Procesory oparte o architekturę ARM są wszechobecne i towarzyszą nam na każdym kroku. Nawet w starym dobrym PC-cie znajdzie się ich trochę, ot chociażby w kontrolerach dysku. Swoją wielką sławę zyskały jednak dzięki temu, że napędzają urządzenia mobilne – telefony, smartfony, tablety itp. Z roku na rok są coraz potężniejsze i już dzisiaj dorównują mocą procesorom Intel Atom. Ponieważ ARM-y staną się najprawdopodobniej platformą sprzętową przyszłości to warto zapoznać się z ich producentami oraz wsparciem pod Linuksa. O wszystkim tym przeczytacie w poniższym artykule.

ARM to akronim słów Advanced RISC Machine (Zaawansowana Maszyna RISC). RISC to natomiast skrót od Reduced Instruction Set Computer (Komputer o Zredukowanym Zestawie Instrukcji). Zarys idei RISC powstał dzięki badaniom teoretycznym przeprowadzonym w latach siedemdziesiątych na uniwersytecie Berkeley. Znane nam z desktopów i laptopów (ale także z części serwerów) procesory Intela i AMD są oparte o idę CISC (Complex Instruction Set Computer – Komputer o Złożonym Zestawie Instrukcji), zauważono jednak że programy komputerowe wykorzystują głównie jedynie niewielką część rozkazów obsługiwanych przez takie procesory. Wniosek jest więc taki, że zasoby uwolnione przez zmniejszenie ilości dostępnych instrukcji można wykorzystać na podniesienie wydajności procesora. Tak narodziły się RISC-i, a ich główny przedstawiciel ARM szturmem podbija świat.

Zalety

W przeciwieństwie do procesorów Intela i AMD (x86, x86_64/amd64/EM64T/x64) ARM-y charakteryzują się tym, że pracują na bardzo niskich napięciach, są śmiesznie tanie i niesamowicie małych rozmiarów. Jeżeli przeliczymy wydajność na wat zużytej mocy to nie mają w świecie konkurencji.

Historia rozwoju

Architektura była poddawana stałej rewizji. W swojej szóstej wersji (ARMv6), która ukazała się w okolicach roku 2002 tchnęła już w urządzenia przenośne tyle mocy, że zaczęto je poważnie rozważać jako alternatywę PC-tów. Niezwykle popularny mikrokomputer edukacyjny Raspberry Pi jest oparty właśnie o tę architekturę. Jest to też linia kończąca żywot niegdyś potężnego Symbiana, który nigdy nie został już przeportowany na przyszłe jej rewizje. Z potrzeby jeszcze większej mocy obliczeniowej dla mobilnych urządzeń zrodziła się kolejna rewizja – ARMv7. Poza skokiem wydajności i zwiększeniem oszczędności energetycznej dodaje ona także sprzętową obsługę liczb zmiennoprzecinkowych. Jeżeli zastanawiałeś się, czym się różnią obrazy Debiana/Ubuntu dla architektur armel (ARM EABI Little-endian) od armhf (ARM hard-float ABI), to ta druga właśnie wykorzystuje sprzętową obsługę liczb zmiennoprzecinkowych, dzięki czemu na ARMv7 działa bardzo wydajnie. Do tej rewizji architektury należy większość procesorów z linii Cortex. To na niej działają wszystkie współczesne iGadżety i urządzenia z Androidem. Jest to architektura wydajna już do tego stopnia, że pokonuje w benchmarkach Intel Atom, jednocześnie kosztując ułamek jego ceny i zużywając o wiele mniej energii. Podejrzewam, że ta rewizja architektury ARM może być olbrzymim zagrożeniem dla całej serii procesorom Atom. Nie jest to jednak koniec rozwoju. Już teraz trwa kończenie prac nad ARMv8 zwanym też AArch64 lub arm64. Nazwy te wywodzą się właśnie od tego, że architektura staje się 64 bitowa, przy jednoczesnej wstecznej kompatybilności dla programów 32 bitowych. Pierwsze procesory oparte o tę rewizję pojawią się zapewne na rynku masowym już w 2014 roku. Wiąże się z nimi wielkie nadzieje związane nie tylko z rynkiem mobilnym, ale także serwerami, laptopami i desktopami.

Licencjonowanie

ARM charakteryzuje się także innym podejściem produkcyjno-prawnym niż x86. W przypadku tradycyjnych procesorów dla PC-tów Intel i AMD licencjonują sobie wzajemnie technologię i samodzielnie na jej podstawie produkują procesory. Ponieważ Intel był pierwszy, to jest właścicielem większości technologii x86. Nic więc dziwnego, że licencjonując je potencjalnej konkurencji robi to tak, żeby nie miała z nim szans. Nikt więc w praktyce na ten rynek już nie wejdzie, a i AMD coraz bardziej jest na nim marginalizowany. Tworzy się więc niezdrowa sytuacja monopolu. W przypadku ARM mamy jedną brytyjską firmę ARM Holdings, która zajmuje się rozwojem i licencjonowaniem technologii ARM, ale sama nie produkuje procesorów. Z początku może się wydawać, że cała technologia w rękach jednej firmy to też duże zagrożenie, jednak w praktyce okazuje się, że to rozwiązanie się sprawdza. ARM Holdings zapewnia wszystkim chętnym producentom taki sam dostęp do technologii i licencji. Dzięki temu jest wiele firm, które produkują ich procesory, a w każdej chwili mogą do nich dołączyć kolejne. ARM Holdings nie produkuje procesorów, przez co nie stanowi konkurencji dla prawdziwych producentów. Na rynku jest spory wybór, a to zawsze kończy się z pożytkiem dla konsumenta.

Systemy Operacyjne

Architektura ARM nie jest binarnie zgodna z x86, co oznacza, że nie można na niej normalnie uruchomić systemów operacyjnych i programów skompilowanych dla PC-tów. Emulowanie x86 też nie wchodzi w grę. Jest to więc zupełnie nowa przestrzeń dla rozwoju systemów operacyjnych wolna od praktyk monopolowych. Z początku procesory ARM miały bardzo niewielką moc obliczeniową dlatego stosowano na nich okrojone kompilacje Linuksa, *BSD lub też firmware własnej produkcji, które miały wykonywać proste zadania. Do tego grona z pewnymi sukcesami próbował też dołączyć Microsoft z Windowsem CE. Jeżeli chodzi o urządzenia Mobilne to pierwotnie stosowany był na nich firmware, który różnił się u każdego producenta. Po pewnym czasie wyłonił się wieloletni król tej platformy – Symbian. Swoją pozycję zbudowały też inne zamknięte systemy takie jak BlackBerry OS i Windows Mobile. Wraz z rewolucją mobilną i pojawieniem się silnych procesorów ARM zasady gry uległy zmianie. Trendy zaczął wyznaczać iOS. Google szybko wyczuło nadchodzące zmiany i zaprezentowało oparty o Linuksa system Android. Główną zaletą opensource okazuje się to, że bardzo łatwo jest przenieść system wraz z całą bazą otwartego oprogramowania na nową platformę sprzętową. Jest to nierealne, gdy system jest zamknięty, a większość oprogramowania na niego jest własnością firm trzecich, które nie są zainteresowane migracją. Android szybko zdetronizował Symbiana. Aktualnie na platformach mobilnych liczy się już jedynie Android i iOS, podczas gdy reszta systemów z trudem walczy o przeżycie.

Producenci i wsparcie na Linuksa

Ze sprzętem ARM nierozerwalnie wiąże się pojęcie SoC (System On A Chip). Ponieważ producentom zależy przede wszystkim na niewielkich rozmiarach urządzeń, to w procesor ARM wbudowane są różne peryferia takie jak układ graficzny lub audio. Stwarza to dodatkowy problem. Mimo iż ARM Holdings zapewnia, żeby jądro Linuksa oraz kompilatory (GCC, LLVM/Clang) świetnie wspierały architekturę procesora, to np. wbudowany w SoC układ graficzny może uniemożliwiać wyświetlanie czegokolwiek bez odpowiednich sterowników. Warto też zaznaczyć, że ARM nie jest architekturą tak bardzo zestandaryzowaną jak x86. Kompilacja Linuksa na procesor jednego producenta może nie działać na procesorze innego. Jednak podjęto już prace w kodzie jądra systemu, które mają rozwiązać ten problem. W tym miejscu zaznaczę, że X-Server nie spisuje się dobrze na słabych procesorach ARM. Nie ma go nawet w Androidzie. Duża jest więc w tej przestrzeni szansa na debiut Waylanda. W każdym razie stworzono dla X-Servera sterownik xf86-video-modesetting, który wykorzystuje sterowniki w jądrze systemu do wyświetlania obrazu, za to nie zapewnia żadnej akceleracji. Jest to bardzo często stosowane prowizoryczne rozwiązanie zapewniające minimalne wsparcie dla X-Servera na czas transferu na inną metodę wyświetlania grafiki. Wracając do producentów sprzętu – każdy się mniej-więcej orientuje, że na PC-tach procesory produkuje Intel i AMD, a układy graficzne AMD, Intel i NVIDIA. Na rynku ARM sytuacja wygląda jednak zgoła inaczej. Poniżej przyjrzymy się, jacy są tutaj dominujący producenci i jakie jest ich podejście do wsparcia dla Linuksa.

Texas Instruments

Texas Instruments (TI) to producent układów SoC. Współpraca z tą firmą była też dużą nadzieją Canonical na wprowadzenie Ubuntu na ARM. Czemu piszę w formie przeszłej? Ponieważ rynek stał się jednak zbyt konkurencyjny dla TI. Firma ogłosiła, że będzie się z niego wycofywać, co stawia pod znakiem zapytania ich przyszłe (dobrze się zapowiadające) produkty. Układy tej firmy nazywają się OMAP. Są sprzedawane między innymi na niezwykle popularnych płytach głównych dla developerów ARM – PandaBoard. Najnowsza odsłona procesorów to OMAP4. OMAP5 miał się ukazać już niedługo, ale teraz już nie wiadomo, czy w ogóle coś z tego będzie. TI stara się dostarczyć wsparcie dla swoich układów jako opensource do Linuksa. Mamy więc dla nich w jądrze systemu sterowniki DRM, a dostęp do nich można uzyskać przez standardowy interfejs libdrm. Jest też (o dziwo) osobny sterownik xf86-video-omap. Zapewnia on wsparcie dla X-Servera oraz akcelerację 2D przy pomocy mechanizmów EXA. Natomiast żadnej akceleracji 3D tutaj nie uraczymy. TI licencjonuje układy graficzne PowerVR od Imagination Technologies. Jeżeli od tej drugiej firmy nie uzyska się dostępu do zamkniętego sterownika, to nie ma szans na akcelerację 3D. Osoby, które korzystały z Intel GMA 500 są zapewne zapoznane z tym bolesnym doświadczeniem, gdyż w tym przypadku Intel też licencjonował grafikę PowerVR.

Samsung

Dzięki Androidowi Samsung w niesamowitym tempie stał się gigantem rynku mobilnego. Ponieważ firma ma duże doświadczenie w produkcji układów podstawowych, to postanowiła też zacząć produkować własne, wysokowydajne SoC o nazwie Exynos. Sprzęt ten jest montowany między innymi w produktach z linii Galaxy, ale także w tablecie Nexus 10 i najnowszym Chromebooku. Samsung postanowił zapewnić pewne wsparcie dla swoich układów jako opensource. Mamy więc w jądrze systemu sterowniki DRM dla tych układów do których dostęp można uzyskać przez standardowy interfejs libdrm. Dzięki temu do uruchomienia X-Servera można zastosować sterownik xf86-video-modesetting. Zarówno akceleracja 2D, jak i 3D pozostaje wyłącznie jako zamknięte oprogramowanie, a zwykły użytkownik nie może uzyskać do tych sterowników dostępu. W tym miejscu zaznaczę jeszcze, że Samsung do swoich układów licencjonuje grafiki Mali produkowane przez ARM Holdings.

Qualcomm

Kolejnym wielkim producentem SoC jest Qualcomm. Układy tej firmy noszą miano Snapdragon i cieszą się dobrymi opiniami. Ich moc i niską cenę da się poznać chociażby za pomocą urządzenia Nexus 4. Qualcomm dostarcza producentom sprzętu zamknięte sterowniki i nie forsuje żadnej otwartej inicjatywy. Układy graficzne stosowane w SoC noszą miano Adreno. Nie jest przypadkiem to, że nazwa jest anagramem słowa Radeon. Qualcomm licencjonuje technologię produkcji układów graficznych właśnie od AMD. Ta firma natomiast wydała swego czasu ogrom dokumentacji odnośnie swoich grafik, a także wspiera rozwój do nich sterowników opensource. W oparciu o to developer Texas Instruments (ku niezadowoleniu swego pracodawcy) zaczął przygotowywać otwarty sterownik do Adreno zwany jako Freedreno. Jest on oparty o Gallium3D i jest spora szansa, że zostanie zaimplementowany do wszystkich standardowych części Linuksa (jądro systemu, libdrm, xf86-video-freedreno, Mesa). Zapewni to pełne wsparcie opensource zarówno dla akceleracji 2D, jak i 3D.

NVIDIA

NVIDIA z producenta PC-towych kart graficznych chce się stać potentatem SoC na ARM-ach. Bardzo dużo inwestuje w te nadzieje. Jego układy o nazwie Tegra zbierają dobre opinie szczególnie za wydajną grafikę (widać skąd się firma wywodzi). Jednak dla NVIDIA urządzenia mobilne to nie wszystko. Firma ostrzy sobie zęby na rynek procesorów ARM dla serwerów, a kto wie może nawet laptopów i desktopów. W każdym razie nie da się tego osiągnąć bez dobrego wsparcia dla Linuksa niebędącego Androidem i NVIDIA o tym wie. Ze strony producenta można pobrać obraz Ubuntu, który da się zainstalować na urządzeniach z Tegrą. Posiada on preinstalowane zamknięte sterowniki, które zapewniają optymalną akcelerację 2D i 3D. To nie wszystko. NVIDIA wreszcie zaangażowała się w rozwój sterowników opensource. W jądrze systemu ma zostać zaimplementowany sterownik DRM oraz ma być zapewniona otwarta akceleracja 2D (jeszcze nie wiadomo, czy przez xf86-video-tegra, czy tylko xf86-video-modesetting). Akceleracja 3D póki co pozostanie jednak zamknięta. Grafika w Tegrach oczywiście nie jest od nikogo licencjonowana, a jest to własny produkt NVIDIA.

Imagination Technologies

Po firmach produkujących kompletne SoC, czas poświęć chwilę na producentów grafik często na nich wykorzystywanych. Imagination Technologies jest twórcą układów PowerVR, które są bardzo chętnie wykorzystywane w SoC. Firma dorobiła się majątku, dzięki temu, że jej produkty są wbudowane w iGadżety. Jest więc już w stanie produkować bardzo silne grafiki, za rozsądną cenę. Producentom gotowych urządzeń zapewnia dostęp do zamkniętych sterowników zarówno dla Androida, jak i iOSa. Niestety zwykły użytkownik nie ma możliwości ich pobrania z internetu. Firma nie jest też przyjaźnie nastawiona do projektów opensource, chociaż krążą plotki, że mają zamiar otworzyć jakąś część swojego sterownika. Za czasów Intel GMA 500, które wykorzystywało PowerVR, deweloperzy jądra poświęcili trochę czasu, żeby przygotować podstawowy sterownik dla tego układu. Może już najwyższy czas, żeby rozszerzyć jego możliwości na SoC innych niż Intel producentów?

ARM Holdings

ARM Holdings nie produkuje procesorów, a jedynie je licencjonuje. Żeby jednak pobudzić konkurencyjność na rynku mobilnym zaczęli produkować grafiki o nazwie Mali, jako alternatywę dla PowerVR do wykorzystania przez producentów SoC. Firma oczywiście dostarcza zamknięte sterowniki producentom urządzeń, ale nie są one dostępne dla zwykłego użytkownika. Póki co brak też jest jakiejkolwiek inicjatywy opensource z jej strony. Powstał jednak projekt o nazwie Lima, którego zadaniem jest przygotować przy pomocy inżynierii odwrotnej pełnego sterownika opensource dla układów Mali. Projekt wykazuje pewne postępy, ale póki co nie wygenerował nic co może być już wykorzystane przez użytkownika końcowego.

Broadcom

Broadcom nie jest firmą, która będzie się zabijać o rynek „topowych urządzeń”. Wolą produkować tanie i małowydajne układy do słabszych urządzeń, ale za to na dużo większą skalę. Szczególne zainteresowanie w świecie opensource zawdzięczają temu, iż o ich platformę został oparty niezwykle popularny mikrokomputer edukacyjny – Raspberry Pi. Jakkolwiek o procesorze nic szczególnego powiedzieć się nie da, ot zwykły ARMv6, to już grafika robi wrażenie. Broadcom produkuje układy VideoCore, a jeden z nich został zastosowany w Raspberry Pi. Pozwala on na płynne oglądanie filmów w jakości 1080p oraz zapewnia wsparcie dla OpenGL ES 2.0. I to wszystko w produkcie za 25$! Dzięki działaniom fundacji Raspberry Pi pełny kod sterownika (wykorzystywany przez system) został udostępniony na licencji opensource. Okazało się niestety, że nie jest to to, czego się wszyscy spodziewali. Sterownik w zasadzie przekazuje wszystkie wywołania do grafiki, a następnie jej firmware sam je przetwarza (łącznie z kompilacją shaderów!). Z początku taki sposób wytwarzania sprzętu może wydawać się bardzo atrakcyjny, gdyż nie wymaga niemalże od systemu sterowników. Z drugiej jednak strony, gdy zdarzy się jakiś bug (a zawsze się zdarza), to sterownik zawsze można naprawić i zaktualizować. Firmware na układzie już nie. Z tego powodu deweloperzy jądra systemu się zdeklarowali, że nie zaakceptują włączenia do głównej linii kernela „pseudo” sterownika, gdy faktyczny sterownik jest w rzeczywistości zaszyty w firmware. Mimo wszystko użytkownicy Linuksa mogą korzystać z tego kodu i uzyskać pełną akcelerację 2D i 3D na swoim systemie.

ST-Ericsson

ST-Ericsson to nowe przedsięwzięcie powstałe z udziałów firm Ericsson oraz STMicroelectronics. Produkują wydajne układy SoC o nazwie NovaThor. Wykorzystują one grafiki Mali, ale firma będzie migrować na technologię PowerVR. Oczywiście producenci gotowych urządzeń otrzymują zamknięte sterowniki, ale póki co nie słyszałem o żadnej inicjatywie względem klientów końcowych, czy to otwartej, czy zamkniętej.

Podsumowanie

Czy to już wszyscy producenci? Na pewno nie. Celowo nie wspomniałem nawet o Apple, które jak wiadomo jest zainteresowane jedynie sterownikami dla iOSa na swoim sprzęcie. Poza tym jest też mnóstwo innych producentów procesorów ARM, które wykorzystywane są od mikrofalówek po nawigacje GPS. W artykule opisałem jedynie tych, którzy skupiają się na najsilniejszych układach, a przez to jest szansa, że niedługo będziemy na nich powszechnie używać różnego rodzaju Linuksa. Architektura jest tak obiecująca, że nawet AMD wiązany wcześniej jedynie z rynkiem x86 planuje w przyszłej rewizji APU dodać jeden rdzeń ARM, a w roku 2014 zmigrować całą linię procesorów Opteron na ARM-y. Jeżeli jednak mowa o współczesnych producentach tego sprzętu, to na chwilę obecną moja rekomendacja pada na NVIDIA Tegra. Już dzisiaj można na tej platformie swobodnie używać Ubuntu pobierając jego obraz ze strony firmy. Zwolennikom opensource korporacja też zapewni podstawowe wsparcie.

ARM to piękna obietnica świata na którym Linux będzie odgrywał kluczową rolę. Póki co architektura ta pędzi do przodu i nic nie jest w stanie jej powstrzymać. Interesujące na pewno będzie przejście producentów z modelu sprzedaży typowego dla urządzeń wbudowanych, gdy sterownik udostępnia się jedynie twórcom urządzenia, do modelu w którym sterowniki są udostępniane dla końcowego konsumenta. A walczyć o użytkownika Linuksowego firmy muszą zaciekle, ponieważ na ARM to właśnie dla tego systemu nie ma faktycznej alternatywy.