Как устроен телефон (смартфон): из чего состоит и как работает

Внутри тонкой стеклянной пластины, которая лежит у вас в кармане, спрятано устройство, по вычислительной мощности близкое к компьютеру, а по набору приборов оно превосходит многие из них: связь, камеры, компас, датчик движения, микрофоны. Всё это размещено в объёме меньше пачки печенья и питается от аккумулятора, который должен работать целый день. Ниже — из каких узлов состоит смартфон, что происходит внутри при касании экрана и при звонке, чем различаются виды экранов и памяти и что чаще всего ломается.

Из чего состоит смартфон

Внутри корпуса почти всё крепится к основной плате, а по бокам от неё идут шлейфы к экрану, камерам и кнопкам.

Часть	Что делает
Система на кристалле (SoC)	Микросхема, где собраны процессорные ядра, графика, обработка снимков, нейросетевой блок и другие функции
Оперативная память (RAM)	Быстрая временная память: хранит данные запущенных программ, очищается при выключении
Флеш-память (накопитель)	Постоянная память для системы, приложений, фото и файлов
Экран с сенсором	Матрица, которая показывает изображение, и прозрачная сетка, которая ловит касания
Аккумулятор	Литий-ионная или литий-полимерная батарея; занимает основную часть объёма
Контроллер питания	Микросхема, которая раздаёт энергию от аккумулятора и управляет зарядкой
Модем и радиомодули	Обеспечивают связь: сотовую, Wi-Fi, Bluetooth, спутниковую навигацию, NFC
Антенны	Металлические полоски в корпусе или по рамке; принимают и излучают радиоволны
Камеры	Основная, широкоугольная, телеобъектив, фронтальная; каждая с матрицей и линзами
Датчики	Акселерометр, гироскоп, магнитометр, датчики освещённости и приближения, сканер отпечатка
Микрофоны и динамики	Принимают и воспроизводят звук; микрофонов обычно несколько
Вибромотор	Небольшой мотор с грузом или линейный привод: создаёт вибрацию
Разъём и корпус	Порт для зарядки и данных, стекло, рамка, система охлаждения

Многие из этих узлов описаны в отдельных статьях: устройство аккумулятора, микрофона, динамика и фотоаппарата. Процессор устроен так же, как компьютерный, только экономнее, о нём — в статье про устройство процессора.

Что внутри системы на кристалле

Слово «процессор» в смартфоне означает не один блок, а целый город на кремниевой пластине размером с ноготь.

Блок	Что делает
Ядра центрального процессора	Выполняют программы; часть ядер мощные, часть экономные и включаются, когда нагрузка мала
Графический блок	Рисует интерфейс, игры и видео
Обработчик изображений	Превращает сырые данные матрицы камеры в готовый снимок: убирает шум, склеивает кадры
Нейросетевой блок	Быстро выполняет вычисления для распознавания лиц, голоса и текста
Кэш-память	Очень быстрая память внутри кристалла для данных, которые нужны прямо сейчас
Контроллеры и интерфейсы	Общаются с памятью, экраном, датчиками и разъёмами

Экономные ядра и сложная система управления частотой нужны ради времени работы: телефон постоянно решает, сколько мощности ему нужно прямо сейчас, и включает лишь необходимое.

Как работает смартфон

Касание экрана.

1. Палец касается стекла. Под ним лежит сетка из прозрачных проводящих линий. Палец проводит электричество и меняет заряд в месте касания.
2. Контроллер экрана определяет точку. Он сравнивает сигналы по линиям и вычисляет координаты касания.
3. Данные идут в систему на кристалле. Операционная система получает событие: коснулись в такой-то точке.
4. Приложение реагирует. Оно решает, что делать: открыть письмо, нажать кнопку, прокрутить ленту.
5. Графика перерисовывает картинку. Система готовит новый кадр и отправляет на экран, который обновляется обычно от шестидесяти раз в секунду и чаще.

Звонок.

1. Вы нажимаете вызов; модем формирует сообщение и кодирует его радиосигналом.
2. Антенна излучает сигнал на базовую станцию оператора, а она передаёт его в сеть.
3. Голос через микрофон превращается в цифровой поток, сжимается и отправляется, а входящий поток разворачивается и звучит в динамике.
4. Пока вы говорите, телефон постоянно подстраивает мощность передатчика: ближе к станции слабее, дальше сильнее, чтобы экономить заряд.

Как телефон знает, где он находится и как повёрнут

Положение телефона в пространстве считывает акселерометр: он чувствует ускорение и направление силы тяжести, поэтому экран переворачивается вслед за телефоном. Гироскоп измеряет скорость вращения, а магнитометр ощущает магнитное поле Земли и служит компасом. Датчик освещённости регулирует яркость экрана, а датчик приближения гасит экран, когда вы прикладываете телефон к уху.

Координаты определяет приёмник навигации: он ловит сигналы спутников, каждый из которых сообщает время отправки, и по разнице считает расстояния. Чтобы найти положение на Земле, нужны сигналы как минимум четырёх спутников. В помещении помогают вышки сотовой связи и точки Wi-Fi.

Чем отличаются похожие вещи

LCD и OLED. В жидкокристаллическом экране пиксели сами не светятся, их подсвечивает лампа сзади, а слой кристаллов пропускает или блокирует свет. В OLED каждый пиксель светится сам, поэтому чёрный цвет получается действительно чёрным, а экран может быть тоньше. Подробнее про принципы экранов — в статье о том, как работает телевизор.

Оперативная и встроенная память. Оперативная быстрая и временная, встроенная медленнее, но хранит данные без питания. Нехватка оперативной памяти заставляет закрывать фоновые приложения, а нехватка встроенной не даёт установить новые.

Смартфон и кнопочный телефон. Кнопочный телефон умеет звонить и писать, его аппаратура проще, аккумулятор держит недели. Смартфон — универсальный компьютер, поэтому его нужно заряжать чаще. Про выбор — в статье как выбрать смартфон.

SIM и eSIM. Обычная SIM — пластиковая карточка с чипом, eSIM — та же функция, встроенная в микросхему.

Интересные факты

• Почему телефон греется. Электроника, которая работает, выделяет тепло. Система на кристалле в играх или при съёмке видео нагревается сильнее, и телефон, чтобы не перегреться, снижает частоту процессора. Из-за этого игра начинает подтормаживать.
• Почему в лифте нет связи. Металлическая кабина работает как экран для радиоволн, и сигнал вышки внутрь почти не проходит.
• Почему Wi-Fi и Bluetooth иногда мешают друг другу. Они используют один и тот же диапазон радиоволн около 2,4 гигагерца и делят его между собой и со многими другими приборами.
• Почему яркость влияет на время работы. Экран — один из самых прожорливых узлов: подсветка или светящиеся пиксели забирают заметную часть энергии. Поэтому автояркость и тёмная тема, особенно на OLED, помогают телефону дольше держать заряд.
• Почему экран сам гаснет во время звонка. Датчик приближения понимает, что вы прижали телефон к уху, и отключает экран, чтобы вы не нажали щекой лишнее.

Почему смартфон ломается и на что смотреть

• Разбитый экран или сенсор. Стекло бьётся при падении, а иногда экран работает, но не реагирует на касания в отдельных местах.
• Быстро садится батарея. Аккумулятор теряет ёмкость со временем; причины разобраны в статье почему быстро разряжается телефон.
• Не заряжается. Забит грязью или изношен порт, неисправен кабель или блок питания, а иногда контроллер питания.
• После воды. Если телефон упал в воду, его нужно выключить, вынуть из чехла и не включать, пока он не будет высушен и осмотрен. Греть феном нельзя.
• Перегрев и самопроизвольные перезагрузки. Нагрузка, неисправный аккумулятор, проблемы с питанием.
• Пропала связь. Проблема в антенне, разъёме модема или в SIM-лотке.

Вздувшийся аккумулятор, дым и запах гари означают: выключить телефон и не заряжать. Заменить экран, батарею или разъём самому можно, но без специальных инструментов легко повредить шлейфы и клеевые уплотнения, а неправильная установка аккумулятора опасна. Такую работу лучше доверить мастеру по ремонту телефонов.