羅紀(jì)龍

摘 要：智能手機(jī)給人們的生活帶來了極大的便利，讓人們的生活發(fā)生了天翻地覆的變化。智能手機(jī)本質(zhì)上是一臺便攜式計算機(jī)，因此其具備典型的計算機(jī)組成結(jié)構(gòu)。對于計算機(jī)而言，處理器是它的“心臟”，決定了計算機(jī)的運(yùn)算性能。計算機(jī)處理器包括中央處理器與圖形處理器兩種，本文針對這兩種處理器的特性進(jìn)行了探究。本文以智能手機(jī)作為探討對象，重點(diǎn)區(qū)分了CPU中ARM構(gòu)架與X86構(gòu)架的區(qū)別，以及CPU與GPU在結(jié)構(gòu)與特性上的區(qū)別，并根據(jù)其各自的特點(diǎn)對未來可能的發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；計算機(jī)組成；中央處理器；圖形處理器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0031-01

自2007年第一步iPhone誕生，2008年Google發(fā)布Android操作系統(tǒng)，智能手機(jī)用不到十年的時間席卷了全世界。智能手機(jī)具備便攜性強(qiáng)、尺寸小、任務(wù)輕等特性。雖然與傳統(tǒng)的桌面式計算機(jī)有所差別，但智能手機(jī)本質(zhì)上仍然是一種便攜式計算機(jī)。無論是智能手機(jī)還是桌面式計算機(jī)，其基本運(yùn)算性能都取決于處理器。從功能上區(qū)分，計算機(jī)的處理器可以分為中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）。作為計算機(jī)的“心臟”，CPU需要完成計算機(jī)大部分運(yùn)算任務(wù)與控制任務(wù)；而隨著人們對圖像顯示的需求越來越高，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行專門處理的GPU應(yīng)運(yùn)而生。本文以智能手機(jī)作為探討對象，詳細(xì)描述了中央處理器與圖形處理器的特性，并對二者未來可能的發(fā)展方向進(jìn)行了探究。

1 計算機(jī)組成

計算機(jī)組成指的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成及邏輯設(shè)計等。[1]根據(jù)計算機(jī)組成理論，計算機(jī)主要可以分控制器、運(yùn)算器、儲存器與輸入/輸出（I/O）五個部分，如圖1所示。

其中控制器是整個計算機(jī)的神經(jīng)中樞，主要是用來實(shí)現(xiàn)對程序規(guī)定控制信息的解釋功能，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制，并且完成程序、數(shù)據(jù)、地址等資料的調(diào)度工作，協(xié)調(diào)計算機(jī)各部分合作，完成指定任務(wù)。運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)的是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。存儲器用來存儲程序、數(shù)據(jù)等固態(tài)信息以及各種信號、命令等流信息，并在需要時提供這些信息。輸入輸出主要是與用戶交互的部分，在傳統(tǒng)的桌面計算機(jī)上主要指的是鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，而在智能手機(jī)上就是電容屏幕。

由運(yùn)算器與控制器組成的處理器占到是整個計算機(jī)組成的核心，輸入輸出設(shè)備屬于人機(jī)交互的傳感器，儲存器主要用來儲存運(yùn)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而處理器則是負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，可以將處理器分為中央處理器與圖形處理器，下面就基于智能手機(jī)的CPU與GPU對二者進(jìn)行探討。

2 中央處理器（CPU）

中央處理器（CPU，Central Processing Unit）計算機(jī)與智能手機(jī)的核心，同時肩負(fù)計算機(jī)或智能手機(jī)運(yùn)算任務(wù)與控制任務(wù)。它的功能主要是解釋計算機(jī)或智能手機(jī)收到的指令以及處理各軟件中的數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行存儲器內(nèi)的軟件及調(diào)用存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫，CPU能實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)或智能手機(jī)各部分的全面控制。[2]作為便攜式設(shè)備，智能手機(jī)的中央處理器與計算機(jī)的中央處理器有很大區(qū)別。分為以下兩點(diǎn)：

第一，采用ARM構(gòu)架。與傳統(tǒng)桌面計算機(jī)采用x86構(gòu)架不同的是，智能手機(jī)作為便攜式設(shè)備，其中央處理器采用的是ARM構(gòu)架處理器。ARM構(gòu)架處理器是一個32位精簡指令集（RISC）架構(gòu)處理器，其定位是應(yīng)用于嵌入式平臺，應(yīng)付輕量級、目的單一明確的程序，這樣的特性正好應(yīng)用于智能手機(jī)這種便攜式計算機(jī)。并且由于指令集數(shù)量少，所以流水線、分支預(yù)測等硬件邏輯都比較簡單，智能手機(jī)的CPU就可以簡化硬件邏輯的設(shè)計，減少晶體管數(shù)量。這樣做的同時也同步降低了CPU的功耗，在保持性能穩(wěn)定的同時降低發(fā)熱。同樣的為了降低智能手機(jī)CPU發(fā)熱現(xiàn)象，ARM的電源管理部分針對電池進(jìn)行了能源限制，保證在待機(jī)時只以極低的主頻在運(yùn)行，也可以關(guān)閉閑置的核心來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。正是由于ARM構(gòu)架處理器有上述特點(diǎn)，因此非常適用于如智能手機(jī)的便攜式計算機(jī)上。

第二，多核多目標(biāo)特性。與桌面計算機(jī)不同的是，智能手機(jī)多數(shù)情況下為多核CPU。桌面計算機(jī)的多核處理器是指在將多個并行的運(yùn)算核心封裝在了一起，通過運(yùn)算核心間的相互配合、相互協(xié)作可以處理同一件事情。而智能手機(jī)的多核CPU是多各CPU芯片，將它們封裝起來處理不同的事情。正是由于這樣的區(qū)別，桌面計算機(jī)的CPU核心一直保持在四核以內(nèi)，而智能手機(jī)的CPU核心從最初的單核、雙核已經(jīng)發(fā)展到了至少四核、最多十核的狀態(tài)。核心越多，智能手機(jī)能夠同時處理的軟件操作、數(shù)據(jù)計算等線程越多，智能手機(jī)的用戶體驗(yàn)越好。

3 圖形處理器（GPU）

圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），使用來專門處理與圖形相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的運(yùn)算器，主要用于執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計算，以完成必要的圖形渲染工作。[3]在智能手機(jī)主板上，GPU一般都是緊挨著CPU的，二者同樣作為運(yùn)算 器，由于主要實(shí)現(xiàn)功能不同，因此在結(jié)構(gòu)原理上有很大區(qū)別。

前文有提到CPU尤其是智能手機(jī)的CPU具有多核，但是CPU的核心數(shù)總數(shù)始終沒有超過兩位數(shù)。對于CPU而言，每個核都要擁有足夠大的緩存和足夠多的數(shù)字和邏輯運(yùn)算單元，因?yàn)镃PU是用來控制整個智能手機(jī)并完成大部分的數(shù)據(jù)和程序運(yùn)算的，因此每個核心的運(yùn)算能力要非常強(qiáng)。與之相對應(yīng)的是，GPU的核數(shù)遠(yuǎn)超CPU，被稱為眾核，通常GPU核心數(shù)可以達(dá)到3位數(shù)以上。這是因?yàn)閳D形處理的獨(dú)特性，要求GPU能有同時并行計算各個像素點(diǎn)，因此眾核符合GPU的圖形處理要求。圖1給出了CPU與GPU的原理圖，用來說明二者結(jié)構(gòu)上的不同。

圖1中綠色代表算術(shù)運(yùn)算單元，黃色代表控制單元，橘色代表由動態(tài)隨機(jī)存取存儲器與高速緩沖存儲器。從圖中可以看出，CPU與GPU的基本結(jié)構(gòu)單元是相同的，都是由運(yùn)算單元、控制單元與緩存器組成的。CPU與GPU的結(jié)構(gòu)區(qū)別也可以從圖上看出：CPU各子系統(tǒng)比較均衡，這是因?yàn)镃PU需要很強(qiáng)的通用性來處理各種不同的數(shù)據(jù)類型，同時又要邏輯判斷又會引入大量的分支跳轉(zhuǎn)和中斷的處理，這些都使得CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。而GPU的控制單元與儲存單元相對較少，取而代之的是大量的基本計算單元，這是由于GPU面對的是類型高度統(tǒng)一的、相互無依賴的大規(guī)模數(shù)據(jù)和不需要被打斷的純凈的計算環(huán)境。

4 結(jié)語

本文基于智能手機(jī)對計算機(jī)組成中的處理器——CPU與GPU進(jìn)行了詳盡的探究，主要分析了CPU中ARM構(gòu)架與X86構(gòu)架的區(qū)別以及CPU與GPU的主要區(qū)別。由于桌面計算機(jī)業(yè)務(wù)停滯發(fā)展的同時，以智能手機(jī)為代表的便攜式計算機(jī)蓬勃發(fā)展，ARM處理器的發(fā)展速度幾年來要明顯高于X86構(gòu)架處理器。隨著可穿戴設(shè)備的崛起，可以預(yù)見CPU在未來也將保持這一發(fā)展趨勢。與此同時，GPU的計算性能也被充分開發(fā)出來，開始在通用計算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如在并行計算上取得了突破性進(jìn)展，GPU未來也將在數(shù)值分析、大數(shù)據(jù)處理、金融分析等領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。這些技術(shù)的發(fā)展可以進(jìn)一步開發(fā)智能手機(jī)等便攜式計算機(jī)的計算能力，使得未來在移動終端完成大型計算成為可能。

參考文獻(xiàn)

[1]孫磊.智能手機(jī)硬件架構(gòu)淺談[J].中國科技博覽，2011，（28）：72-72.

[2]手機(jī)CPU與電腦CPU的性能究竟差多少[J].電腦迷，2015，（16）：55.

[3]張巍.國產(chǎn)智能機(jī)芯片發(fā)展現(xiàn)狀[J].電視技術(shù)，2014，38（z2）：440-442.