硬核科普盘点Android硬件的必知必会

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前言

大部分同学都是在做软件开发,关于那些Android设备硬件你了解多少?

一、屏幕

屏幕里有很多词儿需要了解,比如LCD和OLED、高刷、以及去年大火的LTPO技术。

不过在了解屏幕中的专业名词之前,我们先聊聊基本知识。

1.分辨率

我们都知道,屏幕中展示的内容是一个个像素点组成的,这些像素点极小,肉眼可分辨不出来。

就像这样:

image.png

「比如我的手机的分辨率是*,它代表手机的长边可以存放个像素点,短边可以存放个像素点。」

大家买手机常常念叨的2K屏,一般是这样划分的:

P:*1K屏:*2K屏:*

雷布斯在宣传手机屏幕的时候,通常还有这样一个词PPI,这又是什么呢?

PPI代表着每英寸像素值,计算方式如下:

计算公式

还是以我的手机为例,我的手机分辨是*,屏幕尺寸是6.57英尺。

计算公式就是:(^2+^2)的结果开根号,再除以6.57,结果就是。

不少Android开发小伙伴看到分辨率的时候总是很头疼,因为Android碎片化的问题很严重,总有太多的分辨率需要适配。

2.LCD和OLED

这些年高端机型都用上了OLED屏,是不是就意味OLED屏就更好了呢?

2.1展示原理

要了解这两屏幕的区别,首先得了光学三原色,三个颜色分别是红色、绿色和蓝色,通过配置不同的比列,就能形成不同的颜色。

屏幕中的每一个像素点,都是由三个子像素点组成的,就像这样:

像素的组成

虽然都用了这种方法,但是LCD和OLED的原理却大不相同,往简单了说,LCD是背光源,OLED是自发光。

掏出他们两的设计图:

设计原理

LCD背部发出的都是清一色的白光,经过红绿蓝颜色薄膜,从而得到三原色。假设我们不做处理,红绿蓝三个颜色一综合,得到的还是实实在在的白色,所以,中间层得加一层开关,这就是所谓的液晶部分,可以改变开合程度,改变光的射出强弱,从而让三种颜色组成不同的光。

OLED的原理就简单了,相当于自带能够控制光强度的红绿蓝的小灯泡。

所以,对于LCD来说,即使屏幕全黑,背部也需要发光,这也是大家常常说的漏光。

再聊聊它们像素排列方式的区别:

像素排列方式

LCD一般采用RGB的排列方式(左图),而OLED一般采用Pentile排列(右图),这也就导致了同等大小的情况下OLED屏幕像素点低的问题,所以就会有这句话:

?

无2K(X),不A屏(AMOLED屏幕)

?2.2各自优缺点

OLED与LCD相比:

优点:更薄、可以用作柔性屏、色彩更鲜艳、可单独点亮更省电、屏幕响应快缺点:容易烧屏、频闪、像素密度

想要更详细的了解它们之间的区别,可以看:

?

《OLED和LCD有什么区别?》

?3.屏幕刷新频率

貌似是从前年开始,各大厂商都推出了HZ的高刷手机。

HZ代表着,一秒钟屏幕可以绘制帧的画面,如果用看到画面描述,是这样的:

高刷对比

记得同事刚用上高刷手机的时候,就说出了这样一句话:用了高刷手机以后,回不去了!

不过更高的刷新帧率意味着更高的能耗。

于是,从年开始,各大厂商又推出了LTPO技术。

「LTPO」的全称是「LowTemperaturePolycrystallineOxide」,中文的字面意思低温多晶氧化物。

往简单了说,它可以动态的改变屏幕的刷新帧率。

比如,我们在看小说的情况下,不需要HZ的高刷,于是,手机会将帧率设置成30HZ,而在玩游戏的情况下,高刷就会被我们需要,手机又会将帧率改成HZ,当然,也得这个游戏支持高刷,这样的一增一减,就可以降低能耗,提升续航。

更详细的知识可以前往:

?

《LTPO技术科普:手机屏幕的下一个行业标杆》

?二、运行内存RAM

RAM指的是运行内存,近些年,Android手机的运行内存基本上8GB起步,高一点的运行内存甚至达到了16GB。

关于RAM,大家最常听见的就是LPDDR,雷布斯在宣传LPDDR5的时候可没少下功夫:

看一下LPDDR的族谱:

LPDDR

DRAM是内存存储数据的一种方式,它通过给电容充电,计算电容差,从而转化成二进制,但是电容存在漏电的情况,所以需要周期性的充电,所以这里的D指的dynamic,动态的。

CPU的频率一般是以GHZ为单位,比如最新的骁龙8Gen1是最大的一核频率在3.0GHZ。

而运行内存的工作频率还在MHZ单位,于是CPU和运行内存达成了共识,在指定的周期,CPU一定可以拿到数据,无需等待,所以SDRAM里的S是synchronous,同步的意思。

DDR其实应该叫做DDRSDRAM,把后面的SDRAM给省略了,DDR是DoubleDateRate的缩写,意思是双倍速率:

数据效率

以前一个时钟周期内,只做一次数据存取,现在可以在上升沿和下降沿做两次存取,妥妥的效率提升了。

最后就是本文要介绍的LPDDR,它的LP是LowPower的意思,低功耗,所以它的全称是LowPowerDoubleDataRateSDRAM,是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的标准。

LPDDR功耗小,体积小,天生就适合移动设备,最后了解一下LPDDR的参数:

LPDDR

年11月份,三星已经研制出最新的LPDDR5XDRAM,速度提升30%,功耗降低20%。

三、存储内存ROM

「ROM称为只读存储器,跟RAM不一样,不会因为电源关闭而导致数据消失。」而且它就是购买手机的时候标注的32G\64G\G等的那串数字,它决定着我们的手机可以存储多少视频和游戏。

还记得当年网络的调侃,「鲁迅说过,买手机不要买16G存储空间的手机!」

1.ROM的分类

虽然ROM是只读存储器,只能读出无法写入信息,就跟Android设备中存储系统的那块区域我们是永远无法修改删除的一样的道理,但是为了方便用户生产和使用,又出现了:

可编程只读器(PROM)可擦可编程只读器(EPROM)带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)等不同的种类

移动设备中使用的ROM是快闪存储器(flashmemory),它的定义是:

?

快闪存储器是一种电子式可清除程序化只读存储器的形式,允许在操作中被多次擦或写的存储器。

?

闪存是一种特殊的、以宏块抹写的EEPROM。它的成本低、数据不易丢失、可靠性强,所以被移动设备广泛采用。

2.UFS和eMMC

厂商宣传手机的时候,也常常有UFS3.1,它又是什么呢?

闪存下常见的分类有SSD、eMMC和UFS。

SSD不用说,是用在PC上的,记得上大学那会儿,把笔记本中的机械硬盘换成了SSD,电脑就跟新生了一样,打撸啊撸都能多抢几个人。

「而eMMC和UFS是针对移动设备的,他们的特点是:体积小、功耗低、性能适中,近些年来,很多厂商都推出了1TB大容量的手机,大有赶超PC的意思。」

最近的几年的手机都采用了UFS,舍弃了eMMC,因为UFS采用了接口串行化,提高了传输频率,看一下UFS的参数:

UFS

而eMMC的带宽只有MB/S,所以,抛弃eMMC是不可以避免的。

更详细的信息在:

?

《UFS3.1是如何让App启动、加载速度更快的?》《浅谈SSD,eMMC,UFS》

?3.文件系统

我们在Android中学习IO调用链路的时候:

IO调用链路

常常看到文件系统这个词,VFS提供给应用程序统一的文件接口,具体的实现交给了文件系统。

如今主流的文件系统有ext4和F2FS,比如我的Android手机:

我的手机

我的vivox70pro内部存储器使用的f2fs,系统存储器使用的ext4。

「对于App来说,随机I/O的场景更加频繁,所以用在应用层级的内部存储更加合适。但同等条件下,f2fs占用的存储空间更高,大约是ext4的1.1到1.5之间,并且连续读写大文件的性能没有ext4强,所以系统存储器选择了ext4。」

四、处理器

处理器就是手机的大脑,我们买的Android中常见的处理器有高通骁龙系列、联发科的天玑系列、华为的麒麟系列和三星的Exynos系列,市场占有率最高的是高通骁龙系列的处理器。

通常,在PC上,处理器就是指CPU,比如酷睿i7-。

移动设备中的处理器可不一样,考虑到体积和功耗,使用高集成度的SoC(SystemonChip),一个处理器将系统关键部分都集中在一个芯片上。

1.SoC集成了哪些东西

麻雀虽小,五脏俱全,说的就是SoC,它是一个微小系统:

中央处理器(CPU)图形处理单元(GPU)图像处理单元(ISP)数字型号处理器(DSP)神经处理单元(NPU)调节解调器(Modem)等功能模块

看一下最新的骁龙8Gen的SoC布局:

image.png

很多重要的部件已经标注出来了。

通过SoC集成,可以最大限度的节省主板布局,帮助设备瘦身,提升IP单元的交流速度,还能显著降低整体功耗。

2.制程工艺

移动设备中的SoC是从一整块的晶圆中切割而出,如果它的制程工艺越先进,意味着可以解锁更高主频、发热量更低、功耗更低、不易降频,运行更强更稳定!

所以啊,厂家在介绍芯片,一定会介绍他们采用的是xxnm的工艺。

比如最新一代的骁龙8Gen1采用的是三星4nm的工艺,而联发科的天玑采用的是台积电的4nm工艺,虽然同为4nm,但是台积电的4nm工艺更强一点。

3.CPU

CPU是SoC中最关键的核心单元之一,它决定着手机的性能。

还拿最新的骁龙处理器来说,它是八核处理器:

处理器架构

包括:

1个3.0GHzCortex-X2大核心3个2.5GHzCortex-A中核新4个1.8GHzCortex-A小核心

事实证明,SoC全速运行的时候(打游戏)非常容易发热导致降频,所以这种大中小核的思路才会适应当今的潮流。

除了CPU的布局,我们还需要了解简单的架构知识。

我们在写Android程序的时候,常常需要去兼容不同架构的CPU,比如常见的armeabi(ARMv5)、armeabi-v7a(ARMv7)、arm64-v8a(ARMv8)和x86等架构。

以arm开头的是arm架构,移动设备一般会选用这个架构;PC端的CPU大部分是x86架构,很早以前也出现过手机上。

简单来说:

arm架构处理器源于RISC(精简指令集),通过对常用的命令进行优化,赋予它更简洁和高效的执行环境。RISC将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令带宽,从而换取了简单和低功耗的硬件实现。x86架构对应的CISC(复杂指令集),以增加处理器本身复杂度作为代价,换取更高的性能。

所以说,低功耗和高效率的arm架构显然更适合移动设备,值得一提的是,去年苹果发布的最新款的macbookpro采用的m1芯片也是基于的arm架构。

4.GPU

GPU对应着移动设备的显卡,一款手机能支持多高的分辨率、刷新率、玩游戏能跑出多少帧数,几乎都需要看GPU的脸色。它会提供很多图形渲染的接口给游戏和应用,比如常见的openGL。

常用的GPU有高通的Adreno系列和Arm公司的Mail系列。

更多关于处理器的知识,可以阅读:

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《骁龙8Gen1参数揭晓:高通首款4nm芯片、配置全面提升》《骁龙为啥最厉害?CPU和GPU架构了解下》《硬核科普!为啥说SoC的性能取决于架构和工艺?》

?总结

即使是应用层级的开发工程师,阅读相关文档的时候,也不可避免得遇到硬件的相关知识。所以,学习简单的硬件知识还是有点必要的。

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