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I processori ARM: tra storia, innovazione, supercomputer e terminali di tutti i giorni.

Autore: Carlo Denza
Data Pubblicazione: 06/01/2021

SAMSUNG, SONY, LG, NOKIA, MI, OPPO, HUAWEI… Ora vi starete chiedendo: pubblicità occulta? Ovviamente no!

Se qualcuno vi chiedesse di trovare il minimo comune denominatore di tutti o quasi tutti i dispositivi, portatili e non, prodotti dalle moderne industrie di elettronica molto probabilmente lo trovereste nel modello della loro architettura e organizzazione.

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Al centro di questa architettura vi si trova il chip ARM che è il cuore “pulsante”, il cervello “pensante” di questa famiglia di processori. Con il termine “architettura di un elaboratore” si intende: il numero di bit utilizzato per rappresentare i dati, come numeri o testo, il numero dei registri di macchina, le modalità di indirizzamento e altro ancora.

Mentre per organizzazione si fa riferimento alle relazioni strutturali tra le unità funzionali del calcolatore e il modo in cui realizzano una data architettura.

Molto semplicemente, come tutti i microprocessori, in generale, anche quelli della famiglia ARM, controllano tra le altre cose l’uso e il flusso dei dati. Il processore spesso è chiamato anche CPU (Central Processing Unit). Dati e processi vengono elaborati come un flusso continuo, quasi infinito, di 1 e 0. L’ordine di questi 1 e 0 assume significato per il microprocessore, e una loro sequenza particolare sarà tradotta in una serie di azioni.

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Analogamente proprio come nel codice Morse in cui una serie di punti e linee inviati nel corretto ordine assumono un determinato significato se si conosce come è rappresentata ogni lettera. Per i più curiosi, convenzionalmente, nel codice Morse, la codifica avviene tramite punto(.) e linea(-). Il punto è l’elemento base del codice; Un punto è rappresentato dalla durata di un singolo e breve impulso. La linea è pari a tre elementi (come se i punti fossero uniti).

Torniamo a noi, per evidenziare la potenza del chip ARM e di conseguenza anche dei più diffusi dispositivi che ne sono equipaggiati e che quasi tutti usiamo ogni giorno, vale la pena ricordare che esiste una generazione di satelliti chiamati CubeSats, caratterizzati dalle ridottissime dimensioni, compiti specifici ed equipaggiati con microprocessori ARM. Questo articolo nasce con lo scopo di approfondire la conoscenza di una particolare architetture di calcolatori digitali. Per avvicinare il lettore alle tecnologie emergenti e ad oggi più diffuse nel dominio delle architetture dei moderni device.

Lo stato dell’arte del settore tecnologico ci pone come conditio sine qua non una certa conoscenza dell’architettura ARM.

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Sviluppata da ARM Ltd è ormai diffusa e usata su larga scala. Smartphone, portatili, console, tablet godono delle sue intrinseche caratteristiche. Tra tali caratteristiche primeggiano: potenza di calcolo, ed efficienza energetica. Non tutto è rose e fiori! Come per il software, troviamo differenze anche nelle versioni della CPU. Il chip ARM ha subito uno sviluppo continuo nel tempo ma ha avuto anche problemi. Nonostante i continui sviluppi, il set di istruzioni di base rimane lo stesso anche se più esteso, per questo motivo il “porting” non è così difficile. Le cose invece si complicano solo se si utilizzano funzionalità più avanzate del microprocessore.

Un po’di Storia

L’acronimo ARM è utilizzato per la prima volta nel 1983: ideato dalla Acorn Computers e fa riferimento ad una famiglia di processori basati sui principi RISC. Agli inizi degli anni Novanta, ARM diventa una società vera e propria, cioè ARM ltd: Dove ARM sta per Advanced RISC Machine.

Negli anni successivi si realizza un accordo di collaborazione tra Acorn Computers, Apple, e VLSI Technology. Lo scopo primario dell’accordo è avanzare nello sviluppo dei processori RISC, utilizzati dalla Acorn e scelti da Apple per una sua piattaforma. Nel corso degli anni molte persone e molte aziende hanno contribuito al successo di questa famiglia di chip.

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Non è possibile citarli tutti ma siccome a volte la storia ha l’abitudine di concentrare il merito su una o più persone di alto profilo, spesso anche a spese di coloro che lavorano a testa bassa per portare a termine il lavoro in tempo, non possiamo non citare parlando di ARM, Sophie Wilson.

La Wilson all’epoca giovane astro nascente del settore informatico inglese ideò e progettò uno dei primi microprocessori ARM insieme con il suo set di istruzioni. L’architettura originale unitamente al set di istruzioni sopravvivono, estesi, ma per il resto in gran parte uguali, fino ad oggi. La Wilson realizzò anche un prototipo di computer che in seguitò sarà il punto di partenza per la costruzione del primo computer Acorn System.


Sophie Wilson

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L’Architettura

L’architettura ARM definisce una famiglia di microprocessori RISC (Reduced Instruction Set Computer) 32 o 64 bit sviluppata da ARM Ltd (Advanced RISC Machine) come precedentemente detto, molto diffusa in commercio. Smartphone, portatili, console, tablet, televisori, elettrodomestici, autovetture, radio e molti altri device ne sono equipaggiati. Dal punto di vista circuitale, l’implementazione di tale architettura risulta molto più “semplice” rispetto l’architettura delle canoniche CPU.

Tale semplicità circuitale si concretizza nell’uso di un minor numero di transistor e una minore quantità di silicio da utilizzare per la costruzione del chip, di conseguenza l’architettura ARM dispone di un maggiore spazio fisico, il quale viene usato dai progettisti per aggiungere funzionalità che ne migliorano le prestazioni.

Funzionalità come: memoria cache, registri, funzioni di gestione della memoria, hardware a virgola mobile e così via. La loro costruzione risulta anche molto più economica e con l’ulteriore vantaggio di avere un basso consumo energetico rispetto alle prestazioni erogate. Ecco svelati i fattori di successo che hanno permesso a questa micro-infrastruttura elettronica il dominio nel settore dei device mobili. Dispositivi dove l’ottimizzazione tra risparmio energetico e potenza di calcolo rappresenta un punto cruciale.

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Last but not least l’idea rivelatasi poi vincente che ha aumentato in maniera esponenziale l’affermazione di ARM è stata quella dell’azienda, con sede a Cambridge, di concentrare i propri sforzi sulla ideazione e progettazione di architetture di calcolo da cedere in licenza ,insieme con i relativi brevetti, piuttosto che puntare sulla produzione in proprio dei chip. Ergo senza costruirli direttamente.

Giacché una società potrà acquistare da ARM Ltd la licenza per il progetto del microprocessore, poterlo poi modificare e adattarlo alle proprie esigenze oppure produrre un nuovo chip, commercializzare un proprio sistema con a bordo la nuova CPU o addirittura vendere il progetto ad altre aziende.

Alcune tra le società più conosciute che hanno fatto riferimento ad ARM per costruire proprie CPU sono(Qualcomm, Samsung, MediaTek). Tutto questo ha contribuito alla rapida evoluzione di questi microprocessori e al loro impiego in tanti settori e applicazioni di uso comune.

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ARM Core

ARM presenta tutte le caratteristiche di una architettura RISC, la quale è progettata per massimizzare il throughput di emissione delle istruzioni. Il core ARM utilizza un’architettura basata sui principi RISC.

Tale architettura è volta a fornire istruzioni semplici ma potenti, che vengono eseguite all’interno di un solo ciclo di clock a una elevata velocità. La filosofia “Reduced Intruction Set Computer” si concentra sulla riduzione del numero e della complessità delle istruzioni eseguite dall’hardware, considerando più semplice avere una maggiore flessibilità e versatilità lato software piuttosto che lato hardware.

Come risultato, un’architettura RISC, pone maggiori esigenze al compilatore(software). Al contrario, i computer con set d’istruzioni tradizionali cioè (CISC) necessitano di più risorse hardware per le funzionalità delle istruzioni, e di conseguenza il loro insieme di istruzioni risulta più complesso e numeroso.

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Le architetture RISC sono realizzate con particolari regole di progettazione, tra le quali emerge il bisogno di un elevato numero di registri rispetto ai processori dell’architettura concorrente CISC (Complex Instruction Set Computer) e tutti della stessa dimensione.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

A proposito di RISC. Anno 1980: David Patterson della Computer Science University Of California Berkley e David Ditzel dei Bell Laboratories pubblicano un articolo intitolato ”The Case for the Reduced Instruction Set Computer” nel quale espongono la loro idea di un’architettura ottimale per un chip a singolo processore. I vantaggi consistono nel avere: minore dimensioni, tempo di sviluppo più breve, costi di produzione più contenuti e minore consumo di energia.

Le loro tesi furono successivamente supportate e verificate dallo sviluppo di alcuni progetti fatti a Berkley. Furono costruiti processori con un’architettura RISC. Lo sviluppo di questi nuovi processori battezzati: “Berkley RISC I” oltre a corroborare le idee di Patterson e Ditzel, dimostrarono una maggiore semplicità di realizzazione e prestazioni analoghe a quelle della classe dei processori antagonisti CISC.

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Il set di istruzioni RISC differiva dal set di istruzioni CISC in quella epoca molto diffusi nei microprocessori commerciali.


David Patterson and Dave Ditzel

Nel caso qualcuno desiderasse approfondire l’argomento nei vari risvolti tecnici, può lasciare un commento o un click. Non escludo un futuro articolo con ulteriori dettagli tecnici.

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