Open Source im professionellen Einsatz
Linux-Magazin 06/2013
© 1xpert, 123RF.com

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ARM gestern, heute, morgen

Prima Architekten

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Mit Klarheit im Inneren und einem Niedrigenergie-Ansatz nach außen schreibt die ARM-Architektur moderne Computergeschichte. Zeit für einen indiskreten Blick in britische Baupläne.

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Die Anfänge der ARM-Architektur reichen zurück bis in die frühen 80er Jahre, als sich der britische Computerhersteller Acorn auf die Suche nach einem neuen Prozessor für seine Rechner machte. Der zuvor verwendete 6502 war nicht mehr leistungsfähig genug und alternative Architekturen schienen ungeeignet.

Daher entwickelte ein Team unter der Leitung von Steve Furber und Sophie Wilson eine eigene Architektur – die Acorn Risc Architecture, kurz ARM. Mitte der 80er Jahre kamen die ersten fertigen Produkte in Coprozessorkarten für Acorns BBC Micro zum Einsatz, ehe 1987 mit dem Acorn Archimedes der erste reine ARM-Rechner auf den Markt kam, dem in den nächsten Jahren weitere Geräte folgten.

Ende der 80er Jahre weckte Acorns Architektur das Interesse von Apple. Die Firma plante deren Einsatz in einem neuartigen mobilen Gerät. Acorn lagerte dafür die Entwicklung der Architektur in eine neue Firma (Advanced Risc Machines Ltd.) aus, die gemeinsam mit Apple die sechste Variante der ARM-Prozessoren entwickelte, die 1992 in Apples Stift-Handheld Newton zum Einsatz kam.

In den nächsten Jahren folgten weitere Lizenznehmer, während Acorns Rechnergeschäft immer mehr an Bedeutung verlor und die Firma um die Jahrtausendwende unterging. ARM Ltd. hingegen entwickelt bis heute die Architektur mit großem Erfolg weiter, was sowohl zu einer Entwicklung neuer Versionen der Architektur als auch zum Entwurf von Prozessorkernen und deren Anpassung an verschiedene Herstellungsverfahren führte.

Kerne versus Architektur

Die Versionen der ARM-Architektur werden mit ARMvX bezeichnet, wobei die Palette aktuell von ARMv1 bis ARMv8 reicht. Die Versionen ARMv1 (die von 1985 stammt) bis ARMv6 (die in den ersten iPhones und Androiden zum Einsatz kam) wurden dabei in den Kernen ARM1 bis ARM11 implementiert.

Mit dem Wechsel zu ARMv7 veränderten die Briten zugleich die Bezeichnungen der zugehörigen Kerne. Seitdem gibt es drei Reihen von Cortex-Kernen, deren Kürzel auch ihre Einsatzgebiete beschreiben: Cortex-Rx (Echtzeitanwendungen: geringe Latenz, Vorhersagbarkeit, geschützter Speicher), Cortex-Mx (Mikrocontroller: geringe Transistorenzahl, Vorhersagbarkeit) sowie Cortex-Ax (Anwendungsprozessoren: hohe Performance bei geringem Energieverbrauch, optimiert für Multitasking).

In Abhängigkeit vom vorgesehenen Einsatzzweck sind die Kerne sehr unterschiedlich realisiert. Von simplen In-Order-Kernen mit keiner oder einer nur sehr einfachen Pipeline in einfachen Mikrocontrollern bis hin zur komplexen Out-of-Order-Ausführung, Sprungvorhersage und spekulativer Ausführung in modernen Anwendungsprozessoren ist nahezu die gesamte Vielfalt von Beschleunigungstechniken, die auch x86-CPUs verwenden, anzutreffen.

Lizenzmodelle

Die Hardware, also konkrete Prozessoren mit diesen Kernen, fertigt und verkauft ARM Ltd. nicht selbst. Das Geschäftsmodell besteht vielmehr im Vertrieb geistigen Eigentums an Lizenznehmer [1]wie Samsung, Broadcom, Freescale oder Calxeda, wobei zwei Strategien zum Einsatz kommen: Zum einen lizenziert ARM Ltd. die Baupläne konkreter Prozessorkerne als so genannte IP Cores. Das erlaubt es Lizenznehmern, den Kern unverändert in das eigene Design eines System-on-Chip (SoC) zu integrieren. Beispiele dafür sind in sehr vielen Smartphones und Tablets zu finden. So enthält Samsungs Exynos-5-Dual-Chipsatz [2], der im Google Nexus 10 steckt, zwei Cortex-A15-Kerne. Zum anderen lässt sich auch die Architektur lizenzieren, was es ermöglicht, eigene Prozessorkerne zu entwickeln, die zur lizenzierten Version der Architektur kompatibel sind. Ein Beispiel sind die Krait-Kerne [3] von Qualcomm, die etwa Googles Nexus 4 antreiben.

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