[Jak to działa] Procesor mobilny – część I

Adrian Celej Artykuły 2017-10-21

Procesor jest jednym z najważniejszych elementów każdego telefonu. Nie da się ukryć, że jednostki znajdujące się w urządzeniach mobilnych znacznie różnią się od tych, które montowane są w komputerach. Temat ten jest dość skomplikowany, dlatego warto przypomnieć ogólną zasadę funkcjonowania procesora.

Jak działa procesor?

Zacznijmy od systemów liczbowych. Współczesne procesory korzystają z systemu binarnego. Oznacza to, że mogą przyjąć tylko 2 stany – 1 dla informacji lub 0 w przypadku jej braku. Analogicznie oznacza to przepływ prądu lub jego brak. Warto zaznaczyć, że 0 nie oznacza całkowitego zaniku napięcia, po prostu jego napięcie jest niższe. Niestety, system binarny wymaga dużej ilości pojedynczych bitów do zapisania informacji, znacznie lepiej sprawdzają się systemy ósemkowe, dziesiętne i szesnastkowe. Dlaczego nadal korzystamy z tej nieefektywnej metody? Otóż system binarny został wykorzystany ze względu na możliwość eliminacji zakłóceń. Nie bez znaczenia jest też jego prostota. Dziś jego powszechność uniemożliwia zastąpienie go innym systemem

Architektura ARM

Procesory ARM w znacznym stopniu różnią się od architektury i386 Intela. Wiele osób mylnie porównuje te procesory ze sobą. Architektura ARM powstała z myślą o niewymagających i energooszczędnych urządzeniach. Początkowo świetnie sprawdzała się w telefonach, gdzie jedynym wyzwaniem było utrzymanie przy życiu niezwykle lekkiego systemu operacyjnego. Dziś to już przeszłość, producenci tych układów toczą wojnę o moc obliczeniową i cyferki w benchmarkach. Nie można powiedzieć, aby procesory ARM były rozwiązaniem idealnym, w dzisiejszych smartfonach znacznie lepiej sprawdziłby się procesory w architekturze MIPS. Niestety, układy te zostały niemal całkowicie porzucone wiele lat temu, nadrobienie takich zaległości jest dziś w zasadzie niemożliwe. Do niedawna swoich sił próbował Intel, jednak ostatecznie zrezygnował z walki o rynek mobilny. Nie było to jego pierwsze podejście, w przeszłości tworzył on także świetne układy XScale. Tamten dział został sprzedany, aby skupić się na walce z największym rywalem – AMD.

Prostota ARM

Nie da się ukryć, że procesory ARM rzeczywiście są energooszczędne. Osiągnięto to poprzez zmniejszenie liczby tranzystorów, uproszczony został także zestaw instrukcji. Rozwiązanie to ma także swoje wady, złożone operacje nie mogą być wykonywane w jednym cyklu pracy procesora. Architektura ta była w dość ostrych (czasem także niecenzuralnych) słowach wielokrotnie krytykowana przez twórcę Linuksa – Linusa Torvaldsa. Podczas jednego z wystąpień publicznie życzył śmierci jej autorom. Wszystko właśnie przez ograniczony zestaw instrukcji i problemy z osiągnięciem zadowalającej stabilności.

Licencjonowanie układów ARM

Właściciel praw do architektury ARM, firma ARM Holdings nie zajmuje się produkcją własnych układów. Oferowane są 2 typy współpracy z producentami. Większe firmy mogą kupić jedynie prawa do architektury i zaprojektować od podstaw własne układy. Tak robi np. Apple i Qualcomm. W przeciwnym wypadku można kupić prawa do gotowych rdzeni, a następnie na ich podstawie zbudować własny procesor. Są to słynne rdzenie Cortex, które spotkacie głównie w układach MediaTeka.

Wielordzeniowość

Typowy procesor może na raz wykonywać tylko jedną operację. Wyjątkiem od tej reguły jest technologia Hyper Threading Intela, jednak pomińmy ten wątek, nie udało się zaimplementować jej w smartfonach. Android podczas pracy wykonuje wiele operacji jednocześnie, ich kolejkowanie mogłoby spowodować zawieszanie się systemu. Z tego powodu wprowadzono układy wielordzeniowe. W przypadku np. Snapdragona 410 możliwe jest wykonywanie 4 operacji jednocześnie, co oznacza sprawniej działającą wielozadaniowość. W razie potrzeby bardziej wymagające aplikacje mogą próbować rozbić swoje obliczenia na wszystkie rdzenie. Oczywiście taka aplikacja musi zostać przygotowana do wykorzystywania większej liczby rdzeni, w przeciwnym wypadku obciąży w 100% jeden rdzeń. Czy duża liczba rdzeni zwiększa wydajność? Niekoniecznie. Mocne układy 4-rdzeniowe bez problemu pokonają 10-rdzeniowe chipy MediaTeka. Już w telefonach posiadających więcej niż 4 rdzenie pojawiają się problemy z ich jednoczesnym wykorzystaniem. Z tego powodu błędem jest krytykowanie np. Apple za dość ostrożne podejście do dużej liczby rdzeni. W swoim czasie Qualcomm publicznie ogłosił, że rezygnuje z tworzenia 8-rdzeniowych układów dla flagowych urządzeń. Miało to miejsce po aferze ze Snapdragonem 810, który miał tendencję do przegrzewania się. Ostatecznie korporacja stworzyła własne rdzenie (podobnie jak Apple), które sprawdzają się znacznie lepiej.

W następnej części omówię budowę oraz możliwości przykładowych układów.

Zobacz też:





x