معرفی سری ARM Cortex

در دنیای دیجیتال امروز، تقریباً تمام دستگاه‌های الکترونیکی از نوعی پردازنده یا ریزپردازنده بهره می‌برند. از تلفن‌های همراه و ساعت‌های هوشمند گرفته تا خودروها، لوازم‌خانگی، تجهیزات پزشکی و سیستم‌های صنعتی، همه نیازمند قلبی تپنده برای پردازش داده‌ها هستند. یکی از مهم‌ترین و محبوب‌ترین معماری‌های پردازنده که امروزه در سطح جهانی به کار می‌رود، معماری ARM و به طور خاص‌تر، سری ARM Cortex است.

شرکت ARM Holdings طراحی این سری را انجام داده و مجوز استفاده از آن را در اختیار تولیدکنندگان تراشه در سراسر جهان قرار می‌دهد. آنچه سری Cortex را متمایز می‌کند، توانایی بالای آن در ارائه عملکرد مطلوب در کنار مصرف انرژی بسیار پایین است.

در این مقاله، با معماری ARM و ویژگی‌های خاص سری Cortex، انواع مختلف آن و کاربردهای متنوعشان آشنا می‌شویم.

معماری ARM و مزایای آن

ARM  مخفف “Advanced RISC Machine” است. این معماری بر اساس اصول طراحی RISC (Reduced Instruction Set Computer)  توسعه‌یافته که در آن از مجموعه دستورالعمل‌های ساده، سریع و کم‌مصرف استفاده می‌شود. سادگی این معماری باعث می‌شود پردازنده‌های ARM مصرف انرژی بسیار کمتری نسبت به معماری‌هایی مانند x86  داشته باشند.

یکی از مزایای اصلی ARM این است که این شرکت تراشه تولید نمی‌کند، بلکه تنها طراحی‌های معماری را ارائه می‌دهد و مجوز آن‌ها را در اختیار شرکت‌هایی مانند Apple، Qualcomm Samsung ،MediaTek ،NXP و STMicroelectronics قرار می‌دهد. این مدل تجاری باعث شده تا ARM سهم بسیار بزرگی از بازار تراشه‌های کم‌مصرف را به خود اختصاص دهد.

سری Cortex چیست؟

سری ARM Cortex یک خانواده از هسته‌های پردازشی است که برای اهداف مختلف طراحی شده‌اند. این خانواده شامل سه دسته اصلی می‌شود:

1. سری Cortex-A

این سری برای کاربردهای پردازشی سنگین طراحی شده است. پردازنده‌های این گروه در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، تلویزیون‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و برخی از سیستم‌های صنعتی به کار می‌روند.

پردازنده‌های سری Cortex-A از قابلیت‌هایی مانند پشتیبانی از حافظه کش سطح بالا، سیستم‌عامل‌های پیشرفته مانند Android و Linux، چند‌هسته‌ای بودن و توان پردازشی بالا برخوردار هستند.

از نمونه‌های معروف این سری می‌توان به Cortex-A7، A9، A53، A57، A72، A75 و A76  اشاره کرد. تراشه‌هایی مانند Snapdragon، Exynos، Kirin و حتی تراشه‌های Apple  نیز از نسخه‌های سفارشی این سری بهره می‌برند.

2. سری Cortex-R

Cortex-R برای سیستم‌هایی طراحی شده که نیاز به پاسخ‌گویی سریع و قابل‌اطمینان دارند. این دسته معمولاً در کاربردهای بلادرنگ (Real-Time) مانند سیستم ترمز ضدقفل (ABS) در خودروها، کنترل موتور، تجهیزات پزشکی حساس و برخی سیستم‌های فضایی استفاده می‌شود.

این سری دارای ویژگی‌هایی نظیر تأخیر بسیار کم، قابلیت اطمینان بالا، و توان پردازش دقیق در شرایط اضطراری است. برخلاف سری A، این دسته معمولاً برای اجرای سیستم‌عامل‌های سبک‌تر مانند RTOS استفاده می‌شود.

3. سری Cortex-M

سری Cortex-M مخصوص ریز کنترل‌گرها (Microcontrollers) است و تمرکز آن بر مصرف بسیار پایین انرژی و قیمت مناسب است. این پردازنده‌ها در محصولات اینترنت اشیا (IoT)، گجت‌های پوشیدنی، تجهیزات خانگی هوشمند، کنترلرهای صنعتی کوچک، سنسورها و ساعت‌های هوشمند به‌وفور دیده می‌شوند.

این سری شامل مدل‌هایی با مشخصات و قدرت‌های مختلف است:

• Cortex-M0 و M0+ برای کاربردهای بسیار ساده و کم‌هزینه طراحی شده‌اند.
• Cortex-M3  تعادل مناسبی میان کارایی و مصرف انرژی دارد.
• Cortex-M4 دارای قابلیت پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) و واحد محاسبات ممیز شناور است.
• Cortex-M7 برای کاربردهای پیچیده‌تر با نیاز به عملکرد بالاتر در نظر گرفته شده است.
• Cortex-M33 و M55 نیز قابلیت‌های امنیتی پیشرفته و پشتیبانی از پردازش عصبی را ارائه می‌دهند.

تفاوت‌ها بین سری‌های مختلف Cortex

اگر بخواهیم بدون جدول تفاوت‌ها را بررسی کنیم:

سری Cortex-A برای سیستم‌هایی است که به توان پردازشی بالا نیاز دارند. این پردازنده‌ها می‌توانند سیستم‌عامل‌هایی مانند Android یا Linux را اجرا کنند و اغلب چند‌هسته‌ای هستند. در عوض مصرف برق بیشتری دارند و برای سیستم‌هایی که همیشه به برق وصل هستند مناسب‌ترند.

سری Cortex-R برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به دقت، سرعت پاسخ بالا و عملکرد بدون وقفه دارند. در شرایطی مانند کنترل ایربگ خودرو یا تجهیزات پزشکی حساس، حتی چند میلی‌ثانیه تأخیر می‌تواند بحرانی باشد؛ بنابراین Cortex-R باتکیه‌بر پاسخ‌گویی سریع و قابلیت اطمینان بالا طراحی شده است.

سری Cortex-M برای کاربردهایی طراحی شده که ساده‌تر و کم‌مصرف‌ترند. اگر یک دستگاه تنها وظیفه کنترل چند ورودی و خروجی ساده یا خواندن داده از حسگرها را دارد، سری M بهترین انتخاب است. این سری همچنین برای یادگیری و توسعه‌های اولیه توسط مهندسان و دانشجویان بسیار محبوب است.

مزایای استفاده از پردازنده‌های ARM Cortex

دلایل محبوبیت پردازنده‌های سری Cortex عبارت‌اند از:

۱. مصرف انرژی بسیار پایین: این ویژگی به خصوص در دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند، اهمیت زیادی دارد.

۲. مقیاس‌پذیری بالا: از پردازنده‌های بسیار ساده در وسایل IoT تا پردازنده‌های قدرتمند در گوشی‌های هوشمند، همگی در این خانواده یافت می‌شوند.

۳. پشتیبانی گسترده از نرم‌افزارها و ابزارهای توسعه: ابزارهایی مانند Keil، STM32Cube،GCC  و CMSIS توسعه روی این پردازنده‌ها را آسان کرده‌اند.

۴. امنیت و قابلیت اطمینان: به‌ویژه در سری‌های Cortex-R و برخی مدل‌های Cortex-M، امکانات امنیتی و مدیریت خطا در سطح سخت‌افزار تعبیه شده است.

۵. انعطاف‌پذیری در طراحی سخت‌افزار: شرکت‌ها می‌توانند طراحی اختصاصی خود را بر اساس هسته‌های ARM ایجاد کنند که این موضوع در ساخت محصولات متنوع نقش کلیدی دارد.

کاربردهای دنیای واقعی

در زندگی روزمره، شاید بدون اینکه متوجه باشیم، هر روز با چندین پردازنده ARM Cortex در ارتباط هستیم. برای مثال:

در گوشی‌های هوشمند، پردازنده مرکزی اغلب بر پایه یکی از مدل‌های سری Cortex-A طراحی شده است. در ساعت‌های هوشمند و مچ‌بندهای سلامت، معمولاً از مدل‌های Cortex-M0+  یا M4 استفاده می‌شود.

در سیستم‌های ایمنی خودرو مانند ترمز ABS، احتمال دارد که از پردازنده‌های سری Cortex-R بهره گرفته شده باشد.

در وسایل خانگی هوشمند مانند یخچال، ماشین لباسشویی یا چراغ‌های هوشمند، پردازنده‌های کم‌مصرف Cortex-M حضور دارند.

در بردهای توسعه مانند Arduino یا STM32، بسیاری از آن‌ها از هسته‌های Cortex-M استفاده می‌کنند و گزینه‌ای عالی برای یادگیری برنامه‌نویسی و طراحی سیستم‌های امبدد هستند.

جمع‌بندی

سری ARM Cortex مجموعه‌ای گسترده از هسته‌های پردازنده است که برای کاربردهای متنوع و در سطوح مختلف طراحی شده‌اند. از دستگاه‌های کوچک و کم‌مصرف تا سیستم‌های پیچیده با پردازش بالا، ARM Cortex  گزینه‌ای قدرتمند، انعطاف‌پذیر و قابل اطمینان است. این خانواده به‌لطف مصرف انرژی پایین، عملکرد مناسب و سازگاری با نرم‌افزارها و ابزارهای توسعه مختلف، تبدیل به یکی از ارکان اصلی صنعت الکترونیک و فناوری اطلاعات در دنیا شده است.