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Smartphones multi-ncleo e Arquitetura ARM para Dispositivos
Mveis.
lvaro Nayder Loureno Vargas
Fernanda Ftima Nonato
Patrcia Corniani
Wliam Gonalves Pinto
Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais PUC Minas -
Unidade Arcos Arcos MG Brasil
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1. Introduo
Com a constante evoluo da tecnologia, evolui tambm a crescente
gama de
smartphones, companheiros das pessoas no dia-a-dia que alm de
fornecer a possibilidade de
fazer ligaes, cada vez mais nos ajuda e possibilita desde a
realizao de tarefas dirias
momentos de lazer e diverso.
Com essa evoluo da tecnologia mvel, cada vez mais se torna
necessrio que
smartphones sejam mais potentes para poder suprir de forma gil
as necessidades e a
Resumo. Smartphones sempre vo evoluindo de acordo com as
necessidades de
seus usurios e com o avano da tecnologia. Neste trabalho ser
apresentado
as caractersticas e o funcionamento dos processadores utilizados
por esses
dispositivos, a utilizao de multi-ncleo nos processadores,
apresentar as
vantagens e desvantagens da utilizao dessas tecnologias e o que
o futuro
dessa tecnologia poder proporcionar.
Palavras-chave: ARM, smartphones, multi-ncleos
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esposailidade de pesa e exeuta taefas fia ao cargo do
processador. Com a necessidade dos processadores serem mais
potentes comearam a adotar processadores multi-
ncleo para uma melhor realizao das tarefas.
Processadores ARM so os processadores utilizados pelos
smartphones que no geral
garantem um bom desempenho para os aparelhos e um baixo consumo
de energia. Os
processadores ARM tambm so utilizados em PDAs, cmeras digitais,
DVDs Blu-Ray, Wireless
Lan, Bluetooth, automveis entre vrios outros dispositivos.
O objetivo deste trabalho prover informaes sobre smartphones
cujos processadores
possuem mais de um ncleo, o funcionamento da Arquitetura ARM
para Mobile Devices,
mostrar os atuais smartphones que trabalham com processadores
multi-ncleo e suas
diferenas e explicitar as vantagens e desvantagens da adoo dessa
tecnologia.
Este trabalho est dividido da seguinte forma: na seo 2 temos as
caractersticas e o
funcionamento dos processadores ARM. Na seo 3 temos uma
demonstrao da evoluo dos
processadores multi-ncleo. Na seo 4 mostrado os principais
smartphones disponveis no
mercado e suas diferenas. Na seo 5 temos as vantagens e
desvantagens da adoo de
processadores ARM e adoo de processadores multi-ncleo. Na seo 6
feita uma pequena
abordagem sobre o futuro dos processadores multi-ncleos. Na seo
7 temos as consideraes
finais sobre as tecnologias abordadas neste trabalho.
2. Arquitetura ARM
Nesta seo ser abordada as caractersticas e o funcionamento da
Arquitetura ARM
para Mobile Devices.
2.1 Histrico
A arquitetura ARM (Advanced RISC Machines) inicialmente foi
criado no intuito de
desenvolver um processador equiparado ao que j era utilizado o
MOS Technology 6502, atravs
do projeto que comeou em 1983 na Arcon Computers de Cambridge,
Inglaterra. O processador
Berkeley RISC1 tambm foi de grande ajuda para o desenvolvimento
da arquitetura ARM, j que
foi herdado muitas de suas caractersticas, como instrues de
tamanho fixo (32 bits), formato
das instrues e a arquitetura load-store, porm ao contrrio da
RISC1, a Arcon decidiu utilizar
instrues multi-ciclos. A primeira verso terminou de ser
desenvolvida em 1985 nomeada
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como AMR1, no chegou ao mercado, fazendo com quem a Arcon
continuasse desenvolvendo
at terminar a criao da segunda verso, ARM2 que possua 30.000 mil
transistores e era o
processador de 32 bits mais simples no mercado na poca, o que no
lhe tornava inferior aos
demais processadores (RISC ou CISC) mais complexos, pois seu
desempenho chegava superar
muitos destes processadores. Mesmo com o passar do tempo as
verses antigas da arquitetura
no deixaram de ser utilizadas e desenvolvidas, pois o uso de
cada uma dessas verses voltada
para um nicho do mercado. Atualmente a arquitetura est na sua 11
verso.
2.2 Caractersticas Principais:
Abordagem das principais caractersticas sobre a arquitetura e os
smartphones multi-
ncleo.
2.2.1 Conjunto de Instrues
Um dos grandes interesses pela arquitetura ARM na utilizao de
aplicaes moveis o
baixo consumo de energia que foi possvel devido as implementaes
pequenas, j que seu
desenvolvimento foi voltado para obter implementaes mais
simples, sem perder o
desempenho.
Caatestias iteessates da auitetua ARM: Conjunto grande e
uniforme de registradores; Arquitetura de Load/Store. Operaes de
processamento de dados no operam
diretamente com o contedo da memria, somente com o contedo de
registradores; Modos de endereamento simples, com todos endereos de
load/store sendo determinados a partir dos registradores ou pelos
campos da instruo; Uniformidade e tamanho fixo dos campos das
instrues para simplificar a decodificao de instrues; Controle sobre
a ULA e sobre o shifter (deslocador) em todas instrues de
processamentos de dados; Auto incremento e decremento dos endereos
das instrues. Instrues de mltiplos loads/stores para maximizar a
performance; Execuo condicional da maioria das instrues. (GOMES,
Pedro Henrique. 2011)
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2.2.2 Registradores
A arquitetura ARM possui 31 registradores de 32 bits com
propsito geral, porm
dependendo do momento apenas 16 registradores so visveis. Os
registradores restantes so
usados em operaes de exceo, assim o processador pode substituir
algum dos 16
registradores comuns por determinado registrado especifico
quando o processador entra em
um de seus modos especiais de operao.
Os dois registradores especificados abaixo tem papel
especial:
Link Register (R14) Quando se trata de uma instruo utilizada na
chamada de sub-rotinas, este registrador vai estar com o endereo da
prxima instruo a ser executada
aps um Branch and Link (BL). Aps est situao ser resolvida o
programador pode
utilizar o R14 normalmente. Program Counter (R15) - possui o
endereo da prxima instruo a ser executada pelo processador. Sempre
possui o valor do endereo da instruo atual mais 8 bytes.
2.2.3 Modos da Arquitetura ARM
Durante a execuo de um programa se ele no sair do seu processo
normal este se
encontrar em mode user. Pode ocorrer mudanas nos modos de
operaes, atravs de
interrupes externas ou atravs de controle de software.
Abaixo so citados os 7 modos de operaes que a arquitetura ARM
suporta.
User mode: execuo normal de programas de usurios. Excees:
FIQ (Fast Interrupt): suporta a transferncia rpida de dados; IRQ
(Interrupt): utilizado para tratamento de interrupes maneira geral;
Supervisor: um modo protegido para o sistema operacional; Abort:
implementa memria virtual e/ou proteo de memria; Undefined: suporta
emulao em software de co-processadores;
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System: executa tarefas privilegiadas do sistema operacional,
existente a partir da verso 4 do ARM.
2.2.4 Tipos de Instrues
Nas instrues ARM uma caracterstica muito importante so os bits
de condies e
quase todas possuem 4 bits condicionais. O registrador CPSR
contm 4 bits de flag e a maioria
das instrues de processamento podem atualiza-los. Este
registrador indicam a ocorrncia de
uma resultado nulo, de resultado negativo, de Carry ou Overflow.
Dependendo da situao em
que os bits de flag se encontram possvel informar se a instruo
ser executada ou no. Ento
se torna possvel existir at 16 situaes condicionais por meio
desses 4 Bits, uma dessas
situaes sempre ser utilizada para execuo incondicional de uma
instruo a outra para
instrues que no possibilitam execuo condicional.
O conjunto de instrues do ARM possui 6 importantes classes:
Instrues de Branch: As informaes que esto sendo processadas, ou
que sero processadas, ou que j foram processadas so tratadas pela
instruo de branch, este
sistema que determina antes de realizar as operaes.
Instrues de processamento de dados: Existem 12 instrues que tem
o mesmo formato e fazem operaes lgicas e aritmticas com at dois
operandos de origem,
escrevendo o resultado em um terceiro operando, de destino.
Essas instrues podem
atualizar os bits de flag.
Transferncia de registradores de status: Na instruo MRS o
contedo do registrador de status e movido para um registrador de
propsito geral e a instruo MSR faz o
procedimento inverso, alm de ser utilizada para realizar o
ajuste de valores como o dos
flags, bits de interrupo ou para mudar o modo do
processador.
Instrues de Load / Store: Atravs dos registradores possvel ter
acesso mais rpido que memria e permitem obter um cdigo mais
compacto.
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Instrues de co-processador: So instrues que podem ser utilizadas
para fazer transferncia de dados entre registradores do ARM e do
seu co-processador, ou que
podem iniciar uma operao no co-processador e podem tambm
transferir dados
deste ltimo para a memria e vice-versa.
Instrues de gerao de excees: A instruo BKPT utilizada caso uma
rotina de tratamento esteja instalada no vetor de interrupes essa
exceo tratada como
breakpoint e se h um hardware de debug instalado ela tambm pode
tratar essa
instruo como breakpoint, causando uma exceo de aborto. Quando
necessrio
fazer uma chamada ao sistema operacional normalmente se utiliza
a instruo SWI, que
vai causar um interrupo de software.
3. Smartphones com processadores multi-ncleo
Inicialmente os primeiros smartphones utilizavam processadores
com somente um
ncleo. Com a constante evoluo e atualizao do software utilizado
pelos mesmos e com a
crescente necessidade de mais poder de processamento foram
dobrando a quantidade de
ncleos utilizados pelos smartphones.
Respectivamente comearam a aparecer aparelhos com processadores
dual-core (dois
ncleos) como o Iphone 5 da Apple, Samsung Galaxy S2, Nokia Lumia
920 e Motorola Razr D3,
processadores quad-core (quatro ncleos) como o Samsung Galaxy
S3, LG Google Nexus 4, HTC
One X, BlackBerry Z10 e ZTE Era, e atualmente com processadores
octa-core (oito ncleos) tendo
como exemplo o Samsung Galaxy S4
4. Dispositivos no mercado e diferenciais
Entre os principais smartphones topo de linha disponveis no
Brasil esto:
Samsung Galaxy S4; Apple Iphone 5; Nokia Lumia 920; LG Optimus
G; Motorola Razr HD; Sony Xperia ZQ;
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Comparao e diferenas dos smartphones disponveis no mercado:
Galaxy S4 Iphone 5 Lumia 920 Optimus G Razr HD Xperia ZQ
Chipset Exynos 5
Octa 5410 Apple A6
Qualcomm MSM8960 Snapdrago
n
Qualcomm MDM9615/APQ
8064
Qualcomm
MSM8960
Qualcomm APQ8064 Snapdragon S4 Pro
CPU
Octa-core 1.6 GHz
Cortex-A15 & quad-core 1.2
GHz Cortex-A7
Dual-core 1.2 GHz
Dual-core 1.5 GHz
Krait
Quad-core 1.5 GHz Krait
Dual-core 1.5 GHz
Quad-Core 1.5 Ghz
RAM 2 GB 1 GB 1 GB 2 GB 1 GB 2 GB
OS Android
4.2.2 iOS 6.1.2
Windows Phone 8
Android 4.1.2 Android
4.0.4 Android 4.1
Elaborado pelo autor
5. Vantagens e Desvantagens
Como qualquer tecnologia a utilizao das tecnologias abordadas
neste trabalho
existem prs e contras, importante conhecer muito bem as
vantagens que elas podero
proporcionar e tambm as desvantagens de sua utilizao.
5.1 Vantagens ARM
Existe uma srie de vantagens, tais como a economia de energia, o
tamanho fsico do
chip. E por conter circuitos mais simples, torna os
processadores feitos seguindo esta
arquitetura, mais rpidos, ou seja, com um clock mais alto.
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Mas o principal realmente a economia de energia. Logicamente
essa economia no
reflete grandes nmeros nas contas de luz, mas as baterias duram
mais quando os
processadores exigem menos energia. E essa reduo no consumo s
ocorre porque os
processadores ARM utilizam circuitos menores
As vantagens da arquitetura ARM so flexibilidade,
grficos/multimdia em IP e
processador com nvel de integrao e footprint.
5.2 Vantagens da utilizao de processadores multi-ncleo
Economia no preo de licenciamento de softwares proprietrios,
passando a ter um
maior poder de processamento sem necessitar de uma nova
mquina.
Processadores multi-ncleo permitem um maior desempenho com menor
energia. Isso
pode ser um fator importante em dispositivos mveis que funcionam
com baterias. Podemos
citar que cada ncleo de um processador multi-ncleo mais
eficiente em termo de economia
de energia, logo o chip fica mais eficiente e mais econmico,
sendo um multi-ncleo.
5.3 Desvantagens da utilizao de processadores multi-ncleo
Apesar da boa performance dos processadores multi-ncleos, h
desvantagens na
adoo da mesma. necessrio que na implementao do sistema
operacional, ele consiga lidar
com a diviso das tarefas pelos ncleos existentes para que haja o
aumento no desempenho do
dispositivo. Vale a pena explicitar tambm que a utilizao de
muitos ncleos em um
processador pode demandar mais energia para mant-lo, o que
causaria mais desperdcio da
energia utilizada pelo processador.
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6. Futuro
Hoje a arquitetura ARM unanimidade em dispositivos portteis. Alm
de estar em
99,9% dos atuais smartphones, usado em e-book readers (Kindle),
video-game portteis (Nin-
tendo DSe 3DS), players de mdia (toda a famlia de iPods),
aparelhos de GPS, etc.
Ao contrrio da Intel, que agora est correndo atrs do prejuzo com
sua arquitetura
Atom para entrar no mercado de sistemas embarcados, a ARM vm aos
poucos oedo pelas eiadas para comear a ocupar um reinado que tem
sido da Intel durante um bom tempo. J apareceu em alguns netbooks
rodando Linux. A Microsoft j anunciou que est portando seu
sistema operacional para ARM.
Com as pesquisas e evolues na tecnologia de processadores
multi-ncleo, em alguns
anos os smartphones e tablets estaro mais poderosos. A empresa
Intel apresentou um
prottipo de processador multi-ncleo com 48 ncleos que de 10 a 20
vezes mais potente que
os processadores atuais, com isso os dispositivos sero mais geis
em execuo de tarefas e
mais poderos.
7. Consideraes finais
Os processadores ARM so uma tima arquitetura para ser utilizado
em smartphones
pois utiliza de pequenas implementaes que tenha um baixo consumo
de energia nos
dispositivos e possuindo um timo poder de processamento, que
podem superar o
processamento de processadores complexos.
A utilizao de processadores multi-ncleos faz com que o
processamento se torne mais
gil podendo dividir as tarefas pelos ncleos existentes. Segundo
Stephen Elop [2012], diretor
executivo da empresa Nokia mais ncleos em um smartphone no
significa necessariamente
que os dispositivos sero melhores. Somente a adio de mais ncleos
nos processadores de
smartphones no garante melhora e rapidez de execuo das tarefas,
necessrio que o sistema
operacional seja otimizado e consiga lidar com dois ou mais
ncleos no processador.
As pesquisas realizadas na rea promete um futuro promissor para
a tecnologia dos
processadores ARM e processadores multi-ncleos o que ir garantir
um melhor processamento
dos dispositivos.
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Referncias
ADRENALINE. Intel apresenta processador com 48 ncleos. Disponvel
em: <
http://adrenaline.uol.com.br/tecnologia/noticias/3608/intel-apresenta-processador-com-48-
nucleos.html> Acessado em 2 jun. 2013
ARM. Disponvel em: Acessado em 01 jun.2013
DOLCOURT, Jessica. 7 myths about quad-core phones (Smartphones
Unlocked). Disponvel em:
Acessado em 03 jun. 2013
GAMEVICIO. Disponvel em: Acessado em 02 jun. 2013
GSMARENA. Disponvel em: Acessado em 02 jun. 2013
GOMES, Pedro Henrique. A arquitetura ARM. Disponvel em:
Acessado
em 04 jun.2013
PORTOCARRERO, David Sarmiento. Futurologa: Intel planea un CPU
con 48 ncleos para
tablets y smartphones. Disponvel em: Acessado em 03 jun.
2013.
PRADO, Jorge. A onipresente arquitetura ARM. Disponvel em:
Acessado em 01 jun. 2013
