для чего процессор в телефоне
За что отвечает процессор в вашем смартфоне
Очень часто при выборе смартфона многие не обращают внимание на процессор, а ведь он очень важен. Вы смотрите на экран, фотографируете, слушаете музыку, печатаете сообщение другу или отправляете SMS — за всё это прямую ответственность несёт процессор. Так давайте же поймём, чем данная аппаратная часть так важна и за что же она отвечает.
Snapdragon 865 — процессор нового поколения от Qualcomm
Не так давно были представлены процессоры Snapdragon 865, Snapdragon 765, Apple A13 Bionic, Exynos 990 и Kirin 990. Это процессоры нового поколения, которые будут устанавливаться во все смартфоны 2020 года. Производители нам говорят, что они стали мощнее, производительнее. Но что понимается под этим словом? Ассоциация с тем, что игры будут иметь более привлекательную графику и работать быстрее, не очень полна. Конечно, это одна из главных целей, но, увы, есть много других причин ценить процессор вашего аппарата.
Какие процессы контролирует чипсет/процессор?
Центра́льный проце́ссор (ЦП; также центра́льное проце́ссорное устро́йство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Внутри чипсета располагается ряд важнейших компонентов смартфона. Основным можно назвать ЦПУ — именно он отвечает за все вычисления и работает с памятью устройства. Далее по важности можно выделить графический чип, который отвечает за обработку информации и её преобразования в формат, пригодный для отображения на экране смартфона. Мобильным процессорам свойственно иметь ISP-чип отвечающий за обработку изображений, поступающих с камер устройства.
Также процессор с недавнего времени стал включать в себя AI-чип, который отвечает за обработку вычислений, связанных с машинным обучением (нейросетями). В чипсет также встраивается модем, основная задача которого — обеспечить качественную связь и быстрый интернет. Ну и, конечно, звуковой чип, от него напрямую зависит качество звука.
Чего стоит ждать от процессоров в 2020 году?
Процессоры 2020 года станут мощнее
Зная модель процессора пользователь может примерно понимать не только возможности, связанные со скоростью работы устройства, но еще и то, какую камеру аппарат может получить и какого качества могут быть снимки. По модели процессора можно понять максимально поддерживаемую оперативную память. Всё это позволяет еще на этапе анонса процессоров примерно понять, какими возможностями будут обладать устройства нового поколения.
Так, например, Galaxy S20, по слухам, получит камеру на 108 Мп, но это, как вы заметили, не предел. ЖДём 200-Мп решения? Предлагаем обсудить этот вопрос в нашем Телеграм-чате.
Проблемы, с которыми сталкиваются производители
Главной проблемой процессоров является тепловыделение/энергопотребление. Как правило, речь идёт о цифре в 5 Вт. Каждый год производители придумывают способы увеличить мощность чипсета, чтобы при этом не увеличилось его пиковое тепловыделение. Не так давно начали прибегать к использованию тепловых трубок, так как 5 Вт всё же больше показателей старых процессоров. Например, тепловыделение Snapdragon 800 составляет 3 Вт.
Многие приобретают старые устройства на флагманских процессорах по той же цене, что и новые аппараты на современных чипсетах. Как правило, новые телефоны оказываются слабее прошлогодних флагманских решений. Однако стоит учитывать, что новые чипсеты предлагают более быструю скорость Интернета, лучшую обработку изображения камеры, более качественный звуковой чип. Поэтому не всегда прошлогодние флагманы лучше новых среднебюджетных аппаратов, и это стоит учитывать при выборе устройства.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Вы когда-нибудь задумывались, почему смартфоны под управлением Android обновляются всего два года? Ведь это ощутимо меньше, чем iPhone, которые продолжают поддерживать в течение 5, а то и 6 лет. Google объясняет это тем, что не тянут процессоры. Якобы запаса их мощности не хватает, чтобы вытянуть три и больше обновлений. Поверить в это, честно говоря, было сложно, учитывая, что обычно квалкоммовские «камни» всегда били рекорды производительности. Но оспорить что-либо всё равно было невозможно. Но тут вмешалась Qualcomm.
Xiaomi прочно зарекомендовала себя как один из пяти ведущих производителей смартфонов в мире. В последних отчетах о доле рынка отмечается, что она фактически занимает третье место после Apple. Китайский производитель имеет репутацию компании, предлагающей телефоны по выгодной цене, но при этом у нее так же есть очень широкая экосистема продуктов. В том числе и для умного дома. В нее входят ноутбуки, телевизоры и даже рисоварки с пылесосами. А если включить сюда суббренды, которые просто не поддаются счету, картина становится еще более впечатляющей. Вот только если вы думаете, что начинала компания со смартфонов, то вы ошибаетесь. Увы, но то, почему мы сейчас больше всего знаем компанию, появилось уже позже, а в начале было нечто совсем иное.
Как и любой другой производитель, Samsung выстраивает свой цикл обновления устройств с привязкой к конкретным датам. Так, в этом году мы уже получили серию Samsung Galaxy S21, потом Galaxy A52/72, а чуть меньше месяца назад нам показали два новых складных устройства. В ближайшее время мы еще ждем Galaxy S21FE, но это лишь дополнение линейки, а по-настоящему крупный анонс теперь ждет нас с выходом серии Samsung Galaxy S22. До него осталось еще несколько месяцев, но уже сейчас мы можем сказать, чем будут принципиально отличаться базовая версия смартфона и та, что получит приставку ”Ultra”. Дальше уже вам решать, копить на суперфлагман или ограничиться ”обычной” моделью серии.
Зачем смартфону мощный процессор?
Содержание
Содержание
Бытует мнение, что современные бюджетные смартфоны, или, во всяком случае, часть из них, отлично справляются практически со всеми задачами, гарантируя высокую производительность. А переплачивать за устройство с мощным процессором, якобы, нет никакого смысла. Но насколько верно такое утверждение? Что такого может сделать флагманский смартфон, чего не сможет бюджетный?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, нужно будет не только разобраться в том, какие сценарии использования доступны для современных мобильных устройств, но еще из каких компонентов состоят чипсеты.
Что представляют собой современные мобильные процессоры
Хотя смартфоныв наши дни и позволяют запускать игры, читать и редактировать документы, а также делать массу других операций, но в отличие от системного блока компьютера, в котором пользователь может заменить любые компоненты, в смартфонах и планшетах все построено вокруг процессора и является его неотъемлемой частью.
По сути, мобильный процессор представляет собой однокристальную систему, в которой уже присутствует видеочип, а также различные модули и датчики. На набор функций частично может повлиять производитель, который, к примеру, вправе добавить дополнительные датчики или увеличить количество оперативной и встроенной памяти. Но пользователю уже придется мириться с тем, что есть внутри смартфона, а о возможности апгрейда придется забыть.
Производство мобильных процессоров устроено таким образом, что каждый год выходят новые модели чипов, но далеко не всегда среднестатистический пользователь видит разницу, к примеру, между текущим флагманским процессором, и моделью, которая была самой мощной и технологичной в предыдущем поколении. Но стоит более детально разобраться в вопросе, как выяснится, что разница есть буквально во всем.
Какие процессоры являются мощными
Как кажется поначалу, здесь все предельно просто — чем больше ядер и чем выше их частота, тем мощнее процессор и больше возможностей он предоставляет для пользователя. Если ориентироваться только на эти цифры, может показаться, что часть смартфонов даже мощнее некоторых ПК. Однако многое зависит от архитектуры ядер, а также от графики, которая является составной частью однокристальной системы наряду с процессором.
К примеру, популярные нынче в бюджетном сегменте процессоры только с ядрами Cortex-A53 будут уступать в производительности аналогам с ядрами Cortex-A75 или тем более A76, даже если окажется, что частота последних будет меньше. Но и тут есть подводные камни. Сравним популярные бюджетные чипы MediaTek Helio P22 и Snapdragon 439.
Чип от MTK обладает такими же ядрами, что и продукт от американской компании Qualcomm, но частота чуть выше именно у китайского процессора. Кажется, что Helio P22 предпочтительнее, тем более, что он выдает порой больше баллов в популярных синтетических тестах производительности (к примеру, в Antutu), но, запустив любую игру, сразу ощущаешь, что Snapdragon 439 ведет себя гораздо лучше и стабильнее в плане просадок кадров. Почему же так выходит? А потому, что иногда важнее то, какой видеочип используется в связке с процессором. Есть мнение, что под графику Adreno, используемую Qualcomm, игры и некоторые приложения оптимизированы куда лучше, чем под Mali.
Поспешных выводов из этого делать не следует, так как во флагманских смартфонах тот же Mali отлично справляется с любыми играми, и во всех случаях рассматривать нужно определенные модели процессоров, или, точнее, однокристальных систем.
Игры и приложения
Современные тяжелые игры имеют свойство развиваться в графическом плане, а кроме того в их настройках можно встретить несколько пунктов, позволяющих выбрать тот или иной уровень графики. Со временем могут появляться и новые режимы с улучшенной графикой, а на не слишком мощных мобильных устройствах свежие версии игр и приложений могут банально начать тормозить из-за слишком низких показателей кадров в секунду. Некоторые игры и вовсе не запускаются на смартфонах и планшетах с бюджетными процессорами. Поэтому важно, чтобы в устройстве было как можно более мощное железо, которое могло бы на несколько лет гарантировать отсутствие различных проблем с запуском софта.
Популярные синтетические тесты производительности тоже не стоят на месте — их разработчики постоянно либо выпускают новые версии софта, либо дополняют уже существующие приложения сложными графическими тестами. Причина такого поведения банальна — старые бенчмарки не способны по полной нагрузить постоянно появляющиеся на рынке новые мощные устройства, и это также указывает на развитие мобильных процессоров. Размер приложений тоже увеличивается — софт занимает в памяти устройства все больше места, а для бюджетных процессоров это может стать серьезной нагрузкой.
Быстрая работа
Именно мощные многоядерные процессоры с большим количеством оперативной памяти делают современные устройства по-настоящему многозадачными. Пользователю попросту уже не нужно себя в чем-то ограничивать — можно запустить тяжелую игру, при этом одновременно ведя запись с экрана, а при необходимости, к примеру, и вовсе дополнительно свернуть приложение youtube, разместив маленькое окошко с видео где-нибудь в углу экрана.
Но если отталкиваться от более реальных и популярных в повседневной жизни задач, то в интернет-браузере получится открыть множество вкладок, а в фоновом режиме появится возможность удерживать множество приложений, мгновенно между ними переключаясь. Это будет востребовано для тех пользователей, кто пользуется большим количеством мессенджеров, но это также актуально и для другого софта.
Качественные фото и видео
Когда речь заходит о мобильных устройствах, да и не только о них, то большая часть пользователей убеждена в том, что чем больше мегапикселей в камере, тем качественнее будет итоговый результат. В некоторых случаях это действительно дает отличную детализацию, но так происходит не всегда. И вовсе не удивителен тот факт, что даже в флагманах 2019 года хоть и присутствует режим съемки, к примеру, в разрешении 40 Мп, но производитель рекомендует в настройках выставлять 16, 13 или даже 10 Мп. И, действительно, не на всех смартфонах можно ощутить разницу между снимками в 40 и 10 МП.
А все дело в том, что сейчас количество мегапикселей не так важно (хотя бывают и исключения), особенно в случае с компактными модулями камер, которые имеют определенные ограничения по сравнению со специализированной техникой. В этом случае на первый план выходит постобработка фотографий, и для качественных снимков нужен не только хороший софт, но и мощный процессор, который сможет максимально быстро создать хороший кадр. Также мощное железо, которое должно работать в связке с быстрой памятью, понадобится для того, чтобы камера поддерживала большое количество режимов, в том числе качественную ночную съемку и запись видео с разрешением 4K при 60 кадрах в секунду.
Навигация и связь
Как правило, именно однокристальная система с мощным процессором и прочими качественными компонентами обеспечивает отличное качество навигации. Выражается это в том, что современные мощные смартфоны по сравнению с бюджетными аналогами могут не только работать со всеми видами навигационных систем (а это, помимо GPS и ГЛОНАСС, еще BEIDOU, GALILEO и QZSS), но и видеть при одинаковых условиях большее количество спутников.
Также железо влияет на скорость так называемого «холодного старта», когда смартфон оказывается без интернета и доступа к различным сетям в том месте, где он раньше не бывал, и перед ним стоит задача определить местоположение только по спутникам.
Качество связи и скорость интернета тоже зависят от компонентов однокристальной системы, а беспроводные модули с развитием технологий могут получать все новые стандарты и кодеки, поэтому мощные процессоры влияют даже на качество звука.
Разрешение экрана
Мощные процессоры позволяют использовать в смартфоне дисплеи с разрешением FullHD и выше, тогда как у бюджетных аппаратов часто максимальный показатель ограничивается разрешением HD+ (1600×720 и ниже). Количество пикселей напрямую влияет на качество изображения, хотя у дисплеев есть еще масса критериев, которые важны для получения хорошей картинки. Существует мнение, что разрешения FullHD более чем достаточно для любого смартфона, но учитывая, что мобильные устройства в будущем наверняка все чаще будут использоваться для погружения в мир виртуальной реальности, а это предполагает нахождение смартфона возле глаз, то в этом случае чем выше разрешение экрана, тем лучше. При этом современные устройства позволяют выбрать пользователю разрешение экрана самостоятельно, так что не стоит бояться слишком сильного сокращения срока жизни устройства от одного заряда.
Энергоэффективность
Самые энергоэффективные решения достаются вначале именно смартфонам с новыми мощными процессорами, а уже потом, спустя какое-то время, можно надеяться на их появление и в бюджетном сегменте. Большую роль для обеспечения энергоэффективности играет техпроцесс, а на конец 2019 года флагманские процессоры обладают размерностью 7 нм, что существенно снижает их площадь и положительно сказывается на уменьшении потребления энергии. С другой стороны, чипы становятся все более мощными, но, за счет наличия энергоэффективных ядер, смартфоны могут работать довольно долго даже при максимальной нагрузке.
Итоги
Вне зависимости от вариантов использования мощные процессоры смартфонам без сомнений нужны. В том числе благодаря им обычный кнопочный телефон смог эволюционировать в по-настоящему мультимедийное устройство, которое хоть и не может полностью заменить компьютер, игровую приставку, фотоаппарат и прочие девайсы, но делает пользователя максимально мобильным, позволяя ему в кармане держать девайс, способный, так или иначе, решить множество задач. Причем обычно чем мощнее смартфон или планшет, тем быстрее и качественнее можно справиться с поставленными целями — флагманские решения влияют как на скорость интернета, так и на качество навигации и всех других функций. И суждение о том, что мощный чип нужен только для любителей поиграть в игры, необходимо перенести в разряд мифов.
Что такое процессор в мобильном телефоне
Многие владельцы смартфонов интересуются, что же такое процессор в мобильном телефоне и какие его функциональные возможности.
По аналогии с персональным компьютером, микрочип является сердцем мобильного устройства. Однако он используется вместе с другими компонентами (графическим ускорителем и т.д.), образуя систему, которая выполняет функцию командного центра.
Абсолютным лидером среди разработчиков архитектур для микропроцессоров является компания ARM Limited.
Преимущественное большинство производителей, таких как Samsung, NVidia, Apple и другие, используют при изготовлении чипов технологию ARM.
О версиях архитектур для процессора в телефоне
Архитектура – одна из важнейших характеристик микропроцессоров. Благодаря развитию технического прогресса постоянно расширяются функциональные возможности смартфонов.
Модернизация устройств требует более новых версий «начинки», которые позволяют оптимизировать их работу. Например, увеличить производительность, снизить затраты энергии, прочее.
Однако вместе с преимуществами процессоры более свежих версий имеют некоторые недостатки. Так, устройства на базе ARMv6 оказались не совместимыми с некоторыми приложениями, в частности, играми, разработанными для ARMv7.
Это является не единственным доказательством, что разница между различными версиями одной архитектуры может быть такой же, как между совершенно разными архитектурами.
От чего зависят основные параметры процессора в телефоне
Второй по значимости характеристикой после архитектуры является ядро. В технических параметрах каждого смартфона, как правило, указывается двух- либо четырехядерный процессор.
Ядро определяет следующие параметры работы девайса:
Для трехмерных игр, приложений для обработки видео-, мультимедийных файлов необходимо наличие 4 ядер. Иногда в устройствах используют дополнительное 5 ядро для выполнений несложных задач. таких, как экономия заряда батареи при высокой производительности.
Показывает, какое количество тактов выполняет микропроцессор за интервал времени (секунда). Единица измерения – ГГц, МГц. Величина тактовой частоты пропорциональна скорости работы устройства, а также значению энергопотребления. С целью снижения энергозатрат производители ставят ограничение на ТЧ.
Как работает процессор смартфона #2. От бездушного электричества к логике
Один из читателей DR как-то задал очень простой и конкретный вопрос — каким образом миллиарды микроскопических переключателей (они же — транзисторы) делают так, чтобы на экране смартфона появлялось изображение, а из динамика играла музыка?
Действительно, как это происходит? Ведь внутри телефона нет никакого разума или интеллекта. И, всё же, эти устройства достаточно умны.
К большому сожалению, простого ответа на этот вопрос нет и нам потребуется больше времени, чтобы лишь немножко приоткрыть завесу тайны.
В первой части мы выяснили, что для смартфона не существует никакой музыки, фильмов, фотографий, книг или приложений. Он оперирует лишь единичками и ноликами. Также мы разобрались, как именно картинка, текст или другая информация превращаются в те самые единички и нули, которые затем сохраняются в памяти смартфона.
Но постойте-ка! Какие ещё единички и нули, какая память!? Как можно сохранить в памяти то, чего в реальности не существует? Ведь, числа — это просто абстрактные понятия.
Я могу представить себе одно яблоко или один карандаш. Но это будут образы именно яблок или карандашей. А как представить и сохранить в памяти число? Зачастую, мы просто рисуем в своем воображении «картинку» этого числа — определенную цифру.
Если бы я сказал древнему римлянину запомнить число одиннадцать, он бы представил в уме латинскую букву икс с палочкой (XI), а затем вспоминал бы эту картинку каждый раз, когда хотел вспомнить нужное число. Мы же сохраняем этот образ в виде двух палочек с крючками — 11, то есть, также оперируем картинками и образами.
А что делает смартфон с числами 1 и 0? Как он физически их «запоминает»? Прежде, чем мы сможем ответить на этот вопрос, нужно разобраться с более фундаментальным и важным понятием. Об этом и пойдет речь во второй части.
Что такое транзистор и почему в iPhone 12 их около 12 млрд штук?
С устройством транзистора мы подробно разбирались в статье о том, что такое техпроцесс (те самые 7 или 5 нанометров, которые рекламируют производители смартфонов при выпуске очередного процессора).
Вкратце напомню, что транзистор — это крохотный переключатель (или выключатель), который мы можем «открывать» и «закрывать», словно кран с водой.
Главная особенность транзистора — это три контакта (электрода), называемые исток, затвор и сток. На исток подается основное напряжение от аккумулятора смартфона. Затвор, как можно догадаться по смыслу — это тот самый «кран», открыв который, ток пойдет на выход (сток), то есть, успешно пройдет через транзистор:
Открывается и закрывается транзистор при помощи небольшого напряжения, подаваемого на затвор. Если напряжение на затворе выше определенного порога, транзистор начинает пропускать ток, в противном случае — нет.
Такое незамысловатое устройство позволяет нам «щелкать» выключателем миллионы раз в секунду. А в одном мобильном процессоре находятся миллиарды транзисторов (например, 11.8 млрд в iPhone 12 или 15.3 млрд в Huawei Mate 40 Pro).
С этим, кажется, всё понятно. Есть маленький транзистор, по которому протекает ток и, в зависимости от состояния затвора, он либо проходит дальше, либо блокируется. Можно отобразить это схематически следующим образом:
Итак, если мы подаем напряжение на затвор, тогда транзистор открывается и на выходе имеем ток.
Теперь вспоминаем «единицы и нолики». Представим, что напряжение на затворе — это условная «единица», а отсутствие напряжения — это «ноль». Значит, если подать транзистору на вход «единицу» (дать небольшое напряжение на затвор), на выходе мы также получим «единицу», а если подавать «ноль» (отключить напряжение на затворе), то на выходе тоже будет «ноль» (нет тока):
Очень интересное и довольно бесполезное устройство, не находите? Подаем на вход напряжение (единицу) и получаем на выходе напряжение (единицу), не подаем ничего — ничего не получаем. С таким же успехом можно было просто использовать обычный провод.
Но давайте возьмем два транзистора и соединим их так, чтобы получилось два входа и один выход:
И вот здесь ситуация становится интересней, так как эти два транзистора уже могут умножать числа! В нашем случае (двоичная система счисления, о которой мы говорили в первой части) это 0 и 1:
| Пример | Результат |
| 0*0 | 0 |
| 0*1 | 0 |
| 1*0 | 0 |
| 1*1 | 1 |
Напомню, что на исток транзистора всегда подается ток. В первом примере (0 умножить на 0) мы не будем подавать напряжение на затворы двух транзисторов. Ток зайдет в первый транзистор, «упрется» в закрытый затвор (так как на затворе «0» — нет напряжения) и дальше не пойдет. Соответственно, на выходе из нашей схемы тока не будет (получаем условный «ноль»):
В следующем примере (0 умножить на 1) на вход первого транзистора мы не подаем напряжение, а на второй подаем. В результате из нашего «калькулятора» всё равно не будет выходить ток. Да, второй транзистор «открылся», но к нему не поступает ток от первого транзистора, так как его затвор закрыт:
Теперь умножим 1 на 1, то есть, подадим напряжение на входы двух транзисторов. Ток заходит в первый транзистор, проходит через «открытый» затвор, идет на вход ко второму транзистору, а так как и он открыт, то на выходе из всей схемы мы получаем единицу (есть ток):
Казалось бы, настолько простая схема, а уже умеет умножать два числа! Такие незамысловатые устройства из нескольких транзисторов называются логическими вентилями (краниками). Конкретно этот вентиль, умножающий два числа, называется И (да, одна буква «и» или на английском AND).
Но почему вентиль называется логическим и почему буква «и»? На самом деле, всё очень просто.
Представьте, что мы не числа умножаем, а проверяем на истинность любые высказывания. Например, я говорю следующие две фразы: «В Африке обитают гепарды» и «Один из африканских гепардов написал эту статью«.
Первое высказывание — это правда (истина). Второе высказывание, очевидно, не является истинной, соответственно, оно ложно. А теперь нам нужно решить простенькую логическую задачку — определить истинность не каждого высказывания по отдельности, а всей фразы целиком: «В Африке обитают гепарды и один из африканских гепардов написал эту статью».
Очевидно, что вся фраза является ложью, так как гепарды не пишут статьи, хотя и обитают в Африке. Получается, если первая часть фразы — истина (1), а вторая — ложь (0), тогда всё высказывание в целом является ложью (0). Если обе части — ложь, то и всё высказывание в целом — ложь.
Если вы посмотрите на картинки выше, то увидите, что наш вентиль AND выдает точно такие же результаты, то есть, он решает простые логические задачки или, другими словами, производит логические операции. Отсюда и название.
Табличку с операциями умножения можно заменить на так называемую таблицу истинности, где вместо чисел у нас два высказывания — либо ложные, либо истинные:
| Выражение | Результат |
| ложь (0) и ложь (0) | ложь (0) |
| ложь (0) и истина (1) | ложь (0) |
| истина (1) и ложь (0) | ложь (0) |
| истина (1) и истина (1) | истина (1) |
А теперь давайте посмотрим на другое высказывание: «Вчера в ресторане я выпил кофе или чай». Если в реальности я пил только кофе, является ли эта фраза истиной? Безусловно! Ведь я не утверждал, что пил кофе и чай.
Получается, мы должны как-то по-другому определять истинность фраз, соединенных союзом ИЛИ. То есть, наш вентиль AND уже работать не будет. Поэтому нам нужно из двух транзисторов создать новое устройство — вентиль ИЛИ (на английском OR).
Сделать это очень легко, достаточно соединить транзисторы не последовательно, как в предыдущем случае, а параллельно:
Теперь если мы подаем напряжение (логическую единицу) только на один из транзисторов (на его затвор), на выходе из всего вентиля будет единица (ток):
Ложь (0) получится только в том случае, если оба выражения ложны или, другими словами, на выходе из нашего вентиля OR не будет напряжения только в том случае, если не подавать напряжение ни на один из транзисторов. Тогда ток от аккумулятора не пройдет через закрытые затворы:
Если присмотреться повнимательней, этот вентиль мог бы уже суммировать два числа. К примеру, подаем на входы 0 и 1, а на выходе получаем 1, значит 0+1=1. Вот еще примеры:
| Пример | Результат |
| 0+0 | 0 |
| 0+1 | 1 |
| 1+0 | 1 |
| 1+1 | 1 |
Проблема возникает только с последним примером, так как 1+1 не может равняться единице. Но в двоичной системе счисления у нас есть только нолики и единички. Что же делать?
Да ровно то же, что мы делаем и в десятичной системе, когда хотим прибавить к девяти еще единицу. Ведь в нашей системе счисления только 10 цифр (от 0 до 9) и мы не можем увеличить 9 еще на 1, так как не существует цифры, которая бы обозначала число десять.
Получается 9+1=0 (начинаем считать заново, с нуля), только теперь слева нужно записать еще единичку, которую мы перенесли в старший разряд:
В двоичной системе всё выглядит ровно так же, только мы не можем «подняться выше» единицы, так как есть лишь две цифры — 0 и 1. Соответственно, 1+1 в двоичной системе выглядит, как:
Чтобы решать такие примеры, вентиль OR не подходит, значит, нам нужно создать третий вентиль, который называется исключающее ИЛИ (на английском XOR). Такой вентиль должен работать в точности, как OR, но с одним отличием: когда обе части высказывания истинны, всё высказывание должно быть ложным. Другими словами, когда мы подаем две единицы (подаем на каждый транзистор напряжение), на выходе из вентиля должен быть ноль (отсутствие напряжения).
В обычной жизни мы оперируем именно таким исключающим или союзом, то есть, истинность одной части фразы подразумевает ложность другой, например: «Мне принесли чашку кофе или мне принесли чашку чая». Если мне принесли кофе, значит, это не чай. И наоборот. Если же мы утверждаем, что оба высказывания истинны, значит, вся фраза — ложь, так как одна ее часть исключает другую.
Чтобы реализовать вентиль XOR, вначале нужно сделать еще один вентиль под названием НЕ (на английском — NOT). Всё, что он должен делать — это «переворачивать» значение, которое мы подаем на вход. Если на затвор транзистора подать напряжение, на выходе не должно быть тока. И наоборот, если на входе «ноль» (отсутствует напряжение), на выходе должна быть единица (ток). Такой вентиль еще называется инвертором.
Сделать вентиль NOT очень легко, достаточно его выход расположить сверху (возле истока), а нижний контакт заземлить. Теперь, когда затвор будет закрыт (подаем «ноль» на вход), ток будет спокойно проходить сразу от истока на выход из вентиля. А если открываем затвор, то ток устремится по пути наименьшего сопротивления и уйдет «в землю», а на выходе ничего не будет (0):
Итак, на текущий момент, имея в своем распоряжении только транзисторы и аккумулятор смартфона, который питает их электричеством, мы уже смогли создать три крошечных устройства: вентиль AND, вентиль OR и вентиль NOT:
Надеюсь, пока всё понятно.
Мы уже начинаем видеть какие-то зачатки «логики» и при этом хорошо понимаем физику процесса, но до ответов на все вопросы еще далеко. Я показываю всё на самом низком уровне (на уровне тока) для того, чтобы в работе смартфона и его «мозга» (процессора) не оставалось никакой «магии». Так что наберитесь еще немножко терпения, чтобы узнать больше.
Итак, теперь нужно сделать четвертый вентиль — исключающее ИЛИ (XOR). Он должен выдавать те же результаты, что и OR, за исключением лишь ситуации, когда на оба входа подаются единицы.
Чтобы сделать этот вентиль, мы воспользуемся уже имеющимися — AND, OR и NOT. Для начала параллельно соединим вентили AND и OR, к выходу END подсоединим вентиль NOT, чтобы он инвертировал значение, а затем соединим выходы вентилей NOT и OR со входом еще одного вентиля AND.
Да, звучит всё сложно и запутанно, на теперь посмотрите на картинку и всё станет сразу понятно:
Теперь проверим, как такой вентиль будет работать и подадим на входы две единицы. Вентиль OR в этом случае давал на выходе также единицу, но наш новый вентиль XOR выдаст ноль:
А вот что будет, если подать, к примеру, единицу и ноль:
Всё работает! На создание вентиля XOR ушло 7 транзисторов. Как видите, мы уже работали не с отдельными транзисторами, а использовали готовые вентили. Теперь у нас появился еще один сложный вентиль XOR, который дальше мы будем использовать в еще более сложных схемах.
На этом, в принципе, можно было бы и остановиться, так как уже должно приходить понимание того, как из простых выключателей (транзисторов) можно создавать элементарные устройства, которые объединяются в более сложные, а те — в еще более сложные. И так до тех пор, пока мы не построим процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Для этого и нужно такое большое количество этих крохотных выключателей.
Но давайте попробуем создать еще более сложное устройство!
Создаем из транзисторов примитивный калькулятор
В процессе ежедневной работы смартфон производит триллионы операций, складывая, вычитая и умножая различные числа.
Если мы хотим сделать фотографию более яркой, смартфон берет значение яркости каждой точки снимка и прибавляет к нему определенное число, то есть, проделывает операцию сложения для нескольких миллионов точек. Триллионы вычислений также происходят во время игр, просмотра видео или прослушивания музыки.
В общем, процессор то и дело постоянно производит математические операции. Но наши элементарные вентили не могут даже сложить два числа. Да, у нас есть вентиль XOR, который работает, как сложение, но если мы подадим на него две единицы, то на выходе получим просто 0, так как единичку нужно перенести в следующий разряд, а он этого делать не умеет.
Давайте исправим этот недостаток.
В двоичной системе 1 + 1 = 10. А это уже два бита (напомню, один бит — это либо единица, либо ноль, т.е. одно число). Наш вентиль XOR при поступлении на вход двух единиц (1+1) выдает только 0.
Чтобы всё работало корректно, мы подключаем к вентилю XOR еще один — AND. Получится вот так:
Теперь когда на XOR приходят две единицы, он выдает 0, но две единицы параллельно приходят и на вентиль AND, а тот, как мы разобрались выше, в этом случае выдаст 1. Вот и получаем нужный результат:
Чтобы убедиться, что всё работает, проверим наше новое устройство, отправив на него 1 и 0 (1+0 должно равняться просто 1):
Так и есть! Когда 1 и 0 поступили на вентиль XOR, он выдал единицу, а вентиль AND в этом же случае выдает 0.
Вот так просто у нас получилось новое устройство под названием полусумматор! И теперь мы можем использовать его уже в более сложных схемах, создавая всё более сложные устройства.
К сожалению, толку от этого полусумматора не так много. Наше крохотное устройство из 9 транзисторов может только складывать два бита, то есть, максимум посчитать, сколько будет «один плюс один».
Думаю, вы уже догадались, что можно из двух полусумматоров собрать один полный сумматор и он уже будет работать с тремя битами (складывать два числа одного разряда с учетом переноса из предыдущего разряда). Для этого нам потребуются два полусумматора и один вентиль OR. Но чтобы не перегружать статью лишней информацией, я уже не буду подробно описывать его работу.
Естественно, можно пойти дальше и собрать уже из сумматоров более сложные компоненты, скажем, 8-битный сумматор, который сможет складывать 8-битные числа (вплоть до 256+256). Это потребует сотни транзисторов, но какая разница, если мы можем в крохотном процессоре смартфона разместить 10-15 миллиардов транзисторов?
Процессор смартфона состоит из множества других логических схем для самых разнообразных операций (сложение, вычитание, увеличение или уменьшение числа на единицу, перевод чисел из положительных в отрицательные и наоборот, умножение и пр.).
Если раньше мы складывали транзисторы в вентили, а затем из вентилей создавали более сложные устройства (например, полусумматоры), то теперь нужно собрать всё воедино, создав тем самым АЛУ (арифметико-логическое устройство) — блок процессора, отвечающий за выполнение всех арифметических и логических операций:
На входы в этот блок мы подаем данные, над которыми нужно проделать определенные операции. Сам код операции (что именно нужно сделать) мы также подаем на еще один вход в АЛУ. Например, 0101 — это код сложения, а 0011 — означает, что нужно произвести вычитание.
Естественно, из АЛУ есть выход, куда отправляется готовый результат. Также из АЛУ выходят различные флаги (признаки), например, есть флаг отрицательного числа, если он равняется единице, то мы знаем, что число — отрицательное.
К сожалению, несмотря на объем статьи, она до сих пор не отвечает на многие вопросы. Всё еще не понятно, как именно числа хранятся в памяти, кто или что указывает процессору, какие конкретно операции и в какой последовательности нужно делать. Да и как, собственно, эти «указания» выглядят?
Со всем этим мы разберемся в следующей части, которая должна сложить все пазлы в единую понятную картину.
Алексей, главный редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?