ARM Mimarisi , ARM Azaltılmış Komut Seti Hesaplama (RISC) mimarisine sahip bir bilgisayar işlemcileri ailesidir. ARM, ilk olarak 1980’lerde Acorn Computers tarafından geliştirildi ve daha sonra bir şirket olan ARM Holdings’e dönüştü. Enerji tasarruflu ve yüksek performanslı işlemcileriyle tanınır ve gömülü sistemlerde, mobil cihazlarda ve daha yakın zamanlarda sunucu ve masaüstü pazarlarında etkisi hızla artmıştır.
ARM mimarisi basitlik, düşük güç tüketimi ve ölçeklenebilirlik ile karakterize edilir, bu da onu çok çeşitli uygulamalar için ideal bir seçim haline getirir
RISC İlkeleri
ARM, Azaltılmış Komut Seti Hesaplaması anlamına gelen RISC tasarım felsefesine dayanmaktadır. RISC mimarileri, işlemcinin komut setini basitleştirir, bu da donanımın karmaşıklığını azaltır ve talimatların yüksek hızlarda yürütülmesini mümkün kılar. Bu yaklaşım, genellikle daha karmaşık adresleme modlarına sahip daha kapsamlı bir komut kümesi kullanan x86 gibi Karmaşık Komut Kümesi Hesaplama (CISC) mimarileriyle çelişir.
Rısc’nin sadeliği çeşitli faydalara yol açar:
Daha hızlı talimat yürütme: Talimatlar basit olduğundan, tek bir saat döngüsü içinde yürütülebilirler.
Daha düşük güç tüketimi: Basitleştirilmiş talimatlar, işlemcinin daha az güç tükettiği anlamına gelir.
Azaltılmış donanım karmaşıklığı: Daha az talimat ve akıcı bir tasarımla, RISC yongaları genellikle daha ucuzdur ve üretimi daha kolaydır.
ARM Mimarisi Sürümleri
ARM mimarisi, performans, güç verimliliği ve işlevsellikteki iyileştirmelerle birlikte birden çok sürümle gelişti. ARM mimarisinin ana sürümleri arasında armv1’den armv8’e ve en yenisi ARMv9 bulunur. Her yeni sürüm, eski sürümlerle geriye dönük uyumluluğu korurken yeni özellikler sunar.
Armv1’den Armv3’e: İlk ARM işlemciler, ev bilgisayarlarına ve mobil cihazlara yönelik basit tasarımlardı. ARM1, Acorn’un Arşimet bilgisayarında kullanıldı.
Armv4’ten Armv6’ya: ARM, koşullu yürütme, iyileştirilmiş istisna işleme ve daha karmaşık bir bellek modeli gibi özelliklerle 32 bit bilgi işlem desteği sundu.
ARMv7: Gelişmiş ardışık düzen, sanallaştırma desteği ve daha gelişmiş SIMD (Tek Yönerge, Çoklu Veri) özelliklerine sahip 32 bitlik bir mimari tanıttı. Akıllı telefonlar da ve gömülü sistemlerde yaygın olarak kullanıldı.
ARMv8: Armv8’in tanıtımı, 64 bit destek eklediği, adreslenebilir belleği artırdığı ve daha güçlü işlemciler sağladığı için önemli bir kilometre taşıydı. ARMv8 ayrıca gelişmiş güvenlik için yeni bir yürütme modu (ARM TrustZone) ve daha gelişmiş bir çip üzerinde sistem (SoC) tasarımı tanıttı.
ARMv9: En son sürüm olan ARMv9, güvenlik (arm’nin Gizli Bilgi İşlem Mimarisini tanıtan) ve performansta daha fazla iyileştirme ile ARMv8 üzerine kuruludur. Ayrıca daha iyi makine öğrenimi yetenekleri ve yüksek performanslı bilgi işlem iş yükleri için geliştirilmiş destek sunar.
ARM işlemci Çekirdekleri ve Çeşitleri
ARM mimarisi, belirli bir işlemci uygulamasına değil, komut kümesinin tasarımına bağlıdır. ARM Holdings, bu tasarımları kendi yongalarında uygulayabilen üreticilere işlemci tasarımları (veya çekirdekler) sağlar. Bu, üreticilere işlemcilerini belirli kullanım durumları için özelleştirme konusunda esneklik sağlar.
Bazı iyi bilinen ARM işlemci çekirdekleri şunları içerir:
Cortex-A: Akıllı telefonlar, tabletler ve üst düzey gömülü sistemler gibi uygulamaları hedefleyen yüksek performanslı çekirdekler. Cortex-A serisi genellikle Arm’in NEON SIMD motoru gibi gelişmiş özellikleriyle eşleştirilir ve Cortex-A53’ten başlayarak 64 bit mimariyi destekler.
Cortex-R: Otomotiv kontrol sistemleri, sabit diskler ve ağ donanımları gibi zamana duyarlı uygulamalar için tasarlanmış gerçek zamanlı işlemci çekirdekleri.
Cortex-M: Gömülü sistemler, mikrodenetleyiciler ve IoT cihazları için düşük güçlü işlemci çekirdekleri. Cortex-M serisi, uzun süre pil gücüyle çalışması gereken cihazlarda popülerdir.
Arm’nin Çip Üzerinde Sistem (SoC) Rolü
ARM işlemciler genellikle Çip Üzerinde Sistem (SoC) tasarımlarında kullanılır. Bir SoC, bir bilgisayarın veya başka bir elektronik sistemin çeşitli bileşenlerini tek bir çip üzerine entegre eder. ARM tabanlı bir Soc’de, ARM işlemci çekirdeği genellikle grafik işlem birimleri (GPU’lar), bellek denetleyicileri, ağ arabirimleri ve daha fazlası gibi diğer bileşenlerle birleştirilir. Bu bileşenlerin entegrasyonu, güç tüketimini ve fiziksel alanı azaltmaya yardımcı olarak ARM işlemcileri mobil cihazlar ve gömülü sistemler için ideal hale getirir.
Birçok cep telefonu, tablet ve diğer tüketici elektroniği, Qualcomm (Snapdragon), Apple (A serisi) ve Samsung (Exynos) gibi ARM tabanlı soc’lere sahiptir.
Arm’nin Lisanslama Modeli
ARM’NİN benzersiz bir yönü, lisanslama modelidir. ARM Holdings, çipleri kendisi üretmek yerine mimarisini diğer şirketlere lisanslıyor. Bu, Qualcomm, Apple, Samsung ve diğerleri gibi şirketlerin kendi ARM tabanlı işlemcilerini tasarlamalarına ve üretmelerine olanak tanır. ARM, iki ana tasarım türünü lisanslar:
Mimari Lisans: Şirketler ARM komut seti mimarisini (ISA) alır ve buna dayalı özel işlemciler tasarlayabilir. Bu, daha fazla farklılaşma ve performans ayarlaması sağlar, ancak daha fazla mühendislik çabası gerektirir.
Çekirdek Lisans: Şirketler, SoC tasarımlarına entegre edebilecekleri önceden tasarlanmış bir ARM çekirdeği (Cortex-A57 veya Cortex-M4 gibi) alırlar. Bu, geliştirme süresini ve maliyetlerini azaltır, ancak özel bir çekirdek tasarlamaktan daha az esneklik sunabilir.
Bu lisanslama modeli, çok çeşitli şirketlerin ARM tasarımlarının üstünde yenilik yapmasına izin verdiği için arm’in mobil ve gömülü pazarlardaki hakimiyetine katkıda bulunmuştur.
Enerji Verimliliği
ARM’NİN en güçlü yanlarından biri enerji verimliliğidir. ARM gibi RISC işlemciler, daha basit komut setleri nedeniyle doğası gereği daha güç verimlidir. Bu, pil ömrünün önemli bir endişe kaynağı olduğu mobil bilişimin yükselişinde kritik öneme sahipti.
ARM işlemciler, enerji tüketimini azaltmak için çeşitli teknikler kullanır:
Düşük güç durumları: ARM işlemciler boştayken düşük güç durumlarına girerek enerji kullanımını azaltabilir.
Dinamik Voltaj ve Frekans Ölçekleme (DVFS): ARM işlemciler, iş yüküne bağlı olarak çalışma voltajlarını ve frekanslarını ayarlayarak tam performansa ihtiyaç duyulmadığında güç tüketimini azaltabilir.
İnce taneli kontrol: ARM işlemciler, tek tek çekirdeklerden tüm yongalara kadar farklı seviyelerde güç kullanımının ince ayarını sağlar.
Güvenlik Özellikleri
ARM, işlemcileri geliştikçe giderek daha fazla güvenliğe odaklandı. ARMv6-M’de tanıtılan arm’nin TrustZone teknolojisi, hassas bilgilerin aynı işlemci üzerinde çalışan güvenli olmayan kodlarla erişilmesini önleyebilen güvenli bir yürütme ortamı sağlar.
Daha yakın zamanlarda ARM, ARMV9’DA ARM Gizli Bilgi İşlem Mimarisini (CCA) tanıttı. CCA, işlemcinin işletim sisteminden ve hipervizörlerden bile verileri izole etmesine ve korumasına izin verir. Bu, gizlilik ve veri güvenliğinin en önemli olduğu bulut bilişim gibi kullanım durumları için çok önemlidir.
Yazılım Desteği
ARM işlemciler, Linux, Android, Windows ve FreeRTOS ve VxWorks gibi gerçek zamanlı işletim sistemleri (rto’lar) dahil olmak üzere çeşitli işletim sistemlerini çalıştırır. ARM mimarisinin açık kaynaklı doğası nedeniyle, geniş bir yazılım geliştirme araçları, kütüphaneler ve çerçeveler ekosistemi vardır.
Geliştiriciler, ARM tabanlı cihazlar için uygulamalar yazmak için arm’nin Derleyici Araç Zincirini ve Keil mdk’yı (Mikrodenetleyici Geliştirme Kiti) kullanabilir. Ayrıca, ARM işlemciler yaygın olarak kullanılan yazılım standartlarıyla uyumludur ve geliştiricilerin uygulamalarını farklı donanım platformlarına taşımasını kolaylaştırır.
Veri Merkezlerinde ARM ve Süper Hesaplama
ARM geleneksel olarak mobil ve gömülü sistemlerle ilişkilendirilmiştir, ancak etkisi artık veri merkezlerine ve süper hesaplamaya doğru genişlemektedir. Arm’in düşük güç tüketimi ve ölçeklenebilirliği, Amazon (Graviton işlemcileriyle) ve Apple (M1 ve M2 yongalarıyla) gibi şirketleri sunucularında ve kişisel bilgisayarlarında ARM tabanlı işlemcileri kullanmaya çekmiştir.
ARM’NİN enerji verimliliği ve paralel iş yükleriyle başa çıkma yeteneği, onu bulut sunucuları ve makine öğrenimi uygulamaları dahil olmak üzere yüksek performanslı bilgi işlem görevleri için çekici bir seçenek haline getirir.
ARM mimarisi, modern hesaplamada baskın bir güç haline geldi. Sadeliği, enerji verimliliği ve ölçeklenebilirliği, onu mobil cihazlardan sunuculara ve gömülü sistemlere kadar çok çeşitli uygulamalar için çok yönlü bir seçim haline getirir. Performans, güvenlik ve makine öğrenimi yeteneklerindeki sürekli yeniliklerle ARM, bilişimin geleceğini şekillendirmede giderek daha önemli bir rol oynamaya hazırlanıyor.
Akıllı telefonlarda, gömülü sistemlerde veya veri merkezlerinde olsun, ARM dünyanın en gelişmiş bilgi işlem sistemlerinden bazılarının omurgasını oluşturuyor.
