Arquitectura ARM para niños

El logo de ARM

Procesador ARM en una impresora HP

ARM, anteriormente Advanced RISC Machine, originalmente Acorn RISC Machines, es una arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer=Ordenador con Conjunto Reducido de Instrucciones) de 32 bits y, con la llegada de su versión V8-A, también de 64 Bits, desarrollada por ARM Holdings. La arquitectura ARM es el conjunto de instrucciones de 32 y 64 bits más ampliamente utilizado en unidades producidas. Concebida originalmente por Acorn Computers para su uso en ordenadores personales, los primeros productos basados en ARM eran los Acorn Archimedes, lanzados en 1987.

Un enfoque de diseño basado en RISC permite que los procesadores ARM requieran una cantidad menor de transistores que los procesadores x86 CISC, típicos en la mayoría de ordenadores personales. Este enfoque de diseño nos lleva, por tanto, a una reducción de los costes, calor y energía. Estas características son deseables para dispositivos que funcionan con baterías, como los teléfonos móviles, tabletas, etc.

La relativa simplicidad de los procesadores ARM los hace ideales para aplicaciones de baja potencia. Como resultado, se han convertido en los dominantes dentro del mercado de la electrónica móvil e integrada, encarnados en microprocesadores y microcontroladores pequeños, de bajo consumo y relativamente bajo costo. En 2005, alrededor del 98% de los más de mil millones de teléfonos móviles vendidos utilizaban al menos un procesador ARM. Desde 2009, los procesadores ARM son aproximadamente el 90% de todos los procesadores RISC de 32 bits integrados. Cabe hacer mención que no existe una tabla de equivalencias de rendimiento entre las distintas tecnologías de procesadores que se utilizan generalmente en la electrónica de consumo, incluyendo PDA, tabletas, teléfonos móviles, teléfonos inteligentes, relojes inteligentes, videoconsolas portátiles, calculadoras, reproductores digitales multimedia (fotos, vídeos, etc.) y periféricos de ordenador como discos duros y enrutadores.

La arquitectura ARM es licenciable. Esto significa que el negocio principal de ARM Holdings es la venta de núcleos IP (propiedad intelectual), estas licencias se utilizan para crear microcontroladores y CPUs basados en este núcleo. Las empresas que son titulares de licencias ARM actuales o anteriores incluyen a Alcatel-Lucent, Apple Inc., AppliedMicro, Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, Digital Equipment Corporation, Ember, Energy Micro, Freescale, Intel (a través de DEC), LG, Marvell Technology Group, Microsemi, Microsoft, NEC, Nintendo, Nokia, Nuvoton, Nvidia, Sony, MediaTek, NXP (antes Philips Semiconductors), Oki, ON Semiconductor, Psion, Qualcomm, Samsung, Sharp, STMicroelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments, VLSI Technology, Yamaha, y ZiiLABS.

Los procesadores ARM son desarrollados por ARM y los titulares de las licencias de ARM. Prominentes familias de procesadores ARM desarrollados por ARM Holdings incluyen el ARM7,V8-A ARM9, ARM11 y Cortex. Entre los procesadores ARM desarrollados por firmas licenciatarias se incluyen Applied Micro Circuits Corporation X-Gene, DEC StrongARM, Freescale i.MX, Marvell Technology Group XScale, NVIDIA Tegra, Qualcomm Snapdragon, Texas Instruments OMAP, Samsung Exynos, Apple Ax, ST-Ericsson NovaThor, Huawei K3V2 e Intel Medfield.

Historia

Microprocesador ARM en un router

El diseño de la arquitectura ARM comenzó en 1983 como un proyecto de desarrollo por la empresa Acorn Computers. Sophie Wilson y Steve Furber lideraban el equipo, cuya meta era, originalmente, el desarrollo de un procesador avanzado, pero con una arquitectura similar a la del MOS 6502. La razón era que Acorn tenía una larga línea de ordenadores personales basados en dicho microprocesador, por lo que tenía sentido desarrollar uno con el que los desarrolladores se sintieran cómodos.

El equipo terminó el diseño preliminar y los primeros prototipos del procesador en el año 1985, al que llamaron ARM1. La primera versión utilizada comercialmente se bautizó como ARM2 y se lanzó en el año 1986.

La arquitectura del ARM2 posee un bus de datos de 32 bits y ofrece un espacio de direcciones de 26 bits, junto con 16 registros de 32 bits. Uno de estos registros se utiliza como contador de programa, aprovechándose sus 4 bits superiores y los 2 inferiores para contener los flags de estado del procesador.

El ARM2 es probablemente el procesador de 32 bits útil más simple del mundo, ya que posee solo 30 000 transistores. Su simplicidad se debe a que no está basado en microcódigo (sistema que suele ocupar en torno a la cuarta parte de la cantidad total de transistores usados en un procesador) y a que, como era común en aquella época, no incluye caché. Gracias a esto, su consumo en energía es bastante bajo, a la vez que ofrece un mejor rendimiento que un 286. Su sucesor, el ARM3, incluye una pequeña memoria caché de 4 KB, lo que mejora los accesos a memoria repetitivos.

A finales de los años 1980, Apple Computer comenzó a trabajar con Acorn en nuevas versiones del núcleo ARM. En Acorn se dieron cuenta de que el hecho de que el fabricante de un procesador fuese también un fabricante de ordenadores podría echar para atrás a los clientes, por lo que se decidió crear una nueva compañía llamada Advanced RISC Machines, que sería la encargada del diseño y gestión de las nuevas generaciones de procesadores ARM. Ocurría esto en el año 1990.

Este trabajo derivó en el ARM6, presentado en 1991. Apple utilizó el ARM 610 (basado en el ARM6), como procesador básico para su innovador PDA, el Apple Newton. Por su parte, Acorn lo utilizó en 1994 como procesador principal en su RiscPC.

El núcleo mantuvo su simplicidad a pesar de los cambios: en efecto, el ARM2 tiene 30 000 transistores, mientras que el ARM6 solo cuenta con 35 000. La idea era que el usuario final combinara el núcleo del ARM con un número opcional de periféricos integrados y otros elementos, pudiendo crear un procesador completo a la medida de sus necesidades.

La mayor utilización de la tecnología ARM se alcanzó con el procesador ARM7TDMI, con millones de unidades en teléfonos móviles y sistemas de videojuegos portátiles.

DEC licenció el diseño, lo cual generó algo de confusión debido a que ya producía el DEC Alpha, y creó el StrongARM. Con una velocidad de reloj de 233 MHz, este procesador consumía solo 1 W de potencia (este consumo de energía se ha reducido en versiones más recientes). Esta tecnología pasó posteriormente a manos de Intel, como fruto de un acuerdo jurídico, que la integró en su línea de procesadores Intel i960 e hizo más ardua la competencia.

Freescale (una empresa que derivó de Motorola en el año 2004), IBM, Infineon Technologies, OKI, Texas Instruments, Nintendo, Philips, VLSI, Atmel, Sharp, Samsung y STMicroelectronics también licenciaron el diseño básico del ARM.

El diseño del ARM se ha convertido en uno de los más usados del mundo, desde discos duros hasta juguetes. Hoy en día, cerca del 75% de los procesadores de 32 bits poseen este chip en su núcleo.

Familias

Diseño

El juego de instrucciones del ARM es similar al del MOS 6502, pero incluye características adicionales que le permiten conseguir un mejor rendimiento en su ejecución. Para mantener el concepto tradicional de RISC, se estableció la ejecución de una orden en un tiempo, por lo general, de un ciclo. La característica más interesante es el uso de los 4 bits superiores como código de condición, haciendo que cualquier instrucción pueda ser condicional. Este corte reduce el espacio para algunos desplazamientos en el acceso a la memoria, pero permite evitar perder ciclos de reloj en el pipeline al ejecutar pequeños trozos de código con ejecución condicional. El ejemplo típico es el Máximo común divisor, según el algoritmo de Euclides.

Ejemplo en C:

    while (i != j)  // Ingresa en el ciclo cuando i<j o i>j, no cuando i==j
    {
       if (i > j)   // Cuando i>j realiza lo siguiente
           i -= j;
       else         // en otro caso, realiza lo siguiente
           j -= i;
    }

En cambio con código ensamblador ARM, el ciclo puede hacerse más eficiente haciendo:

loop:
    // Compara i y j
    GT = i > j;
    LT = i < j;
    NE = i != j;

    // Operaciones mejoradas usando resultados de flags
    if(GT) i -= j;    // Sustrae *solo* si es mayor
    if(LT) j -= i;    // Sustrae *solo* si es menor
    if(NE) goto loop; // Ciclo *solo* si los valores comparados no son iguales

y esto se codifica como:

loop:   CMP    Ri, Rj       ; establece la condicion "NE" if (i != j),
                            ;               "GT" si (i > j),
                            ;            o  "LT" si (i < j)
        SUBGT  Ri, Ri, Rj   ; si "GT" (Mayor que), i = i-j;
        SUBLT  Rj, Rj, Ri   ; si "LT" (Menor que), j = j-i;
        BNE  loop           ; si "NE" (No igual), entonces realiza el ciclo

Otra característica única del juego de instrucciones es la posibilidad de añadir shifts y rotar en el procesamiento de datos (aritmético, lógico y movimiento de registros), por ejemplo, la instrucción en C "a += (j << 2);" puede ser mejorada como una única instrucción en el ARM, permitiendo la reubicación del registro.

Todo esto ocasiona que se necesiten menos operaciones de carga y almacenamiento, mejorando el rendimiento.

El procesador ARM también tiene algunas características que son raras en otras arquitecturas también consideradas RISC, como el direccionamiento relativo, y el pre y post incremento en el modo de direccionamiento.

Tiene dos modos de funcionamiento: el ARMI con instrucciones que ocupan 4 bytes, más rápidas y potentes (hay instrucciones que sólo están en este modo) pero con mayor consumo de memoria y de electricidad. Y el modo THUMB, más limitado, con instrucciones que ocupan 2 bytes y con menor consumo de corriente.

Registros

La familia ARM dispone de 16 registros (utilizables por el programador) de 32 bits cada uno de ellos que se designan desde R0 a R15. En principio son todos idénticos y sólo 3 tienen funciones específicas que son el R15 (se emplea como contador de programa o PC), y el R14 (utilizado para almacenar la dirección de retorno cuando se llama a una subrutina o se genera una excepción) y el R13 (stack Pointer).

Ventajas

• Amplio abanico de fabricantes: Como se ha comentado antes, ARM permite la compra a terceros de su licencia, dando lugar a un gran número de marcas productoras de esta arquitectura, cada cual, ofreciendo nuevas mejoras, avances, y, en general, un mayor abanico de opciones para el consumidor.

• Simpleza de instrucciones: Nos encontramos con un set de instrucciones mucho más pequeño, pero mucho más atómico; esto quiere decir que las instrucciones se pueden cambiar prácticamente por instrucciones de tipo máquina, ahorrando tanto tiempo como energía en su traducción.

• Bajo uso energético: Nos encontramos con RISC, y su "simpleza". Estos buscan la mayor eficiencia por ciclo; además, dan lugar a chips más pequeños y simples y, por tanto, a una mejora considerable en cuanto a eficiencia energética.

• Rendimiento aceptable y en mejora: Como se ha dicho anteriormente, la compra de terceros ofrece nuevas mejoras y avances en el rendimiento.

Tecnologías

Thumb

Los procesadores más recientes traen un conjunto de instrucciones adicional llamado Thumb, de 16 bits (2 bytes) de longitud por instrucción, en lugar de 32 bits (4 bytes) como el juego estándar de ARM. Thumb es un subconjunto formado por las instrucciones que se usan con más frecuencia. Al tener la mitad de longitud, se consigue disminuir la cantidad de código y mejorar su densidad. El rendimiento puede ser superior a un código de 32 bits en donde el puerto de memoria o ancho del bus de comunicaciones son menores a 32 bits. Por lo general, en las aplicaciones se inserta un pequeño rango de direcciones de memoria con un datapath de 32 bits (por ejemplo: Game Boy Advance), y el resto son 16 bits en modo wide o narrower.

El primer procesador con la tecnología Thumb fue el ARM7TDMI. Toda la familia posterior al ARM9, incluyendo el procesador Intel XScale, tienen incorporada la tecnología en su núcleo.

Jazelle

ARM tiene implementada una tecnología que permite que ciertos tipos de arquitecturas ejecuten Java bytecode nativamente en el hardware. El primer procesador en usar Jazelle fue el ARM926EJ-S, siendo denominados con una J a todos los procesadores que soportaran esta tecnología.

Sistemas operativos

Android, un popular sistema operativo basado en el kernel Linux que opera principalmente sobre la arquitectura ARM.

Acorn systems

El primer ordenador personal basado en ARM es el Acorn Archimedes que ejecutaba un sistema operativo provisional llamado Arthur, que se convirtió en RISC OS, utilizado en posteriores modelos de Acorn y otros vendedores.

Sistemas operativos integrados

La arquitectura ARM está soportada por un gran número de sistemas operativos integrados y de tiempo real, incluyendo Android, Windows CE, Windows 8 RT, .NET Micro Framework, Symbian, ChibiOS/RT, FreeRTOS, eCos, Integrity, Nucleus PLUS, MicroC/OS-II, QNX, RTEMS, BRTOS, RTXC Quadros, ThreadX, Unison Operating System, uTasker, VxWorks, MQX y OSE.

UNIX

Los sistemas que acreditan la especificación estándar UNIX y que soportan la arquitectura ARM son:

• Solaris

Tipo UNIX

Las variantes de UNIX soportadas son:

• BSD
• Linux
• Plan 9 from Bell Labs
• Apple iOS

Linux

Las siguientes distribuciones Linux soportan los procesadores ARM:

• Ubuntu
• Arch Linux
• Kali Linux
• Manjaro
• Gentoo Linux
• Oracle Linux

BSD

Los siguientes sistemas BSD soportan los procesadores ARM:

• FreeBSD
• NetBSD
• OpenBSD
• RISC iX (solo sistemas basados en Acorn ARM2/ARM3)

Windows

Microsoft anunció el 5 de enero de 2011 que la próxima gran versión de la familia Windows NT (hoy Windows 8) incluye soporte para procesadores ARM. Microsoft mostró una versión preliminar de Windows (versión 6.2.7867) que se ejecuta en un equipo basado en ARM en el Consumer Electronics Show 2011. La arquitectura ARM también es soportada por los sistemas operativos móviles de Microsoft, Windows Phone y Windows Mobile. ARM también es compatible con Windows Embedded CE que ahora se llama Windows Embedded Compact. Esta última versión soporta ARM 5,6 y 7. Windows CE 5 es el sistema operativo subyacente para Windows Mobile y Windows Embedded Compact 7 es el sistema operativo subyacente para Windows Phone 7. El pequeño Microsoft OS.NET Microframework utiliza exclusivamente ARM.

El 29 de octubre de 2012 salió a la venta la tableta Surface de Microsoft la cual tiene un procesador ARM y utiliza como sistema operativo Windows 8 RT, versión que no se puede descargar ni comprar ya que viene instalada en tabletas con arquitectura ARM. Hay otra versión de Windows 8 distinta a esta que es el Windows 8 PRO para computadoras x86.

Recientemente se ha estado trabajando en un emulador de Windows 10 de arquitectura de x86 para procesadores ARM en una marca de procesadores en específico.

iOS y macOS

Desde el desarrollo del iPhone en 2007, Apple ha utilizado procesadores ARM para sus plataformas de telefonía móvil (iPhone), relojes inteligentes (Apple Watch), tabletas (iPad), y más recientemente en las computadoras portátiles (Mac Books). Apple optó por procesadores ARM para estas plataformas debido a la ventaja que ofrecen por su bajo consumo de energía y poca refrigeración necesaria.

Véase también

• StrongARM