پردازنده‌ها نقشی حیاتی در تعیین عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی دارند. این قطعات کوچک، تفاوت بین یک دستگاه عادی و یک دستگاه با کارایی استثنایی را مشخص می‌کنند. در بین گونه‌های مختلف پردازنده‌ها، پردازنده ARM به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود محبوبیت خاصی در بازار تکنولوژی پیدا کرده است. این پردازنده‌ها که بر اساس معماری RISC (مجموعه دستورالعمل‌های کاهش‌یافته) طراحی شده‌اند، در دستگاه‌های موبایل، پرتابل و حتی سرورها استفاده می‌شوند. در این مقاله، به بررسی جامع اجزای پردازنده ARM و انواع مختلف آن می‌پردازیم. با ادامه این مطلب همراه ما باشید.

 پردازنده ARM چیست؟

پردازنده کامپیوتری ARM ابتدا توسط شرکت Acorn Computers در دهه 1980 طراحی شد. نام ARM از واژه «Advanced RISC Machine» گرفته شده است. این پردازنده تعداد دستورالعمل‌های مورد نیاز برای اجرای برنامه‌ها را کاهش می‌دهد و همچنین سرعت بالای اجرا و بهینه‌سازی در مصرف انرژی را امکان‌پذیر می‌کند. 

در حال حاضر این پردازنده در دستگاه‌های مختلفی از جمله تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، خودروها و حتی سرورهای داده مرکزی استفاده می‌شود و به همین دلیل شرکت ARM Holdings حقوق طراحی این پردازنده‌ها را به شرکت‌های دیگری مثل Apple، Qualcomm و Samsung واگذار کرده است. 

ARM با استفاده از معماری 32 بیتی و 64 بیتی، عملکرد قابل توجهی در دستگاه‌های پرتابل و مصرف‌کننده انرژی پایین ارائه می‌دهند و به دلیل مقیاس‌پذیری بالا می‌توان از آن‌ها در میکروکنترلرها، سرورها و… استفاده کرد. 

اجزای تشکیل‌دهنده پردازنده ARM

معماری پردازنده ARM شامل چندین بخش مهم است که هر کدام نقش خاصی در بهینه‌سازی عملکرد دستگاه‌ها ایفا می‌کنند. در ادامه، به بررسی دقیق‌تر این اجزا می‌پردازیم:

واحد پردازش مرکزی (CPU) 

CPU یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر دستگاه مبتنی بر پردازنده ARM است. وظایف اصلی این واحد عبارت است از: 

• پشتیبانی از معماری RISC که با کاهش تعداد دستورالعمل‌ها، سرعت و کارایی بالایی فراهم می‌کند. 
• استفاده از خطوط لوله (Pipeline) پیشرفته برای اجرای موازی دستورالعمل‌ها. 
• توانایی مدیریت چندهسته‌ای برای افزایش عملکرد در دستگاه‌های پیشرفته‌تر.

واحد پردازش گرافیکی (GPU) 

این بخش مسئول پردازش تصاویر، انیمیشن‌ها و گرافیک‌های پیچیده در دستگاه‌ها است. کارکرد این واحد شامل موارد زیر است: 

• پشتیبانی از پردازش موازی برای انجام محاسبات گرافیکی سریع‌تر. 
• استفاده از فناوری Mali برای پردازش گرافیکی در دستگاه‌های مبتنی بر Android. 
• مناسب برای دستگاه‌هایی مثل گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و حتی تلویزیون‌های هوشمند.

 حافظه رم (RAM) 

حافظه‌ رم نقش ذخیره‌سازی داده‌های موقت و برنامه‌های در حال اجرا را بر عهده دارد تا دسترسی سریع‌تر فراهم شود. ویژگی‌های این حافظه به شرح زیر است: 

• اتصال مستقیم به واحد پردازش مرکزی برای کاهش زمان واکنش. 
• توانایی مدیریت حافظه با استفاده از واحد مدیریت حافظه (MMU). 
• حافظه داخلی که می‌تواند به صورت یکپارچه روی تراشه قرار گیرد.

حافظه پنهان (Cache) 

حافظه‌ پنهان نقش ذخیره‌سازی داده‌های متداول را برای کاهش نیاز به دسترسی به حافظه اصلی و افزایش سرعت ایفا می‌کند. از ویژگی‌های این حافظه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 

• تقسیم‌بندی حافظه پنهان به حافظه دستورالعمل‌ها (Instruction Cache) و حافظه داده‌ها (Data Cache). 
• حافظه پنهان لایه‌ای (L1, L2, L3) برای بهینه‌سازی عملکرد. 
• پشتیبانی از فناوری ECC برای کشف و اصلاح خطاهای حافظه.

مدیریت توان (Power Management) 

این جزء نقش کاهش مصرف انرژی در دستگاه‌های موبایل و پرتابل را ایفا می‌کند. وظایف این سیستم را می‌توان به این صورت برشمرد: 

• استفاده از تکنیک‌هایی مانند مقیاس‌بندی ولتاژ و فرکانس دینامیکی (DVFS). 
• حالت‌های خواب (Sleep Modes) برای کاهش مصرف انرژی در مواقع عدم استفاده. 
• پشتیبانی از فناوری TrustZone برای مدیریت توان در محیط‌های امن.

معماری (Load/Store)

این مکانیزم نقش مدیریت انتقال داده‌ها بین حافظه و واحد پردازشی را ایفا می‌کند. این معماری شامل ویژگی‌های زیر است: 

• انتقال داده‌ها از طریق رجیسترها و ثبات‌ها بدون دسترسی مستقیم به حافظه. 
• کاهش مصرف انرژی و افزایش سرعت پردازش. 
• بهینه‌سازی عملکرد در دستگاه‌های حساس به هزینه و انرژی.

 خطوط لوله (Pipeline) 

Pipeline اجرای دستورالعمل‌ها به صورت موازی و بهینه‌سازی استفاده از منابع را بر عهده دارد. این جزء وظایف زیر را بر عهده دارد: 

• تقسیم دستورالعمل‌ها به مراحل مختلف (Fetch, Decode, Execute). 
• تعداد مراحل خط لوله متفاوت در هر مدل پردازنده ARM (از 3 تا 24 مرحله). 
• افزایش کارایی و کاهش زمان اجرا.

واحد مدیریت حافظه (MMU) 

این واحد مدیریت حافظه و ایجاد یک محیط مجازی برای برنامه‌ها را در دست دارد. وظایف این واحد شامل موارد زیر است: 

• پشتیبانی از آدرس‌دهی حافظه 32 بیتی و 64بیتی. 
• ایجاد فضای حافظه جداگانه برای هر برنامه برای افزایش امنیت. 
• کاهش احتمال تداخل بین برنامه‌ها.

 واحد ممیز شناور (FPU) 

FPU نقش انجام محاسبات حسابی ممیز شناور را برای برنامه‌های علمی و گرافیکی ایفا می‌کند. این واحد شامل ویژگی‌های زیر است: 

• پشتیبانی از استانداردهای IEEE 754 برای محاسبات دقیق. 
• افزایش سرعت در محاسبات پیچیده؛ مانند علوم داده و هوش مصنوعی. 
• استفاده در دستگاه‌هایی مانند خودروهای هوشمند و سیستم‌های بلادرنگ.

واحد پردازش سیگنال (DSP) 

DSP وظیفه پردازش سیگنال‌های دیجیتال را برای کاربردهای صوتی، تصویری و سنسوری بر عهده دارد. وظایف این واحد شامل موارد زیر است: 

• پشتیبانی از دستورالعمل‌های DSP اختصاصی برای بهبود کارایی. 
• استفاده در دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند، دوربین‌ها و سیستم‌های صوتی.

 واحد مدیریت وقفه (Interrupt Controller) 

این واحد نقش مدیریت درخواست‌های وقفه از جانب دستگاه‌های جانبی را ایفا می‌کند. این واحد شامل ویژگی‌های زیر است: 

• پاسخگویی سریع به وقفه‌ها برای کاربردهای بلادرنگ. 
• پشتیبانی از چندین نوع وقفه هم‌زمان. 
• کاهش زمان پاسخ در دستگاه‌های حساس به زمان.

حافظه TCM (Tightly Coupled Memory) 

برای آشنایی با hpe superdome flex مقاله تسکا را مطالعه کنید.

حافظه  TCM وظیفه فراهم‌کردن حافظه‌ای با پاسخگویی سریع برای برنامه‌های حساس به زمان را برعهده دارد. از ویژگی‌های این حافظه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش تأخیر در دسترسی به داده‌ها. 
• استفاده در دستگاه‌هایی مانند خودروها و سیستم‌های صنعتی.

واحد مدیریت امنیت (TrustZone) 

این بخش محیط امنی را برای اجرای برنامه‌های حساس فراهم می‌کند. وظایف این واحد شامل موارد زیر می‌شود:

• جداسازی سخت‌افزاری بین محیط‌های امن و ناامن. 
• محافظت از داده‌های حساس مانند رمزهای امنیتی و اطلاعات شخصی. 
• اطمینان از اجرای امن برنامه‌ها در دستگاه‌های موبایل.

 رجیسترها 

این مجموعه از ذخیره‌گاه‌های کوچک، نقش ذخیره‌سازی داده‌ها و آدرس‌ها برای عملیات پردازشی را بر عهده دارند. ویژگی‌های این رجیسترها را می‌توان به صورت زیر برشمرد: 

• کاهش نیاز به تعامل با حافظه
• بهینه‌سازی استفاده از حافظه و افزایش سرعت پردازش

مدیریت انرژی و حالت‌های خواب 

مدیریت انرژی و حالت‌های خواب برای کاهش مصرف انرژی در باتری انجام می‌شود. این سیستم شامل ویژگی‌های زیر هستند: 

• حالت‌های مختلف خواب برای کاهش مصرف در مواقع عدم استفاده. 
• استفاده از تکنیک‌هایی مانند Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS). 
• افزایش عمر باتری در دستگاه‌های موبایل.

 واحد مدیریت حافظه داخلی (Internal Memory Management) 

این واحد نقش مدیریت حافظه داخلی تراشه را برای بهینه‌سازی عملکرد ایفا می‌کند. وظایف این واحد شامل موارد زیر است: 

• پشتیبانی از حافظه داخلی یکپارچه برای کاهش تأخیر. 
• استفاده از حافظه TCM برای کاربردهای بلادرنگ.

 واحد پردازش موازی (SIMD) 

SIMD نقش انجام عملیات چندگانه در یک سیکل ساعت را برای افزایش سرعت ایفا می‌کند. کارکرد این واحد شامل موارد زیر است: 

• پشتیبانی از فناوری NEON برای پردازش داده‌های وسیع. 
• استفاده در کاربردهایی مانند ویدئو، صوت و هوش مصنوعی.

 مدیریت ورودی/خروجی (I/O Interfaces) 

این سیستم برای اتصال دستگاه‌های جانبی و مدیریت انتقال داده‌ها تعبیه می‌شود. وظایف این سیستم شامل موارد زیر می‌شود:

• پشتیبانی از استانداردهای مختلف مانند USB, HDMI, WiFi و Bluetooth. 
• افزایش سرعت انتقال داده‌ها در دستگاه‌های مدرن.

 واحد مدیریت شبکه (Network Controller) 

مدیریت ارتباطات شبکه‌ای در دستگاه‌ها بر عهده Network Controller است. عملکرد این واحد را می‌توان این چنین برشمرد: 

• پشتیبانی از اتصالات بی‌سیم و سیمی. 
• کاهش تأخیر در ارتباطات شبکه‌ای.

واحد مدیریت انرژی (Energy Management Unit) 

این بخش نقش مدیریت دقیق توان مصرفی در تمامی بخش‌های دستگاه را بر عهده دارد. وظایف این واحد شامل موارد زیر است: 

• استفاده از سنسورهای هوشمند برای تعیین نیاز به انرژی. 
• بهینه‌سازی مصرف انرژی در حالت‌های مختلف کار.

  انواع پردازنده‌های ARM

در این بخش، به بررسی دقیق‌تر سه دسته اصلی پردازنده‌های ARM می‌پردازیم که هر کدام برای کاربردهای مختلفی طراحی شده‌اند.

سری CortexA

سری CortexA به عنوان پردازنده‌های کاربردی طراحی شده‌اند و در دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و حتی سرورها استفاده می‌شوند. این پردازنده‌ها از ویژگی‌هایی مانند پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های پیشرفته، مدیریت انرژی پیشرفته و پردازش موازی برخوردارند. برخی از مدل‌های معروف CortexA شامل CortexA53، CortexA72 و CortexA76 هستند که هر کدام برای کاربردهای مختلفی طراحی شده‌اند.

 سری CortexR

سری CortexR برای کاربردهایی مانند سیستم‌های خودروسازی، ذخیره‌سازی داده‌ها و دستگاه‌های پزشکی طراحی شده‌اند. این پردازنده‌ها با عملکرد قابل‌اعتماد و پاسخگویی سریع، مناسب کاربردهایی هستند که در آن‌ها زمان بحرانی است. مثال‌هایی از این سری شامل CortexR5 و CortexR7 هستند که در سیستم‌های بلادرنگ (RealTime) کاربرد دارند.

 سری CortexM

سری CortexM به عنوان پردازنده‌های میکروکنترلر طراحی شده‌اند و در دستگاه‌های کوچک و حساس به هزینه مانند حسگرهای IoT، دستگاه‌های پزشکی و دستگاه‌های صنعتی استفاده می‌شوند. این پردازنده‌ها به دلیل مصرف انرژی پایین و اندازه کوچک، ایده‌آل برای دستگاه‌های قابل‌حمل هستند. مدل‌های معروف این سری شامل CortexM0، CortexM3 و CortexM7 هستند.

 مزایا و معایب پردازنده ARM

این پردازنده علی‌رغم ویژگی‌های مثبتی که دارد با معایبی نیز همراه است. در ادامه، به بررسی مزایا و معایب پردازنده ARM می‌پردازیم.

 مزایای پردازنده آرم

• بهره‌وری انرژی: پردازنده ARM به دلیل معماری RISC خود، مصرف انرژی پایینی دارد و مناسب دستگاه‌هایی است که از باتری تغذیه می‌شوند.
• مقیاس‌پذیری: این پردازنده‌ها طراحی شده‌اند تا در طیف وسیعی از کاربردها، از میکروکنترلرها تا سرورها، کاربرد داشته باشند.
• پشتیبانی اکوسیستم: پردازنده ARM توسط اکوسیستم قوی‌ای از سیستم‌عامل‌ها، ابزار توسعه و توزیع‌های مختلف لینوکس پشتیبانی می‌شود.

 معایب پردازنده ARM

کارایی پایین در محاسبات سنگین: پردازنده ARM در مقایسه با پردازنده‌های x86، در محاسبات سنگین و کاربردهای پیشرفته کارایی کمتری دارد.

نیاز به برنامه‌نویسی تخصصی: اجرای نرم‌افزارهای پیچیده بر روی پردازنده ARM نیازمند مهارت‌های خاص در برنامه‌نویسی است.

عدم سازگاری با بعضی سیستم‌عامل‌ها: پردازنده ARM در برخی مواقع با سیستم‌عامل‌های مخصوص رایانه‌های رومیزی (دسکتاپ) سازگاری کاملی ندارد.

 مقایسه پردازنده ARM با سایر پردازنده‌ها

در ادامه به مقایسه این پردازنده با سایر پردازنده‌های پرکاربرد در دنیای تکنولوژی و صنعت می‌پردازیم.

 مقایسه ARM با x86

پردازنده ARM با معماری x86 که توسط شرکت‌هایی مانند Intel و AMD توسعه‌یافته است، تفاوت‌های بنیادی دارد. در حالی‌ که پردازنده x86 برای محاسبات سنگین و کاربردهای رومیزی طراحی شده است، پردازنده ARM به دلیل معماری RISC خود، مناسب دستگاه‌های موبایل و پرتابل است. x86 از معماری CISC (Complex Instruction Set Computing) استفاده می‌کند که تعداد دستورالعمل‌های بیشتری را پشتیبانی می‌کند، اما این موضوع منجر به مصرف انرژی بیشتری می‌شود.

 مقایسه ARM با PowerPC

PowerPC نیز مانند ARM یک معماری RISC است، اما از نظر کاربرد، بیشتر در دستگاه‌های صنعتی و سرورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. پردازنده ARM به دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر و هزینه کمتر، در بازار دستگاه‌های موبایل غالب شده است.

مقایسه ARM با MIPS

MIPS نیز مانند ARM یک معماری RISC است، اما بیشتر در دستگاه‌های شبکه‌ای، روترها و سیستم‌های صوتی/تصویری کاربرد دارد. از لحاظ معماری، ARM انعطاف‌پذیری بالا و پشتیبانی گسترده از نرم‌افزار را فراهم می‌کند، در حالی ‌که MIPS به دلیل ساختار کلاسیک‌تر و قدیمی‌تر، سادگی بیشتری دارد. 

مقایسه پردازنده ARM با RISC-V

RISC-V یک معماری منبع باز است که تحت مجوز Creative Commons منتشر شده و به عنوان یک رقیب جدید برای ARM مطرح است. با این حال RISC-V بیشتر در دستگاه‌های IoT، صنعتی و علمی استفاده می‌شود، اما همچنان در حال گسترش برای کاربردهای سرور و محاسبات پیشرفته است.  

کدام پردازنده بهتر است؟

انتخاب پردازنده مناسب بستگی به نوع کاربرد، هزینه و عملکرد هر کدام از آنها دارد. پردازنده‌های ARM (CortexA، CortexR و CortexM) برای دستگاه‌های موبایل، IoT و سیستم‌های بلادرنگ طراحی شده‌اند و مصرف انرژی پایینی دارند. در مقابل، پردازنده‌های x86 (توسعه‌یافته توسط Intel و AMD) به دلیل قدرت پردازشی بالا در رایانه‌های رومیزی، لپ‌تاپ‌ها و سرورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

پردازنده‌های PowerPC نیز که معماری RISC دارند، به دلیل پایداری بالا در سیستم‌های صنعتی و سرورها کاربرد دارند. از نظر هزینه، پردازنده‌های ARM مقرون ‌به ‌صرفه‌تر هستند، درحالی‌که x86 و PowerPC هزینه بالاتری دارند؛ اما عملکرد قوی‌تری ارائه می‌دهند.

پردازنده‌های ARM به دلیل مصرف انرژی کم و سازگاری با Android و iOS بهترین گزینه برای دستگاه‌های موبایل و IoT‌ محسوب می‌شوند. اگر به قدرت پردازش بالا در سیستم‌های رومیزی و سرورها نیاز باشد، x86 انتخاب مناسب‌تری است. پردازنده‌های PowerPC نیز به دلیل پایداری بالا در سرورها و سیستم‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

مقایسه پردازنده‌های اصلی در دنیای تکنولوژی در یک نگاه

در جدول زیر می‌توانید مقایسه پردازنده‌های اصلی را به صورت خلاصه مشاهده کنید. 

 جمع‌بندی

در این مقاله، به بررسی جامع پردازنده ARM و‌ انواع آن پرداختیم. این پردازنده‌ها امروزه محبوبیت بسیار زیادی پیدا کرده‌اند. همچنین در این مقاله سه دسته اصلی Cortex-A، Cortex-R و Cortex-M را بررسی کردیم. علاوه بر این پردازنده‌های ARM را با x86، PowerPC، MIPS و RISC-V مقایسه کردیم و توضیح دادیم که هر کدام از این پردازنده‌ها بر اساس کاربردهای خود مزیت‌های مختلفی دارند. نظر شما در این باره چیست؟ از نظر شما کدام یک از این پردازنده در نوع خود بهترین محسوب می‌شود؟