За несколько десятилетий вычислительные машины стремительно эволюционировали. Многокомнатные релейные, ламповые и транзисторные монстры уступили дорогу куда более совершенным устройствам, собранным из полупроводниковых микросхем. Благодаря миниатюрности, надежности, малому энергопотреблению и невысокой стоимости компьютеры проникли во все сферы быта – от телефонов до стиральных машин. Но развитие на этом не остановилось. И если средневековые схоласты спорили о том, сколько ангелов может поместиться на острие иглы, инженеры будущего наверняка смогут разместить там полнофункциональный мобильный компьютер. Впрочем, и современные достижения микроэлектроники весьма впечатляют.
Высокоинтегрированные системы
Традиционные мобильные платформы, состоящие из микросхем системной логики (чипсета) и процессора, размещенных на системной плате, годятся для ограниченного круга устройств, прежде всего ноутбуков и нетбуков. Однако есть целый класс сверхмобильных аппаратов, которым в качестве платформы требуется нечто более компактное и менее энергопотребляющее. Среди них – планшетные компьютеры, смартфоны, ультракомпактные нетбуки и всевозможные специализированные гаджеты (навигаторы, MP3- и MP4-плееры и т.д.). В основе – сверхмобильная платформа, которая чаще всего представляет собой так называемую систему на кристалле (System-on-a-Chip, SoC). Это в буквальном смысле самодостаточная система, объединяющая разнообразные устройства (процессоры, память, контроллеры интерфейсов и многое другое) и выполненная в виде единой микросхемы (кристалла).
На заметку
Компания Intel обещает уже в ближайшие год-два выпустить специальную серию процессоров Atom для планшетов и смартфонов. Вполне вероятно, что вскоре можно будет без особых проблем запускать на планшетах те же привычные программы, какими мы пользуемся на стационарных ПК и ноутбуках.
Краеугольным камнем SoC является особый центральный процессор со сверхнизким энергопотреблением. В отличие от процессоров для ПК, в которых применяется разработанная Intel архитектура х86, процессоры мобильных платформ в подавляющем большинстве случаев используют архитектуру ARM, позволяющую создавать пусть менее производительные, зато более экономичные и компактные устройства.
Самыми известными производителями процессоров данной архитектуры являются фирмы Qualcomm, Marvell, Apple и Samsung. Их разработки используются не только в мобильных устройствах собственного производства, например Apple iPhone, но и в изделиях сторонних производителей, таких как HTC или Nokia.
НАКОПИТЕЛЬ
В качестве жесткого диска в сверхмобильных системах применяется энергонезависимая NAND или flash-память. Ее преимуществами, в сравнении с типичным накопителем на магнитных дисках, являются сверхкомпактные размеры, низкое энергопотребление и устойчивость к внешним физическим воздействиям (удары, вибрация), что особенно важно для мобильных устройств, учитывая обычные условия их эксплуатации.
Объем установленной flash-памяти, как правило, зависит от позиционирования продукта в линейке: 8-16 Гб для бюджетных моделей и десятки гигабайт — для более дорогих имиджевых модификаций.
Во многих мобильных устройствах присутствует дополнительный разъем для установки стандартных карт SD или microSD, что позволяет значительно увеличить доступное пользователю «дисковое» пространство.
Несмотря на жесткие технические ограничения, задаваемые «ультракомпактными» условиями эксплуатации, частоты современных одночиповых систем уже смогли превысить знаковый рубеж 1 ГГц. Такая производительность вовсе не является избыточной – она нужна прежде всего для плавного воспроизведения насыщенного технологией flash-контента – в частности, многих интернет-сайтов.
Расширение платформы
Графические решения, применявшиеся в более ранних и бюджетных моделях медиаплееров и смартфонов, имели недостаточную производительность; поэтому подобные устройства зачастую оснащаются дополнительным медиапроцессором, берущим на себя функции воспроизведения видео.
В ближайшее время ведущими разработчиками ARM-процессоров запланирован массовый переход на двухъядерную архитектуру с дальнейшей перспективой внедрения полноценной многоядерности.
В связке с процессором работает графическое ядро, также разработанное с учетом максимальной экономичности. Впрочем, современные мобильные графические ядра способны не только выводить элементы интерфейса на экран, но и воспроизводить видео стандартов высокой четкости (HD-видео), а также брать на себя расчеты сложной трехмерной графики, использующейся в разнообразных популярных 3D-играх.
Хотя новейшие решения класса ARM Mali 400, NVIDIA GeForce ULP (Tegra 2) или Imagination PowerVR SGX540 по своим графическим и иным возможностям уступают настольным аналогам, однако вполне сопоставимы с видеопроцессорами, применяющимися в таких популярных игровых приставках, как Microsoft Xbox 360 и Sony PlayStation 3. Недаром в последнее время появилось множество динамичных трехмерных игр с впечатляющей графикой и сложными спецэффектами.
СРЕДСТВА СВЯЗИ
Фактически обязательным элементом сверхмобильных платформ стали сетевые интерфейсы, проводные и (или) беспроводные – в частности, 100 Мбит/1 Гбит Ethernet, Wi-Fi стандартов 802.11b/g/n и Bluetooth. За них отвечает отдельный сетевой контроллер, как правило, разработки Broadcom или Atheros.
Поддержка беспроводной сети Wi-Fi позволяет, при наличии точки доступа, легко интегрировать мобильный гаджет в домашнюю сеть и обмениваться данными между ним и основными устройствами (настольный ПК, ноутбук, домашний файловый сервер или NAS). А в некоторых заведениях – например, гостиницах, залах ожидания в аэропортах, интернет-кафе и закусочных McDonald’s, – есть бесплатная услуга выхода в Интернет.
В отличие от медиаплееров, смартфоны и некоторые планшеты дополнительно оснащаются модулями GSM/GPRS, позволяющими совершать звонки, используя сотовую связь, или самостоятельно выходить в Сеть.
Системы, предназначенные для использования в GPS-навигаторах, а также смартфоны с аналогичной функцией дооснащаются GPS-приемником, обеспечивающим связь с навигационными спутниками NAVSTAR.
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
Как в любой компьютерной системе, одним из обязательных элементов SoC является оперативная память. Преимущественное распространение получил тип памяти LPDDR (Low Power Double Data Rate – память с низким энергопотреблением и удвоенной скоростью передачи данных). Несмотря на сходство с названиями DDR2 и DDR3, новый тип памяти несовместим с этими стандартами напрямую из-за примененных в LPDDR многочисленных микроархитектурных решений, призванных существенно снизить энергопотребление.
Типичный объем оперативной памяти в современных мобильных устройствах за последнее время существенно возрос (с 128 до 512 Мб–1 Гб) и фактически соответствует объему ОЗУ настольных ПК трех-четырехлетней давности, позволяя использовать новейшие мобильные операционные системы и приложения, которые по своей функциональности мало в чем уступают настольным аналогам.
ДИСПЛЕИ
В современных гаджетах применяются сенсорные дисплеи двух типов: емкостные и резистивные. Первые обладают более высокой прозрачностью и, следовательно, требуют менее мощной подсветки для обеспечения высокой яркости и контрастности – это положительно сказывается на энергопотреблении, позволяя увеличить время автономной работы мобильного устройства. Кроме того, емкостные экраны лучше реагируют на легкое касание пальцем, тогда как для четкого срабатывания резистивного экрана требуется некоторое усилие при нажатии – оптимальным является ввод с помощью стилуса. Впрочем, в 2008 году компания HTC разработала и запатентовала электронное перо для работы с емкостными экранами, специально предназначенное пользователям, привыкшим к управлению с помощью стилуса и не желающим переходить на «пальцевый» метод.
Дополнительным преимуществом емкостных экранов является возможность определения нескольких нажатий сразу (технология Multitouch). Типичный размер экрана для планшета составляет 7–10 дюймов (18–25 см) по диагонали, с разрешающей способностью от 800х480 до 1280×800 точек. У смартфонов и медиаплееров диагональ равна, как правило, 3–4 дюймам (7–10 см), а разрешение экрана варьируется от скромных 320х200 до впечатляющих 960х640 точек (Retina display в новых iPhone и iPod touch).
ОC ДЛЯ СВЕРХМОБИЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ
Несколько слов об операционных системах, используемых в составе высокоинтегрированных мобильных платформ. Одна из старейших мобильных ОС – Symbian – формально является самой авторитетной на рынке, но стремительно теряет популярность под натиском молодых и перспективных конкурентов. По последним статистическим отчетам, быстрее всех распространяется операционная система Android, разработанная и внедряемая компанией Google.
Буквально за два года эта ОС получила широчайшую известность и уверенно отвоевывает позиции в самых разных устройствах: от смартфонов и коммуникаторов до нетбуков и планшетов. И, несмотря на то что новая версия Android с заявленной официальной поддержкой планшетов (Android 3.0 Honeycomb) находится пока в стадии разработки, производители не стесняются использовать в своих устройствах ее смартфонную версию.
Уступает позиции и BlackBerry OS, разрабатываемая компанией Research In Motion (RIM). Впрочем, в выпущенной летом 2010 года версии 6.0 появились многочисленные нововведения (возможность одновременного управления с помощью трекбола, аппаратной клавиатуры и сенсорной панели, обновленный браузер, поддержка HTML5 и др.), с помощью которых производитель надеется догнать конкурентов.
На четвертом месте – операционная система от Apple под названием iOS, получившая массовое распространение благодаря огромной популярности таких мобильных устройств, как iPhone, iPod touch и, конечно, iPad. Раньше продукты Apple считались нишевыми и имиджевыми, предназначались узкой аудитории поклонников «яблочной» фирмы; сегодня же Apple стала законодателем мод, а порой выступает первопроходцем.
Пытается идти в ногу со временем и такой столп программной индустрии, как Microsoft. В 2010 году компания выпустила совершенно новую и перспективную операционную систему Windows Phone 7, призванную заменить теряющую популярность Windows Mobile (к сожалению, русифицированная версия пока не выпущена). Сенсацией стало официальное заявление компании Nokia о прекращении поддержки Symbian и переходе на новую операционную систему от Microsoft.
СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ
Разработкой систем на кристалле занимаются более десятка крупных фирм, но лишь некоторые из решений получили распространение на быстро растущем рынке мобильных устройств. Как уже упоминалось, в подавляющем большинстве SoC используются процессоры архитектуры ARM. Следует отметить, что производители, как правило, не разрабатывают процессоры самостоятельно, а лицензируют готовые модификации архитектуры у компании ARM. Каждый SoC-процессор собирается индивидуально, под конкретные задачи и условия применения, из готовых блоков-«кубиков», обеспечивающих необходимую функциональность с учетом требуемых характеристик. По такой схеме работают компании Texas Instruments, ST-Ericsson, Samsung, Freescale, Apple.
Собственной разработкой процессоров, помимо «материнской» компании ARM, занимаются Qualcomm (SnapDragon) и Marvell (XScale). Несмотря на то, что в составе новой платформы Tegra 2 еще используется «стандартный» процессор на ядре Cortex, компания NVIDIA недавно приобрела полную (full-custom) лицензию на архитектуру ARM, чтобы иметь возможность создать процессор следующего поколения на основе собственного дизайна. Наиболее актуальными сегодня являются мобильные процессоры на базе ядер ARM11 (применяются в составе Apple iPhone 2G, iPod touch первых двух поколений, HTC Dream, Nintendo 3DS и др.) и Cortex-A8 (iPhone 3GS, iPhone 4, iPad, семейство Samsung Galaxy Tab, Google Nexus S, LG Optimus 2X и др.).
APPLE A4/A5
Начнем рассмотрение возможностей платформ в алфавитном порядке – с компании Apple. До недавнего выхода iPad 2 последним продуктом компании являлась платформа Apple A4. В ее основе – разработанный совместно с Samsung одноядерный процессор S5L8930 на архитектуре ARM Cortex-A8. Частота процессора достигает значения 1000 МГц для iPad и 800 МГц для iPhone 4. Мощности вполне достаточно, чтобы снимать и воспроизводить HD-видео стандарта 720p, обеспечить отзывчивую работу и плавную прорисовку интерфейса.
Платформа поддерживает память типа LPDDR, в одноканальном режиме подключенную по специальной скоростной шине AMBA 3 AXI шириной 64 бит. Типичный устанавливаемый по технологии PoP (в едином корпусе, но не на одном кристалле!) объем памяти 256–512 Мб вполне достаточен для текущих запросов мобильных приложений.
На кристалле также интегрирован видеопроцессор PowerVR SGX 535 от компании Imagination, поддерживающий API OpenGL ES версии 2.0. Данный графический процессор, несмотря на немолодой по современным меркам возраст, способен поддерживать игры с достаточно сложной 3D-графикой и спецэффектами на основе шейдеров второго поколения. Кстати, идентичное идеоядро применялось в одном из первых в мире нетбуков ASUS Eee PC – Intel GMA500 IGP.
В зависимости от модели платформа оснащается сторонними модулями Wi-Fi стандартов 802.11a/b/g/n, Bluetooth 2.1+EDR, GPS и HSDPA/Edge. Для хранения данных и операционной системы в состав платформы входит 8–64 Гб энергонезависимой памяти типа NAND. Традиционно для продукции Apple присутствуют акселерометр, гироскоп, магнитный компас и датчик освещения, управляющий яркостью подсветки. В качестве операционной системы используется только «родная» ОС от Apple – iOS 4 (бывшая iPhone OS).
Кстати, нередко отмечаемые недостатки устройств на данной платформе, отсутствие поддержки технологии Adobe Flash, кард-ридера или USB-порта являются следствием идеологии компании, а отнюдь не техническими недоработками.
В начале марта нынешнего года компания Apple смогла порадовать поклонников выпуском новейшей платформы Apple A5. В данный момент она используется в планшете iPad 2, и, вероятнее всего, на ее основе будут представлены новые iPhone и iPod пятого поколения. Процессор, как и для платформы А4, разрабатывался совместно с компанией Samsung. Он основан на модифицированной архитектуре ARM Cortex A9, имеет частоту 1ГГц и теперь уже два ядра. Память типа LP DDR2 стала работать на более высокой частоте 1066 МГц. В качестве видеопроцессора применяется новый PowerVR SGX543, в несколько раз превосходящий по мощности прежнее решение. Несмотря на значительно возросшую мощность процессора и видеоядра, разработчикам Apple удалось сохранить экономичность платформы на прежнем уровне.
MARVELL ARMADA
Следующей по списку идет SoC-платформа от Marvell. Выкупив в свое время у Intel подразделение XScale, эта компания сегодня одна из немногих самостоятельно занимается проектированием и разработкой процессоров данной архитектуры.
Модельный ряд серий PXA и Armada 100 был весьма популярен у производителей смартфонов и электронных книг, выделяясь среди конкурентов высокой энергоэффективностью, наличием модуля Wireless MMX (аналог NEON) и быстрой 2D-графики, позволяющей осуществлять плавную прокрутку и масштабирование.
На сегодня наиболее актуальной является платформа Armada 500, предназначенная для нетбуков и смартбуков. Она базируется на процессорном ядре Dove (88AP510) архитектуры ARMv7 (аналог процессоров Cortex) собственной разработки. Частотный диапазон – в пределах 1000–1250 МГц. Процессор оснащен дополнительным блоком для быстрого расчета векторных операций (VFP), модулем декодирования HD-видео стандарта 1080р и производительным 3D-видеоядром, поддерживающим ускорение технологии Adobe Flash.
Судя по последним анонсам, компания ARM всерьез планирует вскоре выйти на серверный рынок с новыми четырехъядерными процессорами Armada XP. Обновленный контроллер памяти будет в состоянии работать с обоими современными типами мобильной ОЗУ: LPDDR2/DDR3. Заявлена поддержка всех востребованных на сегодняшний день внешних интерфейсов: USB 2.0, SATA 2, PCI Express, Gigabit Ethernet и др. Из беспроводных адаптеров названы Wi-Fi 802.11a/b/g/n, WiMAX, 3G modem и Bluetooth. Наконец, данная платформа рассчитана на работу с множеством операционных систем: Android 3.0, Chrome OS, Ubuntu Linux, Windows Phone 7.
NVIDIA TEGRA/TEGRA 2
Поговорим теперь о разработках сравнительно нового, но весьма амбициозного игрока – NVIDIA. Первый блин «видеокарточной» компании традиционно вышел комом. Платформа Tegra не получила сколько-нибудь широкого распространения, несмотря на вполне приличные характеристики, в частности мощное видеоядро (в этой сфере позиции NVIDIA весьма сильны). Большинство анонсированных устройств на первой Tegra так и не попало в широкую розницу или было попросту отменено.
Иная судьба, похоже, ожидает новую платформу Tegra 2. В ее составе мощный современный двуядерный процессор ARM Cortex-A9 с частотой до 1 ГГц на ядро. Платформа поддерживает 1 Гб оперативной памяти, причем как мобильной LPDDR2, так и обычных модулей DDR2-667. Новое производительное 3D-видеоядро GeForce ULP опережает ближайших конкурентов на 30% и по мощности вполне сравнимо с «настольным» аналогом GeForce 9300. Поддерживаются одновременный вывод на два дисплея, стандартные видеовыходы CRT и HDMI 1.3, а также аппаратное кодирование и декодирование всех форматов видео, включая HD.
Помимо этого, выделен отдельный медиапроцессор для обработки звука и сигнала с цифровых камер (масштабирование, поворот, автофокус и т.п.) с разрешением до 12 Мпикс. Поддерживаются все актуальные на сегодняшний день интерфейсы: USB 2.0, SATA, кард-ридеры и др. Сетевые возможности, включая Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth, в платформу не интегрированы и реализуются с помощью дополнительных сторонних контроллеров.
NVIDIA БУДУЩЕГО
Подобно Intel, NVIDIA не скрывает планов на будущее, одному из основных флагманов идустрии скрытность не пристала. Широкой общественности представлен роадмап компании на несколько лет вперед.
В планах NVIDIA – серьезное развитие архитектуры ARM. Ежегодно будет выходить новое поколение под очередным именем: Wayne (2012), Logan (2013) Stark (2014), с каждым шагом обеспечивая значительный прирост производительности. Обещано, что последнее поколение превысит производительность Tegra 2 в 75 раз!
Кстати, по имеющимся в Сети данным, процессоры следующей модификации платформы Tegra – версии 3 – в некоторых алгоритмах не уступают мобильным процессорам Intel Core 2 Duo.
В настоящее время анонсировано немало перспективных устройств на основе Tegra 2: планшеты LG Optimus Pad, Samsung Galaxy Tab II и ASUS Eee Pad Transformer, выпущенный недавно смартфон LG Optimus 2X и т.д. О намерении использовать данную платформу официально заявили такие крупные компании, как Acer, Dell, Toshiba, ViewSonic.
Отметим, что платформы от NVIDIA поддерживают все популярные мобильные операционные системы: Android, Chrome OS, Windows Mobile, Windows Phone 7, MeeGo.
QUALCOMM SNAPDRAGON
На очереди еще один из самостоятельных Full-custom-разработчиков SoC-платформ – компания Qualcomm. Семейство платформ Snapdragon основано на процессорах Scorpion собственной разработки по спецификациям аналогичных ARM Cortex-A8 и представляет новый этап их развития.
Современные высокоинтегрированные процессоры Scorpion имеют в своем составе два производительных ядра с частотным потолком до 1500 МГц. Центральный процессор усилен блоком VPF, ускоряющим вычисления с векторами и дробными числами. Встроенный контроллер памяти поддерживает LPDDR первого поколения, работающую в двухканальном режиме.
Видеоподсистема Adreno 220, ведущая родословную от графического ядра, применяемого в игровой приставке Microsoft Xbox360 Xenos, обеспечивает производительность в 3D-приложениях на вполне конкурентоспособном уровне.
С помощью специального блока видеопроцессор без проблем справляется с воспроизведением форматов высокой четкости без привлечения вычислительной мощности основного процессора, что положительно сказывается на экономии энергии при просмотре видео.
Особенностью платформы Snapdragon является наличие огромного количества встроенных сетевых контроллеров с поддержкой всех возможных технологий беспроводной связи: GSM, GPRS, EDGE, UMTS/WCDMA, HSDPA, HSUPA, MBMS, CDMA2000 и пр.
На основе платформы от Qualcomm собраны такие популярные модели мобильных устройств, как HTC HD2, HTC Desire HD, HTC Inspire, Sony Ericsson Xperia, LG Revolution, HP TouchPad и др.
TI OMAP 4/OMAP 5
Последней платформой, о которой пойдет речь в нашей статье, будут популярные семейства OMAP 4 и OMAP 5 от компании Texas Instrument. Четвертая серия OMAP базируется на двухъядерных процессорах ARM Cortex-A9 с частотой до 1500 МГц и оснащена спецблоками TrustZone и NEON. Платформа выгодно отличается от конкурентов наличием двухканального контроллера памяти с поддержкой LPDDR2. В состав также входит мощное видеоядро PowerVR SGX540 от Imagination Technologies, мало в чем уступающее разработкам NVIDIA. Реализованы поддержка OpenGL ES 2.0 и аппаратная обработка Full HD 1080p.
Данная платформа положена в основу весьма продвинутых устройств – RIM BlackBerry Playbook и LG Optimus 3D.
Еще более перспективной выглядит платформа OMAP 5. В ней будут задействованы уже четырехъядерные процессоры Cortex-A15 с частотой не менее 2000 МГц. Видеоподсистема оснащена последним многоядерным решением PowerVR SGX544MP, позволяющим существенно поднять планку производительности в 3D-играх и поддерживающим одновременный вывод сразу на четыре дисплея.
Конкуренцию OMAP 5, судя по всему, сможет составить только будущая Tegra 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нетрудно заметить, что платформа каждого производителя имеет свои сильные стороны. Продукция Apple отличается сбалансированностью и отлично отлаженной операционной cистемой, плюс огромный выбор ПО. Платформы от Marvell обладают высокой экономичностью. NVIDIA сильна графическими решениями. Фирма Qualcomm разрабатывает высокопроизводительные процессоры и оснащает свои платформы серьезной поддержкой сетевых протоколов. А компании Texas Instrument чаще других удается воплотить в кремнии самые последние разработки в области архитектуры. В итоге у покупателя всегда есть выбор и возможность приобрести устройство, наиболее полно отвечающее его запросам.
Но не это главное. Как и в живой природе, многообразие видов порождает конкуренцию, конкуренция ведет к естественному отбору – а это одно из ключевых условий эволюции, или, в нашем случае, научно-технического развития. Именно это позволяет надеяться на то, что в обозримом будущем мы сможем увидеть полнофункциональные компьютеры в наручных часах, мобильные телефоны в серьгах и прочие шедевры миниатюризации.
Общаться на расстоянии люди научились довольно давно. В древние времена с вестями посылали гонцов, немного позже активно стали писать письма. Сейчас, чтобы поговорить с далёким собеседником, достаточно позвонить по телефону. Но главным условием такого звонка является наличие мобильного устройства у абонента и его потенциального собеседника. Но вот интересно, посредством чего происходит связь, если между телефонами нет проводов? В этой статье подробно рассмотрим, как же работает мобильный телефон.
Содержание
- Принцип работы мобильных устройств в сотовой сети
- Что такое базовая станция и как она работает
- Как происходит сам разговор
Принцип работы мобильных устройств в сотовой сети
Мобильный телефон – это своеобразный приёмо-передатчик, который работает на одной из частот диапазона 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц и 1900МГц. При этом передача и приём сигнала разнесена по разным частотам. Вся система под названием GSM включает три основных компонента.
- Подсистема базовых станций;
- Подсистема коммуникации;
- Центр управления и обслуживания.
Если объяснять это простыми словами, то принцип работы такой. Мобильное устройство взаимодействует с сетью мобильных вышек или базовых станций. Такие вышки чаще всего устанавливают на специальных наземных вышках, крышах жилых домов, а также других арендованных зданий. Также они могут располагаться на промышленных трубах и трубах котельных.
Телефон сразу после включения и даже в выключенном состоянии , но с вставленным аккумулятором, постоянно сканирует эфир, в писках сигнала своей базовой станции. Этот сигнал определяется по особому идентификатору, который задаётся вставленной сим-картой. Если какие-то сигналы в радиусе действия есть, то мобильником выбирается максимально сильный, после чего базовой станции посылается запрос на регистрацию в сети. Этот процесс считается авторизацией в системе.
Каждая сим-карта, вставленная в мобильное устройство, наделена своими уникальными идентификаторами IMSI. При регистрации мобильника в сети данные передаются на базовую станцию, а именно в центр идентификации. Далее этот центр передаёт на телефон некое секретное число, которое является своеобразным кодом и нужно для вычислений по особому алгоритму. Такие вычисления проводятся одновременно на мобильнике и в центре идентификации, если данные совпадают, то телефон присоединяется к сети.
Для мобильных телефонов идентификатором является уникальный номер IMEI, состоящий из 15 цифр в десятичном формате.
IMEI хранится в памяти мобильного аппарата. Стоит знать, что в устаревших моделях мобильников этот номер нетрудно изменить при помощи специальной программы, в современных смартфонах эти данные дублируются. Один экземпляр хранится в памяти, которую можно изменять, а вот дубликат находится в памяти ОТР, которую перепрограммировать невозможно.
По IMEI любое мобильное устройство легко отследить в сети. Это очень полезная функция, так как при краже мобильного устройства его можно отследить и изъять у злоумышленника. Если же номер изменили, то шансы найти мобильник почти равны нулю.
Стоит знать, что IMEI может быть повреждён в случае сбоя программного обеспечения или неправильного обновления программы. В этом случае устройство становится непригодным для работы. Вот тут нужна помощь специалистов, чтобы восстановить всю информацию и вернуть работоспособность мобильнику.
Чтобы сотовый телефон работал, в него следует вставить сим-карту. После этого телефон начинает проверять доступность частот, которых около 160. Из них выбирается 6 наиболее мощных сигналов, и данные записываются на сим-карту.
После того, как абонент кому-то позвонил, мобильник передаёт информацию на базовую станцию с самым сильным сигналом. Оператор распознаёт симку и автоматически находит свободный канал для связи. Всё это занимает всего лишь несколько секунд.
Схематическое исполнение мобильных телефонов
Схема каждого мобильного телефона очень сложная. Так простому обывателю даже трудно представить, как можно на одном миллиметре процессора разместить миллионы транзисторов, пусть и миниатюрного размера. Так мало того, все эти детали должны обеспечит слаженную работу мобильного устройства.
Рассмотрим основные составляющие мобильных устройств и их предназначение.
- Процессор. На схемах он обозначен аббревиатурой CPU или RAPIDO. Именно эта деталь и является мозговым центром любого мобильника.
- Флешка. Это не что иное, как карта памяти. В схемах обозначается словом flash, но могут быть обозначения mem, memory. Чаще всего она прямоугольной формы, в зависимости от модели мобильного устройства может иметь разные габариты и объём памяти.
- Контролёр питания. Он может быть отмечен на схеме как betty, retu, tahvo или UEM. Это миниатюрные микросхемы квадратной формы.
- Передатчик и приёмник сигнала. Помечается на схеме как RF chip & GSM FEM. Такие передатчики могут быть похожи между собой, но у них отличаются последние цифры в маркировке.
- У некоторых мобильников предусмотрен терморезистор и предохранитель.
Большая часть современных мобильных телефонов может работать в различных стандартах. Это позволяет без проблем пользоваться услугами роуминга в сетях разных мобильных операторов.
Как только абонент пересекает границу, на его мобильном устройстве высвечивается уведомление, что он находится в роуминге. Стоит помнить, что за эту услугу чаще всего взимается довольно большая сумма.
Что такое базовая станция и как она работает
Базовой станцией называется комплекс специальной радиопередающей аппаратуры, к которой относятся пе6редатчики, приёмники и ретрансляторы, которые осуществляют связь с мобильным устройством абонента. Каждая базовая станция стандарта GSM рассчитана на 12 передатчиков, каждый из которых может поддерживать связь между 8 разговаривающими абонентами. Комплекс таких станций, расположенных рядом, образует так называемую соту.
Базовые станции соединяются со специальным коммутатором посредством контроллёра базовых станций. Коммутатор и контролёр устанавливаются в одном помещении и соединяются прямой оптической линией. Подключение проводится через транспортную сеть, которая работает на базе радиорелейных, медных и волоконно-оптических линий.
В ряде стран мобильные вышки оригинально маскируют под деревья и иную растительность, что позволяет не нарушать общий пейзаж.
Зона покрытия каждой отдельно взятой базовой станции напрямую зависит от высоты установки антенны, рельефа населённого пункта и различных препятствий на пути к мобильному устройству абонента. В результате постепенного роста абонентской базы максимальной пропускной способности базовой станции может не хватать, в таком случае при попытке позвонить абонент видит на экране уведомление, что сеть занята. если такие случаи возникают часто, то оператор может принять решение, установить дополнительные мобильные вышки в местах повышенной нагрузки.
В городских условиях иногда встречаются такие участки, где телекоммуникационной компании требуется локально подключить определённый объект с большим количеством трафика. Сюда относятся станции метро, крупные городские улицы и крупные торговые комплексы. В таком случае используется оборудование малой мощности, такое как микросоты и пикосоты. Это оборудование можно размещать даже на небольшой высоте, к примеру, на жилых домах или фонарях освещения.
Когда необходимо обеспечить качественное покрытие внутри закрытых зданий, используются небольшие пикосотовые базовые станции.
Как происходит сам разговор
Сам телефонный разговор – это довольно сложный процесс. При разговоре голос абонента разбивается на небольшие отрезки продолжительностью 20 миллисекунд, а потом преобразовывается в особый цифровой сигнал. После этого данные кодируются при помощи особой системы. После этого зашифрованные сигналы подвергаются обработке повторно, это необходимо для устранения постороннего шума.
У многих сотовых операторов есть ограничение по длительности разговоров. Чаще всего общаться можно не больше 30 минут, после чего разговор автоматически прерывается и требуется перезванивать.
Современные мобильные телефоны служат не только для общения абонентов между собой. В этом небольшом устройстве есть встроенные часы, калькулятор, будильник, календарь и фонарик. Помимо этого смартфоны имеют фотоаппарат, с высоким разрешением камеры, выход в интернет, а также музыкальный плеер. При помощи современного смартфона можно не только общаться, но и вести переписку в электронной почте, смотреть любимые фильмы и слушать музыку.
Автор
Татьяна
Слежу за новостями на рынке мобильных услуг. Всегда в курсе последних событий
Как устроен смартфон: разбираем и изучаем по частям
Сегодня смартфон есть практически у каждого человека. Но мало кто видел, как он устроен внутри. «TechInsider» позаботилась об этом: чтобы вам не пришлось разбирать собственный аппарат (и покупать новый после безуспешных попыток вновь его собрать), мы разобрали один из современных смартфонов – Lenovo S90.
В детстве, прочитав повесть «Старик Хоттабыч», я был особенно впечатлен, как Хоттабыч щелчком пальцев левой руки создает телефон «из цельного куска самого отборного черного мрамора». Правда, у этого телефона был один недостаток — он не работал: «В таком случае понятно, почему этот телефон не действует, — сказал Волька. — Ты сделал только макет телефона, без всего, что полагается внутри. А внутри аппарата как раз самое главное». Именно тогда меня заинтересовал вопрос, что же находится внутри телефона. Один такой телефон — правда, не из мрамора, а из бакелита — стоял у родителей на столе, и я, движимый любопытством, разобрал его. После сборки у меня осталось множество лишних деталей, а родителям пришлось покупать новый телефон.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Технические характеристики:
Процессор: 64-разрядный процессор Qualcomm Snapdragon MSM8916 с частотой 1,2 ГГц //
Операционная система: Android KitKat 4.4 // Оперативная память: 2 Гб // Встроенная память: 32 Гб // Дисплей: 5-дюймовый (1280 x 720) HD Super AMOLED со стеклом Gorilla Glass 3 // Камеры: задняя 13 Мп с сенсором PureCel и функцией оптической стабилизации изображения, фронтальная камера 8 Мп со светодиодной вспышкой // Звук: 1 динамик, стереовыход 3,5 мм // Поддерживаемые стандарты коммуникации: LTE (4G), FDD Band 1,3,7,20; DL 150Mbps / UL 50Mbps, WLAN: WiFi 802.11 b/g/n/ac // Аккумулятор: 2300 мАч (литий-полимерный), несъемный // Количество SIM-карт: 2 micro-SIM // Цвета: платиновый, золотой, серый графит // Габариты (Ш x Д x В): 146 x 71,7 x 6,9 мм Масса: 129 г.
За прошедшие с того времени три с лишним десятка лет техника существенно изменилась. Внутри Lenovo S90 вы не увидите того, что увидел я: ни угольных микрофонов, ни магнитов с проволочными катушками и картонными диффузорами динамиков, ни диска импульсного набора номера с шестеренками, пружиной и разрезным маховиком центробежного регулятора скорости вращения. В современном смартфоне вообще не так уж много деталей, на которые можно его разобрать, — они скомпонованы в достаточно крупные неразборные узлы, и детали упакованы внутрь корпуса чрезвычайно компактно. Разобрать, а потом собрать самостоятельно свой смартфон не всегда возможно. Так что «TechInsider» сделала это за вас.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
1. Задняя крышка из анодированного алюминия может быть выполнена в трех цветовых вариантах: платиновый, золотой, серый графит. На матовом покрытии корпуса не видны отпечатки пальцев, так что корпус всегда выглядит чистым.
2. Рамка увеличивает жесткость корпуса. Также на ней размещается часть элементов конструкции. 3. Super AMOLED дисплей, покрытый защитным стеклом Gorilla Glass
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
3. Емкостной сенсор прикосновений (тачскрин) интегрирован в дисплей. Также виден шлейф для подключения к материнской плате.
4. Материнская (основная) плата с процессором, графическим ускорителем и памятью. На плате расположены разъемы для подключения дисплея, боковых кнопок включения и громкости, основной камеры, фронтальной камеры, батареи и коаксиального антенного кабеля. Межплатный разъем находится на обратной стороне платы.
5. Полифонический динамик
6. Антенный усилитель
7. Основная камера. Вспышка для нее расположена на материнской плате.
8. Передняя (фронтальная) камера с интегрированной системой оптической стабилизации изображения.
9. Плата с разъемами для подключения зарядного устройства и межплатного шлейфа. Круглая «таблетка» на проводе — микромотор с эксцентриком для вибровызова и тактильной обратной связи при нажатии клавиш.
10. Разговорный динамик.
11, 13. Крепления.
12. Светодиодная вспышка передней камеры.
14. Литий-полимерная батарея.
15. Лоток для двух SIM-карт.
16. Антенна.
17. Шлейф кнопок громкости и включения.
18. Межплатный шлейф.
19. Антенный кабель.
20. Винтики для крепежа.
12 февраля 2018
Как это устроено. Внутренняя компоновка
Привет. Сегодня мы продолжим исследовать внутренности мобильных устройств, в частности, смартфонов. В сегодняшнем материале речь пойдет про особенности компоновки элементов внутри смартфона, а также организацию внутреннего пространства у различных производителей. Это будет не исчерпывающая информация, а мое субъективное мнение, с которым вы вольны не соглашаться.
Только начав заниматься ремонтом мобильных телефонов, набираясь опыта, столкнулся с тем, что разные производители по-разному используют внутреннее пространство и по-разному распределяют платы, шлейфы, крепления внутри аппаратов. На данный момент выделил для себя пять основных видов внутренней компоновки устройств.
Китайцы, или «всё на соплях».
Вариант компоновки, применяемый в недорогих китайских устройствах, для которого характерно массовое использование проводов, шлейфов, а также островное расположение элементов. Плюсом такого расположения является простота замены отдельных компонентов без необходимости пайки. Минус – невысокая жесткость конструкции ввиду экономии на материалах и наплевательского отношения к просчету жесткости. При таком размещении несущими элементами корпуса становятся части телефона, не предназначенные для этого. Например, несущим элементом, на который крепится электроника, может являться дисплей. Последнее время подобная компоновка встречается только на совсем бюджетных устройствах, так как уважающие себя китайцы начали уделять внимание расчету конструкции. Хорошо, что подобные устройства благополучно вымирают.
«Старая школа».
Наиболее характерна для устройств Motorola. Особенность такой компоновки заключается в том, что инженеры Motorola многие годы при разработке устройств руководствуются принципом «текстолита не жалко». Выражается это в том, что материнская (основная) плата смартфона занимает почти всю внутреннюю площадь устройства. Из-за этого аккумуляторы в смартфонах от Moto плоские и тонкие при сравнимой емкости, по площади больше АКБ других производителей. Например, АКБ из Moto X 2014 в сравнении с АКБ от Samsung Galaxy S3 (емкость сравнимая).
Любопытная особенность состоит в том, что в таком случае сама плата является частью несущего каркаса, обеспечивая жесткость корпуса. С одной стороны, решение спорное, так как плата – вещь весьма нежная и очень не любит изгибов, с другой стороны, годы использования такой конструкции доказали, что она имеет право на жизнь. А еще, судя по всему, в Moto очень не любят делать отверстия в плате и контактные шлейфы. Иначе чем объяснить тот факт, что даже динамики не подключены шлейфом, а опираются контактами прямо на плату.
Нет. Совсем без шлейфов обойтись не удается, и там, где это уместно, такой вариант подключения используется, однако делить плату на части в Moto вот уже много лет не хотят.
Вообще, устройства от Moto всегда производили впечатление надежных и ладно собранных. Много винтов (не так много, конечно, как в iPhone), много крепежных элементов.
При такой конструкции есть один неявный минус – при деформации корпуса от удара и замене, например, дисплейного модуля восстановить геометрию корпуса оказывается сложно.
В конечном итоге это может стать причиной внутренних напряжений после сборки, которые могут привести к повреждениям даже при слабых нагрузках на собранное устройство.
Модульная конструкция типа «Я люблю шлейфы!».
Характерна для многих производителей и отличается тем, что разные модули устройства соединены гибкими шлейфами, которые могут пронизывать внутренности аппарата в самых неожиданных местах. Подобные конструкции очень любят, например, в Sony, HTC.
И если HTC ограничивается шлейфоманией, то Sony любит загадывать мастерам ребусы в виде не самого простого процесса извлечения материнской платы из корпуса.
Плюсом такой конструкции, как и у «всё на соплях», может являться относительная простота замены отдельных модулей. Однако проблем добавляет не самое логичное расположение этих самых шлейфов. Вернее, расположение, на самом деле, логичное, однако назвать его удобным для разборки вряд ли повернется язык. Например, в аппаратах Sony шлейфы могут находиться как над АКБ, так и одновременно под АКБ. При этом некоторые шлейфы очень хрупкие и имеют сложную геометрию.
Не отстает и LG с ее любовью пускать шлейфы через весь корпус.
А еще бывают витиевато упрятаны в элементы корпуса, и тогда разборка устройства превращается в квест.
Модульная конструкция по типу «модули, винты и клей».
Наиболее характерным представителем этого типа является корейский производитель Samsung. Корейцы вот уже в нескольких поколениях устройств остаются верны себе, деля внутренние элементы на две части – основная плата и нижняя плата. Кроме этого, при подобной конструкции основной вид соединения модулей – разъемы и минимум проводов. Доступ к плате чаще всего несложный и проходит весьма быстро. Всё было бы замечательно, если бы не один нюанс – клей! Корейцы фанатеют от клея и заливают им дисплейный модуль вместе с навигационными кнопками и кнопкой home, что делает замену этих элементов крайне трудоемкой.
Шлейфы кнопок не заменить без снятия дисплейного модуля.
Судя по всему, корейцы считают, что дисплейный модуль в последних поколениях устройств можно и нужно менять только в сборе с рамой, нижней платой и кучей других элементов. Не самый очевидный выход, но в условиях общества потребления и в век одноразовых вещей наиболее оправданный с точки зрения прибыли и очень неприятный с точки зрения бюджета потребителя.
«Сейф».
Источник iFixit.com
Внутри такой вариант компоновки устройства может быть разным, как с модулями, так и со шлейфами. Объединяет их конструкция корпуса, представляющая из себя ванночку, в которую уложены все элементы, закрытые сверху дисплейным модулем, зачастую приклеенным к внутренним элементам. Для того, чтобы вскрыть такое устройство, придется отклеивать дисплейный модуль, так как по-другому до внутренностей не добраться.
Источник iFixit.com
В случае с одними производителями это не является проблемой, в случае с другими обещает вам увлекательное времяпрепровождение, которое пройдет под лозунгом «лопнет дисплей или нет». При такой конструкции, если производитель не поскупился на клей (привет, Samsung), даже замена батареи становится нетривиальной задачей, которая может привести к серьезным расходам. Популяризатором такой конструкции стала компания Apple, выпустив iPhone 5 с корпусом в виде алюминиевой ванны, прикрытой дисплеем.
Заключение
В разработке любого электронного устройства участвует большое количество людей самых различных профессий, среди которых и те, кто продумывает внутреннюю компоновку, а также принципы размещения элементов готового изделия. Зачастую именно от этих людей зависит, насколько ремонтопригодным окажется итоговый результат. Есть даже те, кто основой своей деятельности сделал оценку ремонтопригодности устройств, заработав на этом авторитет и деньги. Зачастую, читая выводы подобных ресурсов, внутренне не соглашаюсь со многими пунктами, и хочется выставить свой балл, но это так и остается внутренним ощущением и несогласием.
На самом деле, видов компоновки и вариантов размещения элементов существует гораздо больше. Тут я привел лишь основные, наиболее часто встречавшиеся в процессе ремонта устройств различных производителей. Кроме того, описанное выше – лишь мой субъективный опыт. У каждого мастера, занимающегося ремонтом телефонов, есть свой список любимых и нелюбимых производителей с точки зрения простоты разборки/сборки и ремонта. Был ли у вас опыт ремонта электроники, и какие впечатления остались от этого?
П.С. Я намеренно не описываю устройства Apple, так как это блог об Android.
Общие сведения.
Наконец-то, скажут многие, мы добрались
до главного. Как же устроен этот сложный
мобильный телефон? Для того чтобы понять,
что в его устройстве нет ничего сложного,
условно разделим его на части и рассмотрим
каждую в отдельности.
Основой мобильного телефона, образно
говоря, его сердцем является микропроцессор
(UPP — Universal Phone Processor), который при помощи
набора очень простых команд (операций)
выполняет сложные действия, алгоритмы
которых запрограммированы в памяти.
Такая структура дает преимущества,
поскольку память можно перепрограммировать.
Именно в программе заложены практически
все функциональные возможности аппарата,
начиная с управления включением.
Непосредственно к процессору подключается
память, клавиатура и дисплей.
Приемопередатчик
выполняет функции передачи и приема
сигналов под управлением микропроцессора.
Так как прием и передача в системе GSM
разделены во времени, приемник и
передатчик используют общую антенну.
Основой приемопередатчика является
цифровой сигнальный процессор — DSP
(Digital Signal Processor), который осуществляет
как формирование сигналов для передачи
в эфир, так и декодирование принимаемых
сигналов.
Контроллер питания представляет
собой одну или несколько микросхем,
которые выдают набор питающих напряжений
для всего телефона, и каждое из которых
формируется отдельно в те промежутки
времени, когда это напряжение необходимо
для работы. Такое устройство питания
позволяет существенно экономить емкость
аккумуляторной батареи. Кроме того,
контроллер питания управляет зарядкой
аккумулятора. Непосредственно к
аккумулятору всегда подключены:
контроллер питания, усилитель мощности
приемопередатчика и схема формирования
напряжения подсветки клавиатуры и
дисплея. Она необходима, поскольку
напряжение аккумулятора в процессе
работы уменьшается, в то время как
яркость подсветки должна оставаться
постоянной. Контроллер заряда находится
в телефоне и использует постоянное
выпрямленное нестабилизированное
напряжение внешнего зарядного устройства
— «зарядки».
Несколько контроллеров,
которые могут входить в состав одной
микросхемы или нескольких, формируют:
—
речевой сигнал (микрофон и динамик),
сигналы гарнитуры формируются отдельными
усилителями;
— вызывной сигнал
(вибромотор и полифонический звонок);
—
считывание и запись информации в SIM
(Subscriber Identity Module)-карту;
— сигналы для
оптического (ИК) порта, Bluetooth и другие —
на схеме не показаны.
Обмен с компьютером
осуществляется через системный
коннектор.
Кроме вышеперечисленного
все телефоны имеют системный тактовый
генератор, который располагается в DSP,
часы реального времени с кварцевым
резонатором 32768 Гц, аналого – цифровые
ADC (Analog-Digital Converter) и цифро – аналоговые
DAC (Digital-Analog Converter) преобразователи.
Глава 3. Устройство отдельных частей мобильного телефона
Аккумуляторы
Приобретая мобильный телефон, человек,
как правило, меньше всего задумывается
над сроком его безотказной работы. А
если и задумывается, то связывает его
прежде всего с ненадежностью микросхем,
радиоэлементов и механическими
повреждениями. Исследования показывают,
что первое место по отказам занимают
элементы питания. В настоящее время в
мобильных телефонах используют
никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные
(NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные
(Li-Polymer) аккумуляторные батареи. Рассмотрим
характеристики аккумуляторов.
Емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора – максимальное
количество электричества, которое можно
получить от одной полной зарядки.
Обозначается латинской буквой С и
выражается в ампер-часах (А-ч) или
миллиампер-часах (мА-ч). Так, например,
аккумулятор емкостью 720 мА-ч способен
отдавать в нагрузку ток 720 мА в течение
оного часа или 360 мА в течение двух часов.
При этом, конечно, разрядный ток не
должен превышать некоторой максимальной
силы для конкретного типа аккумулятора,
иначе его пластины быстро выйдут из
строя.
Внутреннее сопротивление аккумулятора
Чем оно меньше, тем больший ток способен
отдать аккумулятор в нагрузку. Это очень
важная характеристика. В режиме приема
мобильный телефон потребляет небольшой
ток. Однако во время разговора ток резко
возрастает. В этом случае аккумуляторы
с различным внутренним сопротивлением
ведут себя по-разному. Никель-кадмиевые,
обладающие наименьшим внутренним
сопротивлением, легко отдают требуемый
ток. Никель-металл-гидридные обладают
самым высоким сопротивлением, поэтому
дают просадку напряжения, которая может
привести к сбоям либо ваш телефон выдаст
сигнал, что аккумулятор разряжен. Так
как мобильные телефоны в процессе работы
потребляют более или менее стабильный
ток, то для их питания применяют
литий-ионные либо литий-полимерные
аккумуляторы. Никель-металл-гидридные
применяют при питании устройств,
потребляющих стабильный ток.
Плотность энергии (Energy Density) заряженной
батареи
Измеряется в ватт-часах, отнесенных к
килограмму массы аккумулятора (встречается
и к литру объема). Здесь лидируют
литий-ионные и литий-полимерные
аккумуляторы (110… 160 Вт/кг), заметно
уступают им аккумуляторы 100… 130 Вт/кг.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы
имеют этот показатель 60… 120, никель-кадмиевые
— 45… 80 Вт х ч/кг. Из сказанного следует,
что наименьшими размерами и весом при
одинаковой емкости обладают литий-полимерные
и литий-ионные аккумуляторы, несколько
большими — никель-металл-гидридные. А
литий-полимерным аккумуляторам можно
придать практически любую форму.
Время заряда аккумулятора
Это довольно важная характеристика,
поскольку при интенсивной эксплуатации
аккумуляторы мобильных телефонов
приходится заряжать почти ежедневно.
Варьируется от 1 часа у никель-кадмиевых
(при необходимости их можно зарядить
за 15 минут) и 2… 4 часов у никель-металл-гидридных,
литий-ионных и литий-полимерных.
Номинальное напряжение одного элемента
У никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных
аккумуляторов номинальное напряжение
составляет 1,25 В, у литий-ионных и
литий-полимерных — 3,6 В. Причем у первых
двух типов напряжение в процессе разряда
практически стабильно, в то время как
у литий-ионных аккумуляторов в процессе
разряда оно линейно снижается от 4,2 до
2,8 В.
Саморазряд аккумулятора
Саморазряд — уменьшение заряда заряженного,
но не подключенного к потребителю
энергии аккумулятора в процессе его
хранения. Для никель-кадмиевых
аккумуляторов это одно из слабых мест.
У них потеря заряда достигает 10% в первые
сутки после зарядки, а затем по 10% в
месяц. Примерно такой же показатель и
у никель-металл-гидридных аккумуляторов.
Вне конкуренции по этому показателю
литий-ионные и литий-полимерные
аккумуляторы. У них саморазряд не
превышает 2 – 5% в месяц, который происходит
в основном из-за наличия схем контроля
внутри аккумуляторов. Однако ограниченное
время «жизни» этих аккумуляторов не
дает полностью использовать это
положительное качество.
Срок службы
Это одна из важнейших характеристик
аккумуляторов, о которой пользователь
задумывается почему-то в последнюю
очередь. Для аккумуляторов с различной
химией он определяется по-разному. Для
одних аккумуляторов критичным является
общее число рабочих циклов «заряд —
разряд», в то время как для других — общее
время их эксплуатации.
Никель-кадмиевые
аккумуляторы выдерживают более 1500
циклов «заряд — разряд», и как показывает
опыт, после восстановления могут
проработать еще столько же. При правильном
периодическом обслуживании никель-кадмиевые
аккумуляторы служат от 5 до 10 и более
лет, вплоть до механического износа их
корпуса и внутренних
контактов.
Никель-металл-гидридные
аккумуляторы выдерживают около 500 циклов
«заряд — разряд» и срок их службы редко
превышает два года даже при весьма
аккуратном их обслуживании.
Литий-ионные
аккумуляторы можно заряжать-разряжать
от 500 до 1000 раз. Но это число циклов
полностью выбрать затруднительно из-за
короткого срока службы — не более двух
лет (по заявлениям производителей).
Практически же литий-ионные аккумуляторы
теряют свои эксплуатационные качества
уже через год.
У литий-полимерных
аккумуляторов число циклов «заряд —
разряд» колеблется от 300 до 500, и они
также редко служат более года. Кроме
того, срок службы зависит и от степени
разряда — при частичных разрядах он
больше, чем при полных.
Никель-кадмиевые
аккумуляторы имеют наименьшее время
заряда, допускают наибольший ток нагрузки
и обладают наименьшим соотношением
цена — срок службы, но в то же время они
наиболее критичны к точному соблюдению
требований по правильной эксплуатации.
| Характеристика/тип | NiCd | NiMH | Li-Ion | Li-Polymer |
| Внутреннее | низкое | высокое | среднее | среднее |
| Число циклов | >1500 | 500 | 500-1000/1,5 года | 300-500/1,5 года |
| Время быстрого | 1 | 2 — 4 | 2 — 4 | 2 – 4 |
| Токи нагрузки | 20С | 5С | >2С | >2С |
| Токи нагрузки | 1С | до 0,5С | до 1С | до 1С |
| Плотность | 45-80 | 60-120 | 110-160 | 100-130 |
| Саморазряд | 20 | 30 | 10 | 10 |
| Обслуживание | 30-60 дней | 60-90 дней | Не регл. | Не регл. |
| Напряжение | 1.25 | 1.25 | 3.6 | 3.6 |
| Диапазон | –40…+60 | –20…+60 | –20…+60 | 0…+60 |
| Год выхода | 1950 | 1990 | 1991 | 1999 |
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Оценка этой статьи по мнению читателей:
Как работает смартфон? Хм… на первый взгляд, довольно глупый вопрос.
Включаем экран, нажимаем пальцем на иконку видеоплеера, сенсорный слой считывает координаты прикосновения, смартфон понимает, какая это иконка и запускает соответствующее приложение. Теперь выбираем фильм, происходит загрузка из памяти и картинка отображается на экране, а звук подается на динамики. Вот и всё!
Но постойте-ка! Что значит фраза «смартфон понимает»? В каком смысле «понимает»? И что такое видеоплеер? Неужели внутри смартфона есть какой-то реальный видеопроигрыватель? Как фильм хранится в памяти? Это что — набор фотографий, по 24 кадра на каждую секунду фильма? Но даже если бы это были фотографии (что не так), где они там внутри складируются, в виде чего? А ведь звук — это уже не картинки и он тоже должен как-то храниться внутри смартфона. Эти вопросы уже не кажутся такими простыми, не так ли?
А если копнуть чуточку глубже и принять тот факт, что никакого разума у смартфона нет вообще и он не может ни понимать, ни думать, ни давать осмысленные ответы на вопросы, вроде «какая завтра будет погода?», он вообще не понимает, что такое «завтра» или «погода». И в этом очень легко убедиться, проведя простой эксперимент.
Минутка безумия
Возьмите батарейку, подключите лампочку и выключатель. Если вы замкнете контакты выключателя, лампочка загорится, разомкнете — лампочка погаснет. Теперь спросите у этого механизма, какая завтра будет погода и можете начинать очень быстренько щелкать выключателем. Ну как? Получили ответ? Если нет, попробуйте взять побольше лампочек и выключателей, можете к эксперименту подключить других людей, чтобы рук было больше.
Что за безумие — спросите вы?
Но ведь, по сути, смартфон — это батарейка (аккумулятор), миллиарды выключателей (транзисторы внутри процессора) и несколько миллионов лампочек (пикселей на экране). Ток вытекает из батарейки, попадает внутрь процессора, растекается по его транзисторам, а затем каким-то чудом загораются нужные пиксели на экране или звучит любимая композиция в динамиках. Кажется, будто в процессоре и происходит вся магия!
Но магии не существует. О том, что происходит на самом деле и пойдет речь в этой статье.
Черно-белый мир
Когда мы говорим о смартфоне, нужно понять одну очень простую вещь — на фундаментальном уровне для него не существует никаких абстрактных понятий, не существует ни звука, ни цвета, ни температуры, ничего. Его процессор не умеет мыслить, ничего не осознает, не показывает вам картинки, не делает подборку песен под ваши предпочтения, не управляет противником в какой-то игре.
Всё, что «волнует» процессор — это вопрос о том, в каком положении сейчас находится каждый конкретный выключатель (транзистор), пропускает ли он ток или нет, то есть, открыт ли он в конкретный момент времени или закрыт. Такие проверки смартфон делает миллиарды раз в секунду.
«Внутренний мир» смартфона, образно говоря, черно-белый. Мозг смартфона (процессор) состоит из миллиардов транзисторов, каждый из которых может быть только в одном из двух положений — включенном или выключенном. Третьего не дано.
Соответственно, в памяти (не важно, оперативной или постоянной) хранится только одна единственная информация — бесконечно длинный список из двух повторяющихся цифр — единичек и нулей.
Фотография — это миллионы последовательных единичек и нулей, книга — это набор единичек и нулей, видеоплеер — это снова единички и нолики.
Что немаловажно, единички и нолики — это уже абстрактные понятия, на самом деле, внутри смартфона нет никаких цифр, а есть просто два состояния — присутствует напряжение/отсутствует напряжение.
К примеру, если мы хотим сохранить 12-Мп снимок, нам нужно как-то перевести его в единички и нолики. Для одной такой фотографии потребуются миллионы единичек и нулей, которые нужно будет затем сохранить в отдельные ячейки памяти. А ячейка — это микроскопическая ловушка, в которую попадают электроны и застревают там навсегда (или пока мы не удалим наш снимок):
Если память смартфона составляет 64 Гб, это означает, что внутри размещены миллиарды крошечных «механизмов» — ловушек электронов, которые способны хранить около полутриллиона «единичек и нулей» (далее я не буду использовать кавычки с этими словами, но не забывайте, что единичка — это есть напряжение, ноль — нет, смартфон не оперирует числами, а лишь током).
Раньше каждая ячейка памяти могла хранить только один нолик или единичку (проверялось просто само наличие электронов в ловушке), теперь же каждая ячейка способна хранить несколько единичек и нулей, так как система может считывать заряд более точно.
Подведем небольшой итог
Смартфон хранит в памяти только «информацию» о том, должен ли быть включен («единичка») или выключен («нолик») какой-то транзистор. Процессор не понимает никаких приложений, не работает с видео, фото или аудио. Он лишь хранит в памяти миллиарды единиц и нулей в виде «застрявших» электронов в микроскопических ловушках. А затем обращается к конкретной ячейке и в зависимости от того, есть ли там электроны (и сколько их), посылает соответствующие сигналы на определенные транзисторы.
То есть, процессор обращается к какой-то ячейке памяти, считывается заряд (кол-во электронов в ловушке) и затем этот сигнал (ток) посылается на конкретный транзистор. Взяли единичку из памяти и сделали так, чтобы определенный транзистор был открыт. А если в памяти была не единица, а ноль (то есть, другое количество электронов), тогда процессор закрывает определенный транзистор.
О том, что происходит дальше и как вообще возможно организовать какую-то «логику», просто включая/выключая транзисторы, мы поговорим чуть позже.
А сейчас давайте разберемся, как именно всё разнообразие информации (видео, аудио, фото, текст) превращается в нули и единицы, которые затем можно легко вернуть в первоначальный вид — фильм, снимки, музыку или книгу.
Единички и нолики
Смартфон делает 3 базовые вещи:
- Собирает входящую информацию с различных датчиков (сенсорный экран, камера, микрофон, датчик давления или температуры и пр.).
- Обрабатывает эту информацию, посылая ток по миллиардам транзисторов, закрывая и открывая их в строго определенном порядке.
- Выдает результат. Это может быть изображение на экране, музыка, речь собеседника во время телефонного разговора или мигающий индикатор низкого заряда батареи.
Вся собираемая информация переводится в единички и нолики (бинарный код), которые затем распределяются по ячейкам памяти в виде определенного количества электронов. Процессор обращается к памяти и получает значение каждой ячейки, на основе которого открывает/закрывает конкретные транзисторы.
Переводим текст в бинарный вид
Как букву «А» представить нулями и единичками, чтобы сохранить в памяти (ловушках электронов) внутри смартфона? Естественно, никак. Эту букву можно разложить на палочки или микроскопические точки, но в реальном мире буквы не состоят из последовательности единиц и нулей. Что же делать?
Можно было бы использовать числовое значение буквы «А». Скажем, это первая буква алфавита, значит, это единичка. Но как тогда быть с маленькой (строчной) буквой «а»? И что делать со знаками препинания и остальными буквами? А если мы говорим о китайских иероглифах, которых гораздо больше букв латинского алфавита?
Решение проблемы оказалось элементарным! Давайте просто скажем, что каждой букве или символу соответствует какой-то номер и создадим таблицу кодов. Например, заглавные буквы A, B, C, D будут идти под номерами 65, 66, 67, 68 и так далее. Маленькие буквы будут начинаться с номера 97. Теперь нам осталось пронумеровать все остальные символы, включая те, которые будут сообщать смартфону, что нужно начинать текст с абзаца.
И такая таблица была составлена:
Вначале это была таблица ASCII, содержащая всего 127 чисел и соответствующих им символов. Но вскоре стало понятно, что 127 — это довольно маленькое число для всех букв на разных языках. А тут еще и смайлики появились, которым также нужно присвоить свой код, чтобы «улыбочка» на любом смартфоне выглядела именно, как улыбка, а не грустный смайлик.
В итоге перешли на табличку Unicode, которая уже включала более 65 тысяч чисел и соответствующие им знаки, буквы и смайлики.
Дело осталось за малым! Теперь нужно эти коды символов перевести из десятичной системы счисления, где есть цифры от 0 до 9, в двоичную, где существует только 0 и 1. Почему в двоичную? Да потому, что такая система исчисления идеально подходит к микросхемам: 0 — нет тока, 1 — есть ток или 0 — транзистор закрыт (не пропускает через себя ток), а 1 — открыт, то есть, пропускает ток.
Забавная математика или почему 1+1 не равно 2
Когда мы видим большое число, например, 2134, то прекрасно понимаем, что здесь есть две тысячи (1000), одна сотня (100), три десятка (10) и четыре единицы (1).
Получается интересная картина. Наше большое число — это ряд простых маленьких чисел от 0 до 9, каждое из которых находится на своей определенной позиции. Если считать ее справа, то четверка находится на первой позиции, тройка — на второй, единица — на третьей и двойка — на четвертой. Каждая последующая позиция отличается от предыдущей на порядок (в 10 раз).
В двоичной системе всё ровно так же, только каждая позиция отличается от предыдущей в 2 раза. То есть, первая позиция — это единицы, вторая — двойки, третья — четверки и так далее:
Таким образом, если мы хотим записать десятичное число 9 в двоичной системе, нам нужно взять одну восьмерку и одну единичку (записать цифры на первой и четвертой позициях), в итоге получится число 1001 в двоичной системе:
Теперь возвращаемся к нашей кодовой таблице символов. Если букве А соответствует число 65 в десятичной системе, то в двоичной оно будет выглядеть как 100001:
Вы, наверное, обратили внимание, что квадратиков (позиций) только 7. Это значит, что наше число состоит из 7 бит (семи нулей или единиц). Можно числа составлять из 8, 16 и так далее бит, соответственно, мы сможем закодировать в двоичной системе счисления очень большие числа. Для 8 бит это будет 256, а уже для 16 бит — 65536.
Подытожим
Например, у нас есть книга «Братство кольца» Джона Толкина на 423 страницы. Чтобы сохранить ее в памяти смартфона, ему нужно посмотреть в своей таблице код каждой буквы, каждого пробела и переноса строки, затем перевести эти коды в двоичную систему, чтобы получить набор нулей и единиц.
Теперь осталось каждую цифру (1 или 0) сохранить в отдельной ячейке памяти. Если это 1 — захватываем в ловушку каждой ячейки из аккумулятора столько-то электронов, если 0 — другое количество. В итоге у нас получилось около 900 тысяч единиц и нулей. Если бы каждая ячейка хранила только один бит (0 или 1), нам бы потребовалось 900 тысяч ячеек памяти только на одну книжку. Но так как ячейки современной памяти могут хранить 3 бита, тогда для книжки нам потребуется 300 тысяч ячеек.
А как быть с фотографией или фильмом? Как мы можем картинки перевести в единички и нолики?
Переводим фото и видео в единицы и нули
Любая картинка на экране смартфона состоит из маленьких цветных точек — пикселей. Если увеличить изображение, мы увидим множество квадратиков, как на этом фрагменте:
Если мы возьмем 12-мегапиксельную фотографию, она состоит из 4032 точек по горизонтали и 3024 точек по вертикали. Получается, один снимок содержит 12 млн 192 тыс. 768 точек (4032*3024). Звучит уже пугающе. А если мы берем современные камерофоны, которые умеют снимать с разрешением 108 Мп, то один такой снимок содержит более 108 миллионов точек.
Но что делать с этими точками дальше? Как их перевести в набор нулей и единиц? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим очень простой пример.
У нас есть картинка 4 на 4 точки (всего 16 пикселей), которую мы хотим сохранить на смартфоне:
Вначале давайте все пиксели разместим в одну строчку, чтобы избавиться от бесполезного квадрата:
Стоп! Но как же тогда смартфон восстановит форму картинки и разместит все пиксели снова на свои места? На самом деле, помимо пикселей, каждый снимок содержит так называемые метаданные. Это информация о ширине и высоте картинки, ее размере в байтах, глубине цвета и пр. То есть, считав первые 4 пикселя с памяти, смартфон перейдет на следующую строку, так как знает, что ширина файла должна быть 4 пикселя, соответственно, следующий пиксель — это уже второй ряд.
Хорошо. А можем ли мы представить каждый цвет в виде числа? Да запросто! Как известно, любой цвет состоит из 3 основных: красного, зеленого и синего. Главное — смешать их в нужной пропорции. И такие «пропорции» мы представим в виде обыкновенных чисел, скажем, от нуля до 255.
Если точка должна быть небесно-голубого цвета, это значит, что красного цвета там будет совсем чуть-чуть (32 из 255), зеленого намного больше — 182 из 255, а синего еще больше — 223 из 255.
Если нужно отобразить черный цвет, мы не будем использовать ни красный (0 из 255), ни синий (0 из 255), ни зеленый цвета (0 из 255). А если захотим, чтобы была белая точка, нужно все 3 составляющих цвета включить на максимум — 255, потому что белый цвет — это и есть смесь основных цветов:
Так как мы выбрали использовать 255 градаций каждого цвета, становится очевидным решение основной проблемы. Чтобы закодировать число 255 в бинарный код, нам нужно использовать 8 бит (255 — это 11111111). Получается, чтобы сохранить информацию об одной лишь точке, нам нужно использовать 24 бита (по 8 бит для описания каждого из 3 основных цветов).
Если первую красную точку можно было бы сохранить в десятичной системе, как набор чисел 213, 43 и 43, то в двоичной системе это будет набор из чисел 11010101, 00101011 и 00101011. Естественно, никаких запятых нам не нужно, так как в описании (метаданных) файла мы указывали глубину цвета (сколько бит использовать для кодирования каждого из 3 цветов), поэтому можем смело сохранять первый пиксель нашей фотографии в таком виде:
110101010010101100101011
Для 12 мегапиксельного снимка осталось добавить еще 292 млн 626 тыс. 408 нулей и единичек (это 12 192 767 пикселей умножить на 24 бита). То есть, для хранения одной лишь фотографии мы используем около 97 тыс. крохотных устройств — ловушек для электронов (они же — ячейки памяти). Не забывайте, что одна ячейка способна хранить 3 бита.
Что интересно, на экране смартфона пиксели отображаются не так:
Ведь одна крохотная лампочка способна светиться лишь красным цветом, другая лампочка — только зеленым, а третья — только синим. Поэтому каждый условный пиксель на экране — это 3 отдельные лампочки. А значит, смартфону не нужно даже смешивать 3 цвета, которые он закодировал, в одну точку. И пять пикселей, показанных выше, на смартфоне отображаются следующим образом:
Но так как эти субпиксели (лампочки) очень крохотные и находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга, наш глаз не способен различить три цвета и мозг смешивает их в один.
А как же быть с видео!?
Представьте, если одна фотография занимает почти 100 тысяч ячеек памяти, то где же взять места для полуторачасового фильма, каждая секунда которого — это 24 фотографии!?
Да, мы уже понимаем, что фильм хранится точно так же, как и фото — в виде единичек и нулей. Однако сохранять 130 тысяч фотографий (90 минут видео по 24 кадра в секунду) в разрешении FullHD (2 млн пикселей на каждый кадр) или 4K (8 млн пикселей на каждый кадр) — это непозволительная роскошь, даже по меркам современных смартфонов с памятью на 128 или 256 Гб.
Что же делать? Нужно применять хитрость — алгоритмы сжатия. Вообще, сжатие применяется практически для всех видов данных, начиная от книг и фотографий, и заканчивая видео и музыкой. Поэтому в реальности все данные занимают намного меньше памяти.
Что касается видео, система не просто сохраняет информацию о цвете каждого пикселя, а использует так называемое внутри- и межкадровое кодирование. К примеру, вы снимаете видео, на котором рассказываете о чем-то.
Прежде, чем сохранить нули и единицы, система анализирует каждый кадр и замечает, к примеру, что ваш нос не очень-то отличается от кадра к кадру. Хм, может его вовсе удалить? Но, согласитесь, без носа ваше лицо выглядело бы немного странно.
Поэтому система удаляет ваш нос со всех кадров и просто «дорисовывает» его, «прилепив» изображение носа с первого кадра. Естественно, учитываются движения и даже небольшие повороты лица. Вместе с носом сохраняется вектор его движения, т.е., на какое количество пикселей его нужно сместить в следующем кадре.
Применяя другие алгоритмы компрессии, мы можем прилично сократить количество нулей и единиц, и, при проигрывании, «видеоплеер» должен будет восстанавливать картинку по записанным инструкциям в виде нулей и единиц.
О том, как смартфон превращает звук в нули и единицы, мы рассказывали в другой статье, поэтому не буду здесь повторяться.
Подводим итог первой части
К этому моменту «магии» в работе смартфона должно стать меньше. Мы увидели, что для него не существует ничего, кроме набора нулей и единиц, которые он сохраняет в память в виде электронов, а затем достает оттуда, чтобы «дергать за ниточки» экран, динамик или вибромотор.
Текст, смайлики и другие символы — это, по сути, такие же маленькие картинки, состоящие из пикселей. Когда процессор обращается к памяти и достает оттуда последовательность цифр 100001, он уже «знает», что эта последовательность (число 65 в десятичной системе) означает букву «А». Соответственно, нужно «зажечь» определенные лампочки на экране, чтобы получилась картинка в виде буквы А.
Но остается главный вопрос. Когда речь шла о кодировании фильма, как процессор «знал», что именно нужно делать? Или как он знает, что определенная последовательность нулей и единиц относится к картинке и нужно теперь зажигать соответствующие этой последовательности лампочки?
Всё дело в транзисторах — маленьких переключателях внутри процессора. Но о том, как они работают и каким образом могут что-то «решать» или «думать», как они понимают, из какой ячейки памяти нужно считать последовательность нулей и единиц, после чего зажечь лампочку на экране — обо всем этом мы поговорим во второй части!
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!