En quoi l'architecture ARM diffère-t-elle de l'architecture x86 ?

Question

L'architecture x86 est-elle spécialement conçue pour fonctionner avec un clavier alors que l'ARM s'attend à être mobile ? Quelles sont les principales différences entre les deux ?

Answer 1

ARM est un RISC (Reduced Instruction Set Computing), tandis que le x86 est une architecture de type CISC (Complex Instruction Set Computing) un.

La principale différence entre ces deux systèmes est que les instructions ARM ne fonctionnent que sur des registres, avec quelques instructions pour charger et stocker des données depuis/vers la mémoire, tandis que le x86 peut utiliser des opérandes de mémoire ou de registre avec des instructions ALU, ce qui permet parfois d'effectuer le même travail en moins d'instructions. Parfois plus, car l'ARM a ses propres astuces utiles, comme le chargement d'une paire de registres en une seule instruction, ou l'utilisation d'un registre décalé dans le cadre d'une autre opération. Jusqu'à ARMv8 / AArch64, ARM était une architecture 32 bits native, favorisant les opérations sur quatre octets par rapport aux autres.

L'architecture ARM est donc plus simple, ce qui permet d'obtenir une petite surface de silicium et de nombreuses fonctions d'économie d'énergie, tandis que l'architecture x86 devient une bête de somme en termes de consommation d'énergie et de production.

Pour répondre à votre question " L'architecture x86 est-elle spécialement conçue pour fonctionner avec un clavier alors que l'ARM s'attend à être mobile ? ". x86 n'est pas spécialement conçu pour fonctionner avec un clavier tout comme ARM n'est pas conçu spécifiquement pour les mobiles. Cependant, toujours en raison des choix architecturaux fondamentaux, x86 dispose également d'instructions permettant de travailler directement avec un espace d'adressage d'E/S distinct, ce qui n'est pas le cas de ARM. Au lieu de cela, ARM utilise l'IO mappée en mémoire pour tout, y compris la lecture/écriture de l'espace IO PCI. (Ce qui est rarement nécessaire avec les périphériques modernes car c'est lent sur x86. Par exemple, les contrôleurs USB modernes, l'accès aux périphériques connectés à l'USB est aussi efficace que le contrôleur USB le permet).

Si vous avez besoin d'un document à citer, voici ce qu'il faut faire Guide du programmeur de la série Cortex-A (4.0) explique les différences entre les architectures RISC et CISC :

Un processeur ARM est un ordinateur à jeu d'instructions réduit (RISC). (RISC).

Les processeurs CISC (Complex Instruction Set Computer), tels que le x86, possèdent un riche jeu d'instructions capable de faire des choses complexes avec une seule instruction. Ces processeurs ont souvent une quantité importante de logique interne qui décode les instructions de la machine en séquences d'opérations internes (microcode).

Architectures RISC, dans En revanche, elles ont un plus petit nombre d'instructions à usage plus général, qui pourraient être exécutées avec beaucoup moins de transistors, ce qui rendrait le silicium moins cher et plus économe en énergie. Comme les autres architectures RISC les noyaux ARM disposent d'un grand nombre de registres à usage et de nombreuses instructions sont exécutées en un seul cycle. Il possède modes d'adressage simples, où toutes les adresses de chargement/stockage peuvent être peuvent être déterminées à partir du contenu des registres et des champs d'instruction.

La société ARM fournit également un document intitulé Article sur le développement d'architectures, de processeurs et de dispositifs décrivant comment ces termes s'appliquent à leur entreprise.

Un exemple comparant l'architecture des jeux d'instructions :

Par exemple, si vous avez besoin d'une sorte de bloc de comparaison de mémoire bytewise dans votre application (généré par le compilateur, en sautant les détails), voici à quoi cela pourrait ressembler sur x86, si l'on optimise la taille du code plutôt que la vitesse. ( rep movsb / rep stosb sont assez rapides sur les CPU modernes, les instructions de comparaison conditionnelle-rep ne le sont pas).

repe cmpsb         /* repeat while equal compare string bytewise */

alors qu'en ARM, la forme la plus courte pourrait ressembler (sans contrôle d'erreur ni optimisation pour la comparaison de plusieurs octets à la fois, etc.)

top:
ldrb r2, [r0, #1]! /* load a byte from address in r0 into r2, increment r0 after */
ldrb r3, [r1, #1]! /* load a byte from address in r1 into r3, increment r1 after */
subs r2, r3, r2    /* subtract r2 from r3 and put result into r2      */
beq  top           /* branch(/jump) if result is zero                 */

ce qui devrait vous donner une idée de la différence de complexité entre les jeux d'instructions RISC et CISC. Il est intéressant de noter que le x86 n'a pas de mode d'adressage write-back (qui charge et incrémente le pointeur). sauf via ses instructions "string" comme lodsd .

Answer 2

Ni l'un ni l'autre n'a de spécificité pour les claviers ou les mobiles, si ce n'est que pendant des années, ARM a eu un avantage assez substantiel en termes de consommation d'énergie, ce qui l'a rendu attrayant pour toutes sortes d'appareils fonctionnant sur batterie.

En ce qui concerne les différences réelles : ARM a plus de registres, a supporté la prédication pour la plupart des instructions bien avant qu'Intel ne l'ajoute, et a longtemps incorporé toutes sortes de techniques (appelez-les "trucs", si vous préférez) pour économiser de l'énergie presque partout où il le pouvait.

Il y a aussi une différence considérable dans la façon dont les deux codent les instructions. Intel utilise un codage de longueur variable assez complexe dans lequel une instruction peut occuper de 1 à 15 octets. Cela permet aux programmes d'être assez petits, mais rend le décodage des instructions relativement difficile (comme dans : le décodage rapide des instructions en parallèle est plutôt un cauchemar complet).

L'ARM dispose de deux modes d'encodage d'instructions différents : ARM et THUMB. En mode ARM, vous avez accès à toutes les instructions, et le codage est extrêmement simple et rapide à décoder. Malheureusement, le code en mode ARM a tendance à être assez volumineux, il est donc assez courant qu'un programme occupe environ deux fois plus de mémoire que le code Intel. Le mode Thumb tente d'atténuer ce phénomène. Il utilise toujours un codage d'instructions assez régulier, mais réduit la plupart des instructions de 32 bits à 16 bits, notamment en réduisant le nombre de registres, en éliminant la prédication de la plupart des instructions et en réduisant l'étendue des branches. Au moins dans mon expérience, cela ne donne toujours pas de résultats satisfaisants. tout à fait Le code x86 n'est pas aussi dense qu'il peut l'être, mais il en est assez proche et le décodage reste assez simple et direct. Une densité de code plus faible signifie que vous avez généralement besoin d'au moins un peu plus de mémoire et (généralement plus sérieusement) d'un cache plus grand pour obtenir des performances équivalentes.

À une époque, Intel mettait beaucoup plus l'accent sur la vitesse que sur la consommation d'énergie. Ils ont commencé à mettre l'accent sur la consommation d'énergie principalement dans le contexte des ordinateurs portables. Pour les ordinateurs portables, leur objectif de puissance typique était de l'ordre de 6 watts pour un ordinateur portable assez petit. Plus récemment ( beaucoup Plus récemment, ils ont commencé à cibler les appareils mobiles (téléphones, tablettes, etc.). Pour ce marché, ils visent quelques watts tout au plus. Ils semblent s'en sortir plutôt bien, bien que leur approche soit sensiblement différente de celle d'ARM, mettant l'accent sur la technologie de fabrication là où ARM a surtout mis l'accent sur la micro-architecture (ce qui n'est pas surprenant, étant donné qu'ARM vend des conceptions et laisse la fabrication à d'autres).

Selon la situation, la consommation d'énergie d'un processeur est souvent plus importante que sa consommation électrique. En tout cas, la consommation d'énergie fait référence à l'utilisation de l'énergie sur une base (plus ou moins) instantanée. La consommation d'énergie, quant à elle, est normalisée en fonction de la vitesse. Ainsi, si (par exemple) le CPU A consomme 1 watt pendant 2 secondes pour effectuer un travail et que le CPU B consomme 2 watts pendant 1 seconde pour effectuer le même travail, les deux CPU consomment la même quantité totale d'énergie (deux watt secondes) pour effectuer ce travail - mais avec le CPU B, vous obtenez des résultats deux fois plus rapidement.

Les processeurs ARM ont tendance à être très performants en termes de consommation d'énergie. Ainsi, si vous avez besoin de quelque chose qui nécessite la "présence" d'un processeur presque constamment, mais qui ne fait pas vraiment beaucoup de travail, ils peuvent fonctionner assez bien. Par exemple, si vous faites de la vidéoconférence, vous recueillez quelques millisecondes de données, vous les compressez, vous les envoyez, vous recevez des données des autres, vous les décompressez, vous les lisez et vous recommencez. Même un processeur très rapide ne peut pas passer beaucoup de temps à dormir, donc pour des tâches comme celle-ci, ARM s'en sort très bien.

Les processeurs d'Intel (en particulier leurs processeurs Atom, qui sont en fait destinés aux applications à faible consommation) sont extrêmement compétitifs en termes de consommation d'énergie. Lorsqu'ils tournent presque à plein régime, ils consomment plus d'énergie que la plupart des processeurs ARM, mais ils terminent aussi leur travail rapidement, ce qui leur permet de se remettre en veille plus tôt. Par conséquent, ils peuvent combiner une bonne autonomie de batterie avec de bonnes performances.

Ainsi, lorsque vous comparez les deux, vous devez faire attention à ce que vous mesurez, afin d'être sûr que cela reflète ce qui vous tient vraiment à cœur. L'ARM est très performant en matière de consommation d'énergie, mais selon la situation, vous pouvez facilement vous préoccuper davantage de la consommation d'énergie que de la consommation instantanée.

Answer 3

Supplémentaire à Jerry Coffin's premier paragraphe. C'est-à-dire que la conception ARM donne une consommation d'énergie plus faible.

L'entreprise ARM ne concède de licence que pour la technologie du processeur. Ils ne fabriquent pas de puces physiques. Cela permet à d'autres entreprises d'ajouter diverses technologies périphériques, généralement appelées SOC ou système sur puce. Que l'appareil soit une tablette, un téléphone portable ou un système de divertissement embarqué. Cela permet aux vendeurs de puces d'adapter le reste de la puce à une application particulière. Cela présente des avantages supplémentaires,

1. Réduction du coût du carton
2. Puissance inférieure (note1)
3. Une fabrication plus facile
4. Facteur de forme plus petit

ARM soutient les fournisseurs de SOC avec AMBA Ce système permet aux concepteurs de SOC d'acheter des modules tiers prêts à l'emploi, tels qu'un contrôleur Ethernet, un contrôleur de mémoire et un contrôleur d'interruption. D'autres plates-formes CPU supportent cette fonctionnalité, comme MIPS mais le MIPS n'est pas aussi sensible à la consommation d'énergie.

Tous ces éléments sont bénéfiques pour une conception de type portatif/à piles. Certaines sont tout simplement bonnes. De même, ARM a un passé d'appareils à piles ; Apple Newton , Organisateurs Psion . Le site Infra-structure du logiciel PDA a été mis à profit par certaines entreprises pour créer téléphone intelligent dispositifs de type. Cependant, ceux qui ont réinventé l'interface graphique pour l'utiliser avec un appareil de type téléphone intelligent .

La montée en puissance de Open source ensembles d'outils et operating systems a également facilité les différents SOC puces. Une organisation fermée aurait des difficultés à prendre en charge tous les différents appareils disponibles pour l'ARM. Les deux plates-formes cellulaires les plus populaires, Andriod et OSx/IOS, sont basées sur la technologie ARM. Linux y FreeBSD, Mach et NetBSD Les os. Open Source aide SOC Les vendeurs fournissent un support logiciel pour leurs jeux de puces.

J'espère, pourquoi x86 est utilisé pour le clavier est évidente. Elle dispose du logiciel et, plus important encore, de personnes formées à l'utilisation de ce logiciel. Netwinder est un ARM qui a été conçu à l'origine pour le clavier . De plus, les fabricants s'intéressent actuellement à l'ARM64 pour le marché des serveurs. L'alimentation et la chaleur sont des préoccupations dans les centres de données fonctionnant 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

Je dirais donc que le écosystème qui se développe autour de ces puces est aussi important que des caractéristiques comme la faible consommation d'énergie. ARM s'efforce depuis un certain temps (entre le milieu et la fin des années 1980) de mettre au point des systèmes de calcul à faible consommation d'énergie et à haute performance, et de nombreuses personnes sont à bord.

Note1 : Les puces multiples ont besoin de pilotes de bus pour communiquer entre elles à des tensions et des pilotages connus. De même, les puces séparées ont généralement besoin de condensateurs de support et d'autres composants d'alimentation qui peuvent être partagés dans un système de gestion de l'alimentation. SOC système.

Answer 4

L'ARM est comme une voiture de sport italienne :

• Moteur bien équilibré, bien réglé. Donne une bonne accélération et une bonne vitesse de pointe.
• Excellentes poursuites, freins et suspension. Peut s'arrêter rapidement, peut prendre des virages sans ralentir.

Le x86 est comme un muscle car américain :

• Gros moteur, grosse pompe à essence. Donne une excellente vitesse de pointe et une bonne accélération, mais consomme beaucoup de carburant.
• Des freins redoutables, il faut mettre un rendez-vous dans son agenda, si l'on veut ralentir.
• Direction terrible, vous devez ralentir pour prendre un virage.

En résumé : le x86 est basé sur un design de 1974 et est bon en ligne droite (mais consomme beaucoup de carburant). L'arm consomme peu de carburant, ne ralentit pas dans les virages (branches).

---

Métaphore terminée, voici quelques différences réelles.

• Le bras a plus de registres.
• L'Arm a peu de registres à usage spécifique, le x86 n'a que des registres à usage spécifique (donc moins de déplacements).
• L'Arm a peu de commandes d'accès à la mémoire, seulement le registre load/store.
• Le bras est une architecture interne de Harvard, ma conception.
• Arm est simple et rapide.
• Les instructions du bras sont architecturalement à cycle unique (à l'exception du multiple de chargement/stockage).
• Les instructions du bras font souvent plus d'une chose (dans un seul cycle).
• Lorsque plus d'une instruction Arm est nécessaire, comme le stockage et l'auto-incrémentation en boucle du x86, l'Arm le fait toujours en moins de cycles d'horloge.
• Le bras a plus d'instructions conditionnelles.
• Le prédicteur de branchement d'Arm est trivialement simple (s'il est inconditionnel ou inversé, alors il suppose le branchement, sinon il suppose le non-branchement), et il est plus performant que le prédicteur très très très complexe du x86 (il n'y a pas assez de place ici pour l'expliquer, même si je ne le pourrais pas).
• Arm a un jeu d'instructions simple et cohérent (vous pouvez compiler à la main et apprendre rapidement le jeu d'instructions).

Answer 5

L'architecture ARM a été conçue à l'origine pour les ordinateurs personnels Acorn (Voir Archimède à gland vers 1987, et RiscPC ), qui étaient tout autant des ordinateurs personnels à clavier que des modèles IBM PC à base de x86. Ce n'est que plus tard que les implémentations ARM ont été principalement destinées au segment de marché mobile et embarqué.

À l'origine, de simples unités centrales RISC de performances à peu près équivalentes pouvaient être conçues par des équipes d'ingénieurs beaucoup plus petites (cf. Berkeley RISC ) que ceux qui travaillent au développement du x86 chez Intel.

Mais, de nos jours, les puces ARM les plus rapides sont dotées d'unités de répartition des instructions hors ordre très complexes, conçues par de grandes équipes d'ingénieurs, et les cœurs x86 peuvent avoir quelque chose comme un cœur RISC alimenté par une unité de traduction des instructions.

Ainsi, toute différence actuelle entre les deux architectures est davantage liée aux besoins spécifiques du marché des niches de produits que les équipes de développement ciblent. (Opinion aléatoire : ARM gagne probablement plus en droits de licence grâce aux applications embarquées qui ont tendance à être beaucoup plus limitées en termes de puissance et de coûts. Et Intel a besoin de maintenir un avantage de performance dans les PC et les serveurs pour ses marges de profit. C'est pourquoi vous voyez des optimisations d'implémentation différentes).