Procesory ARM - od PDA k notebookům

17. 12. 2008 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Aleš Lalík

Společnost ARM začala v nedávné době vyvíjet spoustu aktivit směřujících k prosazení jejích procesorů i do větších mobilních zařízení než dosud, tedy zejména do MID a netbooků. Někteří výrobci začali experimentovat rovněž s hybridními CPU pro „dospělé“ notebooky kombinující ARM a běžný procesor, takže budoucnost vypadá pro tento typ procesorů zajímavě. Pojďme si proto říct o ARM platformě něco více.

O procesorech ARM se dosud hovořilo zejména v souvislosti s chytrými telefony (smartphony), PDA (Personal Digital Assistent) a veškerými komunikátory z nich odvozenými. Důvodem jejich použití v tomto segmentu je zejména skutečně nízké vyzařované teplo, kdy si procesory vystačí s naprosto pasivním chlazením bez přehřívání zařízení. Zároveň mají nízkou spotřebu, a to vše při dostatečném výpočetním výkonu.

Jejich přítomnost ve výše jmenovaných zařízeních je známa širší veřejnosti, kromě toho se však nacházejí i ve všemožných průmyslových přístrojích a embedded systémech. Pod tímto označením se ukrývají různá jednoúčelová zařízení sloužící k předem definované činnosti, např. bankovní automaty, průmyslová zařízení, automobilové řídící jednotky, switche/routery, set-top boxy a mnohé další.

Společnost ARM by ale ráda prosadila své procesory i do větších zařízení jako MID, netbooků a dokonce by se mohly objevit i v hybridních procesorech notebooků, tudíž možnosti využití jsou široké. Mnozí čtenáři, kteří se s pojmem ARM zatím setkali jenom v obecném kontextu, si jistě kladou otázku, jak se vlastně odlišují od běžných procesorů AMD a Intelu a proč je nemohou jednoduše nahradit. Tyto důvody jsou poměrně jednoduché a začínají v dávné minulosti vývoje procesorů.

Notebook Dell s hybridním CPU

Počátky procesorů

Procesor neboli v angličtině central processing unit(CPU) je jedním z hlavních prvků počítače. Jeho funkce se dá zjednodušeně popsat jako vykonávání instrukcí tvořících počítačový program, jež si procesor načítá z paměti. Aby byl procesor univerzálně použitelný, zpracovává instrukce ve strojovém kódu, do kterého musí být všechny instrukce přeloženy. Aby bylo zpracovávání co nejrychlejší, v počátcích obsahovaly procesory velké množství různých instrukcí, kde každá instrukce sloužila k vykonání určitě akce. Z těchto důvodů se procesory tohoto typu začaly později označovat jako CISC (Complex Instruction Set Computer).

Instrukce vykonávané CISC procesorem nemají pokaždé stejnou délku, takže jejich vykonání může trvat různě dlouhou dobu, navíc konstrukce samotného procesoru je složitější. Naopak díky velkému množství instrukcí je usnadněno programování. Tyto instrukce sice byly vykonávány rychleji než kdyby se měly skládat z několika jednodušších instrukcí, jenže postupem času se zjistilo, že v běžné praxi se využívá pouze určité množství instrukcí a ty zbývající se použijí jen výjimečně. Proto se v roce 1983, tedy dávné počítačové historii, objevily první experimenty s odlišnou architekturou nazvanou RISC (Reduced Instruction Set Computer).

V té době začaly v laboratořích společnosti Acorn Computer vznikat první vzorky ARM procesorů, které se dočkaly komerčního uvedení o dva roky později, tedy v roce 1985. Na počátku zkratka ARM znamenala označení Advanced RISC Machine, později se toto označení mírně upravilo na Acorn RISC Machine. Architektura ARM založená na principu RISC nabízí sice menší počet instrukcí než CISC, jak ostatně plyne z jejího názvu, nicméně tyto instrukce pokrývají všechny běžné potřeby. Instrukce mají navíc stejnou délkou, a tudíž stejně dlouhou dobou vykonávání. Výhodou je pak snadnější řetězení instrukcí a jednodušší návrh procesoru, což se projeví také ve výrobě.

V dnešní době se nedá mluvit o současných architekturách jako o „čistých“ CISC procesorech, jelikož vnitřně vykazují rysy RISC architektury. Přesto jsou do této kategorie zařazovány jako typičtí zástupci procesory Intel x86 a kompatibilní, tedy všechny běžně dostupné a používané procesory v osobních počítačích. Označení x86 vychází z podpory instrukční sady x86, která se poprvé objevila u procesoru Intel 8086 uvedeného v roce 1978.

Z těchto rozdílných přístupů vyplývá i to, že programy napsané pro RISC platformu nelze jednoduše spustit na CISC a naopak. Nejrozšířenější operační systém Microsoft Windows, napsaný pro x86 procesory, proto nepoběží na ARM procesorech. K tomu je určena jeho mobilní verze Windows Mobile, případně Windows CE pro průmyslová zařízení. V oblasti Linuxu je situace lepší, pro ARM architekturu existuje několik portací Debianu, Embedded Gentoo či ARMedslack. V dubnu příštího roku se dočkáme portace Ubuntu Linuxu pro ARM, která bude kompletně převedenou stolní verzí Ubuntu. Výhodou tak bude silná podpora, která by mohla přesvědčit výrobce zařízení k většímu využívání ARM verze Ubuntu. Kdy se této distribuce dočkáme v prvních zařízeních prozatím nebylo oznámeno.

Široký výběr ARM

Společnost ARM byla založena v roce 1990 jakožto Advanced RISC Machines ltd., jednalo se o britský joint-venture firem Apple Computer, Acorn Computer a VLSI Technology. Prvním výsledkem vývoje ARM Computer byla architektura procesoru ARM6, poprvé licencovaná k výrobě už v roce 1991. ARM samotný totiž své procesory nevyrábí, nýbrž je pouze vyvíjí a prodává coby své patenty jiným výrobcům. Během následujících let bylo vyvinuto několik architektur, přičemž nejnovější je ARM11 a rodina procesorů Cortex, která by právě měla směřovat do větších zařízení. Kromě toho existuje také architektura SecurCore, určená zejména pro různé bankovní a platební přístroje, kde najdou uplatnění její přidané bezpečnostní funkce.

Z pohledu větších přístrojů se jeví nejlépe ARM Cortex-A9. V základu se jedná o jednojádrový procesor, který je lehce škálovatelný a lze z něj dle potřeby vytvořit až čtyřjádrový procesor. Stejně jako u konkurence ani zde nechybí jednotka pro akceleraci všemožného multimediálního obsahu včetně 2D/3D grafiky. Přítomny jsou i rozličné spořící funkce pro snížení spotřeby energie, která je naštěstí u těchto procesorů už tak na nízké úrovni.

Schéma procesoru Cortex-A9
Další kompletní platforma určená pro snadnou implementaci výrobci pochází od společnosti Qualcomm a ukrývá se pod označením Snapdragon. Základem je procesor tikající na frekvenci 1 GHz doplněný o 600MHz DSP (digitální signálový procesor) a široké spektrum bezdrátových možností komunikace čítající WWAN, Wi-Fi, Bluetooth a gpsOne pro snadnou práci s GPS moduly. Zařízení postavené na platformě Snapdragon mohou být osazena displejem s XGA rozlišením (1024x768), kde se uplatní podpora 3D grafiky a schopnost akcelerovat video až do rozlišení 720p. Výrobce může v případě zájmu použít i 12MPix fotoaparát. Spatřen byl i malý tablet poháněný ARM procesorem, ovšem jeho bližší specifikace nebyly zveřejněny.

Tablet s ARM procesorem

Qualcomm rovněž aktivně pracuje na své nabídce a již představil novou výkonnější platformu obsahující dvoujádrový procesor QSD8672 pracující na frekvenci až 1,5 GHz a vyráběný moderním 45nm procesem. Podporováno je rozšíření o velké množství prvků, například moduly pro příjem digitální TV, GPS, Bluetooth, Wi-Fi nebo 3G komunikačních modulů. Platforma zvládne přehrávat a nahrávat video až do plného HD rozlišení 1080p a obrazovka zařízení může mít rozlišení až WSXGA neboli 1440x900 bodů. Zatím s touto platformou nebyly oznámena konkrétní zařízení.

S implementací různých ARM architektur se dnes lze setkat v procesorech mnoha firem, kde každá si vybrala konkrétní model přesně vyhovující jejím požadavkům. Mezi nejznámější procesory bezesporu patří Marvell XScale (dříve Intel XScale), Qualcomm, Samsung, Texas Instruments a samozřejmě mnoho dalších.

Výhledy do budoucna

Již v příštím roce bychom se s procesory ARM mohli setkat nejen v kombinaci s dosavadními procesory Intel coby jakéhosi hybridního řešení, kdy při nenáročných činnostech by byl spuštěn systém využívající ARM procesor, zatímco pro náročnější práci by byl určen Intel CPU. ARM by rád dostal své procesory do MID zařízení a netbooků, kde by pochopitelně fungovaly bez druhého procesoru Intel. Tento požadavek není přehnaný, neboť tato zařízení jsou stavěné pro nenáročné činnosti, na jejichž zvládnutí by měl ARM plně dostačovat. Nakonec platforma NVIDIA Tegra je rovněž postavena na architektuře ARM11.

Zdroj: arm.com, engadget.com