ARM (Acorn RISC Machine), RISC tabanlı işlemci mimarisi olarak tanımlanmaktadır. 32 ve 64 bit olmak üzere iki farklı versiyonu bulunur. Genellikle gömülü sistemlerde ve taşınabilir aygıtlarda yer alan yonga setlerinde kullanılmaktadır.
RISC tabanlı işlemci mimarisi olan ARM, yonga setlerinde tercih edilmektedir. 32 ve 64 bit versiyonları bulunur. ARM, x86-x64 işlemcilere kıyasla düşük güç tüketimi ve yüksek performans sunar. ARM, işlemci üretimi yapmaz, dizayn ve lisans satışı yapar. CISC tabanlı işlemcilerden farklı olarak üreticiye göre çeşitli şekillerde üretilmesi mümkündür. Buna bağlı olarak da performansları farklı işlemciler ortaya çıkar.
ARM tarihi
Bilgisayarlar için, ARM tabanlı ürün denemelerini gerçekleştiren ilk şirket Apple olmuştur. Daha önceleri özellikle Ultrabook kategorisindeki cihazlarda da ürün denemeleri yapılmıştır. Apple, 2020’de Mac bilgisayarlarında tamamen ARM işlemcilere geçiş yapmayı hedeflemişti. 2020 sonunda, 3 ARM işlemcili modelini kullanıcıların hizmetine sundu.
ARM işlemcilere olan ilgi farklı alanlarda da bulunuyordu. Alışveriş devi Amazon da uzun bir süredir ARM tabanlı işlemci kullanan şirketlerden biridir. Bu ilginin en büyük sebebi, işlemcilerin ciddi bir performans artışı sağlıyor olmasıdır. Microsoft’un da kendi RM tabanlı işlemcilerini geliştirdiği konuşuluyor.
ARM, mobil cihaz alanında x86 mimarili işlemcilerden daha üstün konumdadır. Geliştiriciler tarafından ARM işlemcilerinin mobil odaklı cihazlarla sınırlı olmadığı da saptanmıştır. ARM, x86 işlemcilerden masaüstü ve sunucu bilgisayarlarda da daha üstün bir performans sunmaktadır.
İşlemci sektörü, ileri mühendislik bilgileri gerektiren komplike bir alandır. Yalnızca birkaç şirket gelişmiş tasarım, yüksek performans ve kullanım koşulları için çalışmaktadır. Intel ve AMD, bu alanlarda çalışmalar yürütüp işlemci üreten şirketlerdir. Bu iki şirket 15 yıldır birbirleri ile rekabet halindedir. Intel ve AMD, sık kullanılan, sektörde kabul görmüş x86 işlemci mimarisini kullanmaktadır.
Apple ve Amazon’un ARM tabanlı işlemciler kullanmaktadır. ARM tabanlı işlemciler, Intel ve AMD’nin x86 işlemcileriyle rekabet halindedir. Bu rekabetin sebebi de Apple’ın Mac bilgisayarlarında kendi ARM işlemcilerini kullanması oldu. Apple ARM işlemcilerle beraber ciddi bir performans artışı sağladı. Bu da x86 işlemci mimarisine rakip olduğunu gösterdi.
ARM, geçen yıl ABD Savunma Bakanlığı’nın ajansı DARPA ile ortaklık anlaşması imzaladı. Bu anlaşma ile ARM, teknoloji portföyüne erişim sağlama imkanı elde etti. Bu anlaşma da ARM’nin sadece bilgisayar alanında yer almadığını gösterdi. DARPA ile anlaşma sağlanarak, ARM’nin savunma sanayisi için de önemli olduğu görüldü.
ARM mimarisi
ARM mimarisi, RISC mimarisi kategorisinde yer alır. ARM’nin açılımı da Acorn RISC Machine’dir. ARM bir çip üretim firması değildir. ARM, yalnızca üretici firmalara çip tasarımı satar. Akıllı telefon, bilgisayar ve gömülü sistemler gibi SoC (system-on-chip) cihazlarda yer alırlar.
SoC, işlemci, bellek, GPU gibi bileşenleri tek bir çipte bulunduran sistemdir. Bu mimaride oluşturulan yazılımlar farklılıklar barındırır. Farklı çip üreticilerinin ürettiği ARM tabanlı çiplere taşınımı daha kolaydır. Bir firmanın tasarladığı çipin, ayarlamalarla farklı markanın çipinde çalıştırılması mümkün olmaktadır.
ARM mimarisinde 3 farklı mimari profili vardır.
| A Profil (Applications) | R Profi (Real-time)l | M Profil (Microcontroller) |
| Yüksek performans amaçlıdır. | Gerçek zamanlı sistemleri hedefler. | Küçük ve en düşük güç ihtiyacına sahip cihazlar için uygundur. |
| Linux ve Windows gibi karmaşık işletim sistemlerini çalıştırmak için tasarlanmıştır. | Genellikle network ekipmanlarında ve gömülü kontrol sistemlerinde yer alır. | Birçok IoT cihazın merkezinde bulunur. |
ARM çekirdekleri ve lisanslar
Acorn, 1994 yılında ARM’yi bilgisayarlarında ana merkezi işlem birimi (CPU) olarak kullandı. DEC , ARM mimarisini lisanslayarak, 233 MHz’de Strong ARM’yi üretti. Bu çalışma daha sonra Intel’e geçti. Intel, i960’larını ARM ile desteklemiş oldu.
Intel daha sonra kendi yüksek performanslı uygulamasını geliştirdi. ARM çekirdeğinin transistör sayısı, bu değişiklikler boyunca aynı kaldı. ARM 2’nin 30.000 transistörü vardı, ARM 6’da ise bu 35.000’e yükseldi.
2005’te cep telefonlarının yaklaşık %98’inde bir ARM işlemciye yer verildi. 2010 yılında ise çip üreticileri, akıllı telefonların %95’ine ARM tabanlı işlemci gönderdi. 2011 yılında, 32 bit ARM mimarisi mobil cihazlarda en yaygın kullanılan mimari oldu. 2013 yılında ARM tabanlı çipler, dünyadaki mobil cihazların yaklaşık %60’ında yer aldı.
ARM çekirdeği, birçok üründe, özellikle de akıllı telefonlarda kullanılır. 2005 yılında, Arm Holdings, insan beynini simüle etmek için ARM çekirdeklerini kullandı. Manchester Üniversitesi bilgisayar SpiNNaker’ın geliştirilmesinde ARM çekirdeklerine yer verdi.
ARM işlemcileri ayrıca, tek kartlı bilgisayarlarda da kullanılıyor. Çünkü boyutları küçük, ucuz ve çok az güç tüketiyorlar. 1995’ten beri, ARM Mimarisi Referans El Kitabı temel kaynak olmuştur. ARM işlemci mimarisi ve komut seti ile ilgili temel kaynaktır. Tüm ARM işlemcilerinin desteklemesi gereken arayüzleri, değişiklik gösterebilecek uygulama detaylarına yer vermektedir.
ARM tabanlı işlemcilere sektör örnekleri olarak neler verilebilir?
Amazon, Graviton 2 isimli, ARM tabanlı olan kendi işlemcisine sahip. Bu işlemci, ilk sürümü olan Graviton 1’den çok daha iyi performans göstermektedir. Ancak Graviton 2, Intel’in muadil işlemcisinden daha yüksek bir performansta değildir. Ancak daha az güç tüketimine ve daha verimli bir yapıya sahiptir. Maliyet olarak da Graviton 2, Intel’in işlemcisinden daha uygundur.
Eski sürüm Graviton 1’e göre Graviton 2, çok daha yüksek performanstadır. Graviton 3’ün ise daha da yüksek bir performans sergileyeceği düşünülüyor. Bu sayede de Intel ve AMD’ye daha güçlü bir rakip gelmiş oluyor. Daha güçlü olmasının yanında Graviton çok daha ucuz ve verimli bir işlemcidir.
M1, Apple’ın 2020’de piyasaya sürdüğü mobil odaklı olmayan ilk ARM tabanlı işlemcisidir. M1, Power Mac serisinden Intel’e geçme kararından sonraki en büyük gelişmelerden biridir. Apple, şu anda da kendi işlemcisinin yer aldığı bilgisayarlarını çıkartmaya devam ediyor. M1’in yer aldığı Mac modelleri, çok daha verimli bir performans sergilemektedir. Önceki nesil Intel Mac modellerini gölgede bırakmıştır. M1, x86 sistemli uygulamaları emülatör kullanarak çalıştırmaktadır. Buna rağmen performans artışı sağlanmıştır.
ARM hangi mimari üzerine inşa edilmiştir?
ARM işlemcilerde RISC mimarisi kullanılır. RISC, azaltılmış komut seti bilgisayarıdır. ARM işlemciler, bu nedenden dolayı RISC işlemciler olarak da adlandırılır. ARM işlemcilerde hem 32 hem 64 bit desteği vardır.
ARM işlemciler, çok çekirdek kullanılarak oluşturulduğu için popüler hale gelmiştir. Bu gibi özellikler ve mimarisi, ARM işlemcilerin hızını arttırır. ARM’lerin saniyede yaptığı işlem sayısı da diğer işlemcilerden farklı olmasını sağlar. İşlemcilerin, çalışma sistemleri özel olarak optimize edilir. Bu nedenle saniye başında yaptıkları işlem sayıları değişkenlik gösterir. İşlemcilerde gereksiz komutlar kaldırılır, hızlı ve kısa çözümler kullanılır. Bunun sağlanmasında RISC mimarisinin etkisi büyüktür.
ARM işlemciler hangi cihazlarda kullanılır?
ARM işlemci modeli, birçok alanda kullanılır. Ancak genel olarak mobil cihaz alanında kullanımı tercih edilmektedir. Akıllı telefon, tablet, taşınabilir aygıtlar ya da farklı oynatıcılarda ARM işlemciler bulunmaktadır.
ARM işlemcilerin küçük yapılı olması, küçük cihazlarda alan tasarrufu sağlar. Komut setlerinde düşüş yaratması, transistör ihtiyacını azaltmaya yardımcı olur. Bu sayede akıllı telefon gibi küçük cihazlarda da ARM işlemciler ideal çalışma sağlar. ARM sağladığı verimli ve yüksek performansla kullanıcıların beklentilerini karşılamaktadır.
ARM işlemciler avantajları nelerdir?
Tasarımcılar, cihazlarda ARM mimarisi işlemcileri birçok nedenden dolayı tercih ederler.
- ARM işlemciler, daha düşük güç tüketimine sahiptir.
- Bu işlemciler, cihazların kullanımı sırasında daha az ısı üretirler.
- Bu işlemcilerin, boyut olarak küçük cihazlarda kullanımı da daha avantajlıdır.
- ARM işlemciler, performans açısından fark yaratırlar. Ayrıca daha verimlidir.
ARM ve x86 arasındaki fark nedir?
Sıradan işler yürüten kullanıcılar için, ARM ve x86 arasında pek fark yoktur. İki işlemci mimarisi de internet tarayıcılarını, YouTube gibi uygulamaları çalıştırır. Günümüzde kullanılan çoğu Android ve iPhone telefonda ARM tabanlı işlemciler kullanılmaktadır. Bu sebeple çoğu kullanıcı ARM işlemciyi test etmiştir.
Kullanıcılar açısından en büyük fark, ARM için gereken güncellemelerdir. X86 için tasarlanan eski uygulamalar, ARM işlemciler için yeniden düzenlenmelidir. Bazı uygulamalar için bu düzenleme işlemi daha zor olmaktadır. Ancak hem geliştirici hem de x86 ve ARM arasında emülatör çalışmaları yürütülmektedir. Emülatörler, x86 ve ARM arasında köprü oluşturur. Geliştiriciler için, uygulamaların derlenmeleri konusunda farklılıklar bulunur. Çoğu derleyici, ana komut setlerini başarıyla desteklemektedir. Bu sayede yazılımı birden fazla platforma kullanmak çok değişiklik gerektirmez, kolaydır.
ARM işlemcilerin nasıl daha hızlı çalıştığını anlamak için nasıl çalıştıklarına bakmak gerekir. ARM ve x86, işlemci mimarisi olarak bilinirler. İkisi de destekledikleri mikro kod adlı programların bir listesi olan komut setleridir.
AMD ya da Intel işlemcide, Windows uygulamaları sıkıntı çıkarmadan çalışır. Çünkü ikisi de x86 mimarisine sahip işlemciler tarafından üretiliyor. İşlemcilerin tasarımları farklı şekillendirilmiş olsa da, aynı komut setlerini desteklemektedirler. Bu, x86 için derlenen programların her iki işlemci ailesini de destekleyeceğini gösterir.
İşlemciler, belirli işlemleri sıralı olacak şekilde yerine getirirler. Bu anlamda görev listesi verilen bir robota benzetilirler. Her bir komut, bir işlem kodu olarak bilinir. X86 gibi işlem mimarilerinde çok sayıda işlem kodu vardır. Her geçen gün işlem kodu sayıları artmaktadır. x86, Karmaşık Komut Seti ya da CISC olarak da adlandırılır.
CISC ve RISC farkı nedir?
CISC mimari tasarımları, işlemleri tek bir komut süresinde yerine getirme felsefesine dayanır. Yani bir birim zamanda birden fazla komut gerçekleştirilir. Bu komut, işlemcinin sürdürdüğü birçok mikro işlemi barındırır.
CISC, bellek kullanımı açısından faydalıdır. Bu konuda zirvedeki yerini korumaktadır. RISC ya da İndirgenmiş Komut Seti, çok parçalı talimatları ortadan kaldırır. Her komut çoğunlukla tek bir saat döngüsünde yürütülmektedir. Bunun için birçok uzun işlem, CPU Nedir? ya da belleğin diğer alanlardan gelen sonuçları bekler. Bu bekleme, performansta gerileme olarak gözükse de, işlemci tasarımı için etkileri önemlidir. İşlemciler tüm komutları RAM’den yükler ve bu süreci hızlı şekilde yürütmesi beklenir.
Komutlar basit olduğunda, karmaşık komutlara göre durum çok daha kolay olmaktadır. Instruction buffer (komut tamponu) dolu olduğunda işlemci daha hızlı çalışır. Komutlar daha basit olduğunda ise süreç daha da kolaylaşır.
ARM Assembly örnekleri
RISC, out-of-order adlı teknolojinin avantajından da faydalanır. İşlemci, içinde gelen komutları yeniden düzenleyen bir birimi barındırır. Örnek olarak bir uygulama iki ayrı şeyi hesaplayacaksa, bunu paralel şekilde gerçekleştiriyor. Geliştiricilerin paralel kod yazmaları oldukça karmaşıktır. Bunun için hızlandırma açısından çoklu görevlerden yararlanırlar. Apple M1 çipi de out-of-order teknolojisini kullanmaktadır. Yani aslında komut seti çözümleyicisi kullanmaktadır.
| RISC | CISC |
| Kısa ve az komut içerir. Bu sebeple daha hızlı çalışır. | Uzun komutları daha kolay işler. Bu sayede bellek verimliliği sağlar. |
| Tek bir saat döngüsünde işlem yapar. | Çoklu saat döngülerinde işlem yapar. |
| Uzun bir programa ve basit komutlara sahiptir. | Kısa bir programa ve karmaşık komutlara sahiptir. |
| Daha fazla RAM ihtiyacı vardır. | Minimum düzeyde RAM ihtiyacı vardır. |
| Daha fazla register vardır. | Daha az register vardır. |
| Daha fazla donanıma yöneliktir. | Daha fazla programcıya yöneliktir. |
| Genellikle akıllı telefon ve tabletlerde kullanılır. | Genellikle dizüstü ve masaüstü bilgisayarlarda kullanılır. |
