How it’s made: этапы создания современного смартфона

Устройство телефона сильно изменилось с момента его изобретения. Сегодня это даже не тот аппарат, который просто передает голос одного человека другому на большие расстояния. В современном мире это сложное техническое средство с искусственным интеллектом, умеющее не только звонить и передавать сообщения, но также воспроизводить видео и аудио, выходить в Интернет, обрабатывать большие объемы информации, одновременно выполнять множество операций и задач. Что мы знаем о том, как телефон устроен и как работает? В рамках этой статьи попробуем разобраться в этом вопросе.

Зарождение и эволюция телефона

Основателем первого аппарата для передачи информации на расстояние принято считать Сэмуэля Морзе, который изобрел телеграф и азбуку Морзе.

Назвать этот аппарат полноценным телефоном сложно, так как информация передавалась с помощью замыкания контактов и специально разработанного для него кода «морзянки», как ее часто называют сокращенно.

Некоторые историки приписывают изобретение первого телефона Антонио Меуччи, который он назвал телектрофоном. Он разработал чертежи, но по неведомой никому причине не зарегистрировал свое творение. Поэтому патент принадлежит Александру Беллу. Его приспособление было без звонка и внешне не имело ничего общего с современными аппаратами.

Устройство телефона было громоздким и неудобным для переговоров, вес — около восьми килограммов. Однако это не помешало его популяризации и широкому распространению по всем странам. К началу двадцатого века в мире насчитывалось уже более десяти тысяч станций. С каждым разом в его конструкцию вносили изменения и доработки, так появился отдельно микрофон и динамик в его конструкции.

Глобальное строительство АТС привело к модернизации аппаратов. У них появилась трубка и диск для набора номера абонента. Циферблат содержал цифры и буквы, кроме литеры «З», так как она напоминает тройку. На кнопочных стационарных телефонах такая нумерация сохранилась и по сей день. Это сделано вовсе не для отправки сообщений, так проще запоминать номер. Первые аппараты в советской России принадлежали двум и «Сименс». Это были телефоны без зарядного устройства, работающие по принципу передачи и приема простых электрических импульсов.

Беспроводные телефоны появились в нашей стране в 70-х годах двадцатого века. Они передавали радиосигнал на базу, которая, в свою очередь, по линии через коммутаторы связывалась с другим абонентом. Их торговое название «Алтай», они представляли собой прототип мобильной связи. Весила такая установка семь килограммов. Для переноски она не годилась, поэтому ею оснащали автомобили оперативных служб. Прекратила свое существование только в 2011 году.

В России первая сотовая связь появилась в 1991 году, и работала она по стандарту NMT. Первыми поставщиками мобильных телефонов стали «Нокия» и «Моторола». Цены на аппараты были космическими, и могли их себе позволить только очень богатые люди. Стандарт GSM появился в 1993 году и, победив своих конкурентов, прижился во многих странах. Он позволяет реализовать большой функционал, в том числе передавать короткие сообщения. Изначально их предполагали отправлять в качестве сервисных уведомлений, но опция настолько понравилась пользователям, что превратилась в отдельную услугу сотовых операторов.

Со вступлением в эру портативных аппаратов устройство мобильных телефонов становилось все сложнее, размеры и вес — меньше, а возможности — больше. Из трехкилограммовых гигантов они превратились в миниатюрные средства связи, которые легко помещаются даже в руке ребенка. Со временем реальную кнопочную клавиатуру заменила виртуальная на сенсорном экране. На панели появились камеры, сканеры отпечатка пальца и многие другие приспособления.

Управление приложениями

Пользователям Android доступны тысячи разных программ на любой вкус, которые можно легко загрузить в Google Play. Тем не менее, мобильные устройства многих известных производителей продаются с кучей предустановленных приложений и сервисов. Большинство из них даже никогда не запускаются владельцем смартфона, а просто занимают драгоценную память. Избавиться от них можно с помощью стандартного раздела настроек в главном меню Android.

Некоторые программы полностью удалить невозможно, но их можно отключить. Рекомендуем изучить нашу инструкцию и поступать так со всеми ненужными приложениями. Таким образом, они перестанут постоянно работать в фоновом режиме, уменьшая ресурсы ОЗУ.

Узнать о количестве мегабайт, которые потребляют все установленные на телефоне программы, можно в разделе настроек. Убрав все лишние процессы, можно немного освободить ОЗУ и повысить производительность устройства.

Вот подробная статья об освобождении оперативной памяти телефона.

Как устроены аналоговые телефонные аппараты

Устройство телефона с дисковым и кнопочным набором схоже по наличию составных блоков, но отличается принципом работы. Агрегаты включают в себя следующие модули:

• Трубка с микрофоном и динамиком.
• Телефон.
• Вызывное средство.
• Узел набора номера.
• Трансформатор.
• Рычажный выключатель.
• Разделяющий конденсатор.
• Радиочастотный модуль (переносные станции).

Рычажный выключатель отвечает за подключение устройства к абонентской линии. В устройстве беспроводного телефона соединение обусловлено включением питания трубки аппарата.

Микрофон преобразует звуковые волны в электрические сигналы. Приборы подразделяются на электродинамические, конденсаторные, угольные, электромагнитные и пьезоэлектрические. Также их делят на активные и пассивные. Активные образуют из звука электромагнитный импульс, пассивные меняют параметры других узлов, в основном емкость и сопротивление. Для последних необходим дополнительный источник питания.

Телефон переводит электрические импульсы в звук. Протекающий по катушкам электрический ток образует переменное магнитное поле, которое заставляет вибрировать мембрану динамика. Электродинамические и электромагнитные аппараты используют дифференциальную магнитную систему, пьезоэлектрические деформируют элементы мембраны связанных с ней источников звуковых частот.

Вызывной узел может быть индукционным и электронным. Необходим для оповещения абонента о входящем вызове. Первый с помощью протекающего тока в катушках заставляет вибрировать боек и ударять по звонковым чашечкам. Электронный блок обрабатывает информацию о входящем сигнале и перенаправляет его на общий динамик в виде импульсов заданной частоты, который называется рингтоном.

Радиочастотный модуль присутствует только в устройстве беспроводных телефонов. Он предназначен для обмена информацией между телефоном и приемником посредством радиосигналов.

Трансформатор связывает отдельные разговорные узлы между собой. Также устраняет эффект локального эха в трубке и отвечает за согласование с сопротивлением линии.

Разделительный конденсатор необходим для соединения телефона с линией в режиме приема входящего сигнала и ожидания исходящего. Поддерживает высокое сопротивление большому входящему напряжению и низкое — малому.

Номеронабиратель бывает импульсным (дисковым) и электронным (кнопочным). В первом варианте механическое колесо, вращаясь, замыкает контакты и отправляет на АТС сигналы. Их количество соответствует конкретному числу номера абонента. Электронные работают через интегральные микросхемы, которые генерируют искусственно импульсы с помощью твердотельных реле и отправляют их на приемник станции. Современные АТС еще сохраняют такой способ вызова абонента, но чаще используют тональный набор. Современные аппараты также поддерживают еще IP-телефонию. Принцип действия тонального набора заключается в генерации кратковременных сигналов предустановленных частот, каждое значение которой соответствует определенному числу номера. Устройство подключения телефона по протоколу IP предполагает использование сервера провайдера по выделенному интернет-каналу, с которого производится звонок. Мобильные аппараты отправляют радиосигналы заданной частоты на систему коммуникаций вышек сотовых операторов.

Начало пользования системой Андроид

Включаем устройство, заходим в свой аккаунт и устанавливаем соединение с интернетом

Руководствуясь инструкцией, мы включаем свой смартфон или планшет, после чего перед вами появится рабочий стол системы, или, если происходит первое включение устройства, запустится мастер первичной настройки. К примеру, на смартфоне мастер предлагает выполнить следующее:

• Выбрать язык интерфейса.
• Подключится к интернету через Wi-Fi — если у вас нет поблизости сети, то этот шаг можно пропустить. Почему это меню появляется при первом же включении? Из-за того, что большинство программ разработаны для использования при рабочем интернет-подключении. Это вовсе не значит, что телефон или планшет бесполезен без интернета, подобный шаг создан скорее для удобства — мол, подключитесь к нему сразу, чтобы потом об этом не беспокоиться.
• Далее системный мастер предложит зайти в ваш Google-аккаунт или создать его, если вы ещё не обзавелись учётной записью. Крайне советуем завести себе аккаунт, ведь сама система Андроид сильно привязана к сервисам компании Google. Без него вы не зайдёте в магазин приложений, не сможете пользоваться почтой. Кроме того, учётную запись создать нетрудно, зато она всегда будет с вами на всех устройствах, где вы только пожелаете, что довольно удобно.
• В следующем меню вам нужно подтвердить время и дату, которые практически всегда определяются автоматически, либо ввести их вручную.
• В последнем окне вы увидите пункты, касающиеся определения вашего местоположения — лучше не выключать их, чтобы все сервисы правильно работали и смартфон верно определял время и дату.

Принцип работы аппаратов в проводных сетях

Для того чтобы понимать устройство мобильного телефона в полном объеме, необходимо знать, как работает аналоговая система АТС. Несмотря на то что сотовые телефоны представляют собой сложную цифровую структуру с интегральными схемами, в их работу заложен базовый принцип обычных стационарных аппаратов.

Каждый поставщик услуг присваивает своим клиентам уникальные идентификационные номера, по которым он различает их между собой. В данном случае это называется номером абонента или точки подключения, к которой подходят провода. Когда АТС отправляет сигнал, телефон находится в отключенном состоянии, то есть трубка находится на аппарате, а рычажный переключатель — в разомкнутом положении. При поступлении вызова с линии ток проходит по первичной обмотке, заставляя вибрировать кулачок и бить по чашечкам. В электронных системах это происходит иначе, сигнал подается на внешний динамик, и на выходе мы слышим мелодию или пение птиц, например. После того как абонент поднимет трубку, цепь переговорного модуля и набора номера замыкается, а приемная размыкается с помощью реле.

Звонок другому пользователю происходит в обратном порядке. Человек снимает трубку, чем замыкает одну цепь и разъединяет другую. Вызов происходит в модуле набора номера путем отправки импульсов или сигналов на коммутирующие устройства станции. Она, в свою очередь, распознает числа, комбинируя их в единый номер, перенаправляет на нужную точку.

Передача голоса в аналоговых системах происходит благодаря вибрации мембраны микрофона. В угольных она создает уплотнение, что вызывает возмущение магнитного поля катушки. Такое колебание формирует импульс, который отправляет на другой приемник.

Стадия 0

Спрос рождает предложение. Именно эта мысль является основополагающей для всех устройств — от флагманов до бюджетных решений. Нужно как предложить хорошую цену для покупателя вкупе с широкими возможностями аппарата, так и суметь сделать это вовремя, ведь конкуренты не дремлют.
Исходя из параметров типа желаемых сетей (3G или LTE), экрана и его разрешения, беспроводных модулей, версии Android (вряд ли в 2016 году есть смысл говорить о кнопочном телефоне), а также АКБ и сроков, когда партнер будет готов начать производство, продукт зарождается на бумаге.

Местами система дает сбой, и на свет появляются химеры со слишком большой ценой по сравнению с конкурентами или совершенно новой технологией на борту, которая остается недооцененной рынком. Так или иначе, приоритеты и сильные стороны заложены изначально в соответствии с ожиданиями рынка на определенный период.

Схематическое исполнение мобильных телефонов

Устройство сотового телефона следует выделить в отдельную категорию, так как по своему исполнению он напоминает DECT-систему, но с рядом отличий. Он также передает на приемник радиосигнал, но предварительно его шифруя. Использует свои частоты и каналы для работы. Но представлять мобильный гаджет как телефон не совсем правильно. Это уже давно многофункциональное устройство.

Если говорить о внешнем исполнении, то следует отметить следующее:

• Форм-фактор. Это может быть раскладной или раздвижной корпус.
• Камера.
• Микрофон.
• Динамик.
• Экран.
• Клавиатура.
• USB-разъем.
• Аккумуляторная батарея.
• Зарядные устройство для мобильных телефонов.
• Сим-карта.

Многие гаджеты дополнены различными аксессуарами, что расширяет их область применения. Принципиальная схема внутреннего устройства представлена на рисунке ниже.

Несмотря на это, прибор работает исключительно с аналоговыми радиосигналами, все процессы в нем полностью оцифрованы. Его микросхема включает аналоговые и цифровые блоки.

Шлейфы для телефонов

Детали, которые представляют собой плоские кабели, соединяющие все периферийные узлы с основной платой. Шлейфы позволяют экономить внутреннее пространство телефона и сделать его корпус максимально тонким. Такие кабели могут иметь в своей конструкции USB-платы для зарядки, камеры, всевозможные датчики, механические и сенсорные кнопки управления. Также шлейфы (такие как тут https://www.aks.ua/catalog/shleif/) позволяют реализовать такие типы конструкций телефонов как слайдеры и раскладушки.

Аналоговый модуль

Он включает в себя средство приема и передачи сигналов. Обычно располагается отдельно от цифрового узла. По своим рабочим характеристикам напоминает радиотелефон, но работающий по стандарту GSM. Приемник и передатчик работают не синхронно, отправка сигнала происходит с 1/8 задержкой. Это позволяет экономить заряд батареи и интегрировать усилитель со смесителем. Поскольку прибор никогда не работает на прием и передачу одновременно, то собой он представляет некий коммутатор, который переключает антенну с одного режима на другой.

На приеме после прохождения фильтра каналов сигнал усиливается с помощью МШУ и отправлятся на смеситель. Далее он демодулируется и передается на аналого-цифровой преобразователь, который конвертирует его в цифровой сигнал, необходимый для работы центрального процессора.

На передаче логический генератор модулирует цифровые данные в сигнал. Далее через смеситель он поступает на частотный синтезатор, после которого переходит на канальный фильтр и усиленный. Только сигнал достаточной мощности подается на антенну, откуда он уходит в пространство.

Пользование интернетом на Андроид

Если вы уже установили подключение к интернету, самое время узнать, как пользоваться браузером. В случае, когда Wi-Fi выключен, активировать его вы можете в упомянутом меню уведомлений или через настройки, которые вы найдёте в меню. После того как вы откроете раздел беспроводного соединения, активируйте работу Wi-Fi, затем, устройство выполнит автоматический поиск сетей. Дело остаётся за малым — выбрать сеть из списка, ввести пароль, если это необходимо и нажать «Подключить».

Как зайти в интернет на Андроид?

Для этого следуйте таким инструкциям:

• Выберите установленный в смартфоне или планшете браузер, откройте его.
• Далее вы можете пользоваться браузером таким же образом, как и на компьютере — перед вами будет строка для ввода адреса, возможность добавлять вкладки, а в дополнительных иконках скрываются меню для добавления закладок, просмотра истории посещений страниц и прочее.

В целом ничего сложного в работе с браузером на планшете или смартфоне нет — если вы не знаете некоторых функций или значков, просто попробуйте их.

Мы упустили только один момент — чтобы ввести адрес сайта, вам нужна клавиатура.

Цифровой модуль

Главным элементом и мозгом всей системы является центральный процессор, который обрабатывает всю поступающую информацию. Чипсет микросхемы используется аналогичный компьютерному, но по производительности и мощности он не может с ним соперничать. Кроме ЦПУ в этот блок входит:

• Аналого-цифровой преобразователь, который конвертирует аналоговые сигналы микрофона в цифровой вид данных.
• Кодер и декодер речи и каналов.
• Преобразователь цифрового сигнала в аналоговый.
• Дешифратор и шифратор.
• Детектор активности речи. Обеспечивает работу узлов, только когда присутствует речь абонента.
• Терминальные средства. Образуют интерфейс связи с внешними устройствами, например ПК или устройство зарядки для телефона.
• Модули беспроводных сетей.
• Клавиатура.
• Дисплей.
• Динамик.
• Микрофон.
• Модуль камеры.
• Съемный накопитель.
• Сим-карта.

Некоторые компании используют два микрофона. Один необходим для подавления внешних шумов. Также иногда применяются два динамика: один — для телефонных разговоров, другой — для воспроизведения музыки.

Принцип работы мобильных устройств в сотовой сети

Мобильные телефоны работают в сети стандарта GSM на четырех частотах:

• 850 МГц.
• 900 МГц.
• 1800 МГц.
• 1900 МГц.

Стандарт системы включает в себя три основных компонента:

1. Подсистему базовых станций (BSS).
2. Подсистему коммутационных переключений (NSS).
3. Центр обслуживания и управления (OMC).

Аппарат взаимодействует с базовыми станциями (вышками). После включения он начинает сканирование сетей своего стандарта, которые узнает по транслируемому идентификатору. При ее наличии телефон выбирает ту станцию, чей уровень сигнала выше. Далее проходит аутентификацию. Идентификаторами являются уникальные номера сим-карты IMSI и Ki. Далее центр аутентификации (AuC) отправляет устройству число случайного порядка, которое является ключом для специального алгоритма вычислений. Одновременно система проводит такой расчет у себя. Если результаты базы и аппарата совпадают, то происходит регистрация телефона в сети.

Уникальным идентификатором для аппарата является его IMEI, который хранится в энергонезависимой памяти. Этот номер задается заводом-производителем и является его паспортом. Первые восемь цифр IMEI включают в себя описание устройства, остальные — серийный номер с контрольным числом.

После успешной регистрации телефон готов к обмену сигналами с базовыми станциями. Как уже говорилось ранее, устройство телефонов сотовых операторов похоже на систему аппаратов DECT, но со своими отличиями. Перед выходом в эфир сигнал мобильного шифруется и делится на отрезки по 20 мс. Кодирование производится по алгоритму стандарта EFR с использованием открытого ключа. И антенна активируется детектором активности речи (VAD), то есть когда человек начинает говорить. Прерывистость речи обрабатывает кодек по алгоритму DTX. У принимающей стороны сигнал обрабатывается аналогичным образом, но в обратном порядке.

Стадия 1

Готовятся первые образцы и, как правило, далеко не с финальным внешним видом и материалами; начинается работа над ПО и «железом». Устройству предстоит пережить тесты на прочность, падения, симуляцию длительного использования, состоящую из многократных нажатий и настоящей пытки для всех его узлов. Каждая такая итерация сопровождается выводами, исправлениями и, конечно же, новой серией издевательств.

Параллельно с этим, другие реальные устройства начинают проходить тесты там, где они планируются к продаже, для учета региональных особенностей сетей, застройки и положения спутников на небосводе (да-да, это не шутка). Цель всего этого — собрать данные для исправлений в конструкции для второй и третьей ревизии устройств в рамках работы над ним для достижения оптимальных результатов.
Работа над ПО включает в себя как общую стабильность, так и региональные особенности. Не секрет, что Россия является одним из самых сложных для производителей регионов: например, перевод интерфейса в 99% случаев более длинный по сравнению с английским, пользователи не готовы мириться с ошибками в ПО, которым в Европе просто не придали бы значения, а номера могут начинаться как с 8, так и с +7 и быть равнозначны, — словом, особенности есть, и их много. Не последними по значению являются результаты камеры или камер, работы с беспроводными аксессуарами.

Все это вкупе с настройками для операторов и рядом, казалось бы, мелочей и может оказаться решающим фактором при выборе устройства в магазине и его коммерческого успеха.

Зарядные устройства

Зарядные устройства для мобильных телефонов являются важным компонентом, так как благодаря ним аппарат продолжает функционировать. Их прямое назначение — уменьшать напряжение и ток электросети до необходимых значений и подавать его аккумулятору. В основном на выходе напряжение составляет 5 В, сила тока зависит от модели и емкости аккумулятора. От его силы зависит также время заряда батареи.

Зарядные средства делят:

• На трансформаторные.
• Импульсные.

Первые не боятся перепадов напряжения и всегда имеют большой запас по току. Принципиальная схема их очень проста. На понижающую катушку подается сетевое напряжение, которая уменьшает его до нужных значений. Ток со второй обмотки переходит на диодный мост, где установлен конденсатор. Он выполняет роль фильтра от скачков напряжения и забирает излишки на себя. Далее резистор понижает ток и передает его аккумулятору.

Схема импульсных ЗУ более сложная и выполнена с применением диодов и транзисторов.

Основные правила зарядки

Заряжать смартфон рекомендуется при помощи оригинального блока питания, который поставляется в упаковке. В крайнем случае допускается использовать качественные аналоги, входная сила тока которых соответствует сертифицированному зарядному устройству от производителя. Вот подробная статья со всеми нюансами.

Нельзя подключать телефон к розетке, если шнур или штекер повреждены. Это чревато выходом батареи из строя, а также самовозгоранием и другими неприятностями.

Во время зарядки температура смартфона повышается из-за напряжения от источника питания. Именно поэтому не рекомендуется запускать на подключенном к сети мобильном устройстве тяжелые игры и приложения, которые заставляют процессор функционировать на полную мощность. Зачастую это приводит к перегреву внутренних комплектующих девайса и его поломке.

Чтобы аккумулятор сохранял свои свойства как можно дольше, не допускайте его полной разрядки. Особенно губительным является длительное хранение девайса с истощенной до предела батареей, поскольку это приводит к сбоям в ПО и снижению времени автономной работы. Рекомендуется держать заряд АКБ в пределах от 20 до 80%, пополняя ее емкость по мере необходимости.

Все основные правила зарядки телефонов собраны в этой статье.

Поддержка беспроводных систем передачи данных

В настоящее время существует три способа передачи данных:

1. Инфракрасный порт.
2. Bluetooth.
3. Wi-Fi.

Первый доказал свою неэффективность, поэтому не используется. Последние два реализованы практически на всех аппаратах. Bluetooth имеет малый радиус действия и применяется в основном с целью организации интерфейса связи с портативными устройствами для телефона.

Wi-Fi считается более расширенным форматом и используется для выхода в Интернет. Следует отметить, что существуют специальные программные обеспечения, которые позволяют совершать звонки по каналу Интернет, не используя сотовую связь. Также с помощью данной технологии можно организовывать локальную сеть, к которой могут подключиться сразу несколько устройств и обмениваться данными.

Будущее смартфонов

С такими скоростями передачи данных, что можно скачать фильм за секунду, и нынешними технологиями, небо — это предел того, что смартфоны ещё могут сделать. Возможно, самой захватывающей вещью о технологиях смартфоностроения является то, что данная область всё ещё широко открытая. Это идея, которая, вероятно, не нашла своего идеального, реального мира реализации. Каждая новая волна смартфонов приносит с собой новые проекты и новые интерфейсные идеи. Никакой разработчик или производитель ещё не придумали идеальную прекрасную форму, размер или метод ввода. Следующий «киллер-смартфон» должен быть похожим на стандартный телефон, планшетный персональный компьютер, шоколадный батончик или ещё что-нибудь — то, чего ещё никто не придумал.

Пожалуй, самым сложным фактором для будущего является обеспечение безопасности. Смартфоны могут быть уязвимы к нарушениям безопасности. Например, атака под названием Evil Twin (Злой Близнец), в процессе которой хакер устанавливает сервисный идентификатор сервиса, создавая легитимную точку доступа или сеть и одновременно блокируя трафик на реальном сервере. Когда пользователь подключается к серверу хакера, информация может быть попросту перехвачена и безопасность данных будет находится под угрозой. С другой же стороны, некоторые критики утверждают, что производители антивирусного программного обеспечения значительно преувеличивают риски, вред и объём телефонных вирусов, чтобы помочь таким образом самим же себе в продаже фирменных продуктов.

Невероятное разнообразие в смартфоне аппаратных, программных и сетевых протоколов ингибируют практические, широкие меры безопасности. Большинство соображений безопасности или сосредотачивается на особых операционных системах или больше имеет отношение к пользовательскому поведению, чем сетевая безопасность. На сегодня всё, дамы и господа. Надеюсь, вам было дичайше интересно и вы узнали много нового.

Дополнительные аксессуары

Компании-производители всячески пытаются привлечь клиентов к своей продукции, поэтому постоянно расширяют ассортимент предлагаемой номенклатуры. Сюда входят:

• Чехлы.
• Защита стекол.
• Портативные устройства для телефона, например гарнитура.
• Съемные накопители.
• Средства мультимедиа.
• Умные средства.
• USB-устройства для телефона, например кабели, переходники или зарядные средства.

Подобные утилиты значительно расширяют возможности гаджетов и упрощают жизнь своим владельцам.

Сравнительные характеристики современных моделей телефонов

Для того чтобы понять, что собой представляют современные телефоны, необходимо увидеть наглядно их параметры. Но рассматривать одну торговую марку несправедливо. Обзор одного образца не даст полной картины, поэтому для сравнения и анализа были взяты три флагманских смартфона торговых марок Samsung (устройство телефонов этой марки не слишком отличается от других), Apple и Xiaomi. По ценовой категории они выстроились в следующем порядке:

1. Apple.
2. Samsung.
3. Xiaomi.

Судя по цене, в устройстве телефонов «Айфон» использованы передовые технологии, которые обладают самыми высоким параметрами. Однако присутствует на рынке с 1938 года и накопила большой опыт. Вообще, целью сравнения не является выявить победителя и ответить на вопрос, что лучше — устройство телефонов на «Андроиде» или на платформе iOS. Задача заключается в том, чтобы показать, каких высот достигли технологии.
Таблица технических характеристик

Как видно из таблицы, технические характеристики и устройство телефонов «Самсунг», «Сяоми» и Apple практически одинаковые. Это говорит лишь о здоровой конкуренции и стремлении сделать свой продукт лучше для пользователей. Все производители внедряют новейшие технологии, которые не стоят на месте и стремительно развиваются.

Как работает смартфон #1. Что стоит за «разумом» этого устройства?

Последнее обновление:11 месяцев назад

Оценка этой статьи по мнению читателей: 5

(70)

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:

ASCII таблица

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 первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии…

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?