रिवर्स इंजीनियरिंग ARM1 प्रोसेसर

केन शिरिफ का लेख अनुवाद

लगभग हर स्मार्टफोन 1985 में पेश ARM1 चिप पर आधारित प्रोसेसर का उपयोग करता है। विभिन्न गैजेट्स में दस अरब से अधिक एआरएम कोर का उपयोग किया गया है, जिसमें ऐप्पल की सबसे बड़ी विफलताओं में से एक है, न्यूटन ने हाथ दिया, और इसकी सबसे सफल सफलताओं में से एक आईफोन है। इस लेख में, हम ARM1 प्रोसेसर के प्रमुख भागों पर विचार करेंगे: हम चिप की सामान्य संरचना का वर्णन करेंगे, देखिए कि ट्रांजिस्टर की व्यवस्था कैसे की जाती है और वे कैसे काम करते हैं, डेटा को स्टोर और प्रोसेस करने के लिए एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं, और इस माइक्रोप्रोसेसर के विज़ुअल सिमुलेशन को भी देखते हैं और पता करते हैं कि क्या होता है। इसके संचालन के दौरान ARM1 के अंदर।

ARM1 चिप अवलोकन

ARM1 माइक्रोप्रोसेसर कार्यात्मक ब्लॉकों से बनाया गया है, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट उद्देश्य है। रजिस्टर डेटा संग्रहीत करता है, ALU सरल अंकगणित करता है, कमांड डिकोडर निर्धारित करते हैं कि प्रत्येक कमांड को कैसे निष्पादित किया जाए, और इसी तरह। अधिकांश प्रोसेसर की तुलना में, ARM1 चिप सर्किट सरल है, और प्रत्येक फ़ंक्शन ब्लॉक अच्छी तरह से अलग है। तुलना के लिए, चिप्स का लेआउट, जैसे कि 6502 या Z-80, सब्सट्रेट पर खाली स्थानों से बचने के लिए मैन्युअल रूप से अनुकूलित है। इन प्रोसेसर में, कार्यात्मक ब्लॉक एक साथ चिपके होते हैं, जिससे उन्हें समझना मुश्किल हो जाता है।


ARM1 चिप के मुख्य घटक। अनचाहे संपर्क अलग-अलग नियंत्रण संकेत हैं।

अब आप एआरएम माइक्रोप्रोसेसर के सबसे महत्वपूर्ण कार्यात्मक भागों को दिखाने वाली छवि देखते हैं। वास्तविक प्रसंस्करण चिप के नीचे होता है, जो डेटा पथ को संदर्भित करता है। चिप एक बार में 32 बिट्स को संसाधित करता है, इसलिए इसकी संरचना में 32 क्षैतिज परतें शामिल हैं: ऊपर से 31 बिट्स, नीचे से 0 बिट्स। चिप के विभिन्न घटकों को संप्रेषित करने के लिए कई डेटा बसें क्षैतिज रूप से काम करती हैं। छवि पर आप पच्चीस रजिस्टरों के एक बड़े हिस्से को देख सकते हैं। निर्देश काउंटर (पंद्रहवां रजिस्टर) रजिस्टर अनुभाग के बाईं ओर है, और शून्य रजिस्टर दाईं ओर है। पच्चीस रजिस्टरों में से नौ वैकल्पिक हैं, क्योंकि इंटरप्ट हैंडलिंग में उपयोग के लिए कुछ रजिस्टरों की प्रतियां हैं।

सभी गणना अंकगणितीय तर्क इकाई (ALU) में होती हैं, जो रजिस्टर ब्लॉक के दाईं ओर स्थित है। ALU 16 अलग-अलग ऑपरेशन करता है: इसके अलावा, स्थानांतरण, घटाव, तार्किक जोड़ और इसके अलावा ... ALU दो 32-बिट इनपुट का उपयोग करता है और आउटपुट में 32 बिट्स आउटपुट करता है। आप ALU डिवाइस के बारे में अधिक यहाँ पढ़ सकते हैं। ALU के दाईं ओर एक 32-बिट शिफ्ट डिवाइस है। यह बड़ा घटक एक बाइनरी इनपुट चक्रीय पारी ऑपरेशन करता है। बाईं ओर एड्रेस लाइनें हैं जो एड्रेस कॉन्टैक्ट्स के जरिए मेमोरी में एड्रेस तक पहुंच प्रदान करती हैं। दाईं ओर डेटा लाइनें हैं जो मेमोरी में डेटा मानों को पढ़ती हैं और लिखती हैं।

नियंत्रण इकाई शीर्ष पर स्थित है। नियंत्रण इकाई से नियंत्रण रेखा से डेटा लाइन आरेख तक नियंत्रण रेखाएं लंबवत खींची जाती हैं। ये सिग्नल रजिस्टरों का चयन करते हैं, ALU को बताते हैं कि कौन सा ऑपरेशन करना है, इत्यादि। निर्देश डिकोडिंग सर्किट प्रत्येक निर्देश को संसाधित करता है और आवश्यक नियंत्रण संकेतों को उत्पन्न करता है। रजिस्टर डिकोडिंग यूनिट निर्देश में रजिस्टर चयन बिट्स को संसाधित करता है और आवश्यक रजिस्टरों का चयन करने के लिए नियंत्रण संकेत उत्पन्न करता है।

संपर्क विवरण

छवि की बाहरी सतह के चारों ओर के भाग पैड हैं जो प्रोसेसर को बाहरी दुनिया से जोड़ते हैं। नीचे दी गई तस्वीर ARM1 माइक्रोप्रोसेसर के अस्सी-चार पिन आवास दिखाती है। गोल्ड-प्लेटेड संपर्क मामले के अंदर एक सिलिकॉन चिप पर पैड से जुड़े होते हैं।


ARM1 प्रोसेसर एकोर्न एआरएम इवैल्यूएशन सिस्टम में स्थापित किया गया है

ज्यादातर साइटों का उपयोग पता लाइनों और डेटा लाइनों के लिए किया जाता है जो मेमोरी में ले जाता है। चिप में 26 पता लाइनें हैं जो इसे 64 मेगाबाइट मेमोरी और 32 डेटा लाइनों तक पहुंचने की अनुमति देती हैं, जिससे एक बार में 32 बिट्स को पढ़ने या लिखने की अनुमति मिलती है। पता लाइनें निचले बाएं कोने में हैं, और डेटा लाइनें दाईं ओर हैं। चिप के सिमुलेशन मॉडल में, आप देख सकते हैं कि सिग्नल मेमोरी एड्रेस लाइनों को भेजे जाते हैं, और मेमोरी से जानकारी डेटा लाइनों के साथ पढ़ी जाती है। सिम्युलेटर के दाईं ओर हेक्साडेसिमल प्रारूप में प्रस्तुत पते और डेटा मूल्यों को दर्शाता है। यदि आप हेक्साडेसिमल संख्या प्रणाली को जानते हैं, तो आप आसानी से संपर्क राज्यों के साथ इन मूल्यों को सहसंबंधित कर सकते हैं।

चिप के प्रत्येक कोने में एक पावर लाइन (+) और एक ग्राउंड लाइन (-) है, जो 5 वोल्ट की आपूर्ति वोल्टेज प्रदान करती है, जो चिप के संचालन के लिए आवश्यक है। विभिन्न नियंत्रण संकेत चिप के शीर्ष पर स्थित हैं। सिम्युलेटर में, घड़ी की नब्ज सेट करने वाले दो घड़ी संकेतों को नोटिस करना आसान है। चरण 1 और चरण 2 की आवृत्ति, चिप के संचालन के लिए आवश्यक घड़ी संकेत प्रदान करती है। हमारे दृश्य सिमुलेशन में, यह प्रति सेकंड लगभग दो बार सक्रिय हो जाता है, लेकिन असली चिप में 8 मेगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति होती है, जो एक मिलियन गुना अधिक तेजी से होती है। 82 पिन के बजाय चिप पर निर्माता के नाम "ACORN" पर ध्यान दें।


दो समय संकेत

एआरएम प्रोसेसर का इतिहास

एआरएम 1 माइक्रोप्रोसेसर को 1985 में इंजीनियर सोफी विल्सन और एकॉर्न कंप्यूटर्स के स्टीव फारबर ने डिजाइन किया था। प्रारंभ में, चिप को एकोर्न आरआईएससी मशीन कहा जाता था और इसका उद्देश्य बीबीसी माइक्रो कंप्यूटर के लिए एक कोप्रोसेसर के रूप में था।


सोफी विल्सन और स्टीव फारबर

कुल मिलाकर, कई सौ ARM1 माइक्रोप्रोसेसरों का उत्पादन किया गया था, इसलिए आप सोच सकते हैं कि यह 1980 के दशक के माइक्रोप्रोसेसरों के इतिहास के आंत्रों में खो गया था। हालांकि, पहली ARM1 चिप ने आश्चर्यजनक रूप से सफल ARM वास्तुकला का नेतृत्व किया, जिसमें 50 बिलियन से अधिक चिप्स थे। क्या हुआ था?

1980 के दशक की शुरुआत में, वैज्ञानिक अनुसंधान ने सुझाव दिया कि यदि आप प्रोसेसर के लिए निर्देशों के सेट को सरल करते हैं, तो डेवलपर्स को बेहतर प्रदर्शन मिलेगा - प्रोसेसर सरल लेकिन तेज होगा: कम अनुदेश सेट या आरआईएससी (कम अनुदेश सेट कंप्यूटर) वाला कंप्यूटर। स्टैनफोर्ड और बर्कले के अनुसंधान ने एआरएम डेवलपर्स को आरआईएससी वास्तुकला चुनने के लिए प्रेरित किया। इसके अलावा, छोटी Acorn विकास टीम को देखते हुए, RISC को चुनना एक व्यावहारिक समाधान था।

RISC- आधारित कंप्यूटर पर, निर्देशों का सेट सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले, उच्च प्रदर्शन के लिए अनुकूलित और एक ही घड़ी चक्र में निष्पादित होने तक सीमित था। निर्देश, बदले में, एक निश्चित आकार है जो डिकोडिंग निर्देशों के तर्क को सरल करता है। RISC प्रोसेसर के लिए, कमांड कंट्रोल और डिकोडिंग के लिए बहुत कम सर्किट की आवश्यकता होती है, जो आपको चिप पर अधिक घटकों को रखने की अनुमति देता है।

उसी वर्ष में जारी ARM1 और Intel 80386 माइक्रोप्रोसेसरों की तुलना करते हुए RISC डिज़ाइन की सादगी स्पष्ट है: ARM1 में लगभग पच्चीस हज़ार ट्रांजिस्टर थे, और 80386 में दो सौ पचहत्तर हज़ार थे। नीचे एक ही पैमाने पर प्रोसेसर की दो तस्वीरें हैं। ARM1 क्रिस्टल का क्षेत्रफल पचास वर्ग मिलीमीटर है, जबकि 386 वें के एक सौ चार वर्ग मिलीमीटर के साथ।



ट्रांजिस्टर की कम संख्या के कारण, ARM1 प्रोसेसर में कम शक्ति थी: 386 वें पर लगभग दो वाट की तुलना में एक वाट का दसवां हिस्सा। उच्च प्रदर्शन और कम बिजली की खपत के संयोजन ने एआरएम माइक्रोप्रोसेसरों के बाद के संस्करणों को एम्बेडेड सिस्टम के लिए बहुत लोकप्रिय बना दिया। Apple ने अपने अशुभ पॉकेट न्यूटन सिस्टम के लिए ARM प्रोसेसर को चुना है। 1990 में, एकोर्न कंप्यूटर, एप्पल और चिप निर्माता वीएलएसआई टेक्नोलॉजी ने एआरएम को विकसित करने के लिए उन्नत आरआईएससी मशीनें बनाईं।

तब से, एआरएम पचास अरब से अधिक प्रोसेसर के साथ सबसे लोकप्रिय वास्तुकला बन गया है। अधिकांश मोबाइल उपकरण एआरएम माइक्रोप्रोसेसर का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, iPhone 6 के अंदर Apple A8 प्रोसेसर 64-बिट ARMv8-A का उपयोग करता है। अपनी विनम्र शुरुआत के बावजूद, ARM1 ने दुनिया को चौंकाने वाले 25 चिप्स की IEEE स्पेक्ट्रम सूची बनाई और सभी समय के लिए पीसी वर्ल्ड के अनुसार सबसे प्रभावशाली माइक्रोप्रोसेसर बन गए।

दिलचस्प है, एआरएम चिप्स का निर्माण नहीं करता है। इसके बजाय, एआरएम बौद्धिक संपदा को सैकड़ों विभिन्न कंपनियों को लाइसेंस दिया गया है जो एआरएम वास्तुकला का उपयोग करके चिप्स का निर्माण करते हैं।

निम्न स्तर की चिप संरचना

माइक्रोप्रोसेसर ARM1 में पांच परतें होती हैं। यदि आप सिमुलेशन मॉडल में चिप के पैमाने को बढ़ाते हैं, तो आप इन परतों से निर्मित चिप घटकों को देख सकते हैं। सिमुलेशन मॉडल प्रत्येक परत के लिए एक विशिष्ट रंग का उपयोग करता है और अपने रंग के साथ गतिविधि लाइनों को नामित करता है। नीचे की परत में सिलिकॉन होता है, जिस पर ट्रांजिस्टर स्थित होते हैं। उत्पादन के दौरान, सिलिकॉन के क्षेत्रों को विभिन्न अशुद्धियों का उपयोग करके संशोधित (मिश्रधातु) किया जाता है। P-MOS ट्रांजिस्टर (नीला) बनाने के लिए या N-MOS ट्रांजिस्टर (लाल) के लिए नकारात्मक रूप से सिलिकॉन को सकारात्मक रूप से डोप किया जा सकता है। अनलॉक्ड सिलिकॉन मूल रूप से एक इन्सुलेटर (काला) है।


सिम्युलेटर ARM1 अपने रंग के साथ विभिन्न परतों को प्रस्तुत करता है।

हरे रंग में चिह्नित पॉलीसिलिकॉन लाइनें सिलिकॉन पर लागू होती हैं। जब पॉलीसिलिकॉन डॉप्ड सिलिकॉन को पार करता है, तो यह एक ट्रांजिस्टर गेट (पीला) बनाता है। अंत में, धातु की दो परतें, जो ग्रे द्वारा इंगित की जाती हैं, पॉलीसिलिकॉन के ऊपर स्थित होती हैं और चालकता प्रदान करती हैं। ब्लैक स्क्वायर वे संपर्क होते हैं जो विभिन्न परतों के बीच बांड बनाते हैं।

हमारे उद्देश्यों के लिए, MOS ट्रांजिस्टर को गेट द्वारा नियंत्रित स्विच के रूप में माना जा सकता है। जब इसे चालू (बंद) किया जाता है, तो सिलिकॉन क्षेत्रों में नाली और स्रोत जुड़े हुए हैं। जब इसे डिस्कनेक्ट (खुला) किया जाता है, तो नाली और स्रोत काट दिया जाता है।


MOSFET संरचना

अधिकांश आधुनिक प्रोसेसर की तरह, एआरएम 1 को सीएमओएस तकनीक का उपयोग करके बनाया गया था, जो दो प्रकार के एमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है: एन-चैनल और पी-चैनल। एन-चैनल MOSFETs केवल तभी चालू होते हैं जब गेट पर एक उच्च स्तरीय सिग्नल लगाया जाता है और आउटपुट को जमीन पर खींच लिया जाता है। पी-चैनल MOSFETs तब चालू होता है जब गेट पर एक निम्न-स्तर का सिग्नल लगाया जाता है और आउटपुट पर पांच वोल्ट तक के वोल्टेज लागू होते हैं।

एक रजिस्टर फ़ाइल की अवधारणा

रजिस्टर फ़ाइल ARM1 का एक प्रमुख घटक है जो चिप के अंदर जानकारी संग्रहीत करता है। रजिस्टर फ़ाइल में पच्चीस रजिस्टर होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में बत्तीस बिट्स होते हैं।

नीचे दी गई छवि इन्वर्टर बनाने वाले दो ट्रांजिस्टर दिखाती है। यदि एक उच्च स्तरीय सिग्नल इनपुट है, तो N-MOS ट्रांजिस्टर (लाल) चालू होता है, आउटपुट को जमीन से जोड़ता है, ताकि आउटपुट में निम्न स्तर का सिग्नल हो। यदि इनपुट को निम्न स्तर का संकेत मिलता है, तो पी-एमओएस ट्रांजिस्टर (नीला) चालू होता है, जो बिजली लाइन को आउटपुट से जोड़ता है, ताकि आउटपुट में उच्च स्तर का सिग्नल हो। इस प्रकार, आउटपुट एक इन्वर्टर बनाते हुए इनपुट के विपरीत होता है।


पलटनेवाला

लूप में दो इनवर्टर का संयोजन एक सरल भंडारण योजना बनाता है। यदि पहले इन्वर्टर 1 के आउटपुट पर, दूसरा 0 का उत्पादन करता है, जो पहले इन्वर्टर के इनपुट पर जाता है और 1 इसके आउटपुट पर बनता है - सर्किट स्थिर है। तदनुसार, सर्किट इस स्थिति में अनिश्चित काल तक, "याद रखना" रहेगा, जब तक कि इसे जबरन दूसरे राज्य में स्थानांतरित नहीं किया जाता है।


दो इनवर्टर एक रजिस्टर बनाते हैं जो 1 बिट स्टोर कर सकता है

प्रयुक्त रजिस्टर सेल में इस तरह की स्कीम बनाने के लिए, रीड एंड राइट लाइनों को जोड़ा जाता है, साथ ही सेल को बस लाइनों से जोड़ने के लिए चयन लाइनें भी। जब रिकॉर्डिंग लाइन सक्रिय हो जाती है, तो बस को इन्वर्टर के साथ संपर्क किया जाता है, जिससे आप वर्तमान मूल्य को एक नए बिट के साथ अधिलेखित कर सकते हैं। इसी तरह, ट्रांजिस्टर संबंधित बस को सक्रिय करने पर रीड बस से जुड़ जाता है, जिससे आप संग्रहीत मूल्य को पढ़ सकते हैं।


रजिस्टर फ़ाइल ARM1 की एक बिट की योजना

रजिस्टर फ़ाइल बनाने के लिए, रजिस्टर सेल को प्रत्येक बिट के लिए 32 बार लंबवत दोहराया जाना चाहिए, और प्रत्येक रजिस्टर बनाने के लिए क्षैतिज रूप से 25 बार। प्रत्येक रजिस्टर में तीन क्षैतिज रेखाएँ होती हैं - एक रिकॉर्डिंग लाइन और दो रीडिंग लाइनें। प्रत्येक रजिस्टर में तीन ऊर्ध्वाधर नियंत्रण रेखाएं होती हैं - एक रिकॉर्ड चयन लाइन और दो रीड चयन लाइनें। वांछित नियंत्रण रेखाओं को सक्रिय करते समय, दो रजिस्टर पढ़े जा सकते हैं और एक बार में एक रजिस्टर लिखा जा सकता है। सिमुलेशन मॉडल में - आप क्षैतिज बस लाइनों पर चलते रजिस्टरों और डेटा बिट्स का चयन करने के लिए सक्रिय ऊर्ध्वाधर नियंत्रण रेखाएं देख सकते हैं।

सिम्युलेटर में मेमोरी सेल को देखकर, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि कौन सा पलटनेवाला चालू है और यदि बिट 0 या 1 बराबर है तो निर्धारित करें। यदि ऊपरी पलटनेवाला का इनपुट सक्रिय है, तो बिट शून्य है। यदि कम पलटनेवाला का इनपुट सक्रिय है, तो बिट एक के बराबर है। इस प्रकार, ध्यान से देखा जाए, तो आप सिम्युलेटर से सीधे रजिस्टरों के मूल्यों को पढ़ सकते हैं।


रजिस्टर फ़ाइल की छवि ARM1

क्विक शिफ्ट डिवाइस

क्विक शिफ्ट डिवाइस बाइनरी शिफ्ट करता है और ARM1 का एक और दिलचस्प घटक है। अधिकांश निर्देश एक मज़दूर का उपयोग करते हैं जो आपको द्विआधारी तर्क को दाएं, बाएं, या किसी भी वर्ण (0 से 31 बिट तक) को वैकल्पिक रूप से स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। सिम्युलेटर की शुरुआत के दौरान, आप विकर्ण लाइनों को एक तेज बदलाव में दाएं और बाएं स्थानांतरित कर सकते हैं।

नीचे दी गई छवि कतरनी डिवाइस की संरचना को दिखाती है। बिट्स को शून्य और बत्तीस बिट्स के संबंध में लंबवत स्थानांतरित किया जाता है। आउटपुट बिट्स को नीचे से शून्य बिट और ऊपर से बत्तीस बिट के बीच क्षैतिज रूप से स्थानांतरित किया जाता है। विकर्ण रेखाएं दिखाती हैं कि ऊर्ध्वाधर लाइनें क्षैतिज वाले से जुड़ी हुई हैं, आउटपुट में एक बदलाव पैदा करती हैं। विकर्ण रेखा के विभिन्न पदों के लिए अलग-अलग बदलाव होते हैं। ऊपरी विकर्ण रेखा बिट्स को बाईं ओर ले जाती है, और निचला विकर्ण रेखा दाईं ओर। एक पारी के दौरान, दोनों विकर्ण सक्रिय हैं; यह अगोचर हो सकता है, लेकिन शब्द के शिफ्ट भाग में, भाग दाईं ओर चलता है, और अक्सर बाईं ओर।


त्वरित कतरनी डिवाइस संरचना

चलो अपने मुख्य घटकों को बेहतर देखने के लिए कतरनी डिवाइस पर क्षेत्र को बढ़ाएं। इसमें ट्रांजिस्टर के 32 से 32 क्रॉस-सेक्शन होते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक ऊर्ध्वाधर लाइन को एक क्षैतिज से जोड़ता है। ट्रांजिस्टर द्वार विकर्ण नियंत्रण रेखाओं से जुड़े होते हैं; सक्रिय विकर्ण के साथ ट्रांजिस्टर इसी ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज रेखाओं को जोड़ते हैं। इस प्रकार, संबंधित विकर्णों को सक्रिय करके, आउटपुट लाइनें एक निश्चित संख्या में बिट्स द्वारा स्थानांतरित इनपुट लाइनों से जुड़ी होती हैं। चूंकि microcircuit की इनपुट लाइनें क्षैतिज रूप से काम करती हैं, इसलिए इनपुट लाइनों और संबंधित ऊर्ध्वाधर बिट लाइनों के बीच 32 कनेक्शन हैं।


ARM1 क्विक-शिफ्ट डिवाइस पर एक करीब से नजर

निष्कर्ष

ARM1 माइक्रोप्रोसेसर ने आश्चर्यजनक रूप से सफल ARM प्रोसेसर आर्किटेक्चर का नेतृत्व किया है, जो आपके स्मार्टफोन और सामान्य रूप से किसी भी मोबाइल डिवाइस का दिल है। ARM3 चिप का सरल RISC आर्किटेक्चर 80386 संरचना की तुलना में माइक्रोप्रोसेसर सर्किटरी की समझ को सरल करता है। ARM माइक्रोप्रोसेसर का आकर्षक दृश्य अनुकरण यह समझने में मदद करता है कि इसके अंदर क्या हो रहा है।

इस लेख द्वारा बनाया गया हमारा वीडियो: सीपीयू के अंदर: ARM1