ما الفرق بين بنية ARM وهندسة X86؟

سنقوم بشكل رئيسي بتقديم الاختلافات بين بنية ARM وبنية X86.

أولاً، يقدم مخطط بنية ARM، وثانيًا، يقدم مخطط بنية X86، وأخيرًا من جوانب الأداء وقابلية التوسع وتوافق نظام التشغيل وراحة تطوير البرامج وتنوع الأدوات المتاحة واستهلاك الطاقة يتم مقارنة بالتفصيل بين بنية ARM وبنية X86.

ما هي هندسة ARM؟

كانت تسمى هندسة ARM في السابق بآلة مجموعة التعليمات المخفضة المتقدمة (AdvancedRISCMachine، والتي كانت تسمى سابقًا AcornRISCMachine).

إنه معالج ذو بنية مجموعة تعليمات مخفضة (RISC) 32 بت، والذي يستخدم على نطاق واسع في العديد من تصميمات الأنظمة المضمنة. نظرًا لخصائص توفير الطاقة، فإن معالج ARM مناسب جدًا لمجال الاتصالات المحمولة، والذي يتوافق مع هدف تصميمه الرئيسي المتمثل في انخفاض استهلاك الطاقة.

تشكل عائلة ARM اليوم 75% من بين جميع المعالجات المضمنة ذات 32 بت، مما يجعلها واحدة من أكثر المعالجات المضمنة ذات 32 بت في العالم.

يمكن رؤية معالجات ARM في العديد من المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية، من الأجهزة المحمولة (المساعد الرقمي الشخصي PDA، والهواتف المحمولة، ومشغلات الوسائط المتعددة، والألعاب الإلكترونية المحمولة، والكمبيوتر) إلى الأجهزة الطرفية للكمبيوتر (القرص الصلب، وجهاز التوجيه المكتبي) بل إنها موجودة حتى في المنشآت العسكرية مثل أجهزة الكمبيوتر المحملة بالصواريخ.

مخطط معماري ARM

تتكون من وحدة حسابية منطقية 32 بت، وسجلات عامة 32 بت وسجلات حالة، ومضاعف 32 بت، وسجل إزاحة أسطواني 32 بت، وفك تشفير التعليمات ومنطق التحكم، وخط أنابيب التعليمات، وسجل البيانات/العناوين.

1. وحدة الحساب والمنطق (ALU): تتكون من مزلاجين للمتعاملين، ومجمعين، ووظائف منطقية، ونتائج، ومنطق الكشف عن الصفر.
2. مسجل تحويل على شكل دلو: يعتمد ARM على مسجل تحويل على شكل دلو 32 بت، والذي يمكنه تحريك n بت إلى اليسار/اليمين، ويمكن إكمال تحويل الحلقة لـ n بت والتحويل الحسابي لـ n بت إلى اليمين في وقت واحد.
3. مضاعف عالي السرعة: يعتمد المضاعف عمومًا على طريقة "إضافة تحويلة واحدة" لتحقيق الضرب. من أجل تحسين سرعة التشغيل، يعتمد ARM طريقة الضرب المكون من رقمين لتحقيق عملية "إضافة تحويلة واحدة" وفقًا لبتتين من المضاعف؛ يعتمد مضاعف ARM عالي السرعة على بنية 32 بت و 8 بت، وبهذه الطريقة، يمكن تقليل مستوى التكامل (مساحة الشريحة المقابلة أقل من 1/3 من المضاعف الموازي).
4. مكون النقطة العائمة: يتم استخدام مكون النقطة العائمة كخيار لإطار ARM. يتم توصيل مسرع النقطة العائمة FPA10 بإطار ARM كطريقة معالجة مشتركة ويتم تنفيذه من خلال شرح تعليمات المعالجة المشتركة.
5. وحدة التحكم: تعتمد وحدة التحكم ARM على مجموعة منطقية قابلة للبرمجة PLA.
6. يسجل.

هندسة X86

في الوقت الحاضر، معظم بنيات أجهزة الكمبيوتر الشخصية هي بنيات X86 من Intel، ويبدو أن هذا يرجع إلى أن بنية X86 من INTEL كانت في ذروتها منذ فترة طويلة. بنية X86 هي مجموعة تعليمات لغة الكمبيوتر التي ينفذها المعالج الدقيق.

يشير إلى اختصار تسلسلي قياسي لسلسلة أجهزة الكمبيوتر للأغراض العامة من Intel ويحدد أيضًا مجموعة من مجموعات تعليمات الكمبيوتر للأغراض العامة.

وفقًا للوحات الأم والمنصات والهندسة المعمارية المختلفة، توجد اختلافات طفيفة.

على سبيل المثال، قامت العديد من اللوحات الأم بدمج الجسر الشمالي في وحدة المعالجة المركزية والجسر الجنوبي في وحدة المعالجة المركزية المركزية، ولكن الإطار العام لا يزال هو نفسه.

فيما يلي مقدمة موجزة لكل محتوى في مخطط الهندسة المعمارية هذا.

مخطط معمارية X86

1: وحدة المعالجة المركزية، وهو مصطلح مألوف لدى الجميع، هي العقل الأساسي لجهاز الكمبيوتر، وحدة المعالجة المركزية.

2: شريحة الجسر الشمالي: الجسر الشمالي عبارة عن شريحة موجودة على اللوحة الأم للكمبيوتر، وتقع بجوار مقبس وحدة المعالجة المركزية وتلعب دور الاتصال.

3: شريحة الجسر الجنوبي هي جزء مهم من مجموعة شرائح اللوحة الأم، والتي توجد عمومًا في الجزء السفلي من اللوحة الأم بعيدًا عن فتحة وحدة المعالجة المركزية وبالقرب من فتحة PCI، ويأخذ هذا التصميم في الاعتبار وجود العديد من حافلات الإدخال / الإخراج المتصلة بها، وكونها بعيدة عن المعالج يساعد على التوصيل.

4: الذاكرة هي أحد المكونات المهمة في الحاسوب.

إنها بمثابة جسر للتواصل مع وحدة المعالجة المركزية، حيث تعمل جميع البرامج في الكمبيوتر في الذاكرة، وبالتالي فإن أداء الذاكرة له تأثير كبير على الكمبيوتر.

5: بطاقة الفيديو (بطاقة الرسومات) هي بطاقة واجهة العرض، والمعروفة أيضًا باسم محول العرض، وهي واحدة من أكثر التكوينات الأساسية والملحقات المهمة للكمبيوتر.

6: عرض الواجهة.

7: بطاقة الشبكة هي أحد مكونات الشبكة التي تعمل في طبقة الارتباط. وهي عبارة عن واجهة تربط بين الكمبيوتر ووسيلة الإرسال في شبكة LAN. ولا يمكنها فقط تحقيق الاتصال المادي ومطابقة الإشارات الكهربائية مع وسيلة الإرسال في شبكة LAN، بل إنها تتضمن أيضًا وظائف إرسال واستقبال الإطارات وتغليف الإطارات وفكها والتحكم في وصول الوسائط وترميز البيانات وفك تشفيرها وتخزين البيانات مؤقتًا.

8: الوظيفة الأساسية لبطاقة الصوت هي تحويل إشارات الصوت الأصلية من الميكروفونات والأشرطة والأقراص الضوئية وإخراجها إلى معدات الصوت مثل سماعات الأذن ومكبرات الصوت ومكبرات الصوت ومسجلات الصوت وما إلى ذلك، أو جعل الآلة تصدر صوتًا رائعًا من خلال واجهة الجهاز الموسيقي الرقمية (MIDI).

9:SATA (Serial Advanced Technology Attachment) عبارة عن واجهة برنامج تشغيل أجهزة تسلسلية تعتمد على معايير الصناعة. وتتكون من Intel وIBM وDell وAPT ومواصفات واجهة القرص الصلب التي اقترحتها Maxtor وSeagate.

10: القرص الصلب هو أحد وسائل التخزين الرئيسية في الحاسب الآلي، ويتكون من قرص واحد أو أكثر من الألومنيوم أو الزجاج، ويكون القرص مغطى بمواد مغناطيسية حديدية.

11: حافلة.

1. الأداء

على أية حال، فإن أجهزة الكمبيوتر ذات بنية X86 أسرع وأقوى بكثير من أنظمة بنية ARM من حيث الأداء. وحدة المعالجة المركزية X86 أكبر من 1 جيجا بايت، ثنائية النواة، رباعية النواة شائعة، وعادة ما تستخدم عملية 45 نانومتر (أو حتى أكثر تقدمًا) للإنتاج؛

في حين أن ARM: وحدة المعالجة المركزية عادة ما تكون عدة مئات من الميجابايت، إلا أنه في الآونة الأخيرة، ظهرت وحدة معالجة مركزية بحجم 1 جيجا بايت فقط، وعادة ما تستخدم العملية أقل من 65 نانومتر.

يمكن القول أن ARM ليس منافسًا لنظام بنية X86 من حيث الأداء وعملية الإنتاج.

ومع ذلك، فإن ميزة ARM لا تكمن في أدائها القوي ولكن في كفاءتها. تعتمد ARM على مجموعة تعليمات خط أنابيب RISC، والتي تعاني بشكل أساسي من عيب في إكمال العمل الشامل، ومع ذلك، في بعض التطبيقات ذات المهام الثابتة نسبيًا، يمكن ممارسة مزاياها بالكامل.

2. توسيع القدرة

يتم توصيل أجهزة الكمبيوتر ذات بنية X86 بأجهزة التوسعة (مثل الأقراص الصلبة والذاكرة) بطريقة "جسر".

علاوة على ذلك، ظهرت أجهزة الكمبيوتر ذات بنية X86 منذ ما يقرب من 30 عامًا، وهناك العديد من أنواع الأجهزة الداعمة الموسعة وسعرها منخفض نسبيًا، لذلك يمكن لأجهزة الكمبيوتر X86 توسيع أدائها بسهولة، مثل إضافة الذاكرة والأقراص الصلبة.

يربط الكمبيوتر ذو البنية ARM وحدة المعالجة المركزية بجهاز تخزين البيانات من خلال واجهة بيانات مخصصة، لذا فإن التخزين وتوسيع الأداء في ARM مثل الذاكرة أمر صعب التنفيذ (بشكل عام، تم تحديد سعة تخزين الذاكرة والبيانات أثناء تصميم المنتج). لذلك، لا يتم النظر في التوسع بشكل عام للأنظمة ذات البنية ARM. اتبع بشكل أساسي مبدأ "الكفاية جيدة".

3. توافق نظام التشغيل

يهيمن تحالف Wintel الذي أنشأته Microsoft وIntel على نظام X86. وقد احتكر نظام تشغيل الكمبيوتر الشخصي لمدة 30 عامًا تقريبًا، وشكل مجموعة ضخمة من المستخدمين وعزز بشكل كبير عادات الاستخدام للعديد من المستخدمين، وفي الوقت نفسه، شكل نظام X86 معيارًا موحدًا من حيث تطوير الأجهزة والبرامج.

يمكن لجميع منصات الأجهزة X86 تقريبًا استخدام نظام Microsoft Windows وجميع الأدوات والبرامج الشائعة تقريبًا بشكل مباشر، وبالتالي، تتمتع أنظمة X86 بمزايا لا مثيل لها في التوافق.

تعتمد جميع أنظمة ARM تقريبًا على أنظمة التشغيل Linux، ويتعين على جميع أنظمة الأجهزة تقريبًا إنشاء أنظمتها الخاصة بشكل منفصل، وهو ما لا يتوافق مع الأنظمة الأخرى، مما يؤدي إلى عملية زرع غير مريحة لبرامج التطبيقات الخاصة بها، وهذا يحد بشكل كبير من تطوير وتطبيق نظام ARM.

بعد أن طورت شركة جوجل نظام أندرويد المفتوح، قامت بتوحيد نظام تشغيل الكمبيوتر مع بنية ARM، مما مكن نظام الكمبيوتر الذي تم إطلاقه حديثًا والذي يعتمد على بنية ARM من الحصول على نظام تشغيل موحد ومفتوح ومجاني، كما يوفر دعمًا قويًا ودفعًا لتطوير ARM.

4. سهولة تطوير البرمجيات وتنوع الأدوات المتاحة

لقد مر ما يقرب من 30 عامًا منذ إطلاق نظام البنية X86.

خلال هذه الفترة، مرت أجهزة الكمبيوتر X86 بفترة ذهبية من التطور السريع. تطبيقات المستخدمين، ومطابقة البرامج، ومطابقة أدوات تطوير البرامج والتوافق، وما إلى ذلك، وصلت إلى حالة ناضجة للغاية أو حتى مثالية.

لذلك، فإن استخدام أنظمة الكمبيوتر X86 لا يوفر فقط عددًا كبيرًا من برامج الطرف الثالث للاختيار من بينها، بل يوفر أيضًا عددًا كبيرًا من أدوات برمجة البرامج لمساعدتك في إكمال العمل الذي تريد إكماله.

بسبب قيود أداء الأجهزة، وتبسيط نظام التشغيل وتوافق النظام، لا يمكن لنظام الكمبيوتر ذي بنية ARM أن يحتوي على العديد من أدوات البرمجة وبرامج الطرف الثالث للاختيار من بينها واستخدامها مثل أنظمة الكمبيوتر X86. تستخدم لغات برمجة ARM في الغالب C وJAVA.

عند مقارنة هذه النقطة، فإن الاستنتاج الأكثر مباشرة هو أن تطوير البرمجيات القائمة على منصة نظام الكمبيوتر هيكل X86 أسهل وأبسط من نظام هيكل ARM، والتكلفة الفعلية أقل أيضًا، وفي الوقت نفسه، من الأسهل العثور على برامج تابعة لجهات خارجية (مما يلغي الوقت والتكلفة المترتبة على التطوير الذاتي)، ومن الأسهل زرع البرامج.

ومن خلال التحليل المقارن أعلاه، يتبين لنا بوضوح تام أن أجهزة الكمبيوتر ARM وX86 لا يمكن مقارنتها على الإطلاق، وأن ARM ليس خصمًا لأجهزة الكمبيوتر X86 على الإطلاق.

نعم، إذا تم أخذ الجوانب المذكورة أعلاه بعين الاعتبار فقط، فإن ARM لا تستطيع حقًا التنافس مع أجهزة الكمبيوتر X86، حتى بدون التأهيل للمقارنة.

ومع ذلك، خلال العامين الماضيين، تطورت منتجات ARM بسرعة في تطبيقات المحطة الطرفية، وخاصة تطبيقات المحطة الطرفية المحمولة (مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية)، وتجاوز حجم مبيعاتها حجم مبيعات أجهزة الكمبيوتر X86 بكثير.

من الممكن ملاحظة أن ARM تتمتع بميزة لا تضاهى مع أجهزة الكمبيوتر X86. وتتمثل هذه الميزة في: استهلاك الطاقة.

5. استهلاك الطاقة

نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر X86 تحتاج إلى تلبية احتياجات التطبيقات المختلفة، فإن أفكار تطويرها هي: الأداء + السرعة.

على مدى العشرين عامًا الماضية، نمت سرعة أجهزة الكمبيوتر X86 من بضعة أمتار من 8088 إلى بضعة جيجا بايت فقط الآن، وهي أيضًا بضعة أنوية. تم تحسين سرعتها وأدائها بآلاف أو آلاف المرات، وجعلت التطورات التكنولوجية أجهزة الكمبيوتر X86 جزءًا لا غنى عنه في الحياة العامة.

ومع ذلك، فإن اتجاه ونمط تطوير أجهزة الكمبيوتر X86 يحافظان على استهلاكها للطاقة مرتفعًا طوال الوقت. فالكمبيوتر لا يستهلك سوى بضع مئات من الواط، حتى أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة التي يطلق عليها استهلاك الطاقة المنخفض وتوفير الطاقة، يوجد منها أكثر من اثني عشر جهازًا، ولا يمكن مقارنة استهلاك الطاقة لأكثر من 20 وات بأجهزة الكمبيوتر ذات بنية ARM.