آشنایی با سخت‌افزار گوشی‌های هوشمند به زبان ساده؛ بخش اول: SoC

SoC

عواملی مانند کیفیت صفحه‌‌نمایش، باتری و قدرت پردازشی تا چند سال پیش برای خریداران اهمیت چندانی نداشتند، ولی امروزه با وجود تنوع زیاد گوشی‌های هوشمند در بازار و رقابت شرکت‌های بزرگ برای فروش بیشتر محصولات خود، توجه به سخت‌افزار بخش مهمی از فرآیند بررسی و خرید گوشی‌های هوشمند را شامل می‌شود. در ادامه و البته در چند بخش مختلف به بررسی و معرفی جزئیات هر یک از سخت‌افزار‌های موجود در گوشی‌های هوشمند خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

با بررسی سرگذشت گوشی‌های موبایل‌، می‌توان ‌آن را به سه دوران ساده و اولیه، عصر موبایل‌های QWERTY و عصر گوشی‌های هوشمند تقسیم‌بندی کرد. به دلیل گرانی، وزن بالا و کاربری پایین، گوشی‌های موبایل در سال‌های اولیه ورود خود تنها در اختیار عده‌ای معدود قرار داشتند. در سال‌های بعد محصولات شرکت‌ها به خواسته‌های کاربران نزدیک‌تر و از وزنی به مراتب کم‌تر، اندازه‌ای کوچک‌تر و سخت‌افزاری قوی‌تر بهره‌مند شدند. با وجود این توجه خریداران بیشتر به جنبه‌های زیبایی و طراحی ظاهری معطوف بود. برای خریداران فرقی بین صفحه‌نمایش‌ یا سخت‌افزار برای خرید نمی‌کرد و شرکت‌ها دستگاه‌هایی با ظاهر‌های متفاوتی برای اغوای مشتریان روانه بازار می‌کردند. تا اینکه موبایل‌های هوشمند وارد عرصه شدند. در این میان معیارهای خرید به طور کامل فرق کرد و توجه از طراحی ظاهری به سمت سخت‌افزار دستگاه نیز کشیده شد. امروزه گوشی‌های هوشمند نقش مهمی را در زندگی افراد بازی می‌کنند و به عنوان یک کامپیوتر هم‌قدم با افراد در تمامی لحظات زندگی حضور دارند.

سیستم-روی-یک-چیپ

snapdragon-820

مطمئنا در هنگام خرید و با مقایسه‌ی جدول مشخصات گوشی‌های مختلف با کلماتی مثل پردازنده، حافظه‌ی رم و حافظه‌ی داخلی مواجه شده‌اید. در بیشتر مواقع عدد بزرگتر روبه‌روی هر سطر عاملی برای گرایش به آن محصول‌ می‌شود. ولی بررسی یک محصول به همین سادگی‌ها نیست و جزئیات زیادی وجود دارند که باید نسبت به آن‌ها اطلاع پیدا کرد.

در گوشی‌های هوشمند به جای واحد پردازش مرکزی که در کامپیوتر‌های شخصی شاهد آن هستیم از فناوری جدیدتری به نام سیستم-روی-یک-چیپ استفاده می‌شود. سیستم-روی-یک-چیپ یا SoC یک مدار مجتمع است که تمامی قطعات پردازشی دستگاه را بر روی یک چیپ جمع می‌کند. با این روش تولیدکنندگان دستگاه‌های دیجیتال به راحتی می‌توانند از SoCها در محصولات خود بدون نیاز به قطعات به صورت مجزا استفاده کنند. ایده‌ی اصلی ساخت این مجتمع‌ها در استفاده‌ی بهینه از فضای اشغال‌شده، یکپارچگی قطعات دستگاه برای رسیدن به توان بالاتر و مصرف پایین‌تر باتری نهفته است.

یک SoC واحدهای مختلفی نظیر واحد پردازش مرکزی (CPU)، واحد پردازش گرافیکی (GPU)، حافظه،‌ شبکه‌های 4G، Wi-Fi و بلوتوث را در خود جای می‌دهد و با استاندارد مشخصی تمامی قطعات ذکر شده را کنار یکدیگر میزبانی می‌کند. به لطف تولید و قدرتمندتر شدن SoCها و کاربرد گسترده‌ی آن‌ها در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و گجت‌ها از کارایی بالایی در پردازش دستورات برخوردار هستند. در ادامه به معرفی اجزای اصلی یک SoC واحد پردازش مرکزی، واحد پردازش گرافیکی، کنترل‌کننده شبکه و حافظه رم می‌پردازیم.

واحد پردازش مرکزی

CPU یکی از اجزای اصلی و مغز متفکر هر دستگاهی است. این واحد داده را از حافظه دریافت نموده و با انجام محاسبات منطقی، خروجی مورد نظر را تحویل می‌دهد. با افزایش قدرت پردازنده کاربر قادر به انجام حجم بیشتری از عملیات است. باید توجه کرد که تمامی اجزای داخل SoC توسط یک شرکت طراحی و تولید نمی‌شود. تولید‌کنندگان باید برای ساخت هر قطعه گواهی مربوطه را از شرکت طراح بخرند. کمپانی ARM معروف‌ترین شرکت معمار پردازنده‌هاست که گواهینامه‌های مربوط را به شرکت‌ها می‌فروشد.

mobile-cpu

اکثر پردازنده‌های موجود در بازار از معماری آرم استفاده می‌کنند و دلیل آن مصرف بهینه انرژی در معماری‌های این شرکت است. پردازنده‌های شرکت‌هایی مانند کوالکام، سامسونگ، مدیاتک و اپل همگی از معماری این شرکت پشتیبانی می‌کنند. در مقابل معماری x86 اینتل قرار دارد که نکته منفی آن در مصرف زیاد انرژی است. پردازنده‌های اینتل را تحت نام Atom در تلفن‌های هوشمند می‌توان مشاهده کرد.

در حال حاضر دو سری ARMv7 از رسته‌ی ۳۲ بیتی‌ و ARMv8 از رسته‌ی ۶۴ بیتی از تنوع زیادی در بین معماری‌های پردازنده گوشی‌های موبایل برخوردار هستند. هسته‌های یک پردازنده هم می‌توانند از معماری‌های متفاوتی نسبت به معماری کل واحد بهره ببرند. به عنوان مثال سامسونگ معماری هسته‌ها و هم معماری پردازنده‌های خود را از آرم دریافت می‌کند و لفظ Cortex را برای آن‌ها در نظر گرفته است.

پردازنده‌های ۶۴ بیتی

اپل با معرفی آیفون 5s و استفاده از پردازنده 64 بیتی به عنوان قلب تپنده‌ی دستگاه جدید خود، تمامی کاربران و شرکت‌های رقیب را متعجب کرد. حرکت اپل سرآغاز حرکت دیگر شرکت‌ها برای ارائه گوشی‌های مبتنی بر پردازنده‌های ۶۴ بیتی بود و در نهایت گوگل در نسخه آب‌نبات چوبی از سیستم‌عامل اندروید رسما پشتیبانی از این نوع پردازشگرها را شروع کرد.

64-bit

پردازنده‌های ۶۴ و ۳۲ بیتی به طور متداولی در کامپیوتر‌های شخصی استفاده می‌شوند؛ ولی امروزه استفاده از آن‌ها در دنیای گوشی‌های هوشمند رواج پیدا کرده است. اما تفاوت پردازنده‌های ۶۴ بیتی در چیست؟

مهم‌ترین تغییر در سری جدید پردازنده‌ها بالا رفتن توان پردازشی دستگاه است. یک پردازنده ۶۴ بیتی می‌تواند تا ۲ به توان ۶۴ مقدار داده را محاسبه و به حافظه رم آدرس‌دهی کند. بنابراین در این پردازنده‌ها مدیریت حافظه بهینه‌تر، بازده دستگاه در پردازش دستورات بالاتر و پردازش داده‌ها در حجم زیاد‌تری از امور کاراتر خواهد شد. بنابراین دلیلی برای مقاومت در برابر پردازنده‌های ۶۴ بیتی وجود ندارد.

هسته‌های پردازشی

هسته‌های پردازشی جزئی از معماری پردازنده‌های مرکزی شناخته می‌شوند. هر هسته مجموعه‌ای از دستورات را به طور مجزا محاسبه می‌کند. تعداد بیشتر هسته‌ها به معنای بالاتر رفتن سرعت محاسبات توسط پردازنده است. در طرف مقابل بالا رفتن تعداد هسته‌ها جهت افزایش سرعت پردازشی به قیمت مصرف بالاتر انرژی تلقی می‌شود. بنابراین چالش روبه‌روی شرکت‌های تولید کننده‌ی پردازنده‌ها، نحوه مدیریت انرژی و چینش هسته‌ها در کنار هم است.

امروزه در اکثر گوشی‌ها از پردازنده‌های چهار یا هشت هسته‌ای استفاده می‌شود. در پردازنده‌های چهار هسته‌ای هر چهار هسته می‌توانند به طور هم‌زمان به پردازش امور بپردازند. این اتفاق در پردازنده‌های هشت هسته‌ای بدین صورت است که چهار هسته‌ای که مصرف انرژی پایینی دارند در مواقع معمول در حال کار هستند و چهار هسته دیگر در مواقعی که فشار محاسبات افزایش می‌یابد وارد چرخه‌ی ‌فعالیت می‌شوند.

واحد پردازش گرافیکی

GPU نیز از بخش‌های مهم در SoC به شمار می‌رود و مسئول پردازش کارهای گرافیکی در دستگاه‌های دیجیتال است. به دلیل محدودیت فضا و جهت کاهش مصرف انرژی واحد پردازش گرافیکی در نزدیکی CPU قرار دارد. به کمک این واحد شما می‌توانید انواع بازی‌ها، تصاویر سه‌بعدی و فعالیت‌های گرافیکی را در گوشی‌های خود اجرا کنید. عملکرد واحد گرافیکی به عوامل مختلفی از جمله معماری، چینش واحد بر روی SoC و سیستم‌عامل مربوط است.

در پردازش تصاویر سه‌بعدی مهم‌ترین و اولین قسمت درگیر واحد پردازش گرافیکی است. اگرچه در برخی اوقات هسته‌های پردازشی به کمک واحد گرافیک می‌آیند، ولی به طور معمول این هسته‌ها برای انجام امور گرافیکی طراحی نشده‌اند و GPU در پردازش کارها اولویت بیشتری دارند. پردازش تصاویر دوبعدی نظیر بزرگ‌نمایی عکس و حرکات بین صفحات در رابط کاربری نیز از وظایف GPU است و سیستم‌عامل این امور را به جای واحد پردازش مرکزی به واحد پردازش گرافیک می‌سپارد.

سیستم‌عامل ویندوزفون از جلوه‌های گرافیکی زیادی در رابط کاربری خود بهره می‌گیرد. بنابراین استفاده از پردازنده‌های رده پایین در گوشی‌های موبایل تجربه مناسبی در اختیار کاربران قرار نمی‌دهد و واحد پردازش گرافیک مسئولیت تمامی پردازش‌های مربوط به امور گرافیکی را به عهده می‌گیرد. استفاده از قدرت GPU منجر به حرکت روان و نرم بین صفحات در این سیستم‌عامل می‌شود.

index1

در اندروید داستان به طور کل متفاوت است. در این سیستم‌عامل به دلیل وجود گوشی‌های رده‌‌پایین و نبود سخت‌افزار مناسب، پردازش تصاویر دو بعدی برعهده CPU قرار دارد و سرعت پایین و لگ در اندروید به دلیل همین موضوع است. خوشبختانه گوگل از نسخه‌ی چهار به بعد سیستم‌عامل خود این مشکل را حل کرد. به دلیل قدرتمندتر شدن سخت‌افزار‌های گوشی‌های موبایل اندروید، اجازه‌ی دسترسی به GPU برای پردازش پوسته‌ی رابط کاربری داده می‌شود. بنابراین شاهد کم شدن لگ در محیط کاربری اندروید هستیم.

سومین بازیگر اصلی سیستم‌عامل‌های گوشی‌های هوشمند یعنی iOS نیز مانند ویندوزفون اجازه استفاده از GPU برای تمامی کارهای گرافیکی را دارد. این عامل باعث شده که در استفاده از سخت‌افزارهای iOS نرم و روانی در مرور صفحات به چشم ‌آید.

معماری‌‌های ساخت GPU

حتما هنگام مقایسه دستگاه‌های مختلف، در مقابل واحد پردازش گرافیکی (GPU) نام‌های مختلفی را مشاهده کرده‌اید. همانند CPU که در اکثر گوشی‌های هوشمند موجود در بازار از معماری آرم بهره می‌برند، واحدهای پردازش گرافیکی نیز از معماری‌های مختلفی در طراحی خود استفاده می‌کنند.

GeForce: این معماری توسط شرکت Nvidia توسعه یافته و بر روی SoCهای خانواده Tegra استفاده می‌شود.

Adreno: معماری اختصاصی شرکت کوالکام برای پردازنده‌های گرافیکی خود است که در SoCهای ساخت این شرکت کاربرد دارند.

ARM Mali: همانطور که از اسم آن برمی‌آید پردازنده‌های Mali از معماری شرکت آرم استفاده می‌کنند و به طور گسترده‌ای در Socهای Exynos و NovaThor استفاده می‌شوند.

PowerVR: این معماری یکی از محبوب‌ترین‌ها در بین سازندگان پردازشگرهای گرافیکی محسوب می‌شود و اپل نیزدر SoCهای دستگاه‌های هوشمند خود از این معماری بهره می‌گیرد.

کنترل‌کننده شبکه

در SoCها مودم‌هایی قرار دارند که توانایی ارتباطات بی‌سیم را به دستگاه می‌بخشند. به طور مثال برای استفاده از دیتای شبکه همراه مودم‌هایی با قابلیت LTE بر روی SoC قرار می‌گیرند. برای ارتباطات دیگری نظیر بلوتوث، وای-فای، ‌GPS و GLONASS نیز بخش‌هایی مجزا در برد اصلی قرار دارند.

حافظه‌ی رم

حافظه‌ی رم در کنار واحد پردازش داده و واحد پردازش گرافیکی سومین جزء مهم در یک SoC به شمار می‌رود. حافظه‌ی دسترسی تصادفی، گونه‌ای از حافظه است که اجازه نوشتن و خواندن داده‌ها را در مدت زمان کوتاه می‌دهد. فایل‌هایی نظیر اطلاعات برنامه‌ها، سیستم‌عامل، گرافیک بازی‌ها یا به طور کلی هر موردی که دسترسی به آن باید در کوتاه‌ترین زمان اتفاق بیافتد در حافظه‌ی رم ذخیره‌سازی می‌شوند.

اولین و مهم‌ترین عددی که در بررسی یک محصول دیجیتال در مقابل حافظه‌ی رم به چشم می‌خورد میزان حافظه‌ی آن است. مقدار حافظه‌ی بیشتر موجب بهبود چند وظیفگی در محیط سیستم‌عامل می‌شود؛ چرا که برنامه‌ها به فایل‌های موجود سریع‌تر دسترسی پیدا می‌کنند. هر چند رابطه‌ای میان حافظه‌ی رم و مصرف باتری وجود دارد، ولی می‌توان از آن صرف نظر کرد و ادعا کرد در این حالت میزان حافظه بر میزان مصرف باتری تاثیری ندارد.

memscheme1

سیستم‌عامل‌ موبایل‌های هوشمند به سمتی حرکت کرده‌اند که استفاده از حافظه بیش از اندازه را توجیه نمی‌کنند. سیستم‌عامل و برنامه‌های موجود در فروشگاه‌های نرم‌افزاری مقدار کمی از حافظه‌ی رم را اشغال می‌کنند. در هنگام مولتی‌تسکینگ سیستم‌عامل برنامه‌هایی که در یک مدت زمان مشخص استفاده نشده باشند را تشخیص و جای آن‌ها را در حافظه رم خالی می‌کند. به همین دلیل ویندوزفون در حافظه‌‌ی رم پایین ۵۱۲ مگابایت عملکردی روان از خود نشان می‌دهد.

با این حال نمی‌توان نتیجه گرفت که میزان بالای حافظه رم غیرکاربردی است. بیشتر بازيهای سنگین و گرافیکی، مقدار زیادی از حافظه را اشغال می‌کنند. در حالیکه اجرای این بازی‌ها در حافظه‌های ۵۱۲ مگابایت به کندی و لگ فراوان اجرا می‌شوند. بنابراین برای اجرای جدیدترین و بهترین بازی‌ها، داشتن میزان قابل قبولی از حافظه‌ی رم یک مزیت برای گوشی‌های هوشمند به شمار می‌رود.

حافظه‌ی ذخیره‌سازی

مانند حافظه‌ی رم، حافظه‌ی داخلی نیز از مهم‌ترین اجزای هر گوشی‌ هوشمند محسوب می‌شود. بدون فضایی برای ذخیره‌سازی اطلاعات، سیستم‌عامل و برنامه‌ها دستگاه به هیچ دردی نمی‌خورد. اگرچه بعضی از تلفن‌های پایین‌رده از ظرفیت‌های پایینی برای ذخیره‌سازی برخوردار هستند با این حال فضای کافی برای اجرای سیستم‌عامل پیش‌بینی شده است.

بسته به نوع سیستم‌عامل و خود دستگاه، انواع مختلفی از حافظه‌های ذخیره‌سازی به کار برده می‌شود. این حافظه به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که شامل فضای ذخیره‌سازی برای برنامه‌ها، فایل‌های کش و سیستمی می‌شود. به طور معمول به قسمتی از حافظه که فایل‌های سیستمی را میزبانی می‌کند، حافظه ROM گفته می‌شود.

sandisk-micro-sdxc-128در بعضی از گوشی‌های موجود در بازار، علاوه بر حافظه‌ی داخلی به کاربر اجازه اضافه‌کردن حافظه‌ی جانبی نیز داده می‌شود. به طور معمول عملکرد، کارایی و سرعت بیشتر خواندن و نوشتن اطلاعات حافظه‌های داخلی به دلیل تماس مستقیم با SoC به مراتب از حافظه‌های خارجی بیشتر است.

در بین سیستم‌عامل‌های رایج در دنیای گوشی‌های هوشمند فقط اندروید به کاربر اجازه دسترسی آزاد به اطلاعات موجود در کارت حافظه جانبی را می‌دهد. سیستم‌عامل iOS و گوشی آیفون به طور کل این قابلیت را پشتیبانی نمی‌کنند و ویندوزفون با محدودیت‌های امنیتی و کارهایی که بر روی کارت‌های حافظه وضع می‌کند، می‌توان از حافظه جانبی استفاده‌ای محدود داشت.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *