CPU與GPU探究

羅紀龍

摘 要：智能手機給人們的生活帶來了極大的便利，讓人們的生活發生了天翻地覆的變化。智能手機本質上是一臺便攜式計算機，因此其具備典型的計算機組成結構。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，重點區分了CPU中ARM構架與X86構架的區別，以及CPU與GPU在結構與特性上的區別，并根據其各自的特點對未來可能的發展趨勢進行了總結。

關鍵詞：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發布Android操作系統，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、任務輕等特性。雖然與傳統的桌面式計算機有所差別，但智能手機本質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與控制任務；而隨著人們對圖像顯示的需求越來越高，對圖像數據進行專門處理的GPU應運而生。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展方向進行了探究。

1 計算機組成

計算機組成指的是系統結構的邏輯實現，包括機器機內的數據流和控制流的組成及邏輯設計等。[1]根據計算機組成理論，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中樞，主要是用來實現對程序規定控制信息的解釋功能，根據實際需要進行控制，并且完成程序、數據、地址等資料的調度工作，協調計算機各部分合作，完成指定任務。運算器實現的是對數據進行加工處理，完成算術運算和邏輯運算。存儲器用來存儲程序、數據等固態信息以及各種信號、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生的數據，而處理器則是負責對數據進行處理。根據處理數據的特點進行區分，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與控制任務。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據，通過運行存儲器內的軟件及調用存儲器內的數據庫，CPU能實現對計算機或智能手機各部分的全面控制。[2]作為便攜式設備，智能手機的中央處理器與計算機的中央處理器有很大區別。分為以下兩點：

第一，采用ARM構架。與傳統桌面計算機采用x86構架不同的是，智能手機作為便攜式設備，其中央處理器采用的是ARM構架處理器。ARM構架處理器是一個32位精簡指令集（RISC）架構處理器，其定位是應用于嵌入式平臺，應付輕量級、目的單一明確的程序，這樣的特性正好應用于智能手機這種便攜式計算機。并且由于指令集數量少，所以流水線、分支預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計，減少晶體管數量。這樣做的同時也同步降低了CPU的功耗，在保持性能穩定的同時降低發熱。同樣的為了降低智能手機CPU發熱現象，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，也可以關閉閑置的核心來實現上述目標。正是由于ARM構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。正是由于這樣的區別，桌面計算機的CPU核心一直保持在四核以內，而智能手機的CPU核心從最初的單核、雙核已經發展到了至少四核、最多十核的狀態。核心越多，智能手機能夠同時處理的軟件操作、數據計算等線程越多，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數據和信息的運算器，主要用于執行復雜的數學和幾何計算，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，由于主要實現功能不同，因此在結構原理上有很大區別。

前文有提到CPU尤其是智能手機的CPU具有多核，但是CPU的核心數總數始終沒有超過兩位數。對于CPU而言，每個核都要擁有足夠大的緩存和足夠多的數字和邏輯運算單元，因為CPU是用來控制整個智能手機并完成大部分的數據和程序運算的，因此每個核心的運算能力要非常強。與之相對應的是，GPU的核數遠超CPU，被稱為眾核，通常GPU核心數可以達到3位數以上。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，用來說明二者結構上的不同。

圖1中綠色代表算術運算單元，黃色代表控制單元，橘色代表由動態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的基本結構單元是相同的，都是由運算單元、控制單元與緩存器組成的。CPU與GPU的結構區別也可以從圖上看出：CPU各子系統比較均衡，這是因為CPU需要很強的通用性來處理各種不同的數據類型，同時又要邏輯判斷又會引入大量的分支跳轉和中斷的處理，這些都使得CPU的內部結構異常復雜。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一的、相互無依賴的大規模數據和不需要被打斷的純凈的計算環境。

4 結語

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構架與X86構架的區別以及CPU與GPU的主要區別。由于桌面計算機業務停滯發展的同時，以智能手機為代表的便攜式計算機蓬勃發展，ARM處理器的發展速度幾年來要明顯高于X86構架處理器。隨著可穿戴設備的崛起，可以預見CPU在未來也將保持這一發展趨勢。與此同時，GPU的計算性能也被充分開發出來，開始在通用計算領域得到廣泛應用，比如在并行計算上取得了突破性進展，GPU未來也將在數值分析、大數據處理、金融分析等領域進一步發展。這些技術的發展可以進一步開發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.國產智能機芯片發展現狀[J].電視技術，2014，38（z2）：440-442.