Familia de arquitecturas ARM

El primer diseño de gran éxito de Acorn Computers fue el BBC Micro , presentado en diciembre de 1981. Se trataba de una máquina relativamente convencional basada en la CPU MOS Technology 6502 , pero que funcionaba aproximadamente al doble de velocidad que diseños de la competencia como el Apple II debido al uso de memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) más rápida. La DRAM típica de la época funcionaba a unos 2  MHz; Acorn llegó a un acuerdo con Hitachi para el suministro de componentes más rápidos de 4  MHz. ^{[ 16 ]}

Las máquinas de la época generalmente compartían memoria entre el procesador y el búfer de fotogramas , lo que permitía al procesador actualizar rápidamente el contenido de la pantalla sin tener que realizar operaciones de entrada/salida (E/S) por separado. Dado que la sincronización de la visualización de vídeo es muy precisa, el hardware de vídeo debía tener acceso prioritario a esa memoria. Debido a una peculiaridad del diseño del 6502, la CPU dejaba la memoria sin usar durante la mitad del tiempo. Así, al hacer funcionar la CPU a 1  MHz, el sistema de vídeo podía leer datos durante esos periodos de inactividad, utilizando el  ancho de banda total de 2 MHz de la RAM. En el BBC Micro, el uso de  RAM de 4 MHz permitió utilizar la misma técnica, pero al doble de velocidad. Esto le permitió superar a cualquier máquina similar del mercado. ^{[ 17 ]}

1981 fue también el año en que se presentó el IBM Personal Computer . Utilizando el recientemente lanzado Intel 8088 , una CPU de 16 bits en comparación con el diseño de 8 bits del 6502 , ofrecía un rendimiento general superior. Su introducción cambió radicalmente el mercado de las computadoras de escritorio: lo que había sido en gran medida un mercado de pasatiempos y juegos que surgió durante los cinco años anteriores comenzó a transformarse en una herramienta empresarial indispensable donde los diseños anteriores de 8 bits simplemente no podían competir. Incluso nuevos diseños de 32 bits también estaban llegando al mercado, como el Motorola 68000 ^{[ 18 ]} y el National Semiconductor NS32016 . ^{[ 19 ]}

Acorn comenzó a considerar cómo competir en este mercado y produjo un nuevo diseño de papel llamado Acorn Business Computer . Se fijaron el objetivo de producir una máquina con un rendimiento diez veces superior al del BBC Micro, pero al mismo precio. ^{[ 20 ]} Esto superaría en rendimiento y precio al PC. Al mismo tiempo, la reciente introducción del Apple Lisa acercó el concepto de interfaz gráfica de usuario (GUI) a un público más amplio y sugirió que el futuro pertenecía a las máquinas con GUI. ^{[ 21 ]} Sin embargo, el Lisa costaba 9995 dólares, ya que venía equipado con chips de soporte, gran cantidad de memoria y un disco duro , todo muy caro en aquel entonces. ^{[ 22 ]}

Los ingenieros comenzaron entonces a estudiar todos los diseños de CPU disponibles. Su conclusión sobre los diseños de 16 bits existentes fue que eran mucho más caros y seguían siendo "un poco malos", ^{[ 23 ]} ofreciendo un rendimiento solo ligeramente superior al de su diseño BBC Micro. Además, casi siempre requerían una gran cantidad de chips de soporte para funcionar incluso a ese nivel, lo que elevaba el coste del ordenador en su conjunto. Estos sistemas simplemente no alcanzarían el objetivo de diseño. ^{[ 23 ]} También consideraron los nuevos diseños de 32 bits, pero estos costaban aún más y tenían los mismos problemas con los chips de soporte. ^{[ 24 ]} Según Sophie Wilson , todos los procesadores probados en ese momento tenían un rendimiento similar, con un  ancho de banda de aproximadamente 4 Mbit/s. ^{[ 25 ] [ b ]}

Dos eventos clave llevaron a Acorn por el camino de ARM. Uno fue la publicación de una serie de informes de la Universidad de California, Berkeley , que sugerían que un diseño de chip simple podía, sin embargo, tener un rendimiento extremadamente alto, mucho mayor que los últimos diseños de 32 bits en el mercado. ^{[ 26 ]} El segundo fue una visita de Steve Furber y Sophie Wilson al Western Design Center , una empresa dirigida por Bill Mensch y su hermana Kathryn, ^{[ 27 ]} que se había convertido en el sucesor lógico del equipo MOS y estaba ofreciendo nuevas versiones como el WDC 65C02 . El equipo de Acorn vio a estudiantes de secundaria produciendo diseños de chips en máquinas Apple II, lo que sugería que cualquiera podía hacerlo. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Por el contrario, una visita a otra empresa de diseño que trabajaba en una CPU moderna de 32 bits reveló un equipo con más de una docena de miembros que ya estaban en la revisión H de su diseño y, sin embargo, todavía contenía errores. ^{[ c ]} Esto consolidó su decisión de finales de 1983 de comenzar su propio diseño de CPU, la Acorn RISC Machine. ^{[ 30 ]}

Los diseños originales de Berkeley RISC eran, en cierto sentido, sistemas didácticos, no diseñados específicamente para un rendimiento óptimo. A los conceptos básicos de RISC, basados ​​en registros y operaciones de carga/almacenamiento, ARM añadió varias de las características de diseño del 6502, que gozaban de gran aceptación. La principal de ellas era la capacidad de gestionar rápidamente las interrupciones , lo que permitía a las máquinas ofrecer un rendimiento de entrada/salida razonable sin necesidad de hardware externo adicional. Para ofrecer interrupciones con un rendimiento similar al del 6502, el diseño de ARM limitó su espacio de direcciones físicas a 64  MB de espacio direccionable total, lo que requería 26 bits de dirección. Dado que las instrucciones tenían una longitud de 4 bytes (32 bits) y debían estar alineadas en límites de 4 bytes, los dos bits inferiores de la dirección de una instrucción siempre eran cero. Esto significaba que el contador de programa (PC) solo necesitaba 24 bits, lo que permitía almacenarlo junto con los indicadores del procesador de ocho bits en un único registro de 32 bits. Esto significaba que, al recibir una interrupción, el estado completo de la máquina podía guardarse en una sola operación, mientras que si el PC hubiera sido un valor completo de 32 bits, se requerirían operaciones separadas para almacenar el PC y los indicadores de estado. Esta decisión redujo a la mitad la sobrecarga de las interrupciones. ^{[ 31 ]}

Otro cambio, y uno de los más importantes en términos de rendimiento práctico en el mundo real, fue la modificación del conjunto de instrucciones para aprovechar la memoria DRAM en modo página . Introducido recientemente, el modo página permitía que los accesos posteriores a la memoria se ejecutaran el doble de rápido si se encontraban aproximadamente en la misma ubicación, o "página", en el chip DRAM. El diseño de Berkeley no consideró el modo página y trató toda la memoria por igual. El diseño de ARM añadió instrucciones especiales de acceso a memoria tipo vector, los "ciclos S", que podían utilizarse para llenar o guardar múltiples registros en una sola página mediante el modo página. Esto duplicó el rendimiento de la memoria cuando se podían utilizar, y fue especialmente importante para el rendimiento gráfico. ^{[ 32 ]}

Los diseños RISC de Berkeley utilizaban ventanas de registro para reducir el número de operaciones de guardado y restauración de registros realizadas en las llamadas a procedimientos ; el diseño ARM no adoptó esta práctica.

Wilson desarrolló el conjunto de instrucciones, escribiendo una simulación del procesador en BBC BASIC que se ejecutaba en un BBC Micro con un segundo procesador 6502. [ ^{33 ] [ 34 ] Esto} convenció a los ingenieros de Acorn de que iban por buen camino. Wilson se dirigió al director ejecutivo de Acorn, Hermann Hauser , y solicitó más recursos. Hauser dio su aprobación y reunió un pequeño equipo para diseñar el procesador real basándose en la arquitectura del conjunto de instrucciones de Wilson. ^{[ 35 ]} El proyecto oficial de la máquina RISC de Acorn comenzó en octubre de 1983.

Acorn eligió a VLSI Technology como su "socio de silicio", ya que era una fuente de ROM y chips personalizados para Acorn. Acorn proporcionó el diseño y VLSI se encargó del diseño y la producción. Las primeras muestras de silicio ARM funcionaron correctamente cuando se recibieron y probaron el 26 de abril de 1985. ^{[ 3 ]} Conocidas como ARM1, estas versiones funcionaban a 6  MHz. ^{[ 36 ]}

La primera aplicación de ARM fue como segundo procesador para el BBC Micro, donde contribuyó al desarrollo de software de simulación para finalizar el desarrollo de los chips de soporte (VIDC, IOC, MEMC) y aceleró el software CAD utilizado en el desarrollo de ARM2. Posteriormente, Wilson reescribió BBC BASIC en lenguaje ensamblador ARM . El profundo conocimiento adquirido al diseñar el conjunto de instrucciones permitió que el código fuera muy denso, lo que convirtió a ARM BBC BASIC en una excelente prueba para cualquier emulador ARM.

Los sistemas de evaluación ARM, que incluían CPU ARM1 y se suministraban como segundos procesadores para las máquinas BBC Micro y Master, estuvieron disponibles a partir de julio de 1986 ^{[ 37 ]} bajo la marca Acorn OEM Products para desarrolladores e investigadores. ^{[ 38 ]}

El segundo procesador A500, un segundo procesador adicional basado en ARM1 para BBC Micro y Master, contaba con el chipset de soporte ARM (VIDC, IOC, MEMC), era capaz de producir salida de vídeo ^{[ 39 ]} y operar casi independientemente del BBC Micro anfitrión.

El resultado de las simulaciones en las placas ARM1 llevó a la introducción a finales de 1986 del diseño ARM2 que funcionaba a 8  MHz, y a principios de 1987 la versión de velocidad aumentada a 10 a 12  MHz. ^{[ d ]} Un cambio significativo en la arquitectura subyacente fue la adición de un multiplicador Booth , mientras que anteriormente la multiplicación tenía que realizarse por software. ^{[ 41 ]} Además, un nuevo modo de solicitud de interrupción rápida, FIQ por sus siglas en inglés, permitió reemplazar los registros 8 a 14 como parte de la propia interrupción. Esto significaba que las solicitudes FIQ no tenían que guardar sus registros, acelerando aún más las interrupciones. ^{[ 42 ]}

El primer uso del ARM2 fue en las máquinas de desarrollo internas Acorn A500, ^{[ 43 ]} y en los modelos de ordenadores personales Acorn Archimedes A305, A310 y A440, lanzados el 6 de junio de 1987.

Según la prueba de rendimiento Dhrystone , el ARM2 ofrecía un rendimiento aproximadamente siete veces superior al de un  sistema típico basado en el 68000 de 7 MHz, como el Amiga o el Macintosh SE . Era el doble de rápido que un Intel 80386 a 16 MHz y tenía una velocidad similar a la de un superminicomputador  multiprocesador VAX-11/784 . Los únicos sistemas que lo superaban eran las estaciones de trabajo Sun SPARC y MIPS R2000 basadas en RISC . ^{[ 44 ]} Además, dado que la CPU estaba diseñada para E/S de alta velocidad, prescindía de muchos de los chips de soporte presentes en estas máquinas; en particular, carecía de un controlador de acceso directo a memoria (DMA) dedicado, que solía encontrarse en las estaciones de trabajo. El sistema gráfico también se simplificó basándose en el mismo conjunto de supuestos sobre la memoria y la temporización. El resultado fue un diseño drásticamente simplificado, que ofrecía un rendimiento a la par de las estaciones de trabajo de alta gama, pero a un precio similar al de los ordenadores de sobremesa contemporáneos. ^{[ 44 ]}

El ARM2 presentaba un bus de datos de 32 bits , un espacio de direcciones de 26 bits y 27 registros de 32 bits , de los cuales 16 eran accesibles en cualquier momento (incluido el PC ). ^{[ 45 ]} El ARM2 tenía un recuento de transistores de solo 30 000, ^{[ 46 ]} en comparación con el modelo 68000 de Motorola, seis años más antiguo, que tenía alrededor de 68 000. Gran parte de esta simplicidad provenía de la falta de microcódigo , que representa aproximadamente entre un cuarto y un tercio de los transistores del 68000, y la falta de (como la mayoría de las CPU de la época) una caché . Esta simplicidad permitió que el ARM2 tuviera un bajo consumo de energía y un empaquetado térmico más simple al tener menos transistores alimentados. Sin embargo, ARM2 ofrecía un mejor rendimiento que el IBM PS/2 Modelo 50 de 1987 , que inicialmente utilizaba un Intel 80286 , ofreciendo 1,8 MIPS a 10 MHz, y más tarde en 1987, los 2 MIPS del PS/2 70, con su Intel 386 DX a 16 MHz. ^{[ 47 ] [ 48 ]}   

Se produjo un sucesor, el ARM3, con una caché de 4 KB, lo que mejoró aún más el rendimiento. ^{[ 49 ]} El bus de direcciones se extendió a 32  bits en el ARM6, pero el código del programa aún tenía que estar dentro de los primeros 64 MB de memoria en modo de compatibilidad de 26 bits, debido a los bits reservados para los indicadores de estado. ^{[ 50 ]}

En 1988, Sanyo se convirtió en un segundo proveedor mundial del ARM2 y el conjunto de chips asociado en virtud de un acuerdo con VLSI Technology. ^{[ 51 ]}

A finales de la década de 1980, Apple Computer y VLSI Technology comenzaron a trabajar con Acorn en versiones más recientes del núcleo ARM. En 1990, Acorn separó el equipo de diseño en una nueva empresa llamada Advanced RISC Machines Ltd., ^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]} que se convirtió en ARM Ltd. cuando su empresa matriz, Arm Holdings plc, salió a bolsa en la Bolsa de Valores de Londres y en el Nasdaq en 1998. ^{[ 55 ]} El nuevo trabajo de Apple-ARM evolucionaría finalmente en el ARM6, lanzado por primera vez a principios de 1992. Apple utilizó el ARM610 basado en ARM6 como base para su PDA Apple Newton .

En 1994, Acorn utilizó el ARM610 como unidad central de procesamiento (CPU) principal en sus computadoras RiscPC . DEC obtuvo la licencia de la arquitectura ARMv4 y produjo el StrongARM . ^{[ 56 ]} A 233 MHz , esta CPU consumía solo un vatio (las versiones más recientes consumen mucho menos). Este trabajo fue transferido posteriormente a Intel como parte de un acuerdo judicial, e Intel aprovechó la oportunidad para complementar su línea i960 con el StrongARM. Posteriormente, Intel desarrolló su propia implementación de alto rendimiento llamada XScale , que desde entonces ha vendido a Marvell . El número de transistores del núcleo ARM se mantuvo prácticamente igual a lo largo de estos cambios; el ARM2 tenía 30 000 transistores, ^{[ 57 ]} mientras que el ARM6 solo aumentó a 35 000. ^{[ 58 ]}  

En 2005, aproximadamente el 98% de todos los teléfonos móviles vendidos utilizaban al menos un procesador ARM. ^{[ 59 ]} En 2010, los productores de chips basados ​​en arquitecturas ARM informaron envíos de 6.100  millones de procesadores basados ​​en ARM , que representaban el 95% de los teléfonos inteligentes , el 35% de los televisores digitales y decodificadores , y el 10% de las computadoras móviles . En 2011, la arquitectura ARM de 32 bits era la arquitectura más utilizada en dispositivos móviles y la más popular de 32 bits en sistemas embebidos. ^{[ 60 ]} En 2013, se produjeron 10.000 millones ^{[ 61 ]} y "los chips basados ​​en ARM se encuentran en casi el 60% de los dispositivos móviles del mundo". ^{[ 62 ]}

El negocio principal de Arm Holdings es la venta de núcleos de propiedad intelectual (IP ), que los licenciatarios utilizan para crear microcontroladores (MCU), CPU y sistemas en chip (SOC) basados ​​en dichos núcleos. El fabricante del diseño original combina el núcleo ARM con otros componentes para producir un dispositivo completo, que generalmente se puede fabricar en plantas de semiconductores existentes a bajo costo y que ofrece un rendimiento sustancial. La implementación más exitosa ha sido el ARM7TDMI, con cientos de millones de unidades vendidas. Atmel ha sido un centro de diseño pionero en el sistema embebido basado en el ARM7TDMI.

Las arquitecturas ARM utilizadas en teléfonos inteligentes, PDA y otros dispositivos móviles abarcan desde ARMv5 hasta ARMv8-A .

En 2009, algunos fabricantes introdujeron netbooks basadas en CPU con arquitectura ARM, en competencia directa con las netbooks basadas en Intel Atom . ^{[ 63 ]}

Arm Holdings ofrece diversas modalidades de licencia, con diferentes costes y entregables. Arm Holdings proporciona a todos los licenciatarios una descripción de hardware integrable del núcleo ARM, así como un conjunto completo de herramientas de desarrollo de software ( compilador , depurador , kit de desarrollo de software ) y el derecho a vender chips fabricados que contengan la CPU ARM.

Los paquetes SoC que integran los diseños centrales de ARM incluyen las tres primeras generaciones de Nvidia Tegra, la familia Quatro de CSR plc, Nova y NovaThor de ST-Ericsson, el microcontrolador Precision32 de Silicon Labs, los productos OMAP de Texas Instruments , los productos Hummingbird y Exynos de Samsung , los A4 , A5 y A5X de Apple , y el i.MX de NXP .

Los licenciatarios sin fábrica propia , que desean integrar un núcleo ARM en su propio diseño de chip, generalmente solo están interesados ​​en adquirir un núcleo de propiedad intelectual de semiconductor verificado y listo para la fabricación . Para estos clientes, Arm Holdings entrega una descripción de la lista de conexiones de puertas del núcleo ARM elegido, junto con un modelo de simulación abstracto y programas de prueba para ayudar a la integración y verificación del diseño. Los clientes más ambiciosos, incluidos los fabricantes de dispositivos integrados (IDM) y los operadores de fundición, optan por adquirir la propiedad intelectual del procesador en formato RTL sintetizable ( Verilog ). Con el RTL sintetizable, el cliente tiene la capacidad de realizar optimizaciones y extensiones a nivel arquitectónico. Esto permite al diseñador lograr objetivos de diseño exóticos que de otro modo no serían posibles con una lista de conexiones sin modificar ( alta velocidad de reloj , consumo de energía muy bajo, extensiones del conjunto de instrucciones, etc.). Si bien Arm Holdings no otorga al licenciatario el derecho a revender la arquitectura ARM en sí, los licenciatarios pueden vender libremente productos fabricados, como dispositivos de chip, placas de evaluación y sistemas completos. Las fundiciones comerciales pueden ser un caso especial; No solo están autorizados a vender chips de silicio terminados que contienen núcleos ARM, sino que, por lo general, tienen el derecho de volver a fabricar núcleos ARM para otros clientes.

Arm Holdings fija el precio de su propiedad intelectual en función de su valor percibido. Los núcleos ARM de menor rendimiento suelen tener costes de licencia más bajos que los de mayor rendimiento. En términos de implementación, un núcleo sintetizable cuesta más que un núcleo macro (de caja negra). Para complicar aún más la cuestión de los precios, una fundición comercial que posea una licencia ARM, como Samsung o Fujitsu, puede ofrecer a sus clientes de fabricación de semiconductores costes de licencia reducidos. A cambio de adquirir el núcleo ARM mediante los servicios de diseño interno de la fundición, el cliente puede reducir o eliminar el pago de la tarifa de licencia inicial de ARM.

En comparación con las fundiciones de semiconductores especializadas (como TSMC y UMC ) que no ofrecen servicios de diseño propios, Fujitsu/Samsung cobra entre dos y tres veces más por oblea fabricada . Para aplicaciones de bajo a medio volumen, una fundición con servicios de diseño ofrece un precio total más bajo (gracias a la subvención de la tarifa de licencia). Para componentes de alto volumen producidos en masa, la reducción de costes a largo plazo que se consigue con un precio más bajo por oblea disminuye el impacto de los costes de ingeniería no recurrentes (NRE ) de ARM, lo que convierte a la fundición especializada en una mejor opción.

Entre las empresas que han desarrollado chips con núcleos diseñados por Arm se incluyen la filial de Amazon.com , Annapurna Labs , ^{[ 64 ]} Analog Devices , Apple , AppliedMicro (ahora: MACOM Technology Solutions ^{[ 65 ]} ), Atmel , Broadcom , Cavium , Cypress Semiconductor , Freescale Semiconductor (ahora NXP Semiconductors ), Huawei , Intel , Maxim Integrated , Nvidia , NXP , Qualcomm , Renesas , Samsung Electronics , ST Microelectronics , Texas Instruments y Xilinx .

En febrero de 2016, ARM anunció la licencia Built on ARM Cortex Technology, a menudo abreviada como Built on Cortex (BoC). Esta licencia permite a las empresas asociarse con ARM y realizar modificaciones en los diseños de ARM Cortex. Estas modificaciones de diseño no se compartirán con otras empresas. Estos diseños de núcleos semicustomizados también gozan de libertad de marca, como por ejemplo el Kryo 280 .

Entre las empresas que actualmente son licenciatarias de Built on ARM Cortex Technology se encuentra Qualcomm . ^{[ 66 ]}

Las empresas también pueden obtener una licencia de arquitectura ARM para diseñar sus propios núcleos de CPU utilizando los conjuntos de instrucciones ARM. Estos núcleos deben cumplir totalmente con la arquitectura ARM. Entre las empresas que han diseñado núcleos que implementan una arquitectura ARM se incluyen Apple, AppliedMicro (ahora Ampere Computing ), Broadcom, Cavium (ahora Marvell), Digital Equipment Corporation , Intel, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, Fujitsu y NUVIA Inc. (adquirida por Qualcomm en 2021).

El 16 de julio de 2019, ARM anunció ARM Flexible Access. ARM Flexible Access proporciona acceso ilimitado a la propiedad intelectual (PI) de ARM incluida para el desarrollo. Se requieren tarifas de licencia por producto una vez que el cliente alcanza la fase de fabricación del chip o la creación de prototipos. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

El 75% de la propiedad intelectual más reciente de ARM de los últimos dos años está incluida en ARM Flexible Access. A octubre de 2019:

• CPUs: Cortex-A5 , Cortex-A7 , Cortex-A32 , Cortex-A34 , Cortex-A35 , Cortex-A53 , Cortex-R5 , Cortex-R8 , Cortex-R52 , Cortex-M0 , Cortex-M0+ , Cortex-M3 , Cortex-M4 , Cortex-M7 , Cortex-M23 , Cortex-M33
• GPU: Mali-G52 , Mali-G31 . Incluye kits de desarrollo de controladores Mali (DDK).
• Interconexión: CoreLink NIC-400, CoreLink NIC-450, CoreLink CCI-400, CoreLink CCI-500, CoreLink CCI-550, ADB-400 AMBA, XHB-400 AXI-AHB
• Controladores del sistema: CoreLink GIC-400, CoreLink GIC-500, PL192 VIC, BP141 TrustZone Memory Wrapper, CoreLink TZC-400, CoreLink L2C-310, CoreLink MMU-500, BP140 Memory Interface
• IP de seguridad: CryptoCell-312, CryptoCell-712, generador de números aleatorios verdaderos de TrustZone
• Controladores periféricos: PL011 UART, PL022 SPI, PL031 RTC
• Depuración y rastreo: CoreSight SoC-400, CoreSight SDC-600, CoreSight STM-500, CoreSight System Trace Macrocell, CoreSight Trace Memory Controller
• Kits de diseño: Corstone-101, Corstone-201
• IP física: Kit de desarrollo Artisan PIK para Cortex-M33 TSMC 22ULL ​​que incluye compiladores de memoria, bibliotecas lógicas, GPIO y documentación.
• Herramientas y materiales: Herramientas de propiedad intelectual de Sócrates, ARM Design Studio, modelos de sistemas virtuales
• Soporte: Soporte técnico estándar de ARM, capacitación en línea de ARM, actualizaciones de mantenimiento, créditos para capacitación presencial y revisiones de diseño.