ترجمة مقال كين شريف
يستخدم كل هاتف ذكي تقريبًا معالجًا يعتمد على شريحة ARM1 التي تم تقديمها في عام 1985. تم استخدام أكثر من عشرة مليارات نواة ARM في العديد من الأدوات ، بما في ذلك أحد أكبر إخفاقات Apple ، وهو كمبيوتر Newton Pocket ، وأحد أكثر نجاحاتها الصمامة ، iPhone. في هذه المقالة ، سننظر في الأجزاء الرئيسية لمعالج ARM1: سنصف الهيكل العام للرقاقة ، وننظر في كيفية ترتيب الترانزستورات وكيف تعمل ، والتفاعل مع بعضها البعض لتخزين البيانات ومعالجتها ، وكذلك النظر في
المحاكاة البصرية لهذا المعالج الدقيق ومعرفة ما يحدث داخل ARM1 أثناء تشغيله.
نظرة عامة على رقاقة ARM1
تم بناء المعالج الدقيق ARM1 من كتل وظيفية ، لكل منها غرض محدد. يسجل تخزين البيانات ، يقوم ALU بإجراء عمليات حسابية بسيطة ، وتقوم أجهزة فك تشفير الأوامر بتحديد كيفية تنفيذ كل أمر ، وما إلى ذلك. بالمقارنة مع معظم المعالجات ، فإن دائرة شرائح ARM1 بسيطة ، ويمكن تمييز كل كتلة وظيفية بشكل جيد. للمقارنة ، تم تحسين تخطيط الرقائق ، مثل 6502 أو Z-80 ، يدويًا لتجنب البقع الفارغة على الركيزة. في هذه المعالجات ، يتم لصق الكتل الوظيفية معًا ، مما يجعل من الصعب فهمها.
المكونات الرئيسية لشريحة ARM1. جهات الاتصال غير المميزة هي إشارات تحكم مختلفة.الآن ترى صورة توضح أهم الأجزاء الوظيفية للمعالج المصغر ARM. تتم المعالجة الفعلية في الجزء السفلي من الشريحة ، والتي تشير إلى مسار البيانات. تعالج الرقاقة 32 بت في المرة الواحدة ، لذلك يتضمن هيكلها 32 طبقة أفقية: 31 بت من الأعلى ، 0 بت من الأسفل. تعمل العديد من ناقلات البيانات أفقيًا لتوصيل مختلف مكونات الشريحة. على الصورة يمكنك أن ترى قسمًا كبيرًا من خمسة وعشرين تسجيلًا. يوجد عداد التعليمات (السجل الخامس عشر) على يسار قسم التسجيل ، والسجل الصفري على اليمين. تسعة من أصل خمسة وعشرين سجلاً اختيارية ، حيث توجد نسخ من بعض السجلات للاستخدام في معالجة المقاطعة.
تتم جميع العمليات الحسابية في وحدة المنطق الحسابي (ALU) ، الموجودة على يمين كتلة التسجيل. تقوم ALU بـ 16 عملية مختلفة: إضافة ، إضافة مع النقل ، والطرح ، والإضافة المنطقية ، وما إلى ذلك ... تستخدم ALU مدخلين 32 بت وتخرج 32 بت عند الإخراج. يمكنك قراءة المزيد عن جهاز ALU
هنا . على يمين ALU هو جهاز إزاحة 32 بت. يقوم هذا المكون الكبير بعملية تحول دوري للإدخال الثنائي. على اليسار توجد خطوط العنوان التي توفر الوصول إلى العناوين في الذاكرة من خلال جهات اتصال العناوين. على اليمين توجد خطوط بيانات تقرأ وتكتب قيم البيانات في الذاكرة.
توجد وحدة التحكم في الأعلى. يتم رسم خطوط التحكم عموديًا من وحدة التحكم إلى مخطط خط البيانات أدناه. تحدد هذه الإشارات التسجيلات وتخبر ALU بالعملية التي يتعين إجراؤها وما إلى ذلك. تعالج دائرة فك تشفير التعليمات كل تعليمات وتولد إشارات التحكم اللازمة. تقوم وحدة فك تشفير التسجيل بمعالجة بتات اختيار السجل في التعليمات وتولد إشارات تحكم لتحديد السجلات اللازمة.
تفاصيل الاتصال
المربعات حول السطح الخارجي للصورة هي الوسادات التي تربط المعالج بالعالم الخارجي. تظهر الصورة أدناه أربعة وثمانين دبوسًا من المعالج ARM1. يتم توصيل جهات الاتصال المطلية بالذهب بالوسائد الموجودة على رقاقة السيليكون داخل العلبة.
تم تثبيت معالج ARM1 في نظام تقييم Acorn ARMيتم استخدام معظم المواقع لخطوط العنوان وخطوط البيانات المؤدية إلى الذاكرة. تحتوي الرقاقة على 26 سطر عنوان تسمح لها بالوصول إلى 64 ميجابايت من الذاكرة و 32 سطر بيانات ، مما يسمح لها بقراءة أو كتابة 32 بت في المرة الواحدة. توجد خطوط العنوان في الزاوية السفلية اليسرى ، وخطوط البيانات في اليمين. في نموذج محاكاة الشريحة ، يمكنك رؤية إرسال الإشارات إلى خطوط عنوان الذاكرة ، وقراءة المعلومات من الذاكرة على طول خطوط البيانات. يعرض الجانب الأيمن من المحاكي قيم العنوان والبيانات المقدمة بتنسيق سداسي عشري. إذا كنت تعرف نظام الأرقام السداسية العشرية ، فيمكنك بسهولة ربط هذه القيم بحالات الاتصال.
يحتوي كل ركن من أركان الشريحة على خط كهربائي (+) وخط أرضي (-) ، يوفر جهد إمداد قدره 5 فولت ، وهو ضروري لتشغيل الشريحة. توجد إشارات تحكم مختلفة في الجزء العلوي من الشريحة. في المحاكي ، من السهل ملاحظة إشارتين على مدار الساعة تضبط نبض الساعة. ترددات المرحلة 1 والمرحلة 2 بالتناوب ، مما يوفر إشارة الساعة اللازمة لتشغيل الرقاقة. في المحاكاة البصرية لدينا ، تصبح نشطة مرتين تقريبًا في الثانية ، ولكن الشريحة الحقيقية لها تردد 8 ميغا هرتز ، وهو أكثر من مليون مرة أسرع. انتبه إلى اسم الشركة المصنعة "ACORN" على الشريحة بدلاً من 82 دبابيس.
إشارتان للتوقيتتاريخ معالج ARM
تم تصميم المعالج الدقيق ARM1 في عام 1985 من قبل المهندسين صوفي ويلسون وستيف فاربر من Acorn Computers. في البداية ، كانت الرقاقة تسمى Acorn RISC Machine وكان الغرض منها أن تكون معالجًا مشتركًا لجهاز الكمبيوتر
BBC Micro .
صوفي ويلسون وستيف فاربرفي المجموع ، تم إنتاج عدة مئات من المعالجات الدقيقة ARM1 ، لذا قد تعتقد أنها فقدت في أحشاء تاريخ المعالجات الدقيقة في الثمانينيات. ومع ذلك ، أدت أول شريحة ARM1 إلى بنية ARM ناجحة بشكل مدهش ، مع أكثر من 50 مليار رقاقة. ماذا حدث؟
في أوائل الثمانينيات ، اقترح البحث العلمي أنه إذا قمت بتبسيط مجموعة التعليمات للمعالج ، فسيحصل المطورون على أداء أفضل - سيكون المعالج أبسط ولكن أسرع: كمبيوتر مع مجموعة تعليمات مخفضة أو RISC (كمبيوتر مجموعة تعليمات مخفضة). ألهمت الأبحاث في
ستانفورد وبيركلي مطوري ARM لاختيار بنية RISC. بالإضافة إلى ذلك ، بالنظر إلى فريق تطوير Acorn الصغير ، كان اختيار RISC حلاً عمليًا.
على جهاز كمبيوتر يعمل بنظام RISC ، اقتصرت مجموعة التعليمات على الأكثر استخدامًا ، وتم تحسينها للأداء العالي ، وتم تنفيذها في دورة ساعة واحدة. التعليمات ، بدورها ، هي حجم ثابت يبسط منطق تعليمات فك التشفير. بالنسبة لمعالج RISC ، يلزم عدد أقل بكثير من الدوائر للتحكم في الأوامر وفك التشفير ، مما يسمح لك بوضع المزيد من المكونات على الشريحة.
تتضح بساطة تصميم RISC عند مقارنة المعالجات الدقيقة ARM1 و Intel 80386 التي تم إصدارها في نفس العام: كان لدى ARM1 حوالي خمسة وعشرين ألف ترانزستور ، و 80386 مائتان وخمسة وسبعون ألفًا. فيما يلي صورتان للمعالجات على نفس المقياس. تبلغ مساحة بلورة ARM1 خمسين ملليمترًا مربعًا ، مقارنة بمائة وأربعة ملليمترات مربعة من 386.
نظرًا لقلة عدد الترانزستورات ، كان لمعالج ARM1 طاقة منخفضة: حوالي عُشر الواط مقارنة بحوالي واطين عند 386. جعل الجمع بين الأداء العالي والاستهلاك المنخفض للطاقة الإصدارات اللاحقة من المعالجات الدقيقة ARM شائعة جدًا للأنظمة المدمجة. اختارت Apple معالج ARM لنظام Pocket Newton السيء الحظ. في عام 1990 ، أنشأت شركة Acorn Computers و Apple وصانع الشرائح VLSI Technology أجهزة RISC المتقدمة لمواصلة تطوير ARM.
منذ ذلك الحين ، أصبحت ARM أشهر بنية مع أكثر من خمسين مليار معالج. تستخدم معظم الأجهزة المحمولة معالج دقيق ARM. على سبيل المثال ، يستخدم معالج Apple A8 داخل iPhone 6 جهاز ARMv8-A 64 بت. على الرغم من بداياته المتواضعة ، صنع ARM1 قائمة IEEE Spectrum
المكونة من 25 شريحة
صدمت العالم وأصبحت أكثر المعالجات الدقيقة تأثيرًا وفقًا لـ PC World في جميع الأوقات.
ومن المثير للاهتمام أن ARM لا تصنع الرقائق. بدلاً من ذلك ، يتم ترخيص الملكية الفكرية ARM لمئات الشركات المختلفة التي تصنع الرقائق باستخدام بنية ARM.
هيكل رقاقة منخفض المستوى
يتكون المعالج الدقيق ARM1 من خمس طبقات. إذا قمت بزيادة حجم الشريحة في نموذج المحاكاة ، يمكنك رؤية مكونات الشريحة المبنية من هذه الطبقات. يستخدم نموذج المحاكاة لونًا محددًا لكل طبقة ويعين خطوط النشاط بلونها. تتكون الطبقة السفلية من السيليكون ، حيث توجد الترانزستورات. أثناء الإنتاج ، يتم تعديل مناطق السليكون (السبائك) باستخدام شوائب مختلفة. يمكن أن يكون السيليكون مخدرًا بشكل إيجابي لتشكيل ترانزستور P-MOS (أزرق) أو سلبيًا لترانزستور N-MOS (أحمر). السيليكون غير المخلوط هو في الأساس عازل (أسود).
يقدم محاكي ARM1 طبقات مختلفة بألوانها الخاصة.يتم تطبيق خطوط البولي سيليكون باللون الأخضر على السيليكون. عندما يعبر البولي سيليكون السيليكون المخدر ، فإنه يشكل بوابة ترانزستور (أصفر). وأخيرًا ، توجد طبقتان من المعدن ، يشار إليهما باللون الرمادي ، أعلى البولي سيليكون وتوفر الموصلية. المربعات السوداء هي جهات اتصال تشكل روابط بين طبقات مختلفة.
لأغراضنا ، يمكن اعتبار الترانزستور MOS كمفتاح يتحكم فيه البوابات. عند تشغيله (مغلق) ، يتم توصيل المصرف والمصدر في مناطق السيليكون. عندما يتم فصله (مفتوح) ، يتم فصل المصرف والمصدر.
هيكل MOSFETمثل معظم المعالجات الحديثة ، تم بناء ARM1 باستخدام تقنية CMOS ، والتي تستخدم نوعين من ترانزستورات MOS: N-channel و P-channel. يتم تشغيل أجهزة MOSFET ذات القنوات N فقط عند تطبيق إشارة عالية المستوى على البوابة وسحب الإخراج إلى الأرض. يتم تشغيل وحدات MOSFET ذات القناة P عند تطبيق إشارة منخفضة المستوى على البوابة ويتم تطبيق الفولتية حتى خمسة فولت على الخرج.
مفهوم ملف التسجيل
ملف التسجيل هو مكون رئيسي من ARM1 يخزن المعلومات داخل الشريحة. يتكون ملف التسجيل من خمسة وعشرين سجلاً ، يحتوي كل منها على اثنين وثلاثين بتة.
تُظهر الصورة أدناه ترانزستوران يشكلان العاكس. إذا تم إدخال إشارة عالية المستوى ، يتم تشغيل ترانزستور N-MOS (باللون الأحمر) ، وربط الإخراج بالأرض ، بحيث يكون للإخراج إشارة ذات مستوى منخفض. إذا تلقى الإدخال إشارة ذات مستوى منخفض ، يتم تشغيل ترانزستور P-MOS (أزرق) ، وربط خط الطاقة بالإخراج ، بحيث يكون الإخراج لديه إشارة عالية المستوى. وبالتالي ، فإن الإخراج هو عكس الإدخال ، وخلق العاكس.
العاكسيشكل الجمع بين عاكسين في حلقة نظام تخزين بسيط. إذا كان الناتج عند إخراج العاكس الأول 1 ، ينتج الثاني 0 ، والذي ينتقل إلى إدخال العاكس الأول ويتم إنشاء 1 عند خرجه - الدائرة مستقرة. تبعا لذلك ، ستبقى الدائرة في هذه الحالة إلى أجل غير مسمى ، "تذكر" بت واحد ، حتى يتم نقلها قسرا إلى حالة أخرى.
يشكل عاكسان سجلاً يمكنه تخزين 1 بتلإنشاء مثل هذا المخطط في خلية التسجيل المستخدمة ، تتم إضافة خطوط القراءة والكتابة ، بالإضافة إلى خطوط التحديد لتوصيل الخلية بخطوط الناقل. عند تنشيط خط التسجيل ، يتم الاتصال بالحافلة مع العاكس ، مما يسمح لك بالكتابة فوق القيمة الحالية بت جديد. وبالمثل ، فإن الترانزستورات توصل البت إلى ناقل القراءة عند تنشيط خط التحديد المقابل ، مما يسمح لك بقراءة القيمة المخزنة.
مخطط بت واحد من ملف التسجيل ARM1لإنشاء ملف تسجيل ، يجب تكرار خلية التسجيل عموديًا 32 مرة لكل بت ، و 25 مرة أفقيًا لتكوين كل سجل. يحتوي كل سجل على ثلاثة خطوط أفقية - خط تسجيل وخطين للقراءة. يحتوي كل سجل على ثلاثة خطوط تحكم رأسية - خط اختيار السجل واثنين من خطوط التحديد المقروءة. عند تنشيط خطوط التحكم المطلوبة ، يمكن قراءة سجلين ويمكن كتابة سجل واحد في كل مرة. في نموذج المحاكاة - يمكنك رؤية خطوط التحكم الرأسية النشطة لاختيار السجلات وتراكم البيانات التي تتحرك على خطوط الناقل الأفقي.
من خلال النظر إلى خلية الذاكرة في المحاكي ، يمكنك تحديد العاكس الذي يتم تشغيله وتحديد ما إذا كان البت 0 أو 1 متساويًا. إذا كان إدخال العاكس العلوي نشطًا ، فإن البت هو صفر. إذا كان إدخال العاكس السفلي نشطًا ، فإن البت يساوي واحد. وبالتالي ، بعد النظر بعناية ، يمكنك قراءة قيم السجلات مباشرة من المحاكي.
صورة ملف التسجيل ARM1جهاز التحول السريع
يقوم جهاز النقل السريع بإجراء نوبات ثنائية وهو مكون آخر مثير للاهتمام من ARM1. تستخدم معظم التعليمات شيفتر الذي يسمح لك بتحويل الوسيطة الثنائية إلى أي حرف إلى اليمين أو اليسار أو البديل (من 0 إلى 31 بت). خلال بداية المحاكي ، يمكنك رؤية خطوط قطرية تتحرك إلى اليمين واليسار في نوبة سريعة.
توضح الصورة أدناه هيكل جهاز القص. يتم تحويل البتات عموديا فيما يتعلق بتات الصفر والحادية والثلاثين. يتم نقل بتات الإخراج أفقيًا بين بت الصفر من الأسفل والبت الحادية والثلاثين من الأعلى. تُظهر الخطوط القطرية حيث ترتبط الخطوط العمودية بالخطوط الأفقية ، مما يؤدي إلى حدوث تحول في الإخراج. تؤدي المواضع المختلفة للخط القطري إلى تحولات مختلفة. يغير الخط القطري العلوي البتات إلى اليسار ، والخط القطري السفلي إلى اليمين. أثناء التحول ، يكون كلا القطرين نشطين ؛ قد يكون غير محسوس ، ولكن في جزء التحول من الكلمة ، ينتقل الجزء إلى اليمين ، وغالبًا إلى اليسار.
هيكل جهاز القص السريعلنقم بتكبير المنطقة على جهاز القص لرؤية مكوناته الرئيسية بشكل أفضل. يحتوي على 32 × 32 مقطعًا عرضيًا من الترانزستورات ، كل منها يربط خطًا رأسيًا بآخر. ترتبط بوابات الترانزستور بخطوط تحكم قطرية ؛ تربط الترانزستورات على طول القطر النشط الخطوط الرأسية والأفقية المقابلة. وهكذا ، من خلال تنشيط الأقطار المقابلة ، ترتبط خطوط الإخراج بخطوط الإدخال التي تم تحويلها بواسطة عدد معين من البتات. نظرًا لأن خطوط الإدخال في الدائرة المصغرة تعمل أفقيًا ، فهناك 32 اتصالًا بين خطوط الإدخال وخطوط البت الرأسية المقابلة.
نظرة فاحصة على جهاز التحول السريع ARM1الخلاصة
أدى المعالج ARM1 إلى بنية معالج ARM الناجحة بشكل مدهش ، والتي تعد قلب هاتفك الذكي وأي جهاز محمول بشكل عام. تبسط بنية RISC البسيطة لشريحة ARM1 فهم دارات المعالجات الدقيقة مقارنة بالهيكل 80386. تساعد المحاكاة البصرية الرائعة للمعالج المصغر ARM على فهم ما يحدث داخلها.
تم إنشاء الفيديو الخاص بنا بواسطة هذه المقالة:
داخل وحدة المعالجة المركزية: ARM1