HPC相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

隨著無線通信和芯片技術(shù)的快速發(fā)展，HPC(手持電腦、掌上電腦)等微型個人數(shù)字設(shè)備的發(fā)展日新月異?，F(xiàn)階段各種HPC的功能基本都趨于相同，那么下階段HPC會在哪些方面有所創(chuàng)新和突破呢？本文作者將結(jié)合正在從事的HPC開發(fā)項(xiàng)目對此問題做一探討，并介紹與HPC發(fā)展緊密聯(lián)系的幾項(xiàng)新技術(shù)。
1 CPU主頻速度的快速提高和高度集成化
　　針對各種手持?jǐn)?shù)字設(shè)備的需求，各個半導(dǎo)體芯片廠商都投入了很大的力量研發(fā)和生產(chǎn)適用于這些設(shè)備的CPU及協(xié)處理器芯片。用于手持設(shè)備的處理器必須高度緊湊、低功耗、低成本。為了充分縮小掌上電腦的尺寸，廠商甚至把少量存儲器和I／O端口也一并集成到芯片中。
　　大家熟悉的大多數(shù)臺式PC都是使用CISC微處理器，如Intel的x86和Motorola的68000家族，它們都使用了復(fù)雜的指令集，包括了所有數(shù)學(xué)指令，如Add、Sub、Mul、Div等。這些指令中的一些經(jīng)常使用，另一些用得極少，但CISC處理器將處理全部的指令集。而掌上電腦使用的是RISC處理器。RISC處理器精簡了指令，使得它可以運(yùn)行得更快。RISC只有數(shù)學(xué)指令的子集，也就是說，可能只有Add和Sub。這并不是說它就不能執(zhí)行乘除，它是采用一組簡單而快速的指令來完成同樣工作，例如，乘法可以是基于多次加法，而除法也相當(dāng)于多次減法。RISC芯片同樣主頻下能執(zhí)行的指令比CISC芯片快得多，并且也更廉價(jià)。RISC結(jié)構(gòu)體系有兩大主流：Silicon Graphics公司(硅谷圖形公司)的MIPS技術(shù)，ARM公司的Advanced RISC Machines技術(shù)。此外Hitachi(日立公司)也有自己的一套RISC技術(shù)SuperH。不過，MIPS技術(shù)毫無疑問是領(lǐng)先者，領(lǐng)先Hitachi，同時(shí)市場份額是ARM的四倍。

這些芯片的速度越來越快、功能也越來越多。接下來，NEC VR系列將會達(dá)到168MHz，Intel最新的StrongARM將沖刺600MHz，Hitachi將在2000年第四季投產(chǎn)SH5(400MHz／714MIPS／600mW)。可以預(yù)見，到2001年中，150MHz到200MHz的掌上電腦的處理器將只是最普遍的檔次，并且芯片上的Cache容量會翻倍，如表1。以英特爾公司的StrongArm系列為例，現(xiàn)在其最高主頻已經(jīng)達(dá)到了206MHz。通過利用高性能的微結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的CMOS工藝技術(shù)和大容量的片上存儲Cache，在MIPS／mW指標(biāo)上已經(jīng)處在了領(lǐng)先地位，從而使得移動設(shè)備可以利用操作系統(tǒng)和強(qiáng)化性能的應(yīng)用程序提供更快的響應(yīng)，包括語音和手寫體識別，軟件MODEM和更有效的JAVA解釋。通過低電壓工藝技術(shù)優(yōu)化了電源利用率，具有提供低功耗高性能的獨(dú)特能力。與之相應(yīng)的協(xié)處理器集成了SSP串行數(shù)據(jù)接口、USB主控制器，與AC－link和I2S音頻編解碼器的串行接口，PCMCIA卡和CF卡接口以及多個附加的I／O接口，并提供了一個專用內(nèi)存控制器能降低系統(tǒng)帶寬需求，提供如此眾多的手持應(yīng)用的關(guān)鍵I／O功能，最大限度地提高了系統(tǒng)的總體性能。
　　以上述處理器芯片為主，添加必要的外圍電路并配合相應(yīng)的少量外設(shè)，就可以非常方便地設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的HPC產(chǎn)品。我們設(shè)計(jì)的基本硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。該框圖是一個HPC的全方位解決方案。對其外圍電路進(jìn)行修改，就可以設(shè)計(jì)出針對不同要求，提供不同功能，處于不同價(jià)位的各款數(shù)字終端產(chǎn)品。

2 HPC中集成無線收發(fā)模塊并接入WAP服務(wù)
　　應(yīng)該說，在掌上電腦中加入無線收發(fā)模塊將是大勢所趨，也是HPC發(fā)展進(jìn)入一個新階段的標(biāo)志?？梢哉f，哪個生產(chǎn)廠家能率先在這方面取得突破，誰就能在HPC上取得先機(jī)，占領(lǐng)市場。目前絕大部分的掌上電腦都不具有無線收發(fā)模塊，需要連接電話線或手機(jī)才能接入網(wǎng)絡(luò)，瀏覽信息。即使是一些帶有無線模塊的手持設(shè)備，如摩托羅拉的寶典828掌中網(wǎng)機(jī)，也只可以進(jìn)行單向的無線接收。參照GSM手機(jī)的設(shè)計(jì)，我們可以在掌上電腦中集成無線收發(fā)模塊，其初步方案如圖2所示。用戶能通過掌上電腦連接到GSM移動電話網(wǎng)，再接入到Internet上，真正實(shí)現(xiàn)帶有移動通信功能的掌上電腦。掌上電腦要求小型化、省電、高可靠性，所以無線模塊部分的芯片需采用專用集成電路。這里面還要考慮到電磁干擾的屏蔽和硬件電路的小型化?，F(xiàn)在一般的掌上電腦都具有錄放音的功能。如果加入了無線收發(fā)模塊后，我們就可以利用原有的音頻編解碼電路和無線模塊連接起來，提供類似手機(jī)的無線語音通信功能，撥號可以通過觸摸屏來完成。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。
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WAP(Wireless Application Protocol)就是“無線應(yīng)用協(xié)議”之意。WAP由Ericsson、Motorola、Nokia、Unwired Planet四家公司發(fā)起，并組建了所謂的WAP論壇?，F(xiàn)在其會員已包括像Alcatel、AT＆T、西門子、英國電信、法國電信、貝爾大西洋、貝爾南方等這些大公司。WAP 論壇的成員擁有全球手機(jī)市場90％ 以上的份額，并代表著超過1億訂戶的電信公司、領(lǐng)先基礎(chǔ)設(shè)施提供商、軟件開發(fā)商和向無線行業(yè)提供解決方案的其他機(jī)構(gòu)。
　　WAP是面向目前的無線設(shè)備和窄帶網(wǎng)設(shè)計(jì)的。WAP最主要的特點(diǎn)是將一系列統(tǒng)一的協(xié)議規(guī)范引入到無線網(wǎng)絡(luò)中，而不管底層的空中接口標(biāo)準(zhǔn)的差異。在Internet開放原則的指導(dǎo)下，WAP的規(guī)范可以適用于CDMA、GSM、IS－136及未來的第三代系統(tǒng)。WAP應(yīng)用將適用于不同的傳輸載體和設(shè)備類型，它的目標(biāo)是允許各種無線設(shè)備接入豐富的信息資源和應(yīng)用。WAP的設(shè)計(jì)原則是盡量少利用手持設(shè)備的資源，WAP的經(jīng)過精簡的HTML叫做WML(Wireless Markup Language，無線標(biāo)識語言)，可以將重要信息顯示在微小的LCD屏幕上。
　　現(xiàn)在支持WAP標(biāo)準(zhǔn)的廣泛程度是令人吃驚的——手機(jī)廠商、服務(wù)提供商、軟件開發(fā)商和內(nèi)容提供商都支持該標(biāo)準(zhǔn)。去年年末，甚至微軟也采納了該標(biāo)準(zhǔn)，它發(fā)布了用于無線設(shè)備的Mobile Explorer，這是一個主要基于WAP的瀏覽器。雖然第三代移動通信系統(tǒng)(3G)可以為多種移動多媒體Internet應(yīng)用提供高速的寬帶數(shù)據(jù)通信平臺。但在WAP設(shè)計(jì)時(shí)面臨的限制如時(shí)斷時(shí)續(xù)的覆蓋、小顯示屏、低功耗、承載業(yè)務(wù)和設(shè)備的廣泛性、單手操作等在3G網(wǎng)絡(luò)中依然存在。同時(shí)未來的系統(tǒng)即使帶寬增加，帶寬的成本也不會降到零，而且用戶帶寬也不斷在增長，這意味著在無線環(huán)境下仍需要優(yōu)化使用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源。所以伴隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，不斷完善的WAP很有可能成為用于數(shù)字移動電話和其他無線終端設(shè)備的無線信息與電話服務(wù)在事實(shí)上的全球標(biāo)準(zhǔn)。
　　加入無線收發(fā)模塊后，再配合相應(yīng)的軟件，HPC就可以接收基于GSM的WAP服務(wù)了。由于現(xiàn)在掌上電腦的CPU速度夠快，所以執(zhí)行這些軟件應(yīng)該是不成問題的。目前無線上網(wǎng)大多是通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其中功能較為強(qiáng)大的典型代表是摩托羅拉的A6188。但手機(jī)不甚強(qiáng)大的CPU、較小的內(nèi)存、較小的顯示屏和非常有限的負(fù)荷能力等都制約著它作為上網(wǎng)終端的廣泛使用。和手機(jī)相比，掌上電腦在這一方面卻能凸現(xiàn)其特有的優(yōu)勢：功能強(qiáng)大運(yùn)行速度高的CPU、較大的內(nèi)存、相對于手機(jī)的大屏幕彩色顯示以及易于操作的觸摸屏等。另外HPC有限的功能也通過加強(qiáng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的能力得到了彌補(bǔ)。
3 HPC中加入GPS模塊
　　在掌上電腦增加GPS接收機(jī)功能模塊，可構(gòu)成帶有隨身定位功能的掌上電腦。使用帶有無線通信功能的掌上電腦，采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，配合地理信息系統(tǒng)(GIS)、智能監(jiān)控決策(IMD)軟件，利用專用通信網(wǎng)或全國聯(lián)網(wǎng)的GSM移動通訊網(wǎng)向上級管理系統(tǒng)回傳位置信息，從而實(shí)現(xiàn)智能化移動定位導(dǎo)航系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航定位功能，在掌上電腦內(nèi)部需增加GPS衛(wèi)星接收、信號處理等功能模塊。目前，由于GPS技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，各廠家生產(chǎn)的GPS信號處理的功能模塊也比比皆是。主要廠家有：ST、Motorola、Philips、Mitel等。在掌上電腦中，由于其可移動性，必須滿足體積與功耗的要求。
　　掌上電腦中集成GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，由GPS射頻前端、相關(guān)接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理等組成。射頻前端由天線、低噪聲前置放大器、頻率綜合、下變頻器、AGC電路及二進(jìn)制量化電路構(gòu)成。由于所有的GPS衛(wèi)星都使用相同的L1頻率1575.42MHz，粗捕獲碼(C／A碼)，對于多個衛(wèi)星而言，只需要一個射頻模擬通道。在射頻前端完成L1信號的數(shù)字化后，送給相關(guān)接收機(jī)以作數(shù)字基帶信號處理。在相關(guān)接收機(jī)中，由模擬信號恢復(fù)出要接收的衛(wèi)星信號編碼。并按照每顆衛(wèi)星的不同編碼獨(dú)立選擇各衛(wèi)星的信號進(jìn)行采集，最高可以同時(shí)跟蹤12顆不同的可視衛(wèi)星。相關(guān)處理的結(jié)果形成積累數(shù)據(jù)，傳送給微處理器以提取廣播衛(wèi)星數(shù)據(jù)(導(dǎo)航數(shù)據(jù))并控制軟件信號跟蹤環(huán)。
　　微處理器在獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)需要在液晶顯示的GIS向量地圖上進(jìn)行各種標(biāo)記，包括當(dāng)前位置、運(yùn)動軌跡、日期時(shí)間等，這些工作都是在應(yīng)用軟件的控制下實(shí)現(xiàn)的。
　　為了增加系統(tǒng)的可靠性，我們在使用美國GPS系統(tǒng)的同時(shí)，還考慮增加對俄羅斯GLONASS系統(tǒng)的支持。將來還要針對我國自主建立的定位系統(tǒng)“北斗1號”進(jìn)行支持。

4 短程無線連接技術(shù)Bluetooth的應(yīng)用
　　所謂藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)，實(shí)際上是一種短距離、低成本的無線連接技術(shù)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性方案。于1998年5月，由瑞典Ericsson、芬蘭Nokia、日本Toshiba、美國IBM和Intel公司等五家著名廠商在聯(lián)合開展短程無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動時(shí)提出。這五家廠商還成立了藍(lán)牙特別興趣組(Bluetooth SIG)，盡力使藍(lán)牙技術(shù)能夠成為未來的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。
　　藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品是采用低能耗無線電通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)模鋫鬏斔俾首罡邽槊棵?兆，以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信，通信距離為10米左右，配置功率放大器可以使通信距離進(jìn)一步增加。其頻率被定在2.45GHz這個頻帶上，該頻帶是一個在工業(yè)、科學(xué)研究及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都開放的頻帶，不被各國法令、法規(guī)限制使用。[!--empirenews.page--]
　　使用Bluetooth技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輕松的即時(shí)連接。它可以讓鄰近的設(shè)備通過置于微芯片的小型無線電收發(fā)器實(shí)現(xiàn)通信。與紅外線技術(shù)相比，采用Bluetooth的設(shè)備不需要相互對準(zhǔn)，可以繞過物理障礙傳送數(shù)據(jù)到一個或多個設(shè)備。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機(jī)等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加速迅速高效，為無線通信拓寬道路。其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。
　　Bluetooth SIG的活動，得到了全球業(yè)界的鼎力支持和大力協(xié)助，其成員企業(yè)已經(jīng)達(dá)930家。1999年下半年，著名的業(yè)界巨頭Microsoft、Motorola、3Com、Lucent Technologies與藍(lán)牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍(lán)牙技術(shù)推廣組織，從而在全球范圍內(nèi)掀起了一股“藍(lán)牙”熱，使藍(lán)牙技術(shù)呈現(xiàn)出極其廣闊的市場前景。目前已經(jīng)有1500多家廠商宣布支持這個標(biāo)準(zhǔn)。
　　在掌上電腦上集成Bluetooth芯片，提供和其他數(shù)字終端進(jìn)行信息同步、備份的功能，甚至可以替代紅外線在各種數(shù)字設(shè)備之間方便地交換信息，還可以在小的空間范圍內(nèi)方便地組建無線局域網(wǎng)。還可以配備相應(yīng)的藍(lán)牙耳麥，以無線方式和HPC之間交換信息。
5 HPC中使用智能卡
　　智能卡(smart card)在外形上和磁卡(magnetic cards)相似，但它和磁卡的一個關(guān)鍵區(qū)別是不易被仿制。智能卡具有自己的微處理器(8位CPU，主頻5～10MHz)，RAM，ROM和EEPROM，ROM用于存放操作系統(tǒng)、加解密算法模塊等，EEPROM中存放有關(guān)用戶的個人化參數(shù)和數(shù)據(jù)，EEPROM中的數(shù)據(jù)只能通過智能卡中的操作系統(tǒng)來訪問，外部應(yīng)用程序不能直接訪問這些數(shù)據(jù)。這樣，智能卡中個人化的參數(shù)數(shù)據(jù)從硬件上就實(shí)現(xiàn)了保密性。加密型智能卡具有硬件安全措施，可控制智能卡內(nèi)某些存儲區(qū)的讀寫特性。如果試圖解密，這些區(qū)將自鎖，即不可進(jìn)行讀寫操作，使智能卡無法復(fù)制，所以智能卡中的數(shù)據(jù)絕對安全可靠。智能卡的EEPROM可以被劃分成不同的存儲區(qū)，以保存不同類型的數(shù)據(jù)，可以做到一卡多用。
　　如果在HPC中加入SmartCard(SIM)卡接口，就可對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密，使無線數(shù)據(jù)通信安全、可靠，同時(shí)進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證。這樣掌上電腦就可以用來進(jìn)行網(wǎng)上金融活動，如網(wǎng)上交易、網(wǎng)上炒股等，還可以用于對接收有償信息的收費(fèi)管理。
6 語音識別輸入技術(shù)在HPC上得以使用
　　用戶不斷地要求所用的裝置更小、更輕便同時(shí)又更易于使用，能解決這三方面問題的一種可行技術(shù)就是語音識別。這種技術(shù)由于清除了傳統(tǒng)的輸入器件，故具有更小和更輕便的特點(diǎn)。以往由于HPC硬件上特別是CPU速率的限制，語音識別輸入在HPC上還未得到廣泛的使用。語音識別輸入的實(shí)現(xiàn)可以在HPC處理器功能足夠強(qiáng)大時(shí)用相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)，也可以使用專用芯片在HPC上增加一個功能模塊。前者對HPC硬件配置的要求較高，如處理器的速度和存儲器的容量等，所用軟件的典型代表是比利時(shí)L＆H公司的ASR系列，軟件大小在1M左右。后者則通過專門的DSP芯片來完成語音識別輸入過程中的所有運(yùn)算工作，不會加重HPC主處理器的負(fù)擔(dān)。這種專用的語音識別芯片現(xiàn)在已經(jīng)有多種產(chǎn)品出現(xiàn)了。如sensory公司的語音識別芯片系列，內(nèi)部采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來識別訓(xùn)練過的單詞或短語，準(zhǔn)確度高于99％。并且芯片高度集成化，減少了所需外部元器件的數(shù)目?？梢钥焖俸头奖愕厍度氲浆F(xiàn)存的和新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中，適合用于多種需要語音控制的消費(fèi)產(chǎn)品。
　　語音識別技術(shù)以識別方法來分，有模板匹配法、隨機(jī)模型法和概率語法分析法。這三種方法都屬于統(tǒng)計(jì)模式識別方法。它的識別過程大致如下：首先選定語音的特征作為識別參數(shù)的模板，然后用一可以衡量未知模式和參考模式(即模板)的似然度的測量函數(shù)，最后選用一種最佳準(zhǔn)則及專家知識作為識別策略，對識別候選者作最后判決，得到最好的識別結(jié)果在識別系統(tǒng)上輸出。以說話人來說，分為語音從屬(speaker－dependent)模式和語音獨(dú)立(speaker－independent)模式。語音從屬意味著必須有培訓(xùn)系統(tǒng)而且通常它只可識別培訓(xùn)系統(tǒng)的人所講的詞。語音獨(dú)立系統(tǒng)則可識別幾乎所有講話人的詞。從目前水平來看，語音從屬模式下的模板匹配法用得比較廣泛。
　　語音識別技術(shù)在HPC上的使用，不僅可以通過聲音命令來控制HPC，還可將輸入的聲音轉(zhuǎn)換為文本，使得用戶就能用聲音口述需要輸入的文本。這樣用戶就可以用聲音輸入取代笨拙的觸筆和(移動電話使用的)鍵盤輸入。語音識別功能，將是促使掌上類設(shè)備興盛的關(guān)鍵因素之一。如果再加上語音合成輸出功能，就可以在HPC上實(shí)現(xiàn)書面語言和口頭語言的雙向轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)成完整的語音輸入輸出功能。語音輸入功能雖然現(xiàn)在由于技術(shù)上的原因尚未成為主流，但I(xiàn)BM、Palm、L＆H幾家公司正在不停地完善并生產(chǎn)出了樣品，預(yù)計(jì)到2001年初即能形成規(guī)模上市。
7 電感式觸摸屏的出現(xiàn)
　　現(xiàn)在HPC上應(yīng)用最多的還是筆輸入。與之相關(guān)的硬件之一就是觸摸屏。它提供了用戶向HPC進(jìn)行輸入的接口，其性能的好壞，直接影響到用戶對產(chǎn)品性能特別是易用性的評價(jià)，如表2。

世界上約80％的筆記本上使用的都是美國SYNAPTICS(新思)公司的產(chǎn)品，最近該公司已經(jīng)研制生產(chǎn)出新一代的電感式觸摸屏。工作原理是在觸摸筆中安裝LC諧振線圈，通過改變和安裝有激勵線圈及感應(yīng)線圈的觸摸屏之間的空間距離，使電磁場發(fā)生變化從而計(jì)算出觸點(diǎn)的位置。因?yàn)檫@種觸摸屏是安裝在液晶顯示屏的后面，而普通的電阻式和電容式觸摸屏需要安裝在液晶顯示屏的前面。兩者相比，在HPC上使用電感式觸摸屏，輸入筆不必接觸屏幕，可以減少對屏幕的磨損，同時(shí)大大提高輸入的靈敏度。由于觸摸屏安裝在顯示屏的后面，也增加顯示的清晰度和亮度，減少背光的使用，進(jìn)而可以延長電池的使用壽命。
　　隨著科技的不斷進(jìn)步，掌上電腦作為隨身攜帶的個人信息管理的應(yīng)用終端，將具備越來越強(qiáng)大的功能。在小小的HPC上集成“無線因特網(wǎng)＋手機(jī)＋掌上電腦”三大功能，甚至更多的功能于一體。相信在不久的將來，HPC 將成為“一機(jī)在手，功能全有”的多用途手持?jǐn)?shù)字設(shè)備，在人們的工作、生活中扮演重要的角色。