ARMv1 mimarisi, bugün dünyadaki en başarılı ve yaygın CPU mimarilerinden biri olan ARM mimarlık ailesinin ne olacağının en eski yinelemesidir. ARM (Advanced RISC Machine), kişisel bilgisayarları için yeni, yüksek performanslı bir işlemci oluşturma çabasının bir parçası olarak 1980’lerin ortalarında Acorn Computers tarafından geliştirildi. ARMv1, mimarinin halka açık ilk sürümüydü ve bu, yaygın olarak kullanılan ARM işlemcilere dönüşen sonraki sürümlerin temelini attı.
1980’lerin başında Acorn Computers, kişisel bilgisayarlarında kullanılan Intel 8086 ve Motorola 68000 işlemcilerin performans sınırlamaları ile mücadele ediyordu. Acorn’un Sophie Wilson ve Steve Furber dahil mühendisleri, RISC (Azaltılmış Komut Seti Hesaplama) ilkelerinden esinlenerek basitleştirilmiş bir talimat setine dayanan yeni bir işlemci türü tasarladılar. RISC işlemciler, 68000 gibi karmaşık komut seti hesaplama (CISC) işlemcilere kıyasla watt başına daha iyi performans sunan daha küçük bir komut kümesini daha yüksek hızda yürütmek üzere tasarlanmıştır.
ARMv1, 1985 yılında tanıtıldı ve Acorn’un “Arşimet” bilgisayar sisteminin kalbini oluşturdu. Tasarım, güç verimliliği ve maliyet açısından bir atılımdı ve uzun ömürlü ve oldukça etkili bir mimarinin başlangıcı olacaktı. ARMv1, özünde bu fikirlerin deneysel bir uygulamasıydı ve sonraki sürümler kadar ticari olarak başarılı olmasa da, arm’nin mobil, gömülü ve tüketici elektroniği endüstrilerindeki küresel hakimiyetinin yolunu açtı.
ARMv1 mimarisi Temel Özellikleri
RISC Tasarım İlkeleri
ARMv1, küçük ve son derece optimize edilmiş bir talimat seti kullanarak işlemcinin karmaşıklığını azaltmayı amaçlayan rısc’nin temel ilkeleri etrafında oluşturulmuştur. Bu felsefe, talimatları tek bir saat döngüsünde veya mümkün olduğunca az saat döngüsünde yürütmek amacıyla verimliliği vurguladı.
ARMv1, 32 bit genişliğinde talimatlar uyguladı; bu, her talimatın tek bir işlemde 32 bit veriyi işleyebileceği anlamına geliyordu. Bu, talimatlar daha hızlı çalışabileceğinden ve daha az kaynak kullanabileceğinden, işlemcinin önceki mikroişlemcilerden daha verimli olmasını sağladı.
Komut Kümesi Mimarisi (ISA)
ARMv1 komut seti basitti, sadece 27 talimattan oluşuyordu ve bazıları veri aktarımı, aritmetik ve mantık işlemleri gibi temel işlemlere odaklanıyordu. Talimatlar tek tip ve çözülmesi kolay olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu basitlik, armv1’i zamanı için verimli bir mimari haline getirerek hızlı yürütme ve düşük güç tüketimi sağladı.
ARMv1 Mimarisi talimatları aşağıdaki kategorilere ayrılabilir:
Veri Aktarım Talimatları: Bunlar verileri kayıtlar ve bellek arasında taşıdı.
Aritmetik Talimatlar: Toplama, çıkarma ve karşılaştırma gibi temel işlemler uygulandı.
Mantıksal Yönergeler: AND, OR, XOR ve NOT gibi bitsel işlemler için kullanılır.
Kontrol Akışı Talimatları: Bunlar, program akışının koşullu ve koşulsuz kontrolüne izin veren dalları ve sıçramaları içeriyordu.
Kayıtlar ve Adresleme Modları
ARMv1, bir RISC işlemcisi olarak performansı için gerekli olan küçük bir kayıt kümesine sahipti. Her biri 32 bit genişliğinde 16 genel amaçlı kaydı vardı. Bu kayıtlar, CPU içinde veri depolama ve işleme için kullanıldı.
ARMv1, kayıt tabanlı bir mimari kullandı; bu, çoğu işlemin kayıtlarda depolanan değerleri doğrudan manipüle ederek gerçekleştirilebileceği anlamına geliyordu. Bu yaklaşım, tipik olarak belleğe sık erişim gerektiren CISC tasarımlarının aksineydi.
İşlemci ayrıca, anlık ve kayıt tabanlı modlar da dahil olmak üzere veri işleme için birkaç adresleme modunu destekledi. Örneğin, ARMv1, doğrudan talimatta sabitler (anlık değerler) üzerinde veya kayıtlarda depolanan değerleri kullanarak işlemler gerçekleştirebilir.
Boru Hattı Mimarisi
ARMv1, işlemcinin talimatları daha verimli bir şekilde yürütmesine izin veren, aynı anda birden fazla talimat aşamasının işlenebileceği bir teknik olan çok temel bir boru hattı oluşturma biçimi uyguladı. Boru hattı konsepti daha sonra armv1’in sonraki yinelemelerde görülenden çok daha basit bir boru hattına sahip olmasına rağmen, sonraki sürümlerde arm’nin tasarımının ayırt edici bir özelliği haline gelecekti.
Boru hattı oluşturma, CPU verimini en üst düzeye çıkarmak için çok önemlidir ve birden fazla talimatın aynı anda farklı yürütme aşamalarında olmasına izin verir. Armv1’in boru hattı modern işlemciler kadar gelişmiş olmasa da, arm’nin gelecekteki performans yeteneklerini geliştirmede önemli bir adımdı.
Bellek Yönetimi
ARMv1, daha sonra arm’nin tasarımlarında standart hale gelecek olan bir donanım bellek yönetim birimi (MMU) içermiyordu. Bir MMU’NUN olmaması, armv1’in mimarinin sonraki sürümleriyle birlikte gelecek olan gelişmiş işletim sistemlerini ve sanal belleği destekleme açısından yeteneklerini sınırladı.
O zamanlar armv1’in odak noktası, tam sanal bellek desteğinin hemen gerekli olmadığı gömülü sistemler ve uygulamalar için verimli, düşük güçlü bir CPU sağlamaktı. Bununla birlikte, ARM mimarisi geliştikçe, sonunda daha sofistike bir bellek yönetim sistemini destekleyecekti.
Düşük Güç Tüketimi
ARMv1 ile başlayan ARM işlemcilerin en önemli özelliklerinden biri de düşük güç tüketimine odaklanmalarıydı. Basit bir komut seti ve akıcı bir tasarım kullanarak ARMv1, Intel 8086 veya Motorola 68000 gibi CISC işlemcilere kıyasla daha düşük güç kullanımı sağlayabilir.
ARMv1, güç tüketiminin genellikle kritik bir faktör olduğu gömülü sistemler düşünülerek tasarlanmıştır. ARM işlemcilerin düşük güçlü tasarımı, ARM tabanlı yongaları cep telefonlarında, tabletlerde ve diğer güç kısıtlı cihazlarda baskın mimari haline getiren tanımlayıcı bir özellik olmaya devam etti.
Çip Üzerinde Sistem (SoC) Entegrasyonu
ARMv1, genellikle Çip Üzerinde Sistem (SOC) olarak entegre edilen daha büyük bir sistemin parçası olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu, CPU’ya ek olarak bellek, G / Ç denetleyicileri ve çevresel aygıtlar gibi diğer bileşenlerin aynı yongaya entegre edilebileceği anlamına geliyordu. Bu yaklaşım, harici bileşenlere olan ihtiyacı en aza indirdiği ve genel sistem karmaşıklığını azalttığı için oldukça uygun maliyetli ve verimliydi.
Bu ilke, günümüzde SoC tasarımlarının hakim olduğu tüketici elektroniğinde ARM işlemcilerin başarısının merkezinde yer alacaktır.
Uyumluluk ve Miras
ARMv1 deneysel bir tasarımdı ve kendi başına geniş bir ticari benimseme elde edemedi. Ancak, arm’nin gelecekteki sürümleri için zemin hazırladı. Armv1’den kısa bir süre sonra piyasaya sürülen ARMv2, bir mmu’nun eklenmesi ve geliştirilmiş komut setleri de dahil olmak üzere mimaride iyileştirmeler getirdi. ARMv2 ayrıca gömülü ve tüketici ürünlerinde önemli ölçüde benimsenmeye başladı.
Arm’nin düşük güç, verimli işleme ve soc’lere entegrasyona odaklanması, ARM işlemcilerin mobil cihazlarda, otomotiv sistemlerinde ve diğer gömülü uygulamalarda hakimiyetine yol açan kazanan bir kombinasyon olduğunu kanıtladı.
ARMv1, modern hesaplamadaki en başarılı işlemci ailelerinden biri olacak ilk adımdı. ARMv1, günümüz standartlarına göre ilkel olmasına rağmen, ARM mimarisini tanımlamaya devam eden RISC tasarımı, düşük güç tüketimi ve çip üzerinde sistem entegrasyonu gibi temel kavramları tanıttı. ARMv1 bir başlangıç noktası olabilir, ancak üzerine modern bir bilgisayar devinin inşa edildiği temeldi. Sürekli iyileştirmeler ve yenilikler sayesinde ARM mimarisi, akıllı telefonlardan süper bilgisayarlara kadar dünya çapında milyarlarca cihaza güç sağlayarak onu teknoloji dünyasında merkezi bir oyuncu haline getirdi.
