ARM2

ARM2 — это 32-битный микропроцессор с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computer), разработанный британской компанией Acorn Computers Ltd. Представленный в 1987 году, он стал вторым коммерческим процессором семейства ARM (Acorn RISC Machine) и первым, получившим широкое распространение в персональных компьютерах Acorn Archimedes и серии BBC Micro. ARM2 отличался высокой производительностью для своего времени при низком энергопотреблении и простой архитектуре, что заложило основу для последующего доминирования ARM-процессоров в мобильных и встраиваемых устройствах.

История создания

Разработка ARM2 была начата в 1983 году как часть проекта Acorn Computers по созданию собственного высокопроизводительного процессора для замены устаревшего 8-битного MOS Technology 6502, использовавшегося в компьютерах BBC Micro. Команда инженеров под руководством Софи Уилсон и Стива Фербера, а также при участии Роджера Уилсона, решила отказаться от сложных архитектур CISC (Complex Instruction Set Computer), доминировавших на рынке (например, Intel 80286 и Motorola 68000), и сосредоточиться на RISC-подходе, вдохновляясь исследованиями Калифорнийского университета в Беркли (проект RISC-I) и Стэнфордского университета (проект MIPS).

Первый процессор семейства, ARM1, был выпущен в 1985 году как тестовый образец и не поставлялся коммерчески. Его успешное тестирование позволило перейти к разработке ARM2, который был представлен в 1987 году. Процессор производился по 2-микрометровому (2000 нм) КМОП-техпроцессу компанией VLSI Technology. ARM2 стал первым процессором, использованным в серийных компьютерах Acorn Archimedes (модели A300, A400, A500) и в некоторых моделях BBC Micro (например, BBC A3000).

Архитектура и характеристики

Основные параметры

• Разрядность: 32-битная (адресация памяти — 32 бита, регистры — 32 бита).
• Тактовая частота: от 4 до 12 МГц (в зависимости от модели; в Acorn Archimedes — 8 МГц).
• Производительность: около 4–6 MIPS (миллионов инструкций в секунду) при 8 МГц, что сопоставимо с Intel 80386 при частоте 16 МГц.
• Техпроцесс: 2 мкм (2000 нм) КМОП.
• Количество транзисторов: около 25 000.
• Площадь кристалла: примерно 50 мм².
• Энергопотребление: около 0,5 Вт (при 8 МГц), что значительно ниже, чем у конкурирующих CISC-процессоров.

Регистровый файл

ARM2 имеет 16 32-битных регистров общего назначения (R0–R15), из которых:

• R0–R12: свободно используются программистом.
• R13 (SP): указатель стека.
• R14 (LR): регистр возврата (link register) для хранения адреса возврата из подпрограммы.
• R15 (PC): счётчик команд (program counter), который также содержит флаги состояния (условные флаги).

Набор инструкций

ARM2 использует фиксированный 32-битный формат инструкций, что упрощает декодирование и конвейеризацию. Все инструкции имеют длину 4 байта. Основные особенности:

• Условное выполнение: большинство инструкций могут выполняться только при определённых условиях (например, равно, не равно, больше, меньше), что снижает необходимость в ветвлениях.
• Загрузка/сохранение: доступ к памяти осуществляется только через инструкции LDR (загрузка) и STR (сохранение); арифметические операции работают только с регистрами.
• Баррельный сдвигатель: встроенный блок сдвига/поворота позволяет выполнять сдвиги и повороты операндов в рамках одной инструкции (например, ADD R0, R1, R2, LSL #2 — сложение R1 и R2, сдвинутого влево на 2 бита).
• Инструкции умножения: поддерживаются 32-битное умножение (MUL) и умножение с накоплением (MLA), но без аппаратной поддержки деления.

Память и адресация

ARM2 поддерживает 32-битную адресацию, что позволяет адресовать до 4 ГБ памяти. Однако в ранних реализациях (Acorn Archimedes) использовалась 26-битная адресация (старшие 6 бит PC использовались для флагов), что ограничивало адресное пространство до 64 МБ. Режимы адресации включают:

• Регистровую (значение в регистре).
• Непосредственную (константа в инструкции).
• Индексную (регистр + смещение, с возможностью пред- и постинкремента).

Применение

Компьютеры Acorn Archimedes

ARM2 стал основой для линейки персональных компьютеров Acorn Archimedes (1987–1992), которые позиционировались как образовательные и домашние машины. Процессор обеспечивал высокую производительность для своего времени, особенно в графических приложениях (благодаря поддержке 256-цветного режима и аппаратного ускорения). Архимеды использовались в школах Великобритании, а также в научных и инженерных задачах.

BBC Micro

Некоторые модели BBC Micro (например, BBC A3000, выпущенный в 1989 году) также оснащались ARM2, что позволило расширить функциональность этих 8-битных машин до 32-битного уровня.

Встраиваемые системы

ARM2 редко применялся вне компьютеров Acorn, но его архитектура стала основой для последующих процессоров семейства ARM, которые нашли широкое применение во встраиваемых системах, мобильных устройствах и микроконтроллерах.

Значение и наследие

ARM2 сыграл ключевую роль в становлении архитектуры ARM как одной из доминирующих в мире. Его успех показал, что RISC-процессоры могут быть не только производительными, но и энергоэффективными, что впоследствии привело к созданию ARM7, ARM9, Cortex и других серий. Низкое энергопотребление ARM2 (менее 0,5 Вт) стало прообразом для мобильных процессоров, которые сегодня используются в миллиардах устройств — от смартфонов до серверов.

Архитектурные решения, заложенные в ARM2 (условное выполнение, баррельный сдвигатель, фиксированный 32-битный формат инструкций), сохранились в последующих поколениях ARM, хотя и были расширены. Например, набор инструкций ARMv4 (используемый в ARM7) и ARMv7 (используемый в Cortex-A) сохраняют обратную совместимость с ARM2 на уровне базовых операций.

Критика и ограничения

Несмотря на инновационность, ARM2 имел ряд недостатков:

• 26-битная адресация: в ранних реализациях старшие 6 бит PC использовались для флагов, что ограничивало адресное пространство до 64 МБ и затрудняло работу с большими объёмами памяти.
• Отсутствие аппаратного деления: деление выполнялось программно, что снижало производительность в математических расчётах.
• Отсутствие кэш-памяти: ARM2 не имел встроенного кэша, что делало его зависимым от скорости оперативной памяти.
• Ограниченная поддержка многозадачности: процессор не имел аппаратных средств для управления виртуальной памятью (MMU), что усложняло реализацию защищённых режимов.

Эти ограничения были устранены в последующих моделях, таких как ARM3 (с кэшем) и ARM6 (с полной 32-битной адресацией и MMU).

Источники

• Acorn Computers Ltd. Acorn Archimedes Technical Reference Manual. 1987.
• Steve Furber. ARM System-on-Chip Architecture. Addison-Wesley, 2000.
• David Seal. ARM Architecture Reference Manual. 2nd ed., Addison-Wesley, 2001.
• Журнал Byte, № 12, 1988. Статья «Acorn Archimedes: The RISC Revolution».
• Официальная документация ARM Holdings (архив).