ARM7, ARM9 e ARM11

Os processadores ARM podem ser divididos em duas grandes famílias. A primeira é a dos chips ARM7, ARM9 e ARM11, que são mais antigos (embora sejam ainda os mais usados) e a linha Cortex, que representa a geração mais atual.

Os chips ARM11 são os usados na maioria dos smartphones atuais (praticamente todos os aparelhos com o Symbian ou o Windows Mobile lançados entre 2007 e 2009), enquanto os ARM9 e ARM7 são comuns em aparelhos mais simples e em produtos eletrônicos diversos. Eles são processadores de 32 bits muito baratos e fáceis de programar, o que oferece uma flexibilidade muito grande:

Os chips ARM11 oferecem um desempenho por ciclo ligeiramente superior (1.2 DMIPS por MHz, contra 1.1 DMIPS por MHz dos ARM9), mas a grande diferença (do ponto de vista do desempenho) entre as duas famílias reside no número de estágios de pipeline, usados no processamento das instruções. Os chips ARM9 utilizam um pipeline de 5 estágios, enquanto os ARM11 utilizam um pipeline de 8 estágios.

Similar ao que temos nos processadores para micros PC, o uso de mais estágios de pipeline permite que cada estágio execute um volume menor de processamento por ciclo (ou seja, que cada um execute um percentual menor do trabalho), o que permite que o processador opere a uma frequência mais elevada. Uma analogia simples seria comparar com uma linha de produção, imaginando que cada estágio de pipeline corresponde a um operário. Se o trabalho é dividido entre um número maior de operários, cada um passa a executar um número menor de passos e a esteira pode correr mais rápido, resultando em uma produção maior.

Isso explica porque os chips baseados em chips ARM9 ficam restritos à casa dos 200 a 250 MHz (e são por isso usados em aparelhos mais antigos, ou mais baratos), enquanto os baseados em processadores ARM11 atingem frequências de 400 a 600 MHz.

Os chips ARM7, por sua vez, são processadores muito mais simples, que foram originalmente usados em dispositivos da década de 1990, como o Psion 5 e o Apple Newton, mas que, recentemente, ressurgiram como chips auxiliares, usados como parte do transmissor 3G em smartphones e em modems 3G USB. Por serem muito simples, eles desempenham essa tarefa de forma bastante eficiente, consumindo menos energia que outros chips (mais complexos) precisariam para executar a mesma carga de trabalho.

Tanto os chips ARM9 quanto os ARM11 são processadores single-issue, que são capazes de processar uma única instrução por vez, de maneira similar aos antigos chips 486. Apesar disso, o conjunto de instruções otimizado e as muitas outras otimizações fazem com que o desempenho seja surpreendentemente competitivo.

O TI OMAP 2420 usado no Nokia N800, por exemplo (comporto por um processador ARM11 de 400 MHz e um chip DSP auxiliar de 220 MHz) é capaz de rodar um sistema Linux completo e exibir vídeos MPEG4 com resolução de 600×336 e bitrate de 768 kbps (usando o Mplayer) de maneira satisfatória:

Os chips ARM9 são quase sempre produzidos usando uma técnica de 0.13 micron, enquanto os ARM11 são baseados no processo de 0.9 micron (90 nm), várias gerações atrasados em relação aos processadores x86. O consumo elétrico é bastante baixo devido à arquitetura dos chips, mas o clock e o desempenho ficam muito longe do que seria obter usando uma técnica de produção mais atual.

Atualmente estamos assistindo a uma migração para os chips da família Cortex, que oferecem uma arquitetura melhorada e são produzidos usando técnicas mais atuais de fabricação.

A família Cortex é composta for três arquiteturas distintas. Na base da pirâmide temos os Cortex A5, que são chips simples e de baixo consumo, destinados a substituírem os ARM9 e ARM11 e aplicações diversas. Em seguida temos os Cortex A8, que são chips mais poderosos, destinados a smartphones e outros dispositivos móveis e os Cortex A9, que são chips multicore de alto desempenho.