Họ vi xử lý ARM - lịch sử phát triển và ứng dụng trong tương lai (P1)

Hiện nay, các bộ vi xử lý nhúng họ ARM - Advwice RSC Machine được ứng dụng rất rộng rãi, từ thiết bị viễn thông, điện thoại thông minh (smartphone), máy tính bảng (tablet), đồ điện tử gia dụng như máy giặt, điều hòa, tủ lạnh... hơn hẳn các họ vi xử lý khác. Theo báo cáo của ARM Holding, tổng số chip nhúng có lõi ARM bán ra trong năm 2013 lên tới 10 tỷ chíp. Mô hình kinh doanh giấy phép quyền sử dụng sở hữu trí tuệ của ARM Holding chính là động lực giúp phát triển đa dạng các loại chíp vi xử lý RISC và các hệ thống SoC (System on a Chip) phù hợp với các dạng bài toán và yêu cầu khác nhau về vi xử lý trong thời đại bùng nổ thiết bị dí động cá nhân hiện nay. Bài báo giới thiệu về lịch sử hình thành cũng như mô hình phát triển ứng dụng và xu hướng phát triển trong tương lai của chip vi xử lý họ ARM.

LỊCH SỬ CỦA  ARM

Cuối năm 1978, Hermann Hauser và Chris Curry đã thành lập Công ty Acorn Computers, Ltd. ở Cambridge - Anh quốc. Ban đầu Acorn hoạt động như một nhóm tư vấn, đã từng có hợp đồng phát triển máy ép trái cây có ví xử lý. Sau bước khởi đầu nghiên cứu và phát triển, Hauser và Curry đã chọn một bộ xử lý công nghệ MOS 6502 cho dự án - một trong những bộ vi xử lý 8 bít giá rẻ nhất thị trường tại thời điểm đó trong khi các tính năng như dễ lập trình, tốc độ xử lý, độ tin cậy tương đương với các bộ vi xử lý khác. Ngoài ra, 6502 cũng nổi tiếng với khả năng xử lý ngắt tốc độ chậm của nó, làm nó dễ dàng xử lý các sự kiện ngắt từ bên ngoài. 6502 có thiết kế đơn giản, chỉ có 3.510 transistor (so với 6.500 transistor trong vi xử lý 8085, 8.500 transistor trong Z80). 6502 xuất hiện trong nhiều thương hiệu máy tính nổi tiếng trong lịch sử máy tính như Apple II, Atari 2600 và Commodore VIC-20...

Sau đó, Arcon tiếp tục thắng các hợp đồng và tiếp tục sử dụng 6502 cho các dự án của mình. Với kinh nghiệm về vi xử lý 6502, Acorn đã phát triển nên Acorn System 1 - được thiết kế bởi Sophie Ilson dựa trên 6502. Hệ thống này nhỏ gọn nhẹ và có giá hợp lý (96,43 USD) nên không chỉ được chấp nhận trong phòng thí nghiệm chuyên nghiệp mà còn rất được hâm mộ trên thị trường. Nó bao gồm hai bảng mạch: 

bảng phía trên chứa các nút bấm hexa và một màn hình 7 thanh nhỏ, hiển thị dữ liệu, bảng mạch dưới chứa bộ vi xử lý và các mạch điện hỗ trợ. Một bộ phần mềm giám sát đơn giản trong ROM cho phép soạn thảo bộ nhớ và phần mềm được lưu trữ trong các băng cassette. Đa số các hệ thống được bán dưới dạng kit tự lắp ráp. Sau đó, Acorn đã giới thiệu hệ thống mới, cho tới System V năm 1983, hệ thống này vẫn sử dụng chip 6502, nhưng có thể gắn trên rack và có bộ điều khiển đĩa cứng, bộ điều khiển màn hình và các bộ điều phối RAM.

Tiếp theo là sản phẩm Acorn Atom - một máy tính cá nhân sử dụng chip 6502. Thời điểm này, Acorn đã có kinh nghiệm rất tốt về vi xử lý 6502, cho phép đẩy bộ vi xử lý tới giới hạn của nó. Các trải nghiệm của Acorn với 6502 có thể coi như huyền thoại. Tuy nhiên, vi xử lý 6502 nhanh chóng trở nên lỗi thời do các công nghệ tiên tiến mới đồng nghĩa với các bộ xử lý nhanh hơn xuất hiện. Từ đây, nội bộ Acorn bắt đầu sa đà vào các tranh luận về thị trường mục tiêu: hàng điện tử gia dụng hay các phòng thí nghiệm chuyên nghiệp. Cuối cùng, Acorn quyết định làm dự án Proton: máy tính được cải thiện dựa trên 6502 với nhiều tính năng mở rộng. Nhờ trúng hợp đồng dự án phổ cập máy tính của đài BBC, máy tính Proton đã khá thành công với tên mới là BBC Micro, mang lại lợi nhuận tới 13,6 triệu USD trên tổng số khoảng 12.000 máy vào tháng 7/1983. Năm 1984, Acorn tuyên bố chiếm tới 85% các máy tính của các trường học tại Anh, với sản lượng 40.000 máy/ tháng. Sau 12 năm, đã có khoảng 1,5 triệu máy BBC Micro được bán ra thị trường.

TẠI SAO ACORN QUYẾT ĐỊNH TỰ CHẾ TẠO MỘT BỘ VI XỬ LÝ MỚI

Khi các hệ thống đồ họa mới nổi lên trên thị trường thì Acorn gặp phải vấn đề lớn: vi xử lý 6502 không thể dùng được trong lĩnh vực đồ họa. Vi xử lý 68000 của Motorola lúc đó là vi xử lý 16/32 bit được sử dụng trong các máy tính thương mại và gia đình nhưng lại có thời gian đáp ứng ngắt chậm nên không sử dụng được cho các giao thức truyền thông (trong khi 6502 không gặp phải vấn đề này). Sau quá trình lựa chọn, thử nghiệm các vi xử lý trên thị trường, cuối cùng, Acorn quyết định thực hiện theo cách riêng của họ là tự chế tạo một bộ vi xử lý.

Tự chế tạo bộ vi xử lý không nhất thiết phải làm mới. Khi đó là thời hoàng kim của các bộ vi xử lý đa dụng và một vài công ty đang thiết kế CPU chỉ bằng cách sử dụng phim trong suốt và bút. Đến tháng 4/1985, bộ vi xử lý RISC của Acorm ra đời gọi là ARM1. Nó hoạt động hoàn hảo ngay lần đầu tiên chỉ có một khác biệt là một bộ vi xử lý thiết kế hoàn toàn bằng tay. Ứng dụng chính của ARM1 là vi xử lý đồng hành cho BBC Micro và giúp tạo ra bộ vi xử lý ARM2. Các chip thế hệ tiếp theo được bán ra dưới dạng vi xử lý đồng hành hoặc các mạch liên kết trong BBC Master. Năm 1987, bộ máy tính dựa trên ARM đầu tiên được bán ra gọi là Acorn Archimedes. 

VÌ SAO ACORN TRỞ THÀNH ARM

Khi thị trường cho ngành giáo dục bắt đầu đi xuống, ưu tiên của Acorn là mở ra các thị trường mới và bắt đầu thúc đẩy thiết kế vi xử lý của mình. VLSI, đối tác của Acorn được giao nhiệm vụ tìm kiếm các ứng dụng mới cho các bộ vi xử lý ARM. Hauser có một công ty độc lập là Active Book phát triển các hệ thống di động dựa trên vi xử lý ARM2. Nhóm công nghệ tiên tiến ATG (Advanced Technology Group) của công ty Apple đã liên hệ với Acorn và bắt đầu tìm hiểu các bộ vi xử lý ARM. Mục tiêu của nhóm ATG là tạo ra máy tính giống Apple-II nhưng dự án đã bị đình chỉ do có nhiều mục tiêu lẫn lộn với các hệ thống Macintosh. Sau đó, Apple đã quay lại nghiên cứu ARM và giới hạn cho dự án Newton. Dự án yêu cầu một bộ vi xử lý có mức tiêu thụ công suất ấn định, hiệu năng cao và giá hợp lý. Vi xử lý phải có khả năng dừng hẳn trong một khoảng thời gian khi đóng băng xung nhịp. Thiết kế của Acorn gần đạt tới mục tiêu của Apple nhưng vẫn chưa đầy đủ. Một số các thay đổi đã được yêu cầu, tuy nhiên, Acorn thiếu các nguồn lực cần thiết để thực hiện các thay đổi đó. Vì thế Apple đã giúp đỡ Acorn và sau một thời gian hợp tác, một công ty mới đã được thành lập. Tháng 10/1990, với các nguồn vốn từ VLSI, Acorn và Apple, công ty ARM đã được thành lập. Tên ARM ban đầu là viết tắt của Acorn RISC Machine và sau khi rời khỏi Acorn, ARM viết tắt cho Advance RISC Machine.

Ths. Nguyễn Khánh Tiềm

(còn nữa)

(TCTTTT Kỳ 2/5/2014)