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ARM 아키텍처

ARM architecture

ARM 아키텍처(ARM architecture, 과거 명칭: Advanced RISC Machine, 최초 명칭: Acorn RISC Machine)는 컴퓨터 프로세서를 위한 RISC 명령어 집합 아키텍처(ISA) 제품군이다. ARM 홀딩스는 이 ISA를 개발하여 다른 회사에 라이선스를 부여하고, 이 회사들은 해당 명령…

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ARM 아키텍처(ARM architecture, 과거 명칭: Advanced RISC Machine, 최초 명칭: Acorn RISC Machine)는 컴퓨터 프로세서를 위한 RISC 명령어 집합 아키텍처(ISA) 제품군이다. ARM 홀딩스는 이 ISA를 개발하여 다른 회사에 라이선스를 부여하고, 이 회사들은 해당 명령어 집합을 사용하는 물리적 장치를 제작한다.

BBC 마이크로아콘 컴퓨터의 첫 번째 성공적인 설계는 1981년 12월에 출시된 BBC 마이크로였다.
아콘 비즈니스 컴퓨터1981년은 IBM PC가 출시된 해이기도 했다.
설계 개념원래 버클리 RISC 설계는 어떤 면에서 순수한 성능을 목표로 설계된 것이 아니라 교육 시스템이었다.
ARM1아콘은 아콘을 위한 ROM 및 맞춤형 칩 공급원인 VLSI 테크놀로지를 "실리콘 파트너"로 선택했다.

소개 자세히 읽기

저렴한 비용, 낮은 전력 소비, 낮은 발열 덕분에 ARM 프로세서는 스마트폰, 랩톱, 태블릿 컴퓨터는 물론 임베디드 시스템을 포함한 가볍고 휴대하기 편리하며 배터리로 구동되는 장치에 유용하다. 그러나 ARM 프로세서는 2020년부터 2022년까지 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터였던 후가쿠를 포함하여 데스크톱 컴퓨터 및 서버에도 사용된다. 2,300억 개 이상의 ARM 칩(그중 최소 1,300억 개가 ARM 프로세서)이 생산되면서, 최소 2003년부터, 그리고 매년 그 지배력이 증가하고 있는 상황에서, ARM은 가장 널리 사용되는 명령어 집합 아키텍처 제품군이다.

ARM 설계는 여러 세대에 걸쳐 발전해왔다. 원래의 ARM1은 32비트 내부 구조를 사용했지만, 64 MB의 주기억장치로 제한되는 26비트 주소 공간을 가졌다. 이러한 제한은 32비트 주소 공간을 가진 ARMv3 시리즈에서 제거되었고, ARMv7까지 여러 세대에 걸쳐 32비트 구조를 유지했다. 2011년에 발표된 ARMv8-A 아키텍처는 새로운 32비트 고정 길이 명령어 집합을 통해 64비트 주소 공간과 64비트 연산 지원을 추가했다. ARM 홀딩스는 또한 다양한 역할을 위한 추가 명령어 집합을 발표했다. "Thumb" 확장 기능은 코드 밀도 향상을 위해 32비트 및 16비트 명령어를 모두 추가했으며, Jazelle은 자바 바이트코드를 직접 처리하기 위한 명령어를 추가했다. 최근의 변경 사항으로는 성능이나 내결함성 향상을 위한 동시 멀티스레딩 (SMT) 추가가 있다.

BBC 마이크로

아콘 컴퓨터의 첫 번째 성공적인 설계는 1981년 12월에 출시된 BBC 마이크로였다. 이 기기는 MOS 6502 CPU를 기반으로 한 비교적 평범한 기기였지만, 더 빠른 동적 램(DRAM)을 사용하여 애플 II와 같은 경쟁 설계보다 약 두 배의 성능을 냈다. 당시 일반적인 DRAM은 약 2 MHz로 작동했지만, 아콘은 더 빠른 4 MHz 부품을 공급받기 위해 히타치 제작소와 계약했다.

당시의 기기들은 일반적으로 프로세서와 프레임버퍼 사이에 메모리를 공유하여, 프로세서가 별도의 I/O를 수행할 필요 없이 화면 내용을 빠르게 업데이트할 수 있었다. 비디오 디스플레이의 타이밍은 매우 정밀하기 때문에, 비디오 하드웨어는 해당 메모리에 우선적으로 접근해야 했다. 6502 설계의 특성상 CPU는 시간의 절반 동안 메모리를 건드리지 않았다. 따라서 CPU를 1 MHz로 실행함으로써, 비디오 시스템은 이러한 휴지 시간 동안 데이터를 읽을 수 있었고, 이는 RAM의 총 2 MHz 대역폭을 모두 사용했다. BBC 마이크로에서는 4 MHz RAM을 사용하여 동일한 기술을 두 배 빠른 속도로 사용할 수 있었다. 이로 인해 당시 시장의 유사한 어떤 기기보다도 뛰어난 성능을 낼 수 있었다.

아콘 비즈니스 컴퓨터

1981년은 IBM PC가 출시된 해이기도 했다. 최근 출시된 인텔 8088을 사용하여, 6502의 8비트 설계에 비해 16비트 CPU는 전반적으로 더 높은 성능을 제공했다. 이 제품의 출시는 데스크톱 컴퓨터 시장을 급진적으로 변화시켰다. 지난 5년간 주로 취미 및 게임 시장이었던 것이, 이전 8비트 설계로는 도저히 경쟁할 수 없는 필수적인 비즈니스 도구 시장으로 바뀌기 시작했다. 모토로라 68000과 내셔널 세미컨덕터 NS32016 같은 새로운 32비트 설계도 시장에 출시되고 있었다.

아콘은 이 시장에서 경쟁하는 방법을 모색하기 시작하여 아콘 비즈니스 컴퓨터라는 새로운 종이 설계를 만들었다. 그들은 BBC 마이크로의 10배 성능을 가지면서도 동일한 가격으로 기기를 생산하는 것을 목표로 했다. 이는 PC보다 성능이 뛰어나고 가격도 저렴할 것이다. 동시에 최근 출시된 애플 리사는 GUI 개념을 더 넓은 대중에게 알렸고, 미래가 GUI를 갖춘 기기에 속할 것임을 시사했다. 그러나 리사는 지원 칩, 대량의 메모리, 하드 디스크 드라이브 등 당시 매우 비싼 부품으로 가득 차 있어 9,995달러나 되었다.

엔지니어들은 모든 사용 가능한 CPU 설계를 연구하기 시작했다. 기존 16비트 설계에 대한 그들의 결론은 훨씬 비쌌고 여전히 "조금 형편없다"는 것이었다. BBC 마이크로 설계보다 약간만 더 높은 성능을 제공했을 뿐이었다. 또한 이러한 설계는 거의 항상 많은 지원 칩을 필요로 하여 컴퓨터 전체 비용을 증가시켰다. 이 시스템들은 설계 목표를 달성할 수 없었다. 그들은 또한 새로운 32비트 설계도 고려했지만, 이들은 훨씬 더 비쌌고 지원 칩 문제도 동일했다. 소피 윌슨에 따르면, 당시 테스트된 모든 프로세서들은 약 4 Mbit/s의 대역폭으로 거의 동일한 성능을 보였다.

두 가지 중요한 사건이 아콘을 ARM의 길로 이끌었다. 하나는 캘리포니아 대학교 버클리에서 발표된 일련의 보고서로, 간단한 칩 설계가 시장에 나와 있는 최신 32비트 설계보다 훨씬 더 높은 성능을 가질 수 있음을 시사했다. 두 번째는 스티브 퍼버와 소피 윌슨이 빌 멘쉬와 그의 누이가 운영하는 회사인 웨스턴 디자인 센터를 방문한 것이었다. 이 회사는 MOS 팀의 논리적 후계자가 되었고 WDC 65C02와 같은 새로운 버전을 제공하고 있었다. 아콘 팀은 고등학생들이 애플 II 기기에서 칩 레이아웃을 생산하는 것을 보고, 누구든 할 수 있다는 생각을 했다. 이와 대조적으로, 현대 32비트 CPU를 개발하는 다른 설계 회사를 방문했을 때, 그들은 이미 설계의 H 버전을 진행 중임에도 불구하고 여전히 버그를 포함하고 있는 12명 이상의 팀을 발견했다. 이는 1983년 말 자체 CPU 설계인 아콘 RISC 머신을 시작하기로 한 그들의 결정을 확고히 했다.

설계 개념

원래 버클리 RISC 설계는 어떤 면에서 순수한 성능을 목표로 설계된 것이 아니라 교육 시스템이었다. RISC의 기본적인 레지스터 중심 및 로드/스토어 개념에 ARM은 6502의 잘 받아들여진 설계 특징들을 추가했다. 그중 가장 중요한 것은 인터럽트를 빠르게 처리하는 능력으로, 이를 통해 기기는 추가 외부 하드웨어 없이도 합리적인 입출력 성능을 제공할 수 있었다. 6502와 유사한 성능으로 인터럽트를 제공하기 위해, ARM 설계는 물리적 주소 공간을 총 64 MB의 주소 지정 가능 공간으로 제한하여 26비트의 주소를 요구했다. 명령어가 4바이트(32비트) 길이이고 4바이트 경계에 정렬되어야 했기 때문에, 명령어 주소의 하위 2비트는 항상 0이었다. 이는 프로그램 카운터(PC)가 24비트만 필요하다는 것을 의미했으며, 8비트 프로세서 플래그와 함께 단일 32비트 레지스터에 저장할 수 있게 했다. 이는 인터럽트가 발생하면 전체 기기 상태를 단일 연산으로 저장할 수 있음을 의미했으며, 만약 PC가 전체 32비트 값이었다면 PC와 상태 플래그를 저장하기 위해 별도의 연산이 필요했을 것이다. 이 결정은 인터럽트 오버헤드를 절반으로 줄였다.

또 다른 변화이자 실제 성능 면에서 가장 중요한 변화 중 하나는 페이지 모드 DRAM을 활용하도록 명령어 집합을 수정한 것이었다. 최근 도입된 페이지 모드는 메모리에 대한 후속 접근이 DRAM 칩의 동일한 위치 또는 "페이지"에 대략적으로 위치할 경우 두 배 빠르게 실행될 수 있게 했다. 버클리 설계는 페이지 모드를 고려하지 않고 모든 메모리를 동일하게 취급했다. ARM 설계는 "S-사이클"이라는 특수 벡터형 메모리 접근 명령어를 추가하여 페이지 모드를 사용하여 단일 페이지에서 여러 레지스터를 채우거나 저장할 수 있게 했다. 이는 사용 가능한 경우 메모리 성능을 두 배로 높였으며, 특히 그래픽 성능에 중요했다.

버클리 RISC 설계는 레지스터 윈도를 사용하여 프로시저 호출에서 수행되는 레지스터 저장 및 복원 횟수를 줄였지만, ARM 설계는 이를 채택하지 않았다.

윌슨은 명령어 집합을 개발했으며, BBC 마이크로에서 BBC 베이직으로 프로세서 시뮬레이션을 작성하여 6502 보조 프로세서를 사용하여 실행했다. 이것은 아콘 엔지니어들이 올바른 방향으로 가고 있음을 확신시켰다. 윌슨은 아콘의 CEO인 헤르만 하우저에게 더 많은 자원을 요청했다. 하우저는 승인했고, 윌슨의 ISA를 기반으로 실제 프로세서를 설계할 소규모 팀을 구성했다. 공식 아콘 RISC 머신 프로젝트는 1983년 10월에 시작되었다.

ARM1

아콘은 아콘을 위한 ROM 및 맞춤형 칩 공급원인 VLSI 테크놀로지를 "실리콘 파트너"로 선택했다. 아콘은 설계를 제공하고 VLSI는 레이아웃과 생산을 담당했다. ARM 실리콘의 첫 번째 샘플은 1985년 4월 26일에 처음 수령되어 테스트되었을 때 제대로 작동했다. ARM1으로 알려진 이 버전은 6 MHz로 작동했다.

첫 번째 ARM 애플리케이션은 BBC 마이크로의 보조 프로세서였는데, 여기서는 지원 칩(VIDC, IOC, MEMC) 개발을 완료하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하고, ARM2 개발에 사용되는 CAD 소프트웨어의 속도를 높이는 데 도움이 되었다. 윌슨은 나중에 BBC 베이직을 ARM 어셈블리어로 다시 작성했다. 명령어 집합 설계에서 얻은 깊이 있는 지식 덕분에 코드가 매우 밀집되어 ARM BBC 베이직은 모든 ARM 에뮬레이터에 대한 매우 좋은 테스트가 되었다.

ARM2

ARM1 보드 시뮬레이션 결과 1986년 말에 8 MHz로 작동하는 ARM2 설계가 도입되었고, 1987년 초에는 10~12 MHz로 속도가 향상된 버전이 출시되었다. 기본 아키텍처의 중요한 변화는 부스 곱셈기의 추가였다. 이전에는 곱셈을 소프트웨어로 수행해야 했다. 또한 FIQ(Fast Interrupt reQuest)라는 새로운 모드가 추가되어 레지스터 8부터 14까지를 인터럽트의 일부로 교체할 수 있게 되었다. 이는 FIQ 요청이 레지스터를 저장할 필요가 없어 인터럽트 속도를 더욱 높였다.

ARM2의 첫 번째 사용은 1986년 7월부터 BBC 마이크로 및 마스터 머신의 보조 프로세서로 제공된 ARM 평가 시스템, 내부 아콘 A500 개발 머신, 그리고 1987년 6월 6일에 출시된 아콘 아르키메데스 개인용 컴퓨터 모델 A305, A310, A440이었다.

드라이스톤 벤치마크에 따르면, ARM2는 아미가나 매킨토시 SE와 같은 일반적인 7 MHz 68000 기반 시스템보다 약 7배 빠른 성능을 보였다. 16 MHz로 작동하는 i386보다 2배 빨랐고, 멀티프로세서 VAX-11/784 슈퍼미니컴퓨터와 거의 같은 속도를 냈다. ARM2를 능가하는 유일한 시스템은 선 SPARC와 MIPS R2000 RISC 기반 워크스테이션이었다. 또한 CPU는 고속 I/O를 위해 설계되었기 때문에, 이 기기들에서 볼 수 있는 많은 지원 칩들을 없앴다. 특히, 워크스테이션에서 흔히 발견되는 전용 DMA 컨트롤러가 없었다. 그래픽 시스템 또한 메모리 및 타이밍에 대한 동일한 기본 가정에 기반하여 단순화되었다. 그 결과, dramatically 단순화된 설계는 고가 워크스테이션과 동등한 성능을 제공하면서도 현대 데스크톱과 유사한 가격대를 유지했다.

ARM2는 32비트 데이터 버스, 26비트 주소 공간, 그리고 27개의 32비트 프로세서 레지스터를 특징으로 했으며, 이 중 16개는 언제든지 접근 가능했다(PC 포함). ARM2는 트랜지스터 수가 30,000개에 불과했으며, 이는 6년 전에 출시된 모토로라의 68000 모델이 약 68,000개였던 것과 비교된다. 이러한 단순함의 대부분은 68000 트랜지스터의 약 1/4에서 1/3을 차지하는 마이크로코드의 부재와 (대부분의 당시 CPU와 마찬가지로) 캐시의 부재에서 비롯되었다. 이러한 단순함 덕분에 ARM2는 전력 소비가 적고 전원 공급 트랜지스터 수가 적어 열 관리가 더 간단했다. 그럼에도 불구하고 ARM2는 1987년 당시 인텔 80286을 사용하던 IBM PS/2 모델 50 (10 MHz에서 1.8 MIPS)보다 뛰어난 성능을 제공했으며, 같은 해 후반에는 Intel 386 DX가 장착된 PS/2 70의 16 MH

출처: ARM 아키텍처 (CC BY-SA)

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