Arsitektur ARM

Arsitektur ARM merupakan arsitektur prosesor 32-bit RISC yang dikembangkan oleh ARM Limited. Dikenal sebagai Advanced RISC Machine dimana sebelumnya dikenal sebagai Acorn RISC Machine. Pada awalnya merupakan prosesor desktop yang sekarang didominasi oleh keluarga x86. Namun desain yang sederhana membuat prosesor ARM cocok untuk aplikasi berdaya rendah. Hal ini membuat prosesor ARM mendominasi pasar mobile electronic dan embedded system dimana membutuhkan daya dan harga yang rendah.

Pada tahun 2007, sekitar 98% dari satu miliar mobile phone yang terjual menggunakan setidaknya satu buah prosesor ARM. Dan pada tahun 2009, prosesor ARM mendominasi sekitar 90% dari keseluruhan pasar prosesor 32-bit RISC. Prosesor ARM digunakan di berbagai bidang seperti elektronik umum, termasuk PDA, mobile phone, media player, music player, game console genggam, kalkulator dan periperal komputer seperti hard disk drive dan router.

Lisensi arsitektur ARM dimiliki oleh Alcatel, Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, Digital Equipment Corporation, Freescale, Intel melalui DEC, LG, Marvell Technology Group, NEC, NVIDIA, NXP Semiconductors, OKI, Quallcomm, Samsung, Sharp, ST Microelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments, VLSI Technology, Yamah dan ZiiLABS.

Sejarah

Setelah sukses dengan komputer BBC Micro, Acorn Computers Ltd mempertimbangkan berpindah dari prosesor MOS Technology 6502 ke pasar yang akan segera didominasi oleh IBM PC yang diluncurkan pada tahun 1981. Acorn Business Computer (ABC) pada saat itu membutuhkan prosesor berikutnya untuk dapat bekerja pada platform BBC Micro. Namun prosesor seperti Motorola 68000 dan National Semiconductor 32016 tidak cocok, sedangkan prosesor 6502 tidak mencukupi untuk kebutuhan antar muka grafis.

Akhirnya Acorn mendesain prosesornya sendiri dengan proyek Berkeley RISC oleh engineernya. Kunjungan ke Western Design Center di daerah Phoenix meyakinkan engineer Acorn Steve Furber dan Sophie Wilson bahwa mereka tidak membutuhkan sumber daya dan fasilitas penelitian yang besar.

Wilson mengebangkan instruction set, mensimulasikan prosesor pada BBC Basic yang menjalankan BBC Micro dengan prosesor 6502 kedua. Hal tersebut membuktikan kepada engineer Acorn bahwa mereka berada pada proses yang tepat. Sebelum melangkah lebih jauh, mereka membutuhkan sumber daya yang lebih. Setelah Wilson mendapat persetujuan dari CEO Acorn, Hermann Hauser, tim kecil melanjutkan implementasi ke perangkat keras.

Sebuah prosesor ARM dari Conexant yang umum digunakan pada Router.

Proyek Acorn RISC Machine resmi dimulai pada Oktober 1983. VLSI Technology, Inc dipilih sebagai mitra dalam memproduksi chip silikon dimana sebelumnya telah memproduksi ROM dan custom chip sebelumnya. Proses desain dipimpin oleh Wilson dan Furber, dengan tujuan utama latensi rendah (low-latency) pada penanganan input/output (interupsi) seperti pada prosesor MOS Technology 6502. Arsitektur 6502 memberikan pengembang mesin yang cepat dalam pengaksesan memory tanpa harus menggunakan perangkat direct access memory yang mahal. VLSI memproduksi chip ARM pertama kali pada 26 April 1985 yang berhasil bekerja dan dikenal sebagai ARM1. Dan disusul dengan ARM2 yang diproduksi pada tahun berikutnya.

Pengaplikasian prosesor ARM pertama kali adalah prosesor kedua dari BBC Micro, untuk simulasi dalam pengembangan chip pendukung (VIDC, IOC, MEMC) dan untuk mempercepat penggunaan perangkat lunak CAD dalam pengembangan ARM2. Wilson menulis BBC Basic dalam bahasa assembly ARM, dimana kode sangat padat sehingga ARM BBC Basic sangat cocok untuk setiap emulator ARM.

ARM2 mempunyai lebar bus sebesar 32-bit, 26-bit (64 Mbyte) alamat memory dan 16 buah register 32-bit. Program code harus ada dalam 64 Mbyte pertama dari memory, sebagaimana program counter dibatasi pada 26-bit karena 6-bit atas pada register 32-bit digunakan sebagai status flag. Kemungkinan besar ARM2 merupakan prosesor 32-bit paling sederhana di dunia dengan hanya 30.000 transistor bila dibandingkan dengan Motorola 68000 dengan 70.000 transistor. Kesederhanaan ini diperoleh karena ARM tidak mempunyai microcode yang mencakup seperempat hingga sepertiga transistor pada Motorola 68000. Selain itu ARM pada saat itu tidak memiliki cache memory. Hal ini membuat ARM sebagai prosesor dengan konsumsi daya rendah namun performansi yang lebih baik dari pada Intel 80286. Penerusnya yaitu ARM3 mempunyai 4 kByte cache yang meningkatkan performansi.

Pada akhir 1980-an, Apple Computer dan VLSI Technology memulai kerja sama dengan Acorn untuk prosesor ARM berikutnya. Kerjasama ini sangat penting hingga Acorn melepas tim tersebut sebagai perusahaan baru bernama Advanced RISC Machines Ltd. pada tahun 1990. Sehingga seringkali ARM disebut sebagai Advanced RISC Machine disamping Acorn RISC Machine. Dan pada tahun 1998 Advanced RISC Machines menjadi ARM Ltd.

Hasil kerja sama Apple-ARM menghasilkan ARM6 pada awal tahun 1992. Apple menggunakan ARM6 (ARM 610) sebagai prosesor pada PDA Apple Newton dan pada tahun 1994 Acorn menggunakan ARM6 pada komputer PC RISC. Pada frekuensi 233 MHz, prosesor ini hanya mengonsumsi daya sebesar 1 Watt dan versi berikutnya lebih kecil dari itu.

Inti prosesor ARM tidak mengalami perubahan ukuran yang signifikan. Pada ARM2 terdapat 30.000 transistor sedangkan pada ARM6 bertambah hingga 35.000 transistor saja. ARM Ltd. hanya menjual IP (Intelectual Property) core dimana perusahaan lain dapat memproduksi mikrokontroller dan prosesor berdasarkan rancangan ARM. Implementasi yang dinilai paling berhasil adalah ARM7TDMI yang terjual hingga ratusan juta chip. Ide dasarnya adalah produsen chip komputer dapat membuat CPU lengkap berdasarkan rancangan ARM dan dapat dibuat pada pabrik semikonduktor lama serta memberikan performansi yang tinggi pada harga yang rendah. Arsitektur ARM dapat ditemui di banyak smartphone, PDA dan perangkat genggam lain.

Inti ARM

Keluarga	Versi Arsitektur	Inti	Fitur	Cache (I/D)/Memory management unit	MIPS@MHz	Aplikasi
ARM1	ARMv1 (kuno)	ARM1		Tidak ada		ARM Evaluation System second processor for BBC Micro
ARM2	ARMv2 (kuno)	ARM2	Penambahan instruksi multiply/perkalian (MUL)	Tidak ada	4 MIPS @ 8 MHz 0.33DMIPS/MHz	Acorn Archimedes, Chessmachine
	ARMv2a (kuno)	ARM250	MEMC (MMU), prosesor grafis dan IO terintegrasi. Menambahkan instruksi SWP and SWPB (swap).	Tidak ada, MEMC1a	7 MIPS @ 12 MHz	Acorn Archimedes
ARM3	ARMv2a (kuno)	ARM2a	Pertama kali penggunaan cache.	4 kB unified	12 MIPS @ 25 MHz 0.50 DMIPS/MHz	Acorn Archimedes
ARM6	ARMv3 (obsolete)	ARM60	Pertama kali mendukung pengalamatan 32-bit.	Tidak ada	10 MIPS @ 12 MHz	3DO Interactive Multiplayer, Zarlink GPS Receiver
		ARM600	Penambahan cache dan coprocessor bus (FPA10 floating-point unit).	4 kB unified	28 MIPS @ 33 MHz
		ARM610	Tidak ada coprocessor bus.	4 kB unified	17 MIPS @ 20 MHz 0.65 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC 600, Apple Newton 100
ARM7	ARMv3 (kuno)	ARM700		8 kB unified	40 MHz	Acorn Risc PC prototype CPU card
		ARM710	ARM700	8 kB unified	40 MHz	Acorn Risc PC 700
		ARM710a	ARM700	8 kB unified	40 MHz 0.68 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC 700, Apple eMate 300
		ARM7100	ARM710a, System-on-a-chip.	8 kB unified	18 MHz	Psion Series 5
		ARM7500	ARM710a, SoC.	4 kB unified	40 MHz	Acorn A7000
		ARM7500FE	ARM7500, penambahan FPA dan EDO memory controller.	4 kB unified	56 MHz 0.73 DMIPS/MHz	Acorn A7000+
ARM7TDMI	ARMv4T	ARM7TDMI(-S)	3-stage pipeline, Thumb	Tidak ada	15 MIPS @ 16.8 MHz 63 DMIPS @ 70 MHz	Game Boy Advance, Nintendo DS, iPod, Lego NXT, Atmel AT91SAM7, Juice Box, NXP Semiconductors LPC2000 dan LH754xx
		ARM710T	ARM7TDMI, cache	8 kB unified, MMU	36 MIPS @ 40 MHz	Psion Series 5mx, Psion Revo/Revo Plus/Diamond Mako
		ARM720T	ARM7TDMI, cache	8 kB unified, MMU dengan Fast Context Switch Extension	60 MIPS @ 59.8 MHz	Zipit Wireless Messenger, NXP Semiconductors LH7952x
		ARM740T	ARM7TDMI, cache	MPU
	ARMv5TEJ	ARM7EJ-S	5-stage pipeline, Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP	Tidak ada
StrongARM	ARMv4	SA-110		16 kB/16 kB, MMU	203 MHz 1.0 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC, Rebel/Corel Netwinder, Chalice CATS, Psion Netbook
		SA-1110	SA-110, SoC	16 kB/16 kB, MMU	233 MHz	LART (computer), Intel Assabet, Ipaq H36x0, Balloon Board Balloon2, Zaurus SL-5x00, HP Jornada 7xx, Jornada 560 series, Palm Zire 31
ARM8	ARMv4	ARM810	5-stage pipeline, static branch prediction, double-bandwidth memory	8 kB unified, MMU	84 MIPS @ 72 MHz 1.16 DMIPS/MHz	Acorn Risc PC prototype CPU card
ARM9TDMI	ARMv4T	ARM9TDMI	5-stage pipeline, Thumb	Tidak ada
		ARM920T	ARM9TDMI, cache	16 kB/16 kB, MMU	200 MIPS @ 180 MHz	Armadillo, Atmel AT91SAM9, GP32, GP2X, Tapwave Zodiac (Motorola i. MX1), HHP-49/50 Calculators, Sun SPOT, Cirrus Logic EP9302, EP9307, EP9312, EP9315, Samsung S3C2442 (HTC TyTN, First International Computer Neo FreeRunner)
		ARM922T	ARM9TDMI, caches	8 kB/8 kB, MMU		NXP Semiconductors LH7A40x
		ARM940T	As ARM9TDMI, caches	4 kB/4 kB, MPU		GP2X (second core), Meizu M6 Mini Player
ARM9E	ARMv5TE	ARM946E-S	Thumb, Enhanced DSP, cache	variable, tightly coupled memories, MPU		Nintendo DS, Nokia N-Gage, Canon PowerShot A470, Conexant 802.11 chips, Samsung S5L2010
		ARM966E-S	Thumb, Enhanced DSP instructions	no cache, TCMs		ST Micro STR91xF, includes Ethernet
		ARM968E-S	As ARM966E-S	no cache, TCMs		NXP Semiconductors LPC2900
	ARMv5TEJ	ARM926EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions	variable, TCMs, MMU	220 MIPS @ 200 MHz,	Mobile phones: Sony Ericsson (K, W series); Siemens and Benq (x65 series and newer); Texas Instruments OMAP1710, OMAP1610, OMAP1611, OMAP1612, OMAP-L137, OMAP-L138; Qualcomm MSM6100, MSM6125, MSM6225, MSM6245, MSM6250, MSM6255A, MSM6260, MSM6275, MSM6280, MSM6300, MSM6500, MSM6800; Freescale i.MX21, i.MX27, Atmel AT91SAM9, NXP Semiconductors LPC3000, GPH Wiz, Marvell Feroceon (ex.: SheevaPlug), NEC C10046F5-211-PN2-A SoC - undocumented core in the ATi Hollywood graphics chip used in the Wii, Samsung S3C2412 used in Squeezebox Duet's Controller. NeoMagic MiMagic Family MM6, MM6+, MM8, MTV; Buffalo TeraStation Live (NAS); Telechips TCC7801, TCC7901;
	ARMv5TE	ARM996HS	Clockless processor, as ARM966E-S	no caches, TCMs, MPU
ARM10E	ARMv5TE	ARM1020E	6-stage pipeline, Thumb, Enhanced DSP instructions, (VFP)	32 KB/32 KB, MMU
		ARM1022E	As ARM1020E	16 KB/16 KB, MMU
	ARMv5TEJ	ARM1026EJ-S	Thumb, Jazelle DBX, Enhanced DSP instructions, (VFP)	variable, MMU or MPU		Western Digital MyBook II World Edition
XScale	ARMv5TE	80200/IOP310/IOP315	I/O Processor, Thumb, Enhanced DSP instructions
		80219			400/600 MHz	Thecus N2100
		IOP321			600 BogoMips @ 600 MHz	Iyonix
		IOP33x
		IOP34x	1-2 core, RAID Acceleration	32K/32K L1, 512K L2, MMU
		PXA210/PXA250	Applications processor, 7-stage pipeline		PXA210: 133 and 200 MHz, PXA250: 200, 300, and 400 MHz	Zaurus SL-5600, iPAQ H3900, Sony CLIÉ NX60, NX70V, NZ90
		PXA255		32KB/32KB, MMU	400 BogoMips @ 400 MHz; 371-533 MIPS @ 400 MHz	Gumstix basix & connex, Palm Tungsten E2, Zaurus SL-C860, Mentor Ranger & Stryder, iRex ILiad
		PXA263			200, 300 and 400 MHz	Sony CLIÉ NX73V, NX80V
		PXA26x			default 400 MHz, up to 624 MHz	Palm Tungsten T3
		PXA27x	Applications processor	32 KB/32 KB, MMU	800 MIPS @ 624 MHz	Gumstix verdex, PXA270 COM, HTC Universal, HP hx4700, Zaurus SL-C1000, 3000, 3100, 3200, Dell Axim x30, x50, and x51 series, Motorola Q, Balloon3, Trolltech Greenphone, Palm TX, Motorola Ezx Platform A728, A780, A910, A1200, E680, E680i, E680g, E690, E895, Rokr E2, Rokr E6, Fujitsu Siemens LOOX N560, Toshiba Portégé G500, Trēo 650-755p, Zipit Z2
		PXA800(E)F
		Monahans		32KB/32KB L1, TCM, MMU	1000 MIPS @ 1.25 GHz	Samsung Omnia
		PXA900				Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)
		IXC1100	Control Plane Processor
		IXP2400/IXP2800
		IXP2850
		IXP2325/IXP2350
		IXP42x				NSLU2 IXP460/IXP465
ARM11	ARMv6	ARM1136J(F)-S	8-stage pipeline, SIMD, Thumb, Jazelle DBX, (VFP), Enhanced DSP instructions	variable, MMU	740 @ 532-665 MHz (i.MX31 SoC), 400-528 MHz	Texas Instruments OMAP2420 (Nokia E90, Nokia N93, Nokia N95, Nokia N82), Zune, BUGbase[1], Nokia N800, Nokia N810, Qualcomm MSM7200 (with integrated ARM926EJ-S Coprocessor@274MHz, used in Eten Glofiish, HTC TyTN II, HTC Nike), Freescale i.MX31 (used in the original Zune 30gb and Toshiba Gigabeat S), Freescale MXC300-30 (Nokia E63, Nokia E71, Nokia 5800, Nokia E51, Nokia E75, Nokia N97, Nokia N81), Qualcomm MSM7201A as seen in the HTC Dream, HTC Magic, Motorola Z6, HTC Hero
	ARMv6T2	ARM1156T2(F)-S	9-stage pipeline, SIMD, Thumb-2, (VFP), Enhanced DSP instructions	variable, MPU
	ARMv6KZ	ARM1176JZ(F)-S	As ARM1136EJ(F)-S	variable, MMU+TrustZone		Apple iPhone, Apple iPod touch, Conexant CX2427X, Motorola RIZR Z8, Motorola RIZR Z10, NVIDIA GoForce 6100; Telechips TCC9101, TCC9201, TCC8900, Fujitsu MB86H60, Samsung S3C6410, S3C6430
	ARMv6K	ARM11 MPCore	As ARM1136EJ(F)-S, 1-4 core SMP	variable, MMU		Nvidia APX 2500
Cortex	ARMv7-A	Cortex-A8	Application profile, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-stage superscalar pipeline	variable (L1+L2), MMU+TrustZone	up to 2000 (2.0 DMIPS/MHz in speed from 600 MHz to greater than 1 GHz)	Texas Instruments OMAP3xxx series, SBM7000, Oregon State University OSWALD, Gumstix Overo Earth, Pandora, Apple iPod touch (3rd Generation), Archos 5, FreeScale i.MX51-SOC, BeagleBoard, Apple iPhone 3GS, Palm Pre, Samsung i8910, Sony Ericsson Satio, Touch Book, Nokia N900.
		Cortex-A9	Application profile, (VFP), (NEON), Jazelle RCT and DBX, Thumb-2, Out-of-order speculative issue superscalar	MMU+TrustZone	2.0 DMIPS/MHz
		Cortex-A9 MPCore	As Cortex-A9, 1-4 core SMP	MMU+TrustZone	2.0 DMIPS/MHz (per core)	Texas Instruments OMAP4430/4440 ; "Sparrow" (planned)
	ARMv7-R	Cortex-R4(F)	Embedded profile, Thumb-2, (FPU)	variable cache, MPU optional	600 DMIPS @ 475MHz	Broadcom is a user, TMS570 from Texas Instruments
	ARMv7-M	Cortex-M3	Microcontroller profile, Thumb-2 only.	no cache, MPU optional	125 DMIPS @ 100 MHz	Energy Micro's EFM32, Texas Instruments Stellaris microcontroller family, ST Microelectronics STM32, NXP Semiconductors LPC1700, Toshiba TMPM330FDFG, Ember's EM300 Series, Atmel AT91SAM3
	ARMv6-M	Cortex-M0 (codenamed "Swift")	Microcontroller profile, Thumb-2 (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB).	No cache.	0.9 DMIPS/MHz	NXP Semiconductors NXP LPC1100
		Cortex-M1	FPGA targeted, Microcontroller profile, Thumb-2 (16-bit Thumb instructions & BL, MRS, MSR, ISB, DSB, and DMB).	None, tightly coupled memory optional.	Up to 136 DMIPS @ 170 MHz
Keluarga	Versi Arsitektur	Inti	Fitur	Cache (I/D)/Memory management unit	Million instructions per second @ MHz	Aplikasi

Pranala luar

• ARM Ltd.
• Dokumentasi ARM