الشرح الكامل لمعمارية ARM

[The Apex Predator]

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته

اخوانى الاعزاء

https://static.trustedreviews.com/94%7cb6b48c%7c6fca_9293-armspan.jpg

سمعنا كثيرا عن معمارية ARM و عن قوتها و أنها قادرة على منافسة الكبار مثل Intel و أن كثير من الشركات تستخدم معماريتها و منها الشركة الرائدة فى تصنيع البطاقات الرسومية Nvidia و لكن هل فعلا هذه المعمارية جيدة و تستحق و ما هو تاريخها و فيم تستخدم بالظبط و الكثير من الأسئلة الأخرى التى باذن الله ستتم الاجابة عليها اليوم

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

محتوى الموضوع

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

1- تاريخ معمارية ARM

2- أنواع أنوية ARM و عائلاتها

3- المنتجات التى تستخدم فيها أنوية ARM

4- خصائص معمارية ARM

5- لماذا لا نرى معالجات ARM تباع مثل معالجات Intel و AMD؟

6- Apple و اعجابها بمعمارية ARM

7- Windows ستدعم معالجات ARM

8- ARM لا تعنى موت الحواسيب الشخصية

9- خارطة طريق معالجات ARM

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

و الأن سنبدأ بالموضوع باذن الله

1- تاريخ معمارية ARM

تم تطوير و تصنيع معمارية ARM خصيصا للاستخدام فى الحواسيب الشخصية و من هذه الحواسيب Acorn Archimedes و الذى تمت صناعته و دخوله للسوق عام 1987 و كان هذا الحاسوب يعمل من خلال معالج ARM2 من شركة ARM و 4MB من الذاكرة و قرص صلب ذو سعة 20GB

https://www.maximumpc.com/files/u139222/archimedes-acorn-600.jpg (https://www.maximumpc.com/files/u139222/archimedes-acorn-1600.jpg)

مع وجود 30 ألف ترانزستور أصبح معالج ARM2 واحد من أبسط معالجات 32bit التى كانت موجودة فى هذا الوقت و بهذا العدد القليل من الترانزستورات تمكن هذا المعالج من التفوق على معالج Intel 80286 مع استهلاك طاقة أقل

قدرة ARM على صنع معالجات تستهلك طاقة قليلة أدى الى أن يكون لها مكانة فى سوق الأجهزة المحمولة ففى نهاية الثمانينات قامت ARM بعمل شراكة مع شركة Apple مما نتج عنه ظهور معمارية ARM6 و التى استخدمت فى صناعة Apple Newton و هو أول مساعد شخصى رقمى

https://www.next-gen.biz/files/images/arm_newtonpen.jpg

و قد استخدمت شركة DEC أيضا معمارية ARM6 مما أدى الى تطوير StrongARM فى أواسط التسعينيات و الذى كان هدفه تصنيع معالج ARM أسرع للأنظمة عالية الأداء التى تستهلك طاقة قليلة , و فى عام 1996 تم اصدار أول معالج StrongARM و كان سمه SA-110 و كانت تصل سرعته الى 200MHz و كان يعد أسرع معالج للأجهزة المحمولة لمدة عام كامل حتى ظهور معالج StrongARM SA-1100 و قد أصبحت معمارية StrongARM من أفضل المعماريات الموجودة ذلك الوقت و أكثرها استخداما لدرجة أن شركة Microsoft خفضت دعم كل المعماريات الأخرى فى السوفتوير الخاص بحاسوب الجيب و بعد هذا بفترة قامت شركة Intel بشراء الحقوق الفكرية لمعمارية StrongARM و طورت معمارية XScale و التى مازالت موجودة حتى يومنا هذا و تستخدم فى الكثير من منتجات شركة Marvell

و هذا الترخيص لشركة DEC , Intel و Apple جعل ARM ترخص معماريتها للشركات الأخرى حتى أصبحنا وجود معمارية ARM فى كثير من الأجهزة من أول أجهزة الراوترات و اللاسلكية حتى أجهزة الهواتف الذكية و مشغل ال MP3

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

2- أنواع أنوية ARM و عائلاتها

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

https://agfi.staff.ugm.ac.id/blog/wp-content/uploads/tab1.gif

https://rtcmagazine.com/files/images/1623/rtc1011tc_micro3_large.jpg

فى الشكلين السابقين يتبين لنا أنواع معالجات ARM و معمارياتها و خصائصهم و نجد أيضا أن عائلة Cortex هى حاليا أفضل معالجات ARM و فى الشكل القادم تظهر قدرة معالج Cortex A9

https://www.design-reuse.com/news_img/20071008_arm3.gif

عندما ننظر الى هذا الشكل يتبين لنا مدى قوة معالج مثل Cortex A9 فهو قادر على تشغيل أجهزة المحمول و الراوترات و التليفيزيونات و أجهزة الشبكات و الكاميرات و غيرها من الأشياء الأخرى

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

3- المنتجات التى تستخدم فيها أنوية ARM

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

توجد منتجات كثيرة تستخدم فيها أنوية ARM و سأذكر أهم المنتجات فقط فى كل قسم أى أنه يوجد الكثير الذى لن أذكره:

المحمول

https://3.bp.blogspot.com/_PBw3YqeGan4/TJIOhsYYPvI/AAAAAAAAApg/f-F1nXHa7Mc/s1600/mobile_phones_top5.jpg

Samsung Galaxy S II - IPhone 4S - LG Optimus 2X - LG Optimus 3D - Motorola Atrix 4G - HTC Sensation - HTC EVO 3D - Sonny Ericsson Xperia X10 - Motorola Droid X - Motorola Droid 2 - Motorola Droid BIONIC - .....الخ

Tablets

https://photos.techfieber.de/wp-content/uploads/2011/03/MSI-WindPad-110W-Windows-7-Tablet.jpg

IPad 2 - HP TouchPad - Motorola Xoom - Acer ICONIA - Asus Eee Pad Transformer - Samsung Galaxy Tab - .....الخ

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

4- خصائص معمارية ARM

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

أولا: الخطوط الخاصة بالأنوية

ARM7 و التطبيق التى جائت قبله لديها خط واحد ثلاثى المراحل و المراحل هى بالتوالى جلب - فك شفرة - تنفيذ
أم التطبيقات الأحدث ذات أداء عالى تستخدم مراحل أكثر فمثلا Cortex-A8 لديه 13 مرحلة مختلفة

ثانيا: المعالجات المساعدة

معالجات ARM لا تستخدم توجيهات CPUID التى اخترعتها Intel عام 1993 أنما تستخدم شىء يسمى المعالجات المساعدة , فمعمارية ARM تقدم طريقة خاصة بها لتوسيع مجموعة التوجيهات من خلال المعالجات المساعدة و التى يمكن تناولها من خلال توجيهات MCR, MRC, MRRC, MCRR, و التوجيهات المشابها لهذه (مساحة المعالج المساعد تقسم الى 16 معالج مساعد بأرقام تبدأ من 0 و تنتهى برقم 15)

ثالثا: التصحيح

جميع معالجات ARM الحديثة تحتوى على هذه الخاصية فبدونها لن يستطيع مبرمجين و معالجين السوفتوير من القيام بالأعمال البدائية كالوقف و الخطو و عمل الشفرة و اكتشاف الأخطاء و تصحيحه هذه الخاصية يتم بنائها من خلال دعم بروتوكول SWD الخاص بشركة ARM

رابعا: توجيهات DSP

لزيادة أداء معمارية ARM فى مجال معالجة الاشارات الرقمية و تطبيقات الوسائط المتعددة تم وضع توجيهات زائدة و المعماريات الحاصلة على هذه الخاصية يتم كتابة حرف E فى اسمها فمثلا معماريتين ARMv5TE و ARMv5TEJ تحتوى على هذه الخاصية

خامسا: توجيهات Jazelle

و هى عبارة عن تقنية تمكن Java Bytecode من أن يتم تنفيذه مباشرة فى معمارية ARM كحالة تنفيذ ثالثة بجانب ARM و Thumb Mode و المعماريات الحاصلة على هذه الخاصية يتم كتابة حرف J فى اسمها فمثلا معماريتين ARMv5TEJ و ARM7EJ-S تحتوى على هذه الخاصية

سادسا: توجيهات Thumb

لتحسين ترجمة الشفرات الكثيفة أصبحت معالجات ARM من بداية معالج ARM7TDMI تحتوى على هذه الخاصية و المعماريات الحاصلة على هذه الخاصية يتم كتابة حرف T فى اسمها و من المعالجات التى تحتوى على هذه الخاصية هى كل معالجات عائلة ARM9 و ما بعدها

سابعا: توجيهات Tumb 2

بدأت هذه التوجيهات تظهر فى عام 2003 فى نواة ARM1156 و هى تزيد من مجموعة توجيهات Thumb العادية و التى تصل الى 16bit الى 32bit مما يعطيها مجال أكبر للعمل و كان هدف مجموعة توجيهات Thumb 2 هو الوصول الى نفس قوة ترجمة الشفرات الكثيفة الموجودة فى مجموعة توجيهات ARM العادية على ذاكرة 32bit و تم الوصول الى هذا الهدف عند صدور معمارية ARMv7

ثامنا: بيئة تنفيذ Thumb

تم الاعلان عن هذه الخاصية عام 2005 و ظهرت فى معالج Cortex-A8 و هى تقوم بعمل تغيير صغير على مجموعة توجيهات Thumb 2 و هذه التغييرات تؤدى الى أن تكون مجموعة التوجيهات هذه مناسبة للشفرة التى تم بناؤها أثناء العمل فى بيئة التنفيذ , فهذه الخاصية موجهه الى لغات الحاسوب مثل Java و تساعد على الخروج بشفرة مترجمة بدون التأثير على الأداء العام

تاسعا: تقنية Vector Floating Point

هذه التقنية هى عبارة عن امتداد معالج مساعد بالنسبة لمعمارية ARM و هى تساعد فى تصنيع أجهزة المساعد الشخصى الرقمى , الهواتف الذكية , ضغط الصوت و فك الضغط , رسوميات 3D و الطابعات

عاشرا: امتداد SIMD المتقدم

امتداد SIMD المتقدم هو عبارة عن مجموعة توجيهات 64bit و 128bit و التى تقدم زيادة أداء موحدة لتطبيقات معالجة الاشارات و هى توجد فى جميع الأجهزة التى تستخدم Cortex-A8 مثل جهاز Apple IPhone 4 و لكنه اختيارى فى الأجهزة التى تستخدم Cortex-A9 مثل Apple IPhone 4S

هذا التوجيه قادر على ترجمة شفرة MP3 بسرعة 10 MHz و تشغيل

احدى عشر: امتداد الأمان (TrustZone)

تكنولوجيا امتداد الأمان توجد فى معمارية ARMv6KZ و المعماريات التى تأتى بعدها و هى تعتبر بديل رخيص عن وضع نواة حماية منفصلة على SoC من خلال تقديم معالجان واقعيان مدعومان بشىء مثل Access Control و هذا يمكن نواة التطبيقات للانتقال من حالة الى أخرى

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

5- لماذا لا نرى معالجات ARM تباع مثل معالجات Intel و AMD؟

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

هذا بسبب أن شركة ARM لا تصنع و تبيع أجهزة المعالجة القائمة على تصميماتها الخاصة انما ترخص معمارياتها للشركات الأخرى , و تقدم ARM العديد من شروط الترخيص تختلف من حيث السعر و التسليم و لكل من ترخص له ARM تعطيه الشركة شرح كامل للنواة و برامج تطوير سوفتوير و الحق لبيع أجهزة مصنعة تحتوى على معالج ARM و من هذه الشركات:

Qualcomm - Intel - Nintendo - Broadcom - Fujitsu - IBM - Marvell - Samsung - Nvidia - .....الخ

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

6- Apple و اعجابها بمعمارية ARM

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

https://www.maximumpc.com/files/u139222/apple-a5-processor.jpg

الشائعات تقول أن شركة Apple تريد بحلول الربع الثانى من عام 2013 التحول الى ARM عند تصنيع سلاسل MacBook و MacBook Pro و الحواسيب الشخصية و الذى يؤكد هذا الكلام هو أن شركة الأبحاث IDC توقعت أن تستحوذ ARM على 13% من سوق الحواسيب الشخصية بحلول عام 2015

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

7- Windows ستدعم معالجات ARM

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

https://www.maximumpc.com/files/u139222/windows-arm-partners.jpg

أعلنت شركة Microssoft يوم 5 يناير عام 2011 أن Windows 8 سيدعم معالجات ARM كما أن أنظمة Windows Phone 7 و Windows Mobile يدعمان هذه المعالجات

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

8- ARM لا تعنى موت الحواسيب الشخصية

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

بالرغم من أن معمارية ARM قوية فى تخفيض استهلاك الطاقة و تنافس الشركات الكبرى مثل Intel الا أن هذا لا يعنى أنها قادرة على التنافس فى سوق الفئات العليا فهى مازال أمامها طريق طويل حتى تكون مناسبة لمنصة الحواسيب الشخصية و حتى عند وصولها لن تتمكن تلبية الاحتياجات الرسومية لهواة الألعاب و احتياجات المتخصصين لمعالجة الفيديوهات و الرسوميات و احتياجات المرونة الخاصة بالمبرمجين

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

9- نواة Cortex-A15

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

https://www.desinformado.com/mobile/wp-content/uploads/2010/09/arm-cortex-a15-mpcore-processor.jpg

تعمل ARM الأن على تصنيع معالج Cortex-A15 و هى أسرع بنسبة 40% من معالج Cortex-A9 الموجود فى الكثير من الهواتف الذكية وال Tablets كما أن هذا المعالج قادر على حمل 8 أنوية مع وجود 8MB L2 cache و يمكن أن تصل سرعته الى 2.5GHz و يمكن استخدام موصل داخلى باسم AMBA4 لتوصيل رقاقاتين فى نفس الوقت مما ينتج عنه 16 نواة بسرعة 2.5GHz

على عكس جميع معالجات ARM معالج Cortex-A15 تم ضبطه لاعطاء أداء عالى مقابل الاستهلاك القليل للطاقة و لكن بالرغم هذا الا أن الاستهلاك لن يكون كبير جدا

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

تم بحمد الله و أتمنى أن يكون الموضوع قد نال اعجاب حضراتكم يرجى ذكر المصدر عند نقل الموضوع و هو:

موقع عرب هاردوير

و السلام عليكم و رحمة الله و بركاته

[kikokika2010]

كنت أنتظر موضوع كهذا
بقالى فترة بدعبس فى الكتب القديمة عشان عايز أقرأ شوية فى معمارية ARM
مقالك جه فى وقته
تحياتى :)

[mostafa97]

شرح اكثر من رائع
فعلا موضوع مهم بما ان الحديث متزايد هذي الايام عن هذه المعمارية

[H@IDER]

ما شاء الله عليك مهاب. موضوع رائع و شرح أروع..:)
بارك الله فيك. المعمارية نفسها قوية جداً في المعالجة و يساعدها أتسهلاك الطاقة المنخفض..
رأيت فيديو من فترة يقارن هاتف بمعالج ARM و جهاز مكتبي بمعالج AMD و كان الفرق كبير في السرعة (سرعة تنفيد الأوامر).
تمّ التقييم, و بأنتظار جديدك. موفق في دراستك.:)

[DaRk L0rD]

رائع
اقل ما يمكن قوله لك

[mouhammed963]

شكراً جداً على الموضوع المفيد و برأي أن شركيتن عملاقتين كأبل و مايكروسوفت و اتجاههم نحو دعم هذه المعمارية سوف يساعد كثيرا على دعمها
و تطويرها

[Maxwell]

موضوع ممتاز ومتعوب عليه مهاب,للاسف سمعة مش موجود..

لدي تعليق بسيط: بروتوكول SWD اختصار ل "Serial wire Debug" لا علاقة له بالمعالجة بل هو يتعلق بعملية تسمى Debugging وهذه العملية تعني "اكتشاف الاخطاء وإصلاحها" وهي موجودة على مستوى Software و Hardware.
بروتوكول SWD هو Hardware Debugger وقد صمم لتمكين المبرمجين من اكتشاف الاخطاء وتصحيحها.

[minamkina]

موضوع اكتر من رائع وشرح جميل جدا
مشكور على هذا الشرح الرائع

[Cursed Pistol]

موضوع رائع و مفيد جدا .. اتوقع تفوق كبير ل ARM فى المستقبل القريب

[Salem AL Fituri]

وأخيراُ بعد 13 صفحة وجدت موضوع يستحق الرد عليه .
مجهودك رائع وكان لأحد الأخوة المميزينفي الماضي القريب شرح تفصيلي عن معمارية هذه المعالجات
مع العلم أن الشركة المطورة لا تصنع أياً من معالجاتها
بل تعطي تراخيص التصنيع لشركات أخرى وهي شركة موجودة في بريطانية
معالج Arm وخصوصاً Cortex A9 موجود في أجهزة NeetBook
وإستهلاكها للطاقة يعتبر خارقاً بالمقارة بمعالجات أنت وحتى VIA .
...

[mohamedsamy123]

شكرا جدا على المعلومات الغالية دي و في انتظار المزيد باذن الله :)