Arquitectura ARM: qué es, características y uso en móviles y sistemas integrados

Descubre la arquitectura ARM: características, eficiencia energética, uso en móviles y sistemas integrados, evolución a 64 bits y aplicaciones en smartphones y Linux.

La arquitectura ARM es una arquitectura de CPU de ordenador que se utiliza habitualmente en sistemas integrados y dispositivos móviles como teléfonos móviles, tabletas y consolas de juegos portátiles como la Game Boy Advance. Las CPUs ARM utilizan muy poca electricidad y producen muy poco calor. La mayoría de las CPUs ARM funcionan con batería y no necesitan un ventilador de refrigeración. El sistema operativo Linux es el más utilizado en las CPUs ARM.

En 2013 ARM era la arquitectura de CPU de 32 bits más popular del mundo. Desde entonces, la producción ha aumentado a millones por día. La ARM de 64 bits, que permite direccionar espacios de memoria muy superiores a los límites de 32 bits, está disponible desde entonces y se utiliza en la mayoría de los smartphones modernos.

Características principales

• Modelo RISC: ARM es una arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing), diseñada para ejecutar instrucciones simples y eficientes, lo que reduce el consumo energético y simplifica el diseño del procesador.
• Eficiencia energética: su bajo consumo la hace ideal para dispositivos móviles y sistemas integrados que funcionan con baterías o requieren mínima disipación térmica.
• Conjuntos de instrucciones: incluye modos como ARM (32/64 bits), Thumb y Thumb-2 (instrucciones compactas para reducir tamaño de código), además de extensiones como NEON (aceleración SIMD) y VFP (coma flotante).
• Seguridad y virtualización: muchas implementaciones soportan TrustZone para separación segura del entorno, soporte de virtualización y características recientes como autenticación de punteros (PAC) en versiones ARMv8.x.
• Escalabilidad: existe una familia amplia de núcleos (por ejemplo, las series Cortex-A, Cortex-R y Cortex-M) adaptadas a alto rendimiento, tiempo real y microcontroladores, respectivamente.
• big.LITTLE y heterogeneidad: permite combinar núcleos de diferente eficiencia y rendimiento en el mismo chip (SoC) para equilibrar autonomía y potencia de cálculo.

Variantes y evolución

ARM ha evolucionado a través de varias versiones del conjunto de instrucciones (ARMv4, v5, v6, v7, v8, etc.).

• ARMv7 / 32 bits: fue la base de muchos smartphones y sistemas embebidos durante años.
• ARMv8 / 64 bits: introdujo el soporte nativo de 64 bits y mejoras de rendimiento y seguridad, acelerando su adopción en móviles, servidores y ordenadores personales.
• Microcontroladores: la línea Cortex-M ofrece núcleos de muy bajo consumo y uso en IoT, wearables y electrónica de consumo.
• Sistemas en chip (SoC): los fabricantes integran CPU ARM junto a GPU, controladores de memoria, y otras IP dentro de SoC para teléfonos, tablets y dispositivos inteligentes.

Licencias y fabricantes

Arm Holdings (ahora conocida como Arm) diseña la arquitectura y los núcleos de referencia, pero no fabrica chips. En su lugar, licencia diseño y/o la ISA a terceros. Empresas como Qualcomm, Samsung, Apple, MediaTek y many otras implementan diseños ARM en sus SoC; Apple incluso diseña sus propios núcleos compatibles ARM para las familias A y M.

Uso en móviles y sistemas integrados

ARM domina el mercado de dispositivos móviles: prácticamente todos los smartphones y la mayoría de las tablets usan procesadores basados en ARM por su eficiencia energética. En sistemas integrados, desde routers hasta electrodomésticos, automoción y equipos médicos, la flexibilidad de ARM y su amplia oferta de núcleos permiten soluciones adaptadas a cada necesidad.

Ejemplos recientes muestran la expansión de ARM más allá de móviles: servidores basados en ARM (por ejemplo, AWS Graviton) y ordenadores personales con chips ARM de alto rendimiento (por ejemplo, la serie Apple M) demuestran que la arquitectura también compite en rendimiento por vatio en segmentos tradicionales de x86.

Compatibilidad de software y ecosistema

El ecosistema de desarrollo para ARM es amplio: compiladores (GCC, LLVM/Clang), sistemas operativos (Linux, Android, iOS, variantes de RTOS) y herramientas de depuración están disponibles. Aunque históricamente existieron retos de compatibilidad binaria frente a x86, hoy en día la mayoría de aplicaciones móviles y servidores están optimizadas para ARM, y existen capas de emulación cuando es necesario.

Ventajas y desventajas

• Ventajas: bajo consumo energético, menor disipación térmica, escalabilidad, amplio soporte en dispositivos móviles y embebidos, y un ecosistema de software en expansión.
• Desventajas: en algunos segmentos de alto rendimiento puro (máquinas de escritorio/legacy x86) puede requerirse reoptimización de software; además, la fragmentación entre distintos diseños de fabricantes a veces complica la compatibilidad a nivel de sistema.

Conclusión

La arquitectura ARM es una familia de ISA y diseños de CPU orientados a eficiencia energética y flexibilidad, presente en miles de millones de dispositivos: desde pequeños microcontroladores hasta potentes SoC para móviles y servidores. Su evolución hacia 64 bits, sus extensiones de seguridad y las implementaciones heterogéneas han ampliado su alcance, consolidándola como una de las arquitecturas más importantes en la computación moderna.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es la arquitectura ARM?

P: ¿Por qué son populares las CPU ARM en los dispositivos móviles?

P: ¿Qué sistema operativo se utiliza habitualmente en las CPU ARM?

P: ¿Cuándo fue ARM la arquitectura de CPU de 32 bits más popular del mundo?

P: ¿Cuántas CPU ARM se producen cada día?

P: ¿Qué es ARM de 64 bits?

P: ¿Dónde se utiliza habitualmente ARM de 64 bits?

Búsqueda por letra