ARMv1 Architektur

Die ARMv1 Architektur ist die früheste Iteration der späteren ARM-Architekturfamilie, einer der erfolgreichsten und umfassendsten CPU-Architekturen der Welt. ARM (Advanced RISC Machine) wurde ursprünglich Mitte der 1980er Jahre von Acorn Computers entwickelt, um einen neuen Hochleistungsprozessor für ihre Pcs zu entwickeln. Der ARMv1 war die erste öffentlich veröffentlichte Version der Architektur, die den Grundstein für die nachfolgenden Versionen legte, die sich zu den weit verbreiteten ARM-Prozessoren entwickelten.

In den frühen 1980er Jahren kämpfte Acorn Computers mit den Leistungsbeschränkungen der Intel 8086- und Motorola 68000-Prozessoren, die in ihren PCS verwendet wurden. Die Ingenieure von Acorn, darunter Sophie Wilson und Steve Furber, stellten sich einen neuen Prozessortyp vor, der auf einem vereinfachten Befehlssatz basiert, der von RISC-Prinzipien (Reduced Instruction Set Computing) inspiriert ist. RISC-Prozessoren sind so konzipiert, dass sie einen kleineren Befehlssatz mit höherer Geschwindigkeit ausführen und eine bessere Leistung pro Watt bieten als CISC-Prozessoren (Complex Instruction Set Computing) wie der 68000.

ARMv1 wurde 1985 eingeführt und bildete das Herzstück von Acorns Computersystem „Archimedes“. Es war ein Durchbruch in Bezug auf Design, Energieeffizienz und Kosten und markierte den Beginn einer langlebigen und einflussreichen Architektur. ARMv1 war im Wesentlichen eine experimentelle Umsetzung dieser Ideen, und obwohl es kommerziell nicht so erfolgreich war wie spätere Versionen, ebnete es den Weg für die globale Dominanz von ARM in der Mobil-, Embedded- und Unterhaltungselektronikindustrie.

ARMv1 Hauptmerkmale

RISC-Designprinzipien
ARMv1 wurde um die Kernprinzipien von RISC herum aufgebaut, die darauf abzielten, die Komplexität des Prozessors durch die Verwendung eines kleinen und hochoptimierten Befehlssatzes zu reduzieren. Diese Philosophie betonte die Effizienz mit dem Ziel, Befehle in einem einzigen Taktzyklus oder so wenigen Taktzyklen wie möglich auszuführen.

ARMv1 implementierte 32-Bit-breite Befehle, was bedeutet, dass jeder Befehl 32 Datenbits in einer einzigen Operation verarbeiten konnte. Dies ermöglichte es dem Prozessor, effizienter als frühere Mikroprozessoren zu sein, da Anweisungen schneller ausgeführt werden und weniger Ressourcen verbrauchen konnten.

Befehlssatzarchitektur (ISA)
Der ARMv1-Befehlssatz war einfach und bestand aus nur 27 Befehlen, von denen sich einige auf grundlegende Operationen wie Datenübertragung, Arithmetik und Logik konzentrierten. Die Anweisungen wurden so gestaltet, dass sie einheitlich und leicht zu entschlüsseln sind. Diese Einfachheit machte ARMv1 für seine Zeit zu einer effizienten Architektur, die eine schnelle Ausführung und einen geringen Stromverbrauch ermöglichte.

Die Anweisungen von ARMv1 könnten in die folgenden Kategorien eingeteilt werden:

Datenübertragungsanweisungen: Diese bewegten Daten zwischen Registern und Speicher.
Rechenanweisungen: Grundlegende Operationen wie Addition, Subtraktion und Vergleich wurden implementiert.
Logische Anweisungen: Werden für bitweise Operationen wie AND, OR, XOR und NOT verwendet.
Kontrollflussanweisungen: Dazu gehörten Verzweigungen und Sprünge, die eine bedingte und bedingungslose Kontrolle des Programmablaufs ermöglichen.

Register und Adressierungsmodi
ARMv1 verfügte über einen kleinen Satz von Registern, die für seine Leistung als RISC-Prozessor unerlässlich waren. Es hatte 16 Allzweckregister mit jeweils 32 Bit Breite. Diese Register wurden zur Datenspeicherung und -manipulation innerhalb der CPU verwendet.

ARMv1 verwendete eine registerbasierte Architektur, was bedeutete, dass die meisten Operationen durch direkte Manipulation von in Registern gespeicherten Werten ausgeführt werden konnten. Dieser Ansatz stand im Gegensatz zu CISC-Designs, die typischerweise häufigen Speicherzugriff erforderten.

Der Prozessor unterstützte auch einige Adressierungsmodi für die Datenmanipulation, einschließlich sofortiger und registerbasierter Modi. Beispielsweise könnte ARMv1 Operationen mit Konstanten (unmittelbaren Werten) direkt im Befehl oder unter Verwendung von in Registern gespeicherten Werten ausführen.

Pipeline-Architektur

ARMv1 implementierte eine sehr einfache Form des Pipelinings, eine Technik, bei der mehrere Befehlsstufen gleichzeitig verarbeitet werden konnten, wodurch der Prozessor Anweisungen effizienter ausführen konnte. Das Pipelining-Konzept wurde später in späteren Versionen zu einem Markenzeichen von Arms Design, obwohl ARMv1 eine viel einfachere Pipeline aufwies als in späteren Iterationen.

Pipelining ist entscheidend für die Maximierung des CPU-Durchsatzes, da mehrere Anweisungen gleichzeitig in verschiedenen Ausführungsphasen ausgeführt werden können. Obwohl das Pipelining von ARMv1 nicht so fortschrittlich war wie bei modernen Prozessoren, war es ein wichtiger Schritt beim Aufbau der zukünftigen Leistungsfähigkeit von ARM.

Speichermanagement

ARMv1 enthielt keine Hardware-Speicherverwaltungseinheit (MMU), die später zum Standard in ARM-Designs wurde. Das Fehlen einer MMU schränkte die Fähigkeiten von ARMv1 in Bezug auf die Unterstützung fortschrittlicher Betriebssysteme und virtuellen Speichers ein, die mit späteren Versionen der Architektur einhergehen würden.

Zu dieser Zeit lag der Fokus von ARMv1 auf der Bereitstellung einer effizienten CPU mit geringem Stromverbrauch für eingebettete Systeme und Anwendungen, bei denen eine vollständige Unterstützung des virtuellen Speichers nicht sofort erforderlich war. Mit der Weiterentwicklung der ARM-Architektur würde sie jedoch irgendwann ein ausgeklügelteres Speicherverwaltungssystem unterstützen.

Schwachstromverbrauch

Eines der wichtigsten Merkmale von ARM-Prozessoren, die mit ARMv1 begannen, war ihr Fokus auf einen geringen Stromverbrauch. Durch die Verwendung eines einfachen Befehlssatzes und eines schlanken Designs konnte ARMv1 im Vergleich zu CISC-Prozessoren wie dem Intel 8086 oder dem Motorola 68000 einen geringeren Stromverbrauch erzielen.

ARMv1 wurde für eingebettete Systeme entwickelt, bei denen der Stromverbrauch oft ein kritischer Faktor ist. Das stromsparende Design von ARM-Prozessoren ist nach wie vor ein bestimmendes Merkmal, das ARM-basierte Chips zur dominierenden Architektur in Mobiltelefonen, Tablets und anderen Geräten mit eingeschränkter Stromversorgung macht.

System-on-Chip (SoC)-Integration

ARMv1 wurde als Teil eines größeren Systems entwickelt, das häufig als System-on-Chip (SoC) integriert ist. Dies bedeutete, dass neben der CPU auch andere Komponenten wie Speicher, E / A-Controller und Peripheriegeräte in denselben Chip integriert werden konnten. Dieser Ansatz war sehr kostengünstig und effizient, da er den Bedarf an externen Komponenten minimierte und die Gesamtsystemkomplexität reduzierte.

Dieses Prinzip wäre von zentraler Bedeutung für den Erfolg von ARM-Prozessoren in der Unterhaltungselektronik, wo heute SoC-Designs dominieren.

Kompatibilität und Legacy
ARMv1 war ein experimentelles Design und erreichte allein keine breite kommerzielle Akzeptanz. Es hat jedoch die Voraussetzungen für zukünftige Versionen von ARM geschaffen. ARMv2, das kurz nach ARMv1 veröffentlicht wurde, brachte Verbesserungen an der Architektur, einschließlich der Hinzufügung einer MMU und erweiterter Befehlssätze. ARMv2 begann auch bei Embedded- und Consumer-Produkten eine bedeutende Akzeptanz zu finden.

Der Fokus von ARM auf geringen Stromverbrauch, effiziente Verarbeitung und Integration in SoCs erwies sich als gewinnbringende Kombination, die zur Dominanz von ARM-Prozessoren in mobilen Geräten, Automobilsystemen und anderen eingebetteten Anwendungen führte.

ARMv1 war der erste Schritt zu einer der erfolgreichsten Prozessorfamilien im modernen Computing. Obwohl ARMV1 nach heutigen Maßstäben primitiv ist, wurden Schlüsselkonzepte wie RISC-Design, geringer Stromverbrauch und System-on-Chip-Integration eingeführt, die die ARM-Architektur weiterhin definieren. ARMv1 mag ein Ausgangspunkt gewesen sein, aber es war das Fundament, auf dem ein Riese des modernen Rechnens aufgebaut wurde. Durch kontinuierliche Verbesserungen und Innovationen ist die ARM-Architektur gewachsen, um Milliarden von Geräten weltweit zu betreiben, von Smartphones bis hin zu Supercomputern, was sie zu einem zentralen Akteur in der Welt der Technologie macht.