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Este artículo explicará cómo se organiza la arquitectura de la computadora de Arm, incluyendo su ISA, estados de ejecución, arquitectura y familias de procesadores.

Arm es un nombre omnipresente en la industria de procesadores, y los núcleos de Arm se pueden encontrar en prácticamente cualquier dispositivo moderno que necesite potencia de cálculo. Esto incluye enrutadores de red, impresoras, teléfonos inteligentes, monitores de escritorio, dispositivos médicos, robots e incluso refrigeradores. Los núcleos de brazo ya se utilizan en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales; sin embargo, con la llegada de Armv8, la arquitectura experimentó un cambio fundamental en sus capacidades y potencial de mercado. Si está interesado en Armv8, puede leer fácilmente el Manual de referencia de la arquitectura de brazo más reciente: es una miserable 7500 páginas.

Teniendo esto en cuenta, podría ser una buena idea dar un paso atrás y observar cómo la arquitectura de la computadora de Arm se organiza desde un nivel alto, y cómo Armv8 modificó lo que solíamos saber sobre los núcleos de Arm.

La arquitectura de la computadora del brazo

Debido al hecho de que Arm licencia su arquitectura, hay microarquitecturas diseñadas por Arm y microarquitecturas de terceros. Arm lanza una arquitectura, y otras compañías pueden implementar eso en su propio diseño. De hecho, el manual de referencia de Arm no presenta ninguna microarquitectura específica, sino que define el "comportamiento de una máquina abstracta denominada un elemento de procesamiento". Siempre que las implementaciones se ajusten a este comportamiento definido, pueden considerarse núcleos de brazo. Por ejemplo, compañías como Apple, Nvidia, Qualcomm y Samsung han diseñado sus propias microarquitecturas de brazo, que implementan una arquitectura de brazo específica.

Los núcleos de los brazos se organizan en familias. Las familias encapsulan arquitecturas específicas, que utilizan conjuntos de instrucciones específicos. La familia original de Arm era Arm1, que usaba la arquitectura Armv1, junto con la ISA de 32 bits llamada simplemente Arm.

A medida que la arquitectura creció, se agregaron nuevas características, incluyendo un nuevo conjunto de instrucciones en la arquitectura Armv4T. Este conjunto de instrucciones se llama Thumb y es un subconjunto recodificado de 16 bits de Arm ISA. El pulgar permite una mayor densidad de código que el brazo. Su sucesor, Thumb-2, permite instrucciones de 16 bits y de 32 bits a la vez que ofrece una mayor densidad de código que el brazo y mejoras de rendimiento sobre el pulgar.

Thumb-2 ofrece mejoras medibles sobre el brazo y el pulgar. Tomado de esta presentación.

Brazo ISAs y Estado de Ejecución

Con el anuncio de Armv8, la primera arquitectura de brazo de 64 bits, se hizo apropiada una aclaración de las NIA. El brazo ISA de 32 bits original fue rebautizado como A32, mientras que el nuevo ISA de 64 bits fue apodado A64. Pulgar se convirtió en T32. A32 y T32, aunque compatibles con las versiones anteriores, se ampliaron en Armv8.

Para mantener la compatibilidad con versiones anteriores, Armv8 introdujo dos nuevos estados de ejecución: AArch32 y AArch64. Estos son efectivamente modos de 32 y 64 bits, respectivamente. En el estado AArch32, se utilizan los conjuntos de instrucciones A32 y T32, mientras que AArch64 usa A64.

Arquitecturas de brazos

Las arquitecturas de los brazos son fáciles de detectar porque siempre tienen una 'v' en su nombre. Como se mencionó anteriormente, Armv1 fue la primera arquitectura de Arm, mientras que Armv4T introdujo el conjunto de instrucciones Thumb. La familia Arm11 incluye la arquitectura Armv6 junto con algunas otras variaciones como Armv6T2 y Armv6K. Después de Arm11, las familias se reorganizaron en la serie Cortex. A partir de ahora, las tres familias de Cortex incluyen todas las arquitecturas Armv7 y Armv8.

El iPhone 5S utilizó el Apple-A7 SoC, que incluía un núcleo Arm de 64 bits, lo que lo convierte en el primer procesador de 64 bits utilizado en un teléfono inteligente. La microarquitectura, que implementó la arquitectura Armv8, fue diseñada por Apple y apodada Cyclone. La última Raspberry Pi, una popular computadora de una sola placa, utiliza un núcleo Armv8 pero lo ejecuta en el estado AArch32 debido a las limitaciones de memoria y sistema operativo. El núcleo utiliza una microarquitectura diseñada por el brazo llamada Cortex-A53.

La Apple A7 y la Raspberry Pi usan implementaciones de la arquitectura Armv8. Imágenes cortesía de los artículos de Wikipedia de Apple_A7 y Raspberry_Pi.

La serie de la corteza

Las familias modernas de Arm son la serie Cortex e incluyen tres perfiles de arquitectura: Cortex-A, Cortex-R y Cortex-M. Todos los núcleos con esta designación son microarquitecturas diseñadas internamente por Arm.

La familia Cortex-A se considera principalmente procesadores de aplicaciones con SO y soporte de aplicaciones de terceros. Esto significa que pueden terminar en smartphones con aplicaciones intensivas o incluso servidores. Cortex-A viene en sabores de 32 bits (Armv7-A) y de 64 bits (Armv8-A). La Raspberry Pi 3, que se muestra arriba, utiliza un núcleo Cortex-A53 Arm, implementando la arquitectura Armv8-A.

La familia Cortex-R, las arquitecturas Armv7-R y Armv8-R, están optimizadas para aplicaciones de alto rendimiento en tiempo real. Estos procesadores tienen mejor tolerancia a fallas y funcionan bien en aplicaciones críticas para la seguridad, incluidos dispositivos médicos, sistemas de control industrial y sistemas instrumentados de seguridad.

La familia Cortex-M es un grupo de núcleos Arm de 32 bits reducidos y de bajo costo que consisten en Armv6-M, Armv7-M y Armv8-M. Esta familia de procesadores está orientada a aplicaciones de microcontroladores, ASIC, FPGA y SoC. En competencia directa con el mercado de MCU de 8 bits, un núcleo Cortex-M de 32 bits integrado en un SoC más grande puede ser una combinación increíblemente poderosa. Cortex-M también ha encontrado un nicho en las aplicaciones de IoT con plataformas como Arm Mbed MCU y OS.

Arquitectura de brazos organizada por ISA, arquitectura y familia. Imagen utilizada cortesía de brazo.

Conclusión

En este artículo, tomamos una vista de pájaro de la arquitectura de la computadora de Arm, con un enfoque en las diferentes arquitecturas y los conjuntos de instrucciones que utilizan. También observamos los diferentes estados de ejecución dentro de un núcleo de Armv8 y cómo se clasifican las diferentes arquitecturas en familias. Específicamente, observamos la serie Cortex de núcleos de brazo y cómo se dividen las familias de procesadores según la aplicación y el caso de uso.

Elegir el procesador Arm adecuado para su diseño o proyecto puede ser difícil y confuso si no está familiarizado con las arquitecturas y clasificaciones subyacentes. Ahora que sabe lo que significan todas estas letras y números, puede pasar más tiempo jugando y menos tiempo rascándose la cabeza.

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