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Linux-Magazin 01/2015
© alexmit, 123RF

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ARM-Chips für Einplatinen-Computer

Kerngedanken

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Ihren pfeilschnellen Verstand haben die meisten Single-Board-Computer einem, zwei oder vier CPU-Kernen zu verdanken, deren Design aus Laboratorien der Firma ARM stammt. Weil auf demselben Chip zugleich ein Großteil der Peripheriegeräte sitzt, trifft "Systems on a Chip" die Sache besser als "CPU".

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Intel hat 100 000 Angestellte, ARM Limited nur 2000. Intel besitzt große, technologisch hochgerüstete Chipfabriken, ARM keine einzige. Intel verkauft seine Prozessoren, ARM nur das Recht, welche zu produzieren. Intel weist immerhin 20 Prozent seines Umsatzes als Gewinn aus, aber ARM zur Freude der Aktionäre 50 Prozent. Die Welten von Intel und ARM könnten unterschiedlicher kaum sein, der Markt für Einplatinen-Computer (SBC), wo geringer Strom- und Platzbedarf enorm wichtig sind, zählt klar zum Aufmarschgebiet von ARM.

Der Raspberry Pi und andere SBCs profitieren davon, dass die meisten Lizenznehmer von ARM nicht die blanken CPUs produzieren, sondern ganze Systems on a Chip (SoC), die neben dem Prozessor auch ein Großteil der Peripheriekomponenten auf denselben Chip (Die) platzieren, zum Beispiel Netzwerk- oder USB-Schnittstellen, aber auch solche, die man von Embedded Devices kennt.

Evolution vs. Revolution: Der ARM-Befehlssatz

ARM reglementiert die Befehlssätze sehr strikt. Das ist notwendig, um die Binärcode-Kompatibilität zwischen den vielen Produzenten zu erhalten. Die einzelnen Generationen sind schlicht durchnummeriert und reichen zurzeit von ARMv1 von 1985 bis zu ARMv8 ([1], [2]), die eine 64-Bit-Technologie und damit eine massive Änderung brachte.

Während die 32-Bit-Architekturen ARM-v1 bis -v7 nur sachte Erweiterungen und Anpassungen vorsahen, etwa anbindbare Koprozessoren oder das Rechnen mit Fließkommazahlen, änderte ARMv8 im Jahr 2013 sowohl den Befehlssatz als auch die Chiparchitektur massiv.

Dieser stürmende Ansatz unterscheidet sich deutlich von dem, den AMD verwendet hat, um x86 auf 64 Bit zu heben. AMD hatte existierende Befehle lediglich angepasst und neue hinzugefügt, indem die Entwickler Lücken in der Kodierung besetzten. Der ARM-Ansatz nimmt auf Bestehendes nur insofern Rücksicht, als es einen Kompatibilitätsmodus für 32-Bit-Software gibt (AArch32). Für die nativen 64 Bit (AArch64) machten die Briten Tabula rasa und beseitigten solche Altlasten, die moderne Systeme als störend empfinden. Außerdem verdoppelten sie die Anzahl der Register (Abbildung 1). Trotz aller Änderungen bleibt der Befehlssatz klar und logisch.

Zu den Lizenzen für die Architekturlinien vertreibt ARM die Baupläne (formuliert in der Hardware-Beschreibungssprache Verilog) der korrespondierenden Kerne. Deren Benennung folgte in der Vergangenheit zur Verwirrung vieler einem anderen Nummernschema als die der Architektur. So setzt der Raspberry Pi auf einen SoC mit ARMv6-Befehlen und einem ARM11-Kern.

© Quelle: Whitepaper von http://arm.comAbbildung 1: Die Evolution der Befehlssatz-Erweiterungen im Überblick. Die Erweiterungen sind teils obligatorisch, teils optional. ARMv8 schafft mit 64 Bit einen fast vollständigen Neubeginn.

Das Cortex-Schema

Mit ARMv6 beginnend und vollständig mit der ARMv7-Architektur versuchte ARM das Chaos zu beseitigen und benennt seither die Kerne nach dem Cortex-Schema (lateinisch für Rinde, Hülle). Es sieht drei Reihen vor: Die besonders stromsparende Cortex-M für eingebettete Geräte wie Waschmaschinen, die Cortex-R-Reihe ist für echtzeitkritische Anwendungen, zum Beispiel Steuergeräte im Auto, vorgesehen, die Cortex-A-Reihe für rechenintensive Anwendungen wie Smartphone, Tablet oder Server.

Allerdings zählt ARM die dem Cortex-Reihennamen folgende Ziffer nicht chronologisch hoch und sorgt so abermals für Verwirrung. Beispiel: Auf die Produktstarts von ARM Cortex-A8 und Cortex-A9 folgten Cortex-A5, -A15 und -A7. Die Zahlen sollen vielmehr den Grad der Komplexität des Chips kennzeichnen. Neben der Cortex-Reihe bietet ARM auch so genannte Secure-Core-Kerne für Smartcards an, die gegen Reverse-Engineering-Angriffe gehärtet sind.

Der kleinste und einer der neuesten Kerne ist der Cortex-A5. Er ersetzt die wesentlich älteren, aber – wie der Raspberry Pi zeigt – immer noch gerne verwendeten ARM9- und ARM11-Kerne. Im Vergleich zu diesen besitzt der Cortex-A5 den moderneren Befehlssatz ARMv7 und die Gleitkomma-Einheit VFPv3.

Im Kontrast zum Cortex-A5 ist der Cortex-A8 der älteste Vertreter der Cortex-Reihe, zu finden beispielsweise als A4-SoC im Apple iPhone 4. Weil die Architektur per se nur Single-Core ist, setzte sich der Nachfolger Cortex-A9 schnell und in großen Stückzahlen durch. Bei ihm hat der SoC-Entwickler die Wahl zwischen Single-, Dual- und Quadcore [3]. Ein typisches Beispiel ist Nvidias Tegra 3, bekannt aus der ersten Version von Googles Nexus-7-Tablet.

Besonderer Erwähnung wert sind die Zynq-7000-Chips [4] der Firma Xilinx und die Arria- und Cyclone-V-SoC-Serien [5] von Altera. Alle besitzen zwei Cortex-A9-Kerne sowie ein FPGA (Field Programmable Gate Array). Die Kombination macht es nicht nur Profis, sondern auch manchen Hobbyentwicklern möglich, eigene ARM-SoCs zu entwickeln.

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