解説：さまざまなARMプロセッサ 〜16ビットから32ビットまで〜

一口にARMプロセッサといっても，ARM7とかARM10と呼ぶこともあれば，ARM V5とかARM V6という言い方をする場合もある。ARMプロセッサはどのように進化し，どのようなバリエーションを持っているのだろうか。

【国内記事】

2001年8月22日更新

　前回はARMプロセッサの概略を説明したが（8月20日の記事参照），もう少し細かい説明をお届けしたい。一口にARMプロセッサといっても，ARM7とかARM10なんて言い方をすることもあれば，ARM V5とかARM V6なんて言い方をする場合もある。実はこの両者，全く異なった事を指しているのだが，ぱっとこれを理解するのは難しい。そこで今回はARMプロセッサの系譜をご紹介する。

ARMアーキテクチャの変遷

　ARMプロセッサを分類する場合，アーキテクチャと実際のプロセッサを分けて考える必要がある。これは別にARMだけの話ではない。たとえばIntelのプロセッサを考えると，32ビットプロセッサだけを見ても，

386アーキテクチャ

486アーキテクチャ

Pentiumアーキテクチャ

PentiumII（PentiumPro）アーキテクチャ

PentiumIIIアーキテクチャ

Pentium4アーキテクチャ

　の6種類のアーキテクチャに分類される。その上で，PentiumIIIならばKatmaiコアのSlot1タイプ，CoppermineコアのSlot1タイプとSocket370タイプ，TualatinコアのSocket370タイプ，Coppermine-128KコアのCeleronがデスクトップ用にリリースされている。ではARMの場合はどうだろう。

　ARMの場合，現在のところ5つのアーキテクチャが存在する。名称は簡単で，それぞれARM Version 1/2/3/4/5と名前を付けられている。最近IntelとTIが，新アーキテクチャであるARM Version 6のライセンス供与を受けるというニュースが発表になったが（7月31日の記事参照），こちらはまだ詳細が未発表の将来製品であり，とりあえずはVersion 5が最新製品である。

　以下，簡単に説明すると，

• Version 1

　Acornが作成した初代ARMプロセッサに採用された，26ビットアドレッシングの製品。機能は極めて簡素で，コプロセッサも存在せず，極めて少数のCPUのみが生産された。

• Version 2

　量産出荷された最初のバージョン。基本的にはVersion1と互換ながら，32ビットの演算命令を追加し，外部のコプロセッサをサポートするようになった。また，オンチップキャッシュを搭載したVersion 2aというアーキテクチャも存在する。

• Version 3

　ARMがAcornから独立して最初に設計したプロセッサ。32ビットアドレッシングや仮想メモリサポートなど，本格的なプロセッサといえる数々の機能強化を受けている。このVersion 3はVersion 2aと後方互換性を持っているが，ほかにVersion 2aとの後方互換性を切り捨てたVersion 3G，あるいは64ビット演算命令を追加したVersion 3Mも存在する。

• Version 4

　特権モードという概念が導入されたほか，データ処理命令が強化された。また，Thumbと呼ばれる16ビット圧縮形式命令をサポートした，Version 4Tも存在する。

• Version 5

　パイプラインの深化による性能向上とDSP命令のサポート，それとベクタ演算コプロセッサのサポートが主な違いである。

　といったところだ。細かく違いを挙げるとキリがないが，大まかにはこんなところだ。

ARMプロセッサの変遷

　次に，このARMアーキテクチャが，どのARMプロセッサに採用されているかを見てみよう。

プロセッサ名称	アーキテクチャ
プロセッサの説明
ARM1	ARM Version 1
Acornが当時製造していたArchimedesというマシンのプロトタイプに少数利用されただけである。
ARM2	ARM Version 2
8MHzで動作し，最大4.7MIPS程度の性能を出した。Archimedesの製品版ほかいくつかのマシンに搭載され，大量に販売された。
ARM3	ARM Version 2a
24〜37MHzで動作し，33MHz動作時には18MIPS程度の性能を出している。これもAcornのワークステーションに搭載され，販売された。なお。ARM3コアに周辺回路を搭載し，キャッシュを削除したARM250というCPUも存在する。
ARM4&5	N/A
AcornからARMに会社が変更された過程で，この2つはスキップされた。
ARM6	ARM Version 3/3M
多くのバージョンが存在する。例えばARMからリリースされているだけで，ARM60（ARM6コアをそのままワンチップ化した）/ARM61（ARM6の回路の一部をハードワイアード化）/ARM600（周辺回路を内蔵）/ARM601（ARM600の低消費電力版）/ARM610（ARM600の高性能版）/ARM650（RAMを内蔵）などがある。ARM610の場合36万トランジスタで構成され，33MHz動作時に27〜28MIPSの性能を出す。このARM610は，Appleの「Newton Message Pad」に搭載された。
ARM7	ARM Version 3/3M
ARM6の高性能版と考えればいい。オンチップのキャッシュサイズが増加され，メモリ管理機構が一部改良されている。また電源が+5Vから+3.3Vに下げられた。こちらも製品レベルでは，山のように派生型がある。40MHz動作時のARM710は，ほぼ36MIPSの性能を出す。
AMULET1	ARM Version 3/3M
アーキテクチャ的にはARM6/7と同じながら，整数演算部にこれまでとは異なる5段のパイプラインを導入することで高性能化を図ったものである。これにより，72MHz動作のARMは最大86MIPSを叩き出し，遂にMIPS値が動作クロックを上回った。
StrongARM	ARM Version 4
ARMと旧DECが共同開発した製品。修正ハーバードアーキテクチャ（命令とデータに別々のキャッシュを割り当てる）を採用すると共に，パイプラインの全体の構成を見直し，更に内部のデータ構造をチューニングしたことで，これまでとはけた違いに高速に動作するようになった。200MHz動作のSA110は230MIPSもの性能を出し，しかも500mW程度の消費電力でしかない。ちなみにその後DECのStrongARM部門はIntelに買収され，XScaleと名前を変えて更に進化している。
ARM9	ARM Version 4/4T
ARM8にStrongARMと同様の改良を施したもの。その意味ではStrongARMの派生型といえなくもない。ただし大きな違いとして，Thumbをサポートしていることが挙げられる。先ほどはさらっと流したThumbだが，実際にはパフォーマンスと消費電力（＝発熱）のバランスを考えたときに，非常に有効な命令セットである。Thumbは命令を16ビットに限定し，その分命令コードを（物理的に）圧縮したものである。これにより必要とするメモリ量が減少し，外部メモリ用の電力を抑えられるほか，（16ビット命令に限っては）処理速度自体も向上するため，動作クロックを下げられるという優れものである。ただし絶対性能の面では32ビットのほうが高速なため，後はこれを使う設計者が，目的に応じてトレードオフできるというものである。ちなみに150MHz動作のARM9TDMIの場合，165MIPSの処理性能を225mWの消費電力で実現できる。
ARM10	ARM Version 5
最近のPC並にプロセスルールを0.15〜0.25μｍに引き下げ，300MHz動作時に400MIPS程度の演算性能を実現し，その際でも1W未満の消費電力を実現した製品。またARM VFP10と呼ばれるコプロセッサと組み合わせるとSIMD演算が可能になり，例えばページプリンタのベクトルフォント展開とか，PDAでのビデオ再生機能などに大きく貢献するとしている。ちなみにStrongARMを改良したIntelのXScaleも，現在はこのVersion5相当と考えてよい。

　ここまで示してきたのは，あくまで単体のプロセッサだが，実際にはほかのチップと組み合わせた例が非常に多いのがARMプロセッサの特徴である。

　例えば，携帯電話向けにDSP（Digital Signal Processor：音声をデータ化し，適切なフィルタリングを行ったり，その逆を行うのに適したチップ）とARMプロセッサを一体化した製品が多く発売されており，多くの携帯電話が採用している。同様に，フラッシュメモリと一体化された製品も多い。

　もう1つの特徴は，古い製品も未だに入手可能ということだ。例えばARM7を生産するメーカーは，未だに20社以上存在する。これはARMの方針（ライセンス供与はまずARM7から開始し，次第に高機能のARMプロセッサを生産できるようになる）もさることながら，需要があることが最大の動機である。それほど高い性能が不要な場合，最新プロセスを利用した極めて小さなARM7プロセッサは，コスト・消費電力の両面で極めて魅力的であり，しかもそうした製品が複数ベンダーから入手できるから，供給面でも魅力的である。

　こうしたマーケットのおかげで，開発ツールをはじめとするサポートも当然充実しており，ARMプロセッサを新規に使い始める場合でもそれほどの困難がない。これがまたマーケットの拡大に役立つ。PalmがARMを採用するに至った決断の中には，こうした部分も少なからず含まれているのは確かだろう。

[大原雄介，ITmedia]

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