CPU与GPU探究

罗纪龙

摘 要：智能手机给人们的生活带来了极大的便利，让人们的生活发生了天翻地覆的变化。智能手机本质上是一台便携式计算机，因此其具备典型的计算机组成结构。对于计算机而言，处理器是它的“心脏”，决定了计算机的运算性能。计算机处理器包括中央处理器与图形处理器两种，本文针对这两种处理器的特性进行了探究。本文以智能手机作为探讨对象，重点区分了CPU中ARM构架与X86构架的区别，以及CPU与GPU在结构与特性上的区别，并根据其各自的特点对未来可能的发展趋势进行了总结。

关键词：智能手机；计算机组成；中央处理器；图形处理器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0031-01

自2007年第一步iPhone诞生，2008年Google发布Android操作系统，智能手机用不到十年的时间席卷了全世界。智能手机具备便携性强、尺寸小、任务轻等特性。虽然与传统的桌面式计算机有所差别，但智能手机本质上仍然是一种便携式计算机。无论是智能手机还是桌面式计算机，其基本运算性能都取决于处理器。从功能上区分，计算机的处理器可以分为中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）。作为计算机的“心脏”，CPU需要完成计算机大部分运算任务与控制任务；而随着人们对图像显示的需求越来越高，对图像数据进行专门处理的GPU应运而生。本文以智能手机作为探讨对象，详细描述了中央处理器与图形处理器的特性，并对二者未来可能的发展方向进行了探究。

1 计算机组成

计算机组成指的是系统结构的逻辑实现，包括机器机内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。[1]根据计算机组成理论，计算机主要可以分控制器、运算器、储存器与输入/输出（I/O）五个部分，如图1所示。

其中控制器是整个计算机的神经中枢，主要是用来实现对程序规定控制信息的解释功能，根据实际需要进行控制，并且完成程序、数据、地址等资料的调度工作，协调计算机各部分合作，完成指定任务。运算器实现的是对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算。存储器用来存储程序、数据等固态信息以及各种信号、命令等流信息，并在需要时提供这些信息。输入输出主要是与用户交互的部分，在传统的桌面计算机上主要指的是鼠标、键盘和显示器，而在智能手机上就是电容屏幕。

由运算器与控制器组成的处理器占到是整个计算机组成的核心，输入输出设备属于人机交互的传感器，储存器主要用来储存运算过程中产生的数据，而处理器则是负责对数据进行处理。根据处理数据的特点进行区分，可以将处理器分为中央处理器与图形处理器，下面就基于智能手机的CPU与GPU对二者进行探讨。

2 中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）计算机与智能手机的核心，同时肩负计算机或智能手机运算任务与控制任务。它的功能主要是解释计算机或智能手机收到的指令以及处理各软件中的数据，通过运行存储器内的软件及调用存储器内的数据库，CPU能实现对计算机或智能手机各部分的全面控制。[2]作为便携式设备，智能手机的中央处理器与计算机的中央处理器有很大区别。分为以下两点：

第一，采用ARM构架。与传统桌面计算机采用x86构架不同的是，智能手机作为便携式设备，其中央处理器采用的是ARM构架处理器。ARM构架处理器是一个32位精简指令集（RISC）架构处理器，其定位是应用于嵌入式平台，应付轻量级、目的单一明确的程序，这样的特性正好应用于智能手机这种便携式计算机。并且由于指令集数量少，所以流水线、分支预测等硬件逻辑都比较简单，智能手机的CPU就可以简化硬件逻辑的设计，减少晶体管数量。这样做的同时也同步降低了CPU的功耗，在保持性能稳定的同时降低发热。同样的为了降低智能手机CPU发热现象，ARM的电源管理部分针对电池进行了能源限制，保证在待机时只以极低的主频在运行，也可以关闭闲置的核心来实现上述目标。正是由于ARM构架处理器有上述特点，因此非常适用于如智能手机的便携式计算机上。

第二，多核多目标特性。与桌面计算机不同的是，智能手机多数情况下为多核CPU。桌面计算机的多核处理器是指在将多个并行的运算核心封装在了一起，通过运算核心间的相互配合、相互协作可以处理同一件事情。而智能手机的多核CPU是多各CPU芯片，将它们封装起来处理不同的事情。正是由于这样的区别，桌面计算机的CPU核心一直保持在四核以内，而智能手机的CPU核心从最初的单核、双核已经发展到了至少四核、最多十核的状态。核心越多，智能手机能够同时处理的软件操作、数据计算等线程越多，智能手机的用户体验越好。

3 图形处理器（GPU）

图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），使用来专门处理与图形相关数据和信息的运算器，主要用于执行复杂的数学和几何计算，以完成必要的图形渲染工作。[3]在智能手机主板上，GPU一般都是紧挨着CPU的，二者同样作为运算 器，由于主要实现功能不同，因此在结构原理上有很大区别。

前文有提到CPU尤其是智能手机的CPU具有多核，但是CPU的核心数总数始终没有超过两位数。对于CPU而言，每个核都要拥有足够大的缓存和足够多的数字和逻辑运算单元，因为CPU是用来控制整个智能手机并完成大部分的数据和程序运算的，因此每个核心的运算能力要非常强。与之相对应的是，GPU的核数远超CPU，被称为众核，通常GPU核心数可以达到3位数以上。这是因为图形处理的独特性，要求GPU能有同时并行计算各个像素点，因此众核符合GPU的图形处理要求。图1给出了CPU与GPU的原理图，用来说明二者结构上的不同。

图1中绿色代表算术运算单元，黄色代表控制单元，橘色代表由动态随机存取存储器与高速缓冲存储器。从图中可以看出，CPU与GPU的基本结构单元是相同的，都是由运算单元、控制单元与缓存器组成的。CPU与GPU的结构区别也可以从图上看出：CPU各子系统比较均衡，这是因为CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，同时又要逻辑判断又会引入大量的分支跳转和中断的处理，这些都使得CPU的内部结构异常复杂。而GPU的控制单元与储存单元相对较少，取而代之的是大量的基本计算单元，这是由于GPU面对的是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境。

4 结语

本文基于智能手机对计算机组成中的处理器——CPU与GPU进行了详尽的探究，主要分析了CPU中ARM构架与X86构架的区别以及CPU与GPU的主要区别。由于桌面计算机业务停滞发展的同时，以智能手機为代表的便携式计算机蓬勃发展，ARM处理器的发展速度几年来要明显高于X86构架处理器。随着可穿戴设备的崛起，可以预见CPU在未来也将保持这一发展趋势。与此同时，GPU的计算性能也被充分开发出来，开始在通用计算领域得到广泛应用，比如在并行计算上取得了突破性进展，GPU未来也将在数值分析、大数据处理、金融分析等领域进一步发展。这些技术的发展可以进一步开发智能手机等便携式计算机的计算能力，使得未来在移动终端完成大型计算成为可能。

参考文献

[1]孙磊.智能手机硬件架构浅谈[J].中国科技博览，2011，（28）：72-72.

[2]手机CPU与电脑CPU的性能究竟差多少[J].电脑迷，2015，（16）：55.

[3]张巍.国产智能机芯片发展现状[J].电视技术，2014，38（z2）：440-442.