كيفية دمج مكونات الهواتف الذكية على رقاقة واحدة

لطالما كان من المثير للفضول الاطلاع على كيفية دمج أهم المكونات الإلكترونية داخل أجسام رقيقة وصغيرة مثل الهواتف الذكية الحديثة، حيث تضم هذه الأجهزة الصغيرة الحاسوبية معالجات قوية، وذواكر سعيدة، وشاشات عرض عالية الدقة، بالإضافة لوحدات استشعار متطورة، كل ذلك داخل حجم لا يتعدى راحة اليد.

ونهدف في هذا المقال إلى سد هذه الثغرة المعرفية عن طريق شرح آلية عمل أهم مكونات الهاتف الذكي مثل المعالج والذاكرة ووحدات الدعم المختلفة، بالإضافة إلى طريقة دمجها معاً على ما يسمى بـ "النظام على رقاقة واحدة".

المعالج والذاكرة

المعالج هو الجزء الأساسي في الهاتف الذكي الذي يقوم بمعالجة جميع البيانات والتعليمات. وتتراوح قوته بين ثلاثة وثمانية أنوية تعمل بسرعات تصل إلى ثلاثة جيجاهرتز. أكثر أنواع المعالجات شيوعاً هي معالجات ARM، ومن أهمها معالجات سناب دراغون من كوالكوم، ومعالجات A Series من شركة أبل.

أما الذاكرة فهناك نوعان: الذاكرة الداخلية وتأتي بسعات 64جيجا إلى 1تيرابايت من أنواع الفلاش المختلفة. والذاكرة الخارجية عبارة عن بطاقات ذاكرة microSD بسعات تصل إلى 400جيجا. كما يوجد نوع آخر من الذاكرة هو الذاكرة العشوائية (RAM) وهي الذاكرة العاملة المؤقتة التي تستخدم لتخزين البيانات أثناء تشغيل الهاتف.

ما هو المعالج؟

المعالج هو الجزء المركزي والأساسي في الهاتف الذكي الذي يقوم بمعالجة جميع البيانات والتعليمات وتنفيذها. ويمكن اعتبار المعالج هو "الدماغ" أو "المخ" الرقمي للهاتف.

فهو المسؤول عن تشغيل نظام التشغيل Android أو iOS، وتشغيل التطبيقات، ومعالجة وتخزين البيانات، وإصدار الأوامر لبقية مكونات الهاتف لتنفيذ المهام المختلفة.

كما يقوم المعالج بأداء عمليات الحسابيات والمنطقية اللازمة عند إجراء مكالمات أو تصفح الإنترنت أو التقاط الصور، وهو ما يتطلب قدرات وأداء عاليين.

أنواع المعالجات في الهواتف

هناك عدة أنواع رئيسية من المعالجات المستخدمة في الهواتف الذكية اليوم، وأبرزها:

معالجات ARM: وهي أكثر أنواع المعالجات انتشاراً حالياً في معظم الهواتف بفضل قوتها وكفاءتها الاستهلاكية. من أمثلتها معالجات سناب دراغون من كوالكوم.
معالجات x86: وتستخدمها أجهزة مثل سمارتفون ويندوز. وتعد قوية لكنها أقل كفاءة.
معالجات A Series: وهي معالجات شركة أبل الخاصة المستخدمة في هواتف iPhone وآيباد.

الذاكرة الداخلية والخارجية

تأتي الذاكرة في الهواتف الذكية بنوعين، الداخلية والخارجية:

الذاكرة الداخلية: وهي الذاكرة المدمجة داخل الهاتف نفسه. وتستخدم أنواعا متعددة من ذاكرة الفلاش غير القابلة للمسح مثل eMMC أو UFS. وتتراوح سعتها عادة بين 64 جيجابايت إلى 1 تيرابايت.
الذاكرة الخارجية: تأتي عبارة عن بطاقات ذاكرة قابلة للزيادة والنزع مثل microSD. وتتيح سعات كبيرة تصل إلى 400 جيجابايت. كما يمكن الاستعانة بخدمات التخزين السحابي عبر شبكة الإنترنت.

الذاكرة الداخلية والخارجية

الذاكرة الداخلية:

تستخدم أنواعًا متطورة من ذاكرة الفلاش غير القابلة للمسح مثل eMMC أو UFS.
تتراوح سعتها عادةً بين 64-128 جيجابايت في الهواتف المدنية، و256-512 جيجابايت في الهواتف الرائدة.
يتم تركيبها داخل الهاتف مباشرةً أثناء التصنيع.

الذاكرة الخارجية:

تأتي عبارة عن بطاقات microSD قابلة للزيادة والنزع.
سعاتها تتراوح بين 64-400 جيجابايت.

وحدة المعالجة الرقمية

تلعب وحدة المعالجة الرقمية دوراً محورياً في الهاتف الذكي، حيث تقوم بمعالجة الإشارات الرقمية القادمة من مستشعرات الصوت والصورة وغيرها. وتتكون أساساً من وحدة معالجة الصوت codecs التي تعمل على ترميز وتشفير الصوت أثناء الاتصالات أو تسجيل المقاطع، بالإضافة إلى وحدة معالجة الصور signal processors لمعالجة إشارات الكاميرا. كما تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقتة للبيانات buffer، ومعالجات إضافية للرسوميات والفيديو video cores لتشغيل المحتوى.

وظائف وحدة المعالجة الرقمية

تقوم وحدة المعالجة الرقمية بعدد من المهام والوظائف الرئيسية أهمها:

معالجة إشارات الصوت القادمة من الميكروفون أثناء المكالمات أو تسجيل الصوت.
ترميز وضغط الصوت باستخدام تقنيات مثل mp3 أو AAC لتخزينه أو نقله.
معالجة إشارات الكاميرا وتحويلها إلى صور رقمية قبل تخزينها أو مشاركتها.
معالجة مقاطع الفيديو وترميزها لتنسيقات مثل MP4.

أهم مكوناتها

تتكون وحدة المعالجة الرقمية في الهواتف من المكونات الرئيسية التالية:

منافذ الإدخال/الإخراج: للاتصال بالمستشعرات مثل الميكروفون والكاميرا والشاشة.
وحدة معالجة الصوت Codec: لترميز وفك ترميز إشارات الصوت.
وحدة معالجة الصور Signal Processor: لمعالجة إشارات الفيديو والصور.
وحدة معالجة الرسوميات Video Core: لمعالجة وتشغيل المحتوى المرئي.
ذاكرة التخزين المؤقت Buffer Memory: لتخزين البيانات أثناء المعالجة.

وحدة إدارة الذاكرة

تلعب وحدة إدارة الذاكرة دورًا حيويًا في تنسيق عملية تخزين واسترجاع البيانات من الذواكر المختلفة في الهاتف. فهي المسؤولة عن تخصيص الذاكرة اللازمة لنظام التشغيل وتطبيقات الهاتف وإدارة ملفات التخزين. كما تقوم بإعادة تخصيص الذاكرة تلقائيًا عند الحاجة، وإدارة عمليات القراءة والكتابة في وحدات التخزين المختلفة. وذلك لضمان الاستخدام الأمثل للذاكرة وتحقيق أقصى كفاءة وسرعة أداء للهاتف.

وحدة الحساسات

تضم وحدة الحساسات مجموعة من الاستشعارات الضرورية لتشغيل وظائف الهاتف المختلفة بكفاءة. فهي تحتوي على حساس الكاميرا الذي يقوم بالتقاط الصور وتسجيل الفيديو، وحساس الإضاءة الذي ينظم سطوع الشاشة.

بالإضافة إلى حساس التسارع لتحديد اتجاه الهاتف، وحساس البصمة للتعرف على هوية المستخدم، وحساس المجال المغناطيسي لخدمات الموقع. كما تحتوي على ميكروفون للاتصالات الصوتية وحساس القرب لإيقاف العرض عند اقتراب الهاتف من الأذن.

وحدة العرض

تتألف وحدة العرض في الهواتف الذكية من شاشة العرض الرئيسية بالإضافة إلى عدد من المكونات الأساسية:

شاشة العرض ذات التقنية الحديثة مثل IPS LCD أو OLED.
وحدة العرض Display Driver: لتشغيل الشاشة وإدارة عرض المحتوى.
دارة تحكم العرض Display Controller: لإدارة الصورة والإطارات بين الشاشة ووحدة المعالجة.
حساسات اللمس Touch Sensors: إن وجدت، للتعرف على إماكن اللمس بالشاشة.

النظام على رقاقة واحدة

يتم تصميم الهواتف الذكية الحديثة على مبدأ "النظام على رقاقة واحدة" أي دمج جميع مكونات النظام على رقاقة واحدة. فالرقاقة تحتوي على المعالج، ووحدة الذاكرة، ووحدة العرض، والحساسات، بالإضافة إلى وحدات الاتصال اللازمة مثل البلوتوث والواي فاي. وهذا يتيح تصميمًا أقل حجمًا وأكثر كفاءة، مع إمكانية زيادة أداء النظام وسرعته مقارنة بنماذج الرقائق المنفصلة. كما يمكن تحديث الرقاقة بسرعة لإضافة خصائص جديدة أو تحسين أدائها بشكل عام.

أسئلة شائعة

س1. ما هو الفرق بين وحدة المعالجة المركزية والمعالج؟

ج: المعالج هو الشريحة الإلكترونية التي تنفذ العمليات الحسابية والمنطقية، بينما وحدة المعالجة المركزية هي مجموعة تضم المعالج مع باقي الدوائر الخاصة بمعالجة البيانات.

س2. ما الفرق بين الذاكرة الداخلية والخارجية؟

ج: الذاكرة الداخلية مدمجة في الهاتف نفسه بينما الخارجية تأتي على شكل بطاقات قابلة للإزالة.

س3. ما هي وظيفة وحدة المعالجة الرقمية؟

ج: معالجة الصوت والصور ومقاطع الفيديو الرقمية القادمة من حساسات الهاتف.