羅紀龍

摘 要：智能手機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。智能手機本質(zhì)上是一臺便攜式計算機，因此其具備典型的計算機組成結(jié)構(gòu)。對于計算機而言，處理器是它的“心臟”，決定了計算機的運算性能。計算機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行了探究。本文以智能手機作為探討對象，重點區(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)其各自的特點對未來可能的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能手機；計算機組成；中央處理器；圖形處理器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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)，智能手機用不到十年的時間席卷了全世界。智能手機具備便攜性強、尺寸小、任務(wù)輕等特性。雖然與傳統(tǒng)的桌面式計算機有所差別，但智能手機本質(zhì)上仍然是一種便攜式計算機。無論是智能手機還是桌面式計算機，其基本運算性能都取決于處理器。從功能上區(qū)分，計算機的處理器可以分為中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）。作為計算機的“心臟”，CPU需要完成計算機大部分運算任務(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)進行專門處理的GPU應(yīng)運而生。本文以智能手機作為探討對象，詳細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)展方向進行了探究。

1 計算機組成

計算機組成指的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器機內(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)計算機組成理論，計算機主要可以分控制器、運算器、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的神經(jīng)中樞，主要是用來實現(xiàn)對程序規(guī)定控制信息的解釋功能，根據(jù)實際需要進行控制，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)計算機各部分合作，完成指定任務(wù)。運算器實現(xiàn)的是對數(shù)據(jù)進行加工處理，完成算術(shù)運算和邏輯運算。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)的桌面計算機上主要指的是鼠標、鍵盤和顯示器，而在智能手機上就是電容屏幕。

由運算器與控制器組成的處理器占到是整個計算機組成的核心，輸入輸出設(shè)備屬于人機交互的傳感器，儲存器主要用來儲存運算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而處理器則是負責對數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的特點進行區(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的CPU與GPU對二者進行探討。

2 中央處理器（CPU）

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

第一，采用ARM構(gòu)架。與傳統(tǒng)桌面計算機采用x86構(gòu)架不同的是，智能手機作為便攜式設(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)用于智能手機這種便攜式計算機。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CPU發(fā)熱現(xiàn)象，ARM的電源管理部分針對電池進行了能源限制，保證在待機時只以極低的主頻在運行，也可以關(guān)閉閑置的核心來實現(xiàn)上述目標。正是由于ARM構(gòu)架處理器有上述特點，因此非常適用于如智能手機的便攜式計算機上。

第二，多核多目標特性。與桌面計算機不同的是，智能手機多數(shù)情況下為多核CPU。桌面計算機的多核處理器是指在將多個并行的運算核心封裝在了一起，通過運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，桌面計算機的CPU核心一直保持在四核以內(nèi)，而智能手機的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，智能手機的用戶體驗越好。

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)和信息的運算器，主要用于執(zhí)行復雜的數(shù)學和幾何計算，以完成必要的圖形渲染工作。[3]在智能手機主板上，GPU一般都是緊挨著CPU的，二者同樣作為運算 器，由于主要實現(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)字和邏輯運算單元，因為CPU是用來控制整個智能手機并完成大部分的數(shù)據(jù)和程序運算的，因此每個核心的運算能力要非常強。與之相對應(yīng)的是，GPU的核數(shù)遠超CPU，被稱為眾核，通常GPU核心數(shù)可以達到3位數(shù)以上。這是因為圖形處理的獨特性，要求GPU能有同時并行計算各個像素點，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)運算單元，黃色代表控制單元，橘色代表由動態(tài)隨機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，這是因為CPU需要很強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

本文基于智能手機對計算機組成中的處理器——CPU與GPU進行了詳盡的探究，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。由于桌面計算機業(yè)務(wù)停滯發(fā)展的同時，以智能手機為代表的便攜式計算機蓬勃發(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)域進一步發(fā)展。這些技術(shù)的發(fā)展可以進一步開發(fā)智能手機等便攜式計算機的計算能力，使得未來在移動終端完成大型計算成為可能。

參考文獻

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

[2]手機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)智能機芯片發(fā)展現(xiàn)狀[J].電視技術(shù)，2014，38（z2）：440-442.