개요
Arm 아키텍처는 PE라 불리는 프로세서나 코어 설계의 기반을 제공한다. 스마트폰, 마이크로컴퓨터, 임베디드 장치, 서버, 심지어 슈퍼 컴퓨터와 같은 시스템온칩(SoC) 장치에 통합되어 다양한 기술에 사용된다.
Arm 아키텍처에 대해
크게 세 가지 profile이 있다.
- A-Profile (Applications) : 고성능 시스템에 사용. Linux나 Window 같은 복잡한 OS를 실행하는데 설계됐다.
- R-Profile (Real-Time) : 실시간을 요구로 하는 시스템을 타겟으로 한다. 주로 네트워크 장비나 임베디드 제어 시스템들에서 사용된다.
- M-Profile (Microcontroller) : 작고 고전력 효율장비에 사용됨. 많은 IoT 기기의 핵심에 있다.
이 세 프로필을 사용하면 여러 가지 기능을 공유하면서 다양한 사용 사례의 요구에 맞게 Arm 아키텍처를 조정할 수 있다.
아키텍처가 의미하는 것은?
아키텍처라는 용어는 기능적 명세를 의미한다. Arm 아키텍처의 경우 프로세서의 기능 사양을 의미한다.
아키텍처는 프로세서의 동작 방식을 지정한다. 예를 들어, 프로세서가 어떤 명령을 가지고 있고 어떤 명령을 수행하는지 지정한다.
아키텍처는 하드웨어와 소프트웨어 간의 계약이라고 생각할 수 있다. 아키텍처는 소프트웨어가 하드웨어에 의존하여 어떤 기능을 제공할 수 있는지를 설명한다. 아키텍처 및 마이크로 아키텍처에서 설명하는 것처럼 일부 기능은 선택 사항이다.
아키텍처는 다음을 명시한다:
- Instruction set : 각 명령의 기능, 그 명령어가 메모리에 표현되는 방식
- Register set : 레지스터의 개수, 레지스터들의 크기, 레지스터들의 기능, 레지스터 초깃값
- Exception model : 특권 레벨들, 예외 종류들, 예외 조치를 취하거나 복귀할 때 발생하는 일
- Memory model : 메모리 접근 순서 지정 방법, 캐시 동작 방식, 소프트웨어가 명시적 유지보수를 수행해야 하는 시기 및 방법
- Debug, trace, and profiling : 중단점 설정 및 트리거 방법, 추적 도구로 캡처할 수 있는 정보 및 형식
시스템 아키텍처
시스템에는 단순한 프로세서 코어 그 이상이 포함된다. 또한 Arm은 프로세서를 포함하여 시스템을 위한 요구사항을 기술한 명세를 제공한다.
사양은 소프트웨어 호환성의 기본이다. 사양에 따라 하드웨어를 구축하는 것은 소프트웨어가 이에 맞게 작성될 수 있다는 것을 의미하고 사양에 따라 소프트웨어를 작성하는 것은 호환이 되는 하드웨어에서 실행될 수 있다는 것을 의미한다. Arm 아키텍처는 첫 번째 계층으로, ISA 호환성을 통해 소프트웨어에 프로그래머 모델을 제공한다.
BSA(Base System Architecture) 사양은 시스템 소프트웨어가 의존할 수 있는 하드웨어 시스템 아키텍처를 설명한다. OS가 필요로 하는 인터럽트 컨트롤러, 타이머 등과 같은 프로세서와 시스템 아키텍처의 측면을 다루며 이는 표준 OS, 하이퍼바이저, 펌웨어를 위한 안정적인 플랫폼을 제공한다.
BBR(Base Boot Requirements)는 Arm 아키텍처 기반에 OS와 하이퍼바이저가 의존할 수 있는 시스템을 위한 요구사항들을 다룬다. 이 사양은 PSCI, SMCCC, UEFI, ACPI 및 SMBIOS와 같은 펌웨어 인터페이스 요구 사항을 설정한다.
아키텍처와 마이크로아키텍처
아키텍처는 프로세서의 제작 방식이나 작동 방식을 알려주지 않는다. 프로세서의 제작 및 설계를 마이크로 아키텍처라고 한다. 마이크로 아키텍처는 특정 프로세서의 작동 방식을 알려주고 다음을 내용을 포함한다:
- 파이프라인 길이와 레이아웃
- 캐시의 수와 크기
- 각 명령의 사이클 수
- 구현된 선택 사항
예를 들어, Cortex-A53과 Cortex-A72는 모두 Armv8-A 아키텍처를 구현한 것이다. 즉, 아키텍처는 동일하지만 다음 그림과 표에서 볼 수 있듯이 마이크로 아키텍처가 매우 다르다:
아키텍처에 호환이 되는 소프트웨어는 수정 없이 Cortex-A53과 Cortex-A72에서 실행될 수 있다. 둘 다 같은 아키텍처를 구현했기 때문에 가능하다.
Arm 아키텍처의 발전
Arm 아키텍처는 시간이 지남에 따라 발전해 왔으며 각 버전은 이전 버전을 기반으로 한다.
주로 Armv8-A와 같은 표현을 볼 수 있는데, 이는 아키텍처 버전 8의 A-profile을 의미한다. 줄여서 v8-A로 쓰기도 한다.
Armv8-A
Armv8-A는 2011년에 발표된 Arm 아키텍처의 첫 번째 64비트 버전이다. Armv8-A 기반 디바이스는 휴대폰부터 슈퍼컴퓨터에 이르기까지 다양한 분야에 적용되었다.
Armv9-A
Armv9-A는 Armv8-A를 기반으로 하는 A-profile Arm 아키텍처의 최신 버전이다.
다음과 같은 새로운 기능을 추가한다:
- Scalable Vector Extension, version 2 (SVE2)
- Transactional Memory Extension (TME)
- Branch Record Buffer Extension (BRBE)
- Embedded Trace Extension (ETE)
- Trace Buffer Extension (TRBE)
또한 v8-A에서 선택이었던 몇몇 기능들이 v9-A에서 의무로 변경되었다.
Arm은 매년 새 명령과 기능을 추가하여 아키텍처를 업데이트한다. Armv9.0-A는 Armv8.5-A의 모든 기능을 계승하고 새로운 기능을 추가하여 Armv8.5-A와 일치한다. Armv9-A의 최초 릴리스 이후, Armv8-A와 Armv9-A가 함께 업데이트된다.
다른 Arm 아키텍처들
Arm 아키텍처는 가장 잘 알려진 Arm 사양이지만, 이것이 유일한 사양은 아니다. Arm은 최신 시스템 온 칩(SoC)을 구성하는 많은 구성 요소에 대해 유사한 사양을 가지고 있다. 이 다이어그램은 몇 가지 예를 제공한다.
구성요소
- Generic Interrupt Controller(GIC) : Armv7-A/R과 Armv8-A/R와 함께 사용되는 표준 인터럽트 컨트롤러이다.
- System Memory Management Unit(SMMU or IOMMU) :
non-master 프로세스들에게 번역 서비스를 제공한다. - Generic Timer : 시스템의 모든 프로세서에 공통 참조 시스템 카운트를 제공한다. OS의 스케줄러 틱에 사용된다. Generic Timer는 Arm 아키텍처의 일부지만, system counter는 시스템 구성요소이다.
- Server Base System Architecture(SBSA)와 Trusted Base Architecture(TBSA) : SoC 개발자들을 위한 설계 가이드라인을 제공한다.
- Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA) : AMBA 버스 프로토콜 제품군은 Arm 기반 시스템의 구성 요소가 연결되는 방식과 해당 연결의 프로토콜을 제어합니다.
Arm 문서의 이해
문서별로 설명하는 것
- 각 Arm 아키텍처 참조 매뉴얼은 아키텍처 사양을 설명한다. Arm 아키텍처 참조 매뉴얼은 해당 아키텍처의 모든 구현과 관련이 있다.
- 각 Arm Cortex 프로세서에는 기술 참조 설명서(TRM)가 있다. TRM은 해당 프로세서와 관련된 기능을 설명한다. 일반적으로 TRM은 Arm 아키텍처 참조 매뉴얼에 제공된 정보를 반복하지 않는다.
- 각 Arm 코어텍스 프로세서에는 구성 및 통합 설명서(CIM)도 있다. CIM은 프로세서를 시스템에 통합하는 방법을 설명한다. 일반적으로 이 정보는 SoC 설계자에게만 해당된다.
예시
Cortex-A75 프로세서를 공부한다면 아래 문서들이 필요하다.
Cortex-A75는 Armv8.2-A, GICv4 CPU 인터페이스, AMBA 버스 인터페이스를 구현한다. 따라서 각 요소의 문서가 필요하다. 또한 마이크로아키텍처를 설명한 문서도 필요하다.
만약 존재하는 SoC에 작업을 한다면, SoC 제조사가 제공하는 문서도 봐야 한다. 일반적으로 데이터시트라 부르며 해당 SoC에 대한 구체적인 정보를 제공한다.
참고
문서별로 제공하는 정보이다.
용어정리
PE
PE(Processing Element)란 Arm 아키텍처의 구현을 의미하는 일반적인 용어이다. PC(Program Counter)를 가지고 있고 프로그램을 실행할 수 있는 것으로 이해하면 된다.
Arm 아키텍처 문서에는 현재 예외 수준 및 보안 상태, AArch32 상태에서는 PE 모드를 포함하여 PE의 작동 방식을 결정하는 상태를 설명한다.
문서에서는 다양한 잠재적 마이크로 아키텍처가 있기 때문에 PE라는 용어를 사용합니다. 예를 들어 Arm Cortex-A 프로세서에서는 다음과 같은 마이크로 아키텍처를 사용할 수 있다:
- Cortex-A8는 싱글 코어, 싱글 스레드 프로세서이다. 프로세서 전체가 PE이다.
- Cortex-A53는 멀티 코어 프로세서이다. 각 코어가 PE이다.
- Cortex-A65AE는 멀티 코어 프로세서이고 각 코어는 2개의 스레드를 갖는다. 각 스레드가 PE이다.
PE라는 용어를 사용함으로써 아키텍처는 다른 프로세서에서 이루어지는 특정 설계 결정과 분리되어 유지됩니다.
