Architektury moderních procesorů a mikrořadičů ARM

Pavel Tišnovský
- tisnik 0x40 centrum 0x2e cz
Datum 2015-10-10
Prezentace:
- https://tisnik.github.io/presentations/linuxdays2015/arm_cpu.html
Zdrojový kód prezentace v plain textu:
- https://github.com/tisnik/presentations/blob/master/linuxdays2015/arm_cpu/arm_cpu.txt

Obsah přednášky (1)

Základní informace o mikroprocesorech ARM
Rozšíření čipů ARM ve světě
Přednosti architektury ARM
Architektury čipů ARM
Rodiny jader ARM (starší dělení)
- ARM1
- ARM2
- ARM3
- ARM6
- ARM7 (+ ARM7T)
- ARM11
Rodiny jader ARM podle nového dělení
- Cortex-A
- Cortex-R
- Cortex-M

Obsah přednášky (2)

ARM pro mikrořadiče
- Jádra v řadě Cortex-M
ARM pro spotřební elektroniku
- Jádra v řadě Cortex-A
AArch64 (ARMv8-A)
Příklady použití čipů s jádrem ARM
- nRF51822 (Cortex-M0) - BBC Micro Bit
- Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 - Arduino Due
- BCM2835 (single core) - Raspberry Pi
- BCM2836 (quad core) - Raspberry Pi 2
- Dual-Core ARM11 MPCore + single-core ARM9 - Nintendo 3DS

Základní informace o ARM CPU

Název ARM
- 1983 - Acorn RISC Machine
- 1990 - Advanced RISC Machines
- 1998 - ARM Holdings
- V současnosti označení pravděpodobně nejpopulárnější architektury procesorů RISC

Jádro ARM

Součástí mnoha historických i současných čipů
- „Od topinkovačů po servery“
- Výkonné mikrořadiče
- Herní konzole
- Tablety
- Netbooky
- Mobilní telefony
- Postupná adaptace i na serverech

ARM + další rozšiřující moduly

Klasické procesory ARM
- 32bitová instrukční sada RISC
- Nově označovaná A32
Další rozšíření
- Instrukční sada Thumb (16 bitů)
- Instrukční sada Thumb-2
- Jazelle DBX (pro bajtkód JVM)
- AArch64
- SIMD
- NEON (Advanced SIMD)
MMU
MPU (zjednodušená varianta MMU bez virtualizace)
Vektorový FPU
GPU

Obchodní model ARM vs.Intel/AMD

Tradiční model mainstreamových výrobců
- „Jedna velikost padne všem“
- Relativně malé množství současně nabízených modelů CPU (10?)
Jedna společnost (Intel či AMD)
- Návrh architektury čipu
- Výroba
- Distribuce
Začátek tohoto modelu:
- Intel 386
- Andrew Grove
- “single source”
- pouze několik “fabs” vlastněných Intelem
  - Santa Clara
  - Hillsboro
  - Chandler

Obchodní model ARM vs.Intel/AMD

ARM
- Vlastní know-how a IP
- Nevyrábí vlastní procesory
- Namísto toho prodává IP dalším společnostem
  - Samsung
  - Qualcomm
  - NVidia
  - Nintendo
  - Texas Instruments
  - dalších cca 15 důležitých zákazníků (oficiální seznam není zveřejněn)
- ⇒ Veškerý zisk je možné investovat do návrhu čipů

Zajímavé akvizice ARM

2005 Keil software
- překladače pro různé MCU
2006 Falanx (ARM Norway)
- 3D akcelerátory
2013 Sensinode
- startup, IoT

Rozšíření čipů s jádrem ARM

Rok           Čipů
      9 000 000
     51 000 000
    175 000 000
    367 000 000
    420 000 000
    456 000 000
    782 000 000
  1 272 000 000
  1 662 000 000
  2 400 000 000
  2 900 000 000
  4 000 000 000
  3 900 000 000
  6 100 000 000
  7 900 000 000
  8 700 000 000
 10 000 000 000
 12 000 000 000
              ?

Rozšíření čipů s jádrem ARM

Rok 2010
    6 100 000 000 čipů
    95% smartphony
    10% přenosné počítače
    35% TV a set-top boxy
     0% desktopy
     0% servery :-)
Rok 2014
    12 000 000 000 čipů
    predikce pro 23% ARM na PC

Přednosti architektury ARM

Relativně malý počet tranzistorů
Malá spotřeba (MIPS/Watt)
Možnost získat licenci a zařadit jádro ARM do vlastního čipu
- NVidia Tegra
- OMAP
- …
Tři rodiny čipů pro různé aplikace
- Mikrořadiče
- Smartphone/tablety/PC/konzole
- Realtime aplikace (včetně DSP apod.)
- Servery
Dobrá podpora překladači
- Dnes i dobrá podpora ve VM (JIT)
Linux & ARM
- Ekonomicky výhodné spojení technologií

ARM family, architecture, core

Rodina
- Nejhrubší dělení
- Dnes označuje určení čipů
  - Cortex-M
  - Cortex-R
  - Cortex-A (32/64)
  - SecurCore
Architektura
- Určuje vlastnosti jádra CPU
Core (jádro)
- Společné moduly (cache, MMU, …)
- Pro jednu architekturu odlišné vlastnosti (velikost cache atd.)

ARM family, architecture, core

Příklad
- ARM1
  - ARMv1
    - ARM1
- ARM11
  - ARMv6
    - ARM1136
  - ARMv6T2
    - ARM1156
  - ARMv6Z
    - ARM1176
  - ARMv6K
    - ARM11MPcore
- Cortex-M
  - ARMv6-M
    - Cortex-M0
    - Cortex-M0+
    - Cortex-M1
  - ARMv7-M
    - Cortex-M3 …

Architektury a čipy ARM

Architektura          Jádra
ARMv1     26/32 bitů  ARM1
ARMv2     26/32 bitů  ARM2, ARM3
ARMv3     26/32 bitů  ARM6, ARM7
ARMv4     26/32 bitů  ARM8
ARMv5     32 bitů     ARM7EJ, ARM9E, ARM10E
ARMv6     32 bitů     ARM11
ARMv6-M   32 bitů     Cortex-M0, Cortex-M0+, Cortex-M1
ARMv7-M   32 bitů     Cortex-M3
ARMv7E-M  32 bitů     Cortex-M4, Cortex-M7
ARMv7-R   32 bitů     Cortex-R4, Cortex-R5, Cortex-R7
ARMv7-A   32 bitů     Cortex-A5, Cortex-A7, Cortex-A8,
                      Cortex-A9, Cortex-A12,
                      Cortex-A15, Cortex-A17
ARMv8-A   32/64 bitů  Cortex-A53, A57 a A72

Architektury a čipy ARM - využití

ARMv1      proof of concept, funkční hned první "várka"
ARMv2      Acorn Archimedes, 1982
ARMv3     
ARMv4      StrongARM
ARMv5     
ARMv6      Starší (univerzální) čipy, dnes RPI apod.
ARMv6-M    Mikrořadič, malá spotřeba, malý výkon
ARMv7-M    Mikrořadič, "zlatá střední cesta"
ARMv7E-M   Mikrořadič, vysoký výkon, složitější čip
ARMv7-R    Real-time aplikace
ARMv7-A    netbooky, smartphony, tablety, čtečky, desktop
ARMv8-A    servery

Rodina ARM1

Architektura ARMv1
- Jádro ARM1
- První implementace jádra ARM
- Bez HW násobičky
- Bez MMU a bez cache
- Proof of concept
  - Nebyl použit v žádném komerčním produktu

Rodina ARM2

Architektura ARMv2
- Jádro ARM2
- První komerčně používané čipy ARM
Novinky architektury ARMv2
- Oproti ARM1 byla přidána HW násobička
Základní parametry
- Typická frekvence 8 MHz
- Výkon přibližně 4 MIPS

ARM1+ARM2 (společné vlastnosti)

CPU bez mikrokódu a mikrořadiče
Architektura Load/Store
- 32bit datová sběrnice
- 26bit adresová sběrnice
- PC jen 24 bitů
  - proto kód v 64MB prostoru
  - (později 26b, nakonec 32b)
27 (později 37) 32bitových registrů
- Některé mají speciální funkci
Fixní délka operačních kódů 32bitů
1 instrukce/takt
- (kromě skoků a později MUL)
Většina instrukcí může být vykonána za určité podmínky GT, GE, EQ atd.

Rodina ARM2 (pokr.)

Architektura ARMv2a
- Založeno na ARMv2 (původně jádro ARM2)
- Nyní jádro A250
Novinky architektury ARMv2a
- Jádro A250
- Integrovaná jednotka MMU
- Nové instrukce
- Grafický I/O procesor
Základní parametry
- Frekvence až 12 MHz
- Výkon průměrně 7 MIPS

Rodina ARM3

Stále architektura ARMv2a
Jádro ARM3
Postupně rostoucí hodinová frekvence
- ARM250: 12 MHz
- ARM3: 25 MHz
Operační paměť se stává úzkým hrdlem architektury
- Řešení typické pro RISC: použití cache
- 4 kB cache v případě jádra ARM3 (D+I)
Základní parametry
- Frekvence až 25 MHz
- Výkon průměrně 12 MIPS

Rodina ARM6

Architektura ARMv3
Novinky rodiny ARM6
- Podpora pro plně 32bitové adresování (dříve 24, 26 bitů)
- Volitelná cache podle jádra (0, 4 kB)
Základní parametry
- Frekvence až 33 MHz
- Výkon průměrně 28 MIPS
V některých zařízeních stále používán

Rodina ARM7

Velmi úspěšná rodina čipů ARM
Novinky rodiny ARM7
- JTAG (ARM7DI)
  - Snazší ladění, hw breakpointy…
- Thumb 16bit (u čipů s „T“ v názvu)
  - ARM7-TDMI (viz další slide)
- MMU (v závislosti na čipu)
- Cache 8 kB (v závislosti na čipu)

ARM7 vs ARM7T

ARM7
- A32
- ARMv3
ARM7T
- A32+Thumb
- ARMv4T
ARM7TDMI
- ARM7 + _T_humb +
- JTAG _D_ebug +
- fast _M_ultiplier +
- enhanced _I_CE (debug support)
  - (nastaveni podmínek, kdy se aktivuje breakpoint či watchpoint)
- Licencováno TI
- Nokia 6110

Rodina StrongARM

Architektura ARMv4
Společnost DEC + Adv. ARM Machines
- Později prodáno firmě Intel
  - Náhrada za i860 a i960
- StrongARM → XScale
Zaměření čipu
- PDA
- Set-top boxy
- (Apple MessagePad 2000)
- (Acorn Computers RISC PC)
Hodinové frekvence 100..233 MHz

ARM11

Architektura ARMv6
- Instrukční sady
  - A32
  - Thumb
  - Thumb-2 (později, od ARM1156)
- Delší pipeline
  - 8 řezů
  - out-of-order
  - branch prediction
- SIMD
  - paralelní provádění některých operací

ARM11

Čtyři jádra
- ARM1136
- ARM1156
  - Thumb-2
- ARM1176
- ARM11MPcore
  - multicore (Raspberry PI a podobná zařízení používají ARM11)

ARM ve funkci mikrořadiče

Tři architektury
- ARMv6-M
  - Cortex-M0
  - Cortex-M0+
  - Cortex-M1
- ARMv7-M
  - Cortex-M3
- ARMv7E-M
  - Cortex-M4
  - Cortex-M7

Jádra v řadě Cortex-Mx

Jádro       Architektura            MPU
Cortex-M0   ARMv6-M    Von Neumann  ne
Cortex-M0+  ARMv6-M    Von Neumann  volitelná
Cortex-M1   ARMv6-M    Von Neumann  ne
Cortex-M3   ARMv7-M    Harvardská   volitelná
Cortex-M4   ARMv7E-M   Harvardská   volitelná
Cortex-M7   ARMv7E-M   Harvardská   volitelná

Jádra v řadě Cortex-Mx (pokr.)

Jádro       Dělička DSP Thumb             Thumb-2
Cortex-M0     ne    ne  kromě 3 instrukcí částecně
Cortex-M0+    ne    ne  kromě 3 instrukcí částecně
Cortex-M1     ne    ne  kromě 3 instrukcí částecně
Cortex-M3     ano   ne  kompletně         kompletně
Cortex-M4     ano   ano kompletně         kompletně
Cortex-M7     ano   ano kompletně         kompletně

Cortex-M0

Jádro “naprogramované” ve Verilogu
ARM čipy s nejnižší cenou, rozměry, výkonem, příkonem
- Malá plocha čipu
- Nejmenší čip má rozměry 1,6x2 mm
- Pipeline se třemi řezy
Instrukční sada
- Thumb (chybí jen tři instrukce)
- částečně Thumb-2 (ale ne již CBZ, CBNZ či IT)
- Nikoli A32!

Cortex-M0

M0 je skutečný mikrořadič
- Náhrada za některé 8bitové a 16bitové MCU
- von Neumannova architektura
- Násobička
  - jednocyklová (high perf. čipy)
  - 32cyklová (čipy s nižší cenou a příkonem)
- Power management
  - Režim sleep (CLK=0 Hz)
  - Režim deep sleep (vypnutí flash paměti apod.)
  - Instrukce WFI, WFE
- 12.5µW na každý MHz @ 1,2V
- 64µW na každý MHz @ 1,8V

Cortex-M0+

Novější čipy
- vylepšení původních jader M0
Kompatibilní s M0
Ještě menší spotřeba
- 9.8µW na MHz
Pipeline se dvěma řezy (tři v M0)
MPU

Cortex-M3

Obecně výkonnější čipy než Cortex-M0(+)
MPU
HW násobička (1 takt)
HW dělička (2-16 taktů)
Instrukční sada
- Thumb
- Thumb-2
- Nikoli A32!

Cortex-M3

Booleovský processor
- Dva vybrané paměťové regiony á 1 MB
- První region: SRAM
- Druhý region: periferní zařízení
- Adresové aliasy: blok 32 MB
  - Každé slovo mapováno do jediného bitu (LSB)
Energetické nároky
- 1,2V, 25°C 31 µW/MHz
- 1,1V, 25°C 11 µW/MHz
- 0,9V, 85°C 8 µW/MHz

Cortex-M7

Nejvýkonnější řada DSP
- Superskalární, 6řezová pipeline
- Prediktor skoků
- MAC s 16/32bitovými operandy v jednom cyklu
- HW dělička (2-12 cyklů)
Floating point
- single
- double
SIMD
D-cache až 64kB
I-cache až 64kB
TCM
- Tightly Coupled Memory
ECC
Režimy Sleep a Deep Sleep

ARM pro spotřební elektroniku

Cortex-A
- 32bitové CPU
  - 2005 Cortex-A8
  - 2007 Cortex-A9
  - 2009 Cortex-A5
  - 2010 Cortex-A15
  - 2011 Cortex-A7
  - 2013 Cortex-A12
  - 2014 Cortex-A17
- 64bitové CPU
  - 2012 Cortex-A53
  - 2012 Cortex-A57
  - 2015 Cortex-A72

ARM pro spotřební elektroniku

Čipy v A-profilu mají MMU
Nutnost pro moderní OS
- 32bitové CPU
  - Architektura ARMv7-A
- 64bitové CPU
  - Architektura ARMv8-A

Cortex-A5

Low end zařízení

800 MHz - 2 GHz
L1 cache: 4-64kB I + 4-64kB D
8řezová pipeline
A32
Thumb-2
Jazelle RCT
NEON SIMD (volitelné)
VFPv3 (volitelné)
Typicky 1-4 jádra na čipu

Cortex-A8

Použito v různých zařízeních

600 MHz - 1 GHz
L1 cache: 32kB I + 32kB D
L2 cache: 512kB
Superskalární architektura
13řezová pipeline (Integer)
10řezová pipeline (NEON)
A32
Thumb-2
Jazelle RCT
NEON SIMD
VFPv3
1 jádro na čipu

Cortex-A9

800 MHz - 2 GHz
L1 cache: 32kB I + 32kB D
L2 cache: 128kB - 8MB
Superskalární architektura
8řezová pipeline
A32
Thumb-2
Jazelle DBX+Jazelle RCT
NEON SIMD (volitelné)
VFPv3 (volitelné)
Typicky 1-4 jádra na čipu

ARM pro real-time aplikace

Cortex-R4
Cortex-R5
Cortex-R7
Poměrně výkonná jádra
- Cortex-R4 1,4 GHz
DSP
HW dělička
SIMD
FPU

Mikroprocesory ARM s 64bitovou architekturou

32bitů -> 64bitů
Pravděpodobně největší změna v architektuře procesorů ARM v celé jejich historii
Velké odlišnosti, nutnost překladu pro novou architekturu

Změna označování

Původní architektura: AArch32 (málokdy využíváno)
Nová architektura: AArch64

Proč AArch64?

Nové možnosti nasazení těchto procesorů
- “Od topinkovačů po superpočítače” :-)
Požadavky zákazníků
- Nutnost dobrého načasování
- Konec roku 2011
Větší virtuální paměťový prostor
Nativní práce s 64bitovými hodnotami
Zjednodušení pro vývojáře i autory překladačů/VM
- Čistý návrh load/store RISC
- Jen několik instrukcí obsahuje podmínku
- Větší množina dostupných registrů

Rodina ARMv8-A

Zaručena zpětná kompatibilita s ARMv7-A
Podporuje AArch32 i AArch64
Současné čipy ARMv8-A
- Cortex-A53
- Cortex-A57
- Cortex-A72

A57

Instrukce jsou dekódovány do µops
- Fetch + Decode: in order
- Execute (issue): out of order
Pro issue: osm samostatných pipeline
- Integer 0 (I0)
- Integer 1 (I1)
- Integer Multi-cycle (M)
- Branch (B)
- Load (L)
- Store (S)
- FP/ASIMD 0 (F0)
- FP/ASIMD 1 (F1)
Za cyklus max tři µops
Load balancing FP operací

Osm samostatných pipeline (pokr.)

- Integer Multi-cycle
    Shift
    MUL
    DIV
    CRC
- FP/ASIMD 0
    všechny FP operace
    crypto
- FP/ASIMD 1
    ADD, MUL

A57

Latence a max. průchodnost (integer)

  ADD    1     2         I0/I1
  Shift  1     1         M
  BLR    2-3   1         I0/I1+B (branch and link)
  CCMP   1     2         I0/I1   (conditional compare)
  MUL    3     1         M
  SDIV   4-20  1/20-1/4  M
  LDR    4     1         L
  STR    1     1         S  (nečeká na zápis)

A57

Latence a max. průchodnost (FP)

  VADD   5     2         F0/F1
  VMUL   5     2         F0/F1
  VDIV   7-17  2/15-2/5  F0    (single/float)
  VDIV   7-32  1/30-1/5  F0    (double)
  VSQRT  7-17  2/15-2/5  F0    (single/float)
  VSQRT  7-32  1/30-1/5  F0    (double)
  °
  DIV+SQRT - iterativní algoritmus
           - lze přerušit

Příklady použití čipů s jádrem ARM

BBC Micro Bit

BBC Computer Literacy Programme
Nordic Semiconductor nRF51822
- 16 MHz (+ 32768 Hz)
- ARM Cortex-M0
256KB Flash
16KB RAM
Bluetooth
USB (On-The-Go)
Displej z 25 LED
GPIO (Akcelerometr + Magnetometr přes I²C)

Arduino Due

ARM Freescale Cortex-A9 + ARM Atmel SAM3X8E CP
HD video, low power, realtime app
- 84 MHz
- 2 x 256 kB Flash ROM
- 64 + 32 kB SRAM
- 16 kB ROM obsahuje především bootloader rutiny pro UART a USB
- 54 I/O pinů 12 z nich vyhrazeno pro PWM
- 16 kanálový ADC (12 bitů) jeden rezervován pro vnitřní senzor teploty
- 2 DAC (taktéž 12bitů)
- 3 x USART
- 9 kanálový 32bitový čítač
- 2 TWI (Two Wire Interface, varianta I²C)
- USB Device/Mini host
- Ethernet MAC 10/100 + podpora pro přenos dat přes DMA
- True Random Number Generator (TRNG) dokáže každých 32 taktů vrátit 32bitové náhodné(?) číslo

Raspberry Pi

Model B+
- SoC BCM2835
  - CPU + GPU
- 512 MB RAM
  - “nasazena” na SoC
- 4xUSB konektor
- Ethernet
- HDMI + TV výstup
- Audio výstup
- MicroSD + Externí HDD (over USB)

Raspberry Pi: SoC

CPU
- Rodina ARM11
- Instrukční sada architektury ARMv6
- 700 MHz
- Lze snadno přetaktovat až na 1 GHz
- Poměrně slabý výkon pro desktopové aplikace
GPU
- HVS - Hardware Video Scaler
- 24 GFLOPS
- silný zejména v GPU výpočtech (x desktop)

Raspberry Pi 2

CPU
- SoC BCM2836 (Quad core)
  - ARM Cortex-A7
  - CPU + GPU
- 900 MHz
- 1 GB RAM

Nintendo DS

CPU
- ARM946E-S
  - 67 MHz
  - Hry, rendering
- ARM7TDMI
  - 33 MHz
  - Zvukový výstup
  - GBA režim
4 MB RAM

Nintendo 3DS

CPU
- Dual-Core ARM11 MPCore
  - První jádro pro hry
  - Druhé pro potřeby OS
- Single-core ARM9
  - Pro zpětnou kompatibilitu s DS
128 MB RAM
6 MB VRAM
1 GB flash

☕ ☕ ☕