцессоров ARM;
― рассмотреть основные характеристики микропроцессоров;
― изучить микропроцессоры с ARM архитектурой;
― раскрыть принцип работы ARM микропроцессоров;
― проанализировать особенности архитектуры ARM;
― показать основные достоинства процессоров ARM.
В основу работы легли труды таких известных авторов, как А.В. Валов, А.Ф. Иванько, Б.Ю. Королев, В.Я. Хартов, и других.

1. История развития микропроцессоров ARM

В начале 80-х гг. XX века, британской корпорацией British Broadcasting Corporation (BBC), было принято решение создать микрокомпьютер, предназначенный, прежде всего, для обучения детей в школах страны компьютерной грамоте. Выпускался этот микрокомпьютер гигантом электронной промышленности Великобритании, компанией Acorn Computers, и получил незамысловатое, но достаточно емкое название, BBC Microcomputer, или BBC Micro. Попав на рынок уже в 1981 году, компьютер сразу получил широкую популярность, и его производство не останавливалось до 1994 года, хотя на рынок Америки ВВС выйти все же не смогла в связи с засилием там Apple II . В сердце этого компьютера работал активно применяющийся в то время микропроцессор MOS Technology 6502, который весьма широко использовался тогда в различных цифровых устройствах, например, в игровой консоли NES/Famicom.
Такого хорошего микропроцессора было достаточно для решения простых задач (простейшего программирования на языке Basic, обучения детей печати), но для решения более сложных задач бизнеса мощности чипа было недостаточно. Для решения серьезных бизнес-задач компьютеру был такой нужен графический интерфейс, который имеющийся процессор не вытягивал. Соответственно, возникала необходимость в сопроцессоре, способном справиться с подобными задачами, но данный компонент получался дорогостоящим, и его установка в компьютеры компании BBC обозначала значительное повышение и без того высокой стоимости, и, как следствие, утрату конкурентоспособности по сравнению с компанией IBM и ее набирающим популярность IBM PC, так как каждый пользователь при выборе устройства ищет устройство самого лучшего качества по самой низкой стоимости.
Практически в это же время в калифорнийском университете в Беркли появился проект по созданию RISC-процессора ― процессора, выполняющего только простые функции, необходимые для решения конкретных задач. Этот проект позволял значительно снизить стоимость производства чипов, не снижая при этом производительность. Компания Acorn Computers, узнав о новшестве и видя в нем решение своей проблемы, решила создать свой собственный уникальный микропроцессор, который бы существенно повысил ее конкурентоспособность. С целью создания принципиально новой архитектуры процессора Acorn Computers заключила договор о партнерстве с компанией VLSI Technology. В итоге, на выходе получился продукт, получивший название Acorn RISC Machines ― ARM.
В дальнейшем, история развития и совершенствования микропроцессоров ARM становится очень запутанной из-за различных манипуляций с переименованием, объединением и основанием новых компаний. Была основана еще одна, получившая имя ARM Holdings PLC, которая стала основной, управляющей компанией, безраздельно владеющей правами на архитектуру ARM, а разрабатывающую фирму переименовали из Advanced RISC Machines Ltd в просто ARM Ltd.
Так же, у ARM появилась своя специфика маркировки. После ARM1 и ARM2 закономерно появился следующий, который назывался, само собой, ARM6. На первый взгляд, это конечно, может сбить с толку, но все объясняется достаточно просто. Нужно лишь различать архитектуру (Architecture) и семейство (Family). Архитектура, например, ARMvl включает в себя семейство ARM1, архитектура ARMv2 состоит из семейств ARM2 и ARM3, архитектура ARMv3 ― из ARM6 и ARM7 и так далее, перечислять все нет смысла, и так понятно, что логически решение разработчиков понять невозможно.
Однако факт остается фактом ― после появления микропроцессоров ARM они успешно развивались, дорабатывались и улучшались. И даже на сегодняшний день весь потенциал ARM не раскрыт в полной мере. А применение данной архитектуры не ограничивается одними только смартфонами и планшетными компьютерами. Около 90% рынка встраиваемых систем безраздельно принадлежат архитектуре ARM.
2

. Основные характеристики микропроцессоров

Производительность микропроцессоров напрямую зависит от их основных характеристик.
Одной из основных характеристик процессоров, предназначенных для любых устройств, является его частота, под которой подразумевается это количество элементарных операций, выполняемых процессором в течение одной секунды. Частота измеряется в гигагерцах (ГГц) и влияет на производительность и быстроту работы мобильного устройства. Современные мобильные процессоры способны увеличивать и уменьшать собственную частоту в зависимости от нагрузки, поэтому всегда указывается верхний предел частоты процессора.
Не менее важной характеристикой процессора является количество его ядер. Принцип повышения производительности процессора посредством нескольких ядер состоит в том, что осуществляется разбиение выполнения различных задач (потоков) на несколько вычислительных ядер. Почти каждый процесс имеет несколько потоков. Многоядерные решения, в которых над разными задачами могут одновременно трудиться несколько вычислительных блоков, явно лидируют на рынке в настоящее время. Но, тем не менее, при практическом применении большее количество ядер далеко не всегда означает более высокую скорость чипа, так как множество приложений могут одновременно работать лишь с 2-мя ядрами. Поэтому очень часто ядра могут вовсе не использоваться, к примеру, в чипе NVIDIA Tegra 3 пятому ядру предназначена лишь вспомогательная функция обеспечения работы устройства в режиме экономии энергии, то есть, при проверке почты и обработке системных процессов, либо когда телефон находится в режиме ожидания. Остальные четыре вычислительных ядра в это время не используются .
Также каждый микропроцессор характеризуется разрядностью, то есть максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов и архитектурой.
В понятие архитектуры микропроцессора входят: возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора; система команд и способы адресации; принципы и режимы его работы. В целом под архитектурой понимается совокупность следующих характеристик и компонентов:
― имен, состава и назначения программно-доступных регистров;
― разрядности данных и адресов;
― форматов и системы команд;
― способов машинного представления данных разного типа;
― режимов адресации памяти;
― способа адресации внешних устройств и средств выполнения операций ввода / вывода;
― структуры адресного пространства;
― классов прерываний, особенностей инициирования и обработки прерываний.

3. Микропроцессоры с ARM архитектурой

ARM ― это название архитектуры и, в то же время, это название компании, которая ведет ее разработку. Аббревиатура ARM расшифровывается как Advanced RISC Machine или Acorn RISC Machine, что в переводе обозначает «усовершенствованная RISC-машина». ARM архитектура объединяет в себе семейство как 32, так и 64-разрядных микропроцессорных ядер, разработанных и лицензируемых компанией ARM Limited.
Основным видом деятельности компании ARM Limited является исключительно разработка ядер и инструментария для процессоров (компиляторы, средства отладки), но сами процессоры компания не производит. Компания ARM Limited продает лицензии на производство ARM процессоров сторонним фирмам. ARM Holdings за все время своего существования не произвела ни одной микросхемы. Более того, эта компания даже не занимается продвижением продукции под своей маркой. Вместо этого она продает (лицензирует) интеллектуальную собственность, позволяющую другим фирмам разрабатывать и производить чипы на основе архитектуры ARM.
К компаниям, получившим лицензию на производство ARM процессоров на сегодняшний день, относятся: Atmel, AMD, Altera, Intel, Cirrus Logic, Marvell, Samsung, NXP, LG, Qualcomm, MediaTek, Sony Ericsson, Texas Instruments, Freescale, nVidia, и многие другие.
Любая электроника на сегодняшний день работает на базе ARM процессоров: мобильные телефоны и смартфоны, портативные игровые консоли, внешние жесткие диски, маршрутизаторы, цифровые плееры и калькуляторы. Все эти устройства содержат в себе ядро ARM, а значит можно сказать, что ARM - в некоторой степени мобильные процессоры для смартфонов и планшетов. Процессор представляет собой SoC систему.
SoC система может содержать в одном кристалле CPU, и остальные части полноценного компьютера. Это и графическое ядро, и контроллер памяти, и система геопозиционирования, и контроллер портов ввода-вывода. Он может содержать в себе и модуль 3G и многое другое.
Однако, все процессоры даже одного семейства, будь то Cortex-A9 или же любое другое, не имеют одинаковых параметров таких как производительность или наличие GPS модуля. Почти все параметры напрямую зависят непосредственно от производителя чипа и от его решения, каким образом и что он будет реализовывать в своем продукте.
RISC архитектура подразумевает под собой уменьшенный набор команд, что соответственно ведет к очень умеренному энергопотреблению, то есть для реализации микропроцессора с ARM ― структурой используется гораздо меньше транзисторов.
Также стоит отметить, что в SoC-системе все периферийные устройства находится внутри одной микросхемы, что позволяет ARM процессору быть более экономичным в плане энергопотребления.

4. Принцип работы ARM микропроцессоров

Архитектура развивалась с течением времени, и начиная с ARMv7 были определены 3 профиля:
A (application) ― приложения,
R (real time) ― в реальном времени,
M (microcontroller) ― микроконтроллер.
Процессор может находиться в одном из следующих операционных режимов: Usermode ― обычный режим выполнения программ