ARMプロセッサの用途は変遷してきた

　ARMプロセッサ（アームのプロセッサコア）は、命令セット（ARMv1～v7）と実際の製品が複雑な関係になっている。アームが開発したコアを図にまとめた。

ARMプロセッサの変遷　《クリックで拡大》

　まず、ARMv1／ARMv2に属するのはAcornのマイコン向けだ。そのため、組み込み向けとなるとARMv3に当たる「ARM7」（※）が挙げられる。ARM7は32ビットのプロセッサながら、パイプラインは3段、4～8Kビットのユニファイドキャッシュを搭載し、動作周波数は40MHz前後と小規模なものである。

※厳密にはこの前に「ARM6」があり、アップルの「Newton」をはじめ幾つかの製品で使われたが、広く使われ始めたのはARM7からなので、あえてARM7から説明する

　ARM7の後継である「ARM9」と「ARM7TDMI」は、どちらもARMv4という新しい命令セットを搭載しているが、方向付けがはっきり分かれている。ARM9は、パイプライン数増加やMMU（Memory Management Unit）およびMPU（Memory Protection Unit）の実装など高機能化を目指したプロセッサである。それに対し、ARM7TDMIはパイプライン数を3段のままとし、「ARM9と同じプログラムの実行を実現しつつ、より低価格・低消費電力」を目指した。性能的に従来のARM7で足りる用途にはARM7TDMI、より高性能な向きにはARM9という明確なパーティショニングが行われたのだ。

　これは、次のARMv5でも同じである。ハイエンドには、6段パイプラインやハーバードアーキテクチャ（命令／データでキャッシュを分割する方式）、静的ながら分岐予測、そしてLSU（Load／Store Unit）の命令をALU（Arithmetic Logic Unit）命令と同時に発行できるスーパースケーラが搭載された。また、DSP（Digital Signal Processor）命令や「Jazelle」（Javaをネイティブ実行できるアクセラレータ命令）が搭載可能になったことで、大幅に性能を引き上げた。一方で、同じARMv5に属しながら、やはり低価格向けを狙った「ARM9E」は、パイプラインは5段のまま留め置かれ、スーパースケーラやDPS／Jazelleなどは搭載していない。しかも、キャッシュの代わりにTCM（Tightly Coupled Memory）を利用したあたりが、ARM9Eの使われ方を示唆している。

　ARMv5の段階で、以下のようなポジショニングがなされた。

　この構図はARMv6でも変わらない。ハイエンドとなるARM11はARM10をさらに高機能化しており、パイプライン数の増加だけでなく、動的分岐予測を備えてスーパースケーラも強化されたほか、SIMD（Single Instruction Multiple Data）演算エンジンも搭載された。また、ARM11をベースに最大4コアまでのマルチプロセッサに対応できる「ARM11MP」も投入されている。加えて、ARM11からはオプション扱いではあるものの、DVFS（Dynamic Voltage/Frequency Scaling）も採用されるケースが出てきた。CPU負荷に合わせて動作周波数と電圧を変化させることで、待機状態の消費電力を下げるという仕組みだ。CPU外部に電圧／周波数を管理する機構や電圧を可変する機構が必要になり高コストになるため、組み込み向けでの採用例はそう多くない。しかし、ARM11クラスのプロセッサともなると待機時の消費電力削減の要求が高く、多少追加コストが掛かってでも消費電力を下げる方が優先される場合がある（例えば携帯電話向けなど）ことに対応したものだ。

Cortexファミリの登場

　これに続く世代がARMv7である。この世代から製品名がCortexに変わり、「高性能アプリケーション向け」「リアルタイム制御向け」「SoCといった組み込み向け」という3種類のプロファイルに分かれた。それぞれのプロファイルは以下のような形で、旧来の製品をすべて置き換えるラインアップとなっている。

　ハイエンドである「Cortex-A8」は、13段というかなり長めのパイプラインとなり、必要に応じてさまざまな要素を強化し、性能が大幅に上がっている。どのくらい性能が向上したのか見てみよう。

　ARM11は、おおむね1.35DMIPS／MHz程度の性能で、600MHz程度で駆動されるので800DMIPS強の整数演算性能である。対して、Cortex-A8はピークで2.0DMIPS／MHzまで性能が引き上げられ、1GHz程度での動作が可能なため、2000DMIPSまで積み上がる。実に2.5倍もの性能アップであり、実際一昔前のPC向けプロセッサと大差ない性能になっている。さらに、その後継となるCortex-A9ではアウトオブオーダーまで搭載。ピーク性能は2.5 DMIPS／MHzに達している。それ故に内部構造はかなり複雑で、こちらもPC向けプロセッサと大差ない。従ってトランジスタ数も大幅に増え、DVFSだけでは待機時の消費電力削減が不十分になってきた。そこで、内部には全面的にクロックゲーティング（動作に必要ない回路へのクロック供給を止めることで消費電力を削減する手法）を採用している。

　一方、「Cortex-R4」はここまでの性能は必要ないというスタンスで、ARM11よりもやや低め（1.6 DMIPS／MHzで300MHz弱）を狙った設計となっている。Cortex-R4はむしろSoCにした場合の制御能力やSoCとの親和性が問われる。これはキャッシュの代わりにTCMが使えることからも明らかだ。

　ローエンドの「Cortex-M3」はパイプライン数が3段と少なく、キャッシュやTCMもない。MMUはなく、MPUがオプションで使えるというあたりは、間違いなくARM7TDMIの後継といった位置にある。

Cortex-M3のブロック図。Cortex-M3はMCUとして使用する際に使いやすくなることを前提に設計されている（画像提供：アーム）

　そのCortex-M3のさらにローエンドに位置するのが「Cortex-M1」である。これはSoCなどではなく、FPGA（Field Programmable Gate Array）上で動作するCPUコアという特殊な位置付けの製品となっている。そのため、実行できる命令もCortex-M3のサブセットで、世代的にはARMv6に位置する。

　このCortex-Mシリーズで実行できるThumbについては、もう少し説明する必要があるだろう。

ARMの拡張機能は用途によって違うものが採用されている

　ARMは基本的に（ARM1の時代から）32ビットのCPUである。従って扱えるデータは当然最大32ビットということになるが、実際にARMコアを使うアプリケーションはもっと小さなデータ量しか扱わない場合がある。有名な例の1つが任天堂の「ゲームボーイアドバンス」である。同製品はARM7TDMIを搭載しているが、実際は8ビット／16ビットのゲーム機として動作している。こうしたケースでは32ビット命令のサポートは不要で、16ビット以下のデータだけが扱えれば十分である。

　こうした用途に向けてアームがARMv4で追加した命令体系がThumbである。Thumb命令は一種の拡張命令という扱いだが、16ビット以下のデータしか扱えない代わりに通常のARM命令よりも高い命令密度を実現できる。プログラムサイズをコンパクトにできるため、少ないメモリ容量で動作するのだ。この仕組みのおかげで、ARM7TDMIを使った場合、16ビットクラスのMCUと同等のメモリ量でより高速に動作するといった環境が提供できるようになった。このThumb命令は、その後一部拡張したThumb-2命令に切り替わる（※）。そして、Thumb-2命令を全面的に採用したのがCortex-M3である。Cortex-M3は、Thumb-2命令は実行できるが、32ビットのARM命令はサポートしていない。つまり、実質的に16ビットのMCUと同じということだ。

※この切り替わりはちょうどARMv6のタイミングであったため、ARM11にはThumbに対応したものとThumb-2に対応したものが混在している。

　これをさらに推し進めたのがCortex-M1で、FPGA上で動作するため使わないであろう幾つかの命令を省いてしまった、機能限定型のThumb-2である（そのような理由で世代的にはARMv7に達しておらず、ARMv6相当という扱いになっている）。

ARMの地位は揺るがず、より広がりを見せる可能性

　ちなみに、ここで挙げたものはあくまでもアームが開発したコアのみである。このような表現をするのは、ARMからアーキテクチャライセンスを受け、自由に拡張を行っているベンダーも幾つかあるためだ。例えば、有名なものではARMv4のライセンスを受けて、スーパーパイプラインを搭載したDEC（※）の「StrongARM」や、StrongARMをDECから買収するとともにARMv5のアーキテクチャライセンスを受けて独自のSIMDエンジンを載せたインテルの「XScale」、同じくARMv5のアーキテクチャライセンスを受け、アウトオブオーダとスーパースケーラを組み合わせたMarvellの「Feroceon」などが挙げられる。細かい部分では、多くのベンダーが独自のアプローチでコアの改良や強化を行っており、一概に語るのは難しい。こうした、非常にさまざまな構成や派生型があるのがARMというプロセッサの特徴といえよう。ARMは現在、最もメジャーなプロセッサの1つであり、今後もARMのアーキテクチャを利用した製品は増えると思われる。

※Digital Equipment Corporation。1998年にコンパックコンピュータ（2002年にヒューレット・パッカードに吸収合併）に買収された。