HPC相关新技术的发展及应用

随着无线通信和芯片技术的快速发展，HPC(手持电脑、掌上电脑)等微型个人数字设备的发展日新月异。现阶段各种HPC的功能基本都趋于相同，那么下阶段HPC会在哪些方面有所创新和突破呢？本文作者将结合正在从事的HPC开发项目对此问题做一探讨，并介绍与HPC发展紧密联系的几项新技术。
1 CPU主频速度的快速提高和高度集成化
　　针对各种手持数字设备的需求，各个半导体芯片厂商都投入了很大的力量研发和生产适用于这些设备的CPU及协处理器芯片。用于手持设备的处理器必须高度紧凑、低功耗、低成本。为了充分缩小掌上电脑的尺寸，厂商甚至把少量存储器和I／O端口也一并集成到芯片中。
　　大家熟悉的大多数台式PC都是使用CISC微处理器，如Intel的x86和Motorola的68000家族，它们都使用了复杂的指令集，包括了所有数学指令，如Add、Sub、Mul、Div等。这些指令中的一些经常使用，另一些用得极少，但CISC处理器将处理全部的指令集。而掌上电脑使用的是RISC处理器。RISC处理器精简了指令，使得它可以运行得更快。RISC只有数学指令的子集，也就是说，可能只有Add和Sub。这并不是说它就不能执行乘除，它是采用一组简单而快速的指令来完成同样工作，例如，乘法可以是基于多次加法，而除法也相当于多次减法。RISC芯片同样主频下能执行的指令比CISC芯片快得多，并且也更廉价。RISC结构体系有两大主流：Silicon Graphics公司(硅谷图形公司)的MIPS技术，ARM公司的Advanced RISC Machines技术。此外Hitachi(日立公司)也有自己的一套RISC技术SuperH。不过，MIPS技术毫无疑问是领先者，领先Hitachi，同时市场份额是ARM的四倍。

这些芯片的速度越来越快、功能也越来越多。接下来，NEC VR系列将会达到168MHz，Intel最新的StrongARM将冲刺600MHz，Hitachi将在2000年第四季投产SH5(400MHz／714MIPS／600mW)。可以预见，到2001年中，150MHz到200MHz的掌上电脑的处理器将只是最普遍的档次，并且芯片上的Cache容量会翻倍，如表1。以英特尔公司的StrongArm系列为例，现在其最高主频已经达到了206MHz。通过利用高性能的微结构，先进的CMOS工艺技术和大容量的片上存储Cache，在MIPS／mW指标上已经处在了领先地位，从而使得移动设备可以利用操作系统和强化性能的应用程序提供更快的响应，包括语音和手写体识别，软件MODEM和更有效的JAVA解释。通过低电压工艺技术优化了电源利用率，具有提供低功耗高性能的独特能力。与之相应的协处理器集成了SSP串行数据接口、USB主控制器，与AC－link和I2S音频编解码器的串行接口，PCMCIA卡和CF卡接口以及多个附加的I／O接口，并提供了一个专用内存控制器能降低系统带宽需求，提供如此众多的手持应用的关键I／O功能，最大限度地提高了系统的总体性能。
　　以上述处理器芯片为主，添加必要的外围电路并配合相应的少量外设，就可以非常方便地设计出功能强大的HPC产品。我们设计的基本硬件构成框图如图1所示。该框图是一个HPC的全方位解决方案。对其外围电路进行修改，就可以设计出针对不同要求，提供不同功能，处于不同价位的各款数字终端产品。

2 HPC中集成无线收发模块并接入WAP服务
　　应该说，在掌上电脑中加入无线收发模块将是大势所趋，也是HPC发展进入一个新阶段的标志。可以说，哪个生产厂家能率先在这方面取得突破，谁就能在HPC上取得先机，占领市场。目前绝大部分的掌上电脑都不具有无线收发模块，需要连接电话线或手机才能接入网络，浏览信息。即使是一些带有无线模块的手持设备，如摩托罗拉的宝典828掌中网机，也只可以进行单向的无线接收。参照GSM手机的设计，我们可以在掌上电脑中集成无线收发模块，其初步方案如图2所示。用户能通过掌上电脑连接到GSM移动电话网，再接入到Internet上，真正实现带有移动通信功能的掌上电脑。掌上电脑要求小型化、省电、高可靠性，所以无线模块部分的芯片需采用专用集成电路。这里面还要考虑到电磁干扰的屏蔽和硬件电路的小型化。现在一般的掌上电脑都具有录放音的功能。如果加入了无线收发模块后，我们就可以利用原有的音频编解码电路和无线模块连接起来，提供类似手机的无线语音通信功能，拨号可以通过触摸屏来完成。设计方案如图2所示。
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WAP(Wireless Application Protocol)就是“无线应用协议”之意。WAP由Ericsson、Motorola、Nokia、Unwired Planet四家公司发起，并组建了所谓的WAP论坛。现在其会员已包括像Alcatel、AT＆T、西门子、英国电信、法国电信、贝尔大西洋、贝尔南方等这些大公司。WAP 论坛的成员拥有全球手机市场90％ 以上的份额，并代表着超过1亿订户的电信公司、领先基础设施提供商、软件开发商和向无线行业提供解决方案的其他机构。
　　WAP是面向目前的无线设备和窄带网设计的。WAP最主要的特点是将一系列统一的协议规范引入到无线网络中，而不管底层的空中接口标准的差异。在Internet开放原则的指导下，WAP的规范可以适用于CDMA、GSM、IS－136及未来的第三代系统。WAP应用将适用于不同的传输载体和设备类型，它的目标是允许各种无线设备接入丰富的信息资源和应用。WAP的设计原则是尽量少利用手持设备的资源，WAP的经过精简的HTML叫做WML(Wireless Markup Language，无线标识语言)，可以将重要信息显示在微小的LCD屏幕上。
　　现在支持WAP标准的广泛程度是令人吃惊的——手机厂商、服务提供商、软件开发商和内容提供商都支持该标准。去年年末，甚至微软也采纳了该标准，它发布了用于无线设备的Mobile Explorer，这是一个主要基于WAP的浏览器。虽然第三代移动通信系统(3G)可以为多种移动多媒体Internet应用提供高速的宽带数据通信平台。但在WAP设计时面临的限制如时断时续的覆盖、小显示屏、低功耗、承载业务和设备的广泛性、单手操作等在3G网络中依然存在。同时未来的系统即使带宽增加，带宽的成本也不会降到零，而且用户带宽也不断在增长，这意味着在无线环境下仍需要优化使用设备和网络资源。所以伴随着移动通信技术的发展，不断完善的WAP很有可能成为用于数字移动电话和其他无线终端设备的无线信息与电话服务在事实上的全球标准。
　　加入无线收发模块后，再配合相应的软件，HPC就可以接收基于GSM的WAP服务了。由于现在掌上电脑的CPU速度够快，所以执行这些软件应该是不成问题的。目前无线上网大多是通过手机实现的，其中功能较为强大的典型代表是摩托罗拉的A6188。但手机不甚强大的CPU、较小的内存、较小的显示屏和非常有限的负荷能力等都制约着它作为上网终端的广泛使用。和手机相比，掌上电脑在这一方面却能凸现其特有的优势：功能强大运行速度高的CPU、较大的内存、相对于手机的大屏幕彩色显示以及易于操作的触摸屏等。另外HPC有限的功能也通过加强无线接入网络的能力得到了弥补。
3 HPC中加入GPS模块
　　在掌上电脑增加GPS接收机功能模块，可构成带有随身定位功能的掌上电脑。使用带有无线通信功能的掌上电脑，采用全球卫星定位系统(GPS)，配合地理信息系统(GIS)、智能监控决策(IMD)软件，利用专用通信网或全国联网的GSM移动通讯网向上级管理系统回传位置信息，从而实现智能化移动定位导航系统。为实现GPS导航定位功能，在掌上电脑内部需增加GPS卫星接收、信号处理等功能模块。目前，由于GPS技术已经相当成熟，各厂家生产的GPS信号处理的功能模块也比比皆是。主要厂家有：ST、Motorola、Philips、Mitel等。在掌上电脑中，由于其可移动性，必须满足体积与功耗的要求。
　　掌上电脑中集成GPS接收机的设计框图如图3所示，由GPS射频前端、相关接收机、数据处理等组成。射频前端由天线、低噪声前置放大器、频率综合、下变频器、AGC电路及二进制量化电路构成。由于所有的GPS卫星都使用相同的L1频率1575.42MHz，粗捕获码(C／A码)，对于多个卫星而言，只需要一个射频模拟通道。在射频前端完成L1信号的数字化后，送给相关接收机以作数字基带信号处理。在相关接收机中，由模拟信号恢复出要接收的卫星信号编码。并按照每颗卫星的不同编码独立选择各卫星的信号进行采集，最高可以同时跟踪12颗不同的可视卫星。相关处理的结果形成积累数据，传送给微处理器以提取广播卫星数据(导航数据)并控制软件信号跟踪环。
　　微处理器在获得导航数据后，就可以根据需要在液晶显示的GIS向量地图上进行各种标记，包括当前位置、运动轨迹、日期时间等，这些工作都是在应用软件的控制下实现的。
　　为了增加系统的可靠性，我们在使用美国GPS系统的同时，还考虑增加对俄罗斯GLONASS系统的支持。将来还要针对我国自主建立的定位系统“北斗1号”进行支持。

4 短程无线连接技术Bluetooth的应用
　　所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。于1998年5月，由瑞典Ericsson、芬兰Nokia、日本Toshiba、美国IBM和Intel公司等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组(Bluetooth SIG)，尽力使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。
　　蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现数据传输的，其传输速率最高为每秒1兆，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。其频率被定在2.45GHz这个频带上，该频带是一个在工业、科学研究及医学领域都开放的频带，不被各国法令、法规限制使用。[!--empirenews.page--]
　　使用Bluetooth技术可以实现轻松的即时连接。它可以让邻近的设备通过置于微芯片的小型无线电收发器实现通信。与红外线技术相比，采用Bluetooth的设备不需要相互对准，可以绕过物理障碍传送数据到一个或多个设备。利用蓝牙技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加速迅速高效，为无线通信拓宽道路。其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。
　　Bluetooth SIG的活动，得到了全球业界的鼎力支持和大力协助，其成员企业已经达930家。1999年下半年，著名的业界巨头Microsoft、Motorola、3Com、Lucent Technologies与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景。目前已经有1500多家厂商宣布支持这个标准。
　　在掌上电脑上集成Bluetooth芯片，提供和其他数字终端进行信息同步、备份的功能，甚至可以替代红外线在各种数字设备之间方便地交换信息，还可以在小的空间范围内方便地组建无线局域网。还可以配备相应的蓝牙耳麦，以无线方式和HPC之间交换信息。
5 HPC中使用智能卡
　　智能卡(smart card)在外形上和磁卡(magnetic cards)相似，但它和磁卡的一个关键区别是不易被仿制。智能卡具有自己的微处理器(8位CPU，主频5～10MHz)，RAM，ROM和EEPROM，ROM用于存放操作系统、加解密算法模块等，EEPROM中存放有关用户的个人化参数和数据，EEPROM中的数据只能通过智能卡中的操作系统来访问，外部应用程序不能直接访问这些数据。这样，智能卡中个人化的参数数据从硬件上就实现了保密性。加密型智能卡具有硬件安全措施，可控制智能卡内某些存储区的读写特性。如果试图解密，这些区将自锁，即不可进行读写操作，使智能卡无法复制，所以智能卡中的数据绝对安全可靠。智能卡的EEPROM可以被划分成不同的存储区，以保存不同类型的数据，可以做到一卡多用。
　　如果在HPC中加入SmartCard(SIM)卡接口，就可对通信数据进行加解密，使无线数据通信安全、可靠，同时进行用户的身份认证。这样掌上电脑就可以用来进行网上金融活动，如网上交易、网上炒股等，还可以用于对接收有偿信息的收费管理。
6 语音识别输入技术在HPC上得以使用
　　用户不断地要求所用的装置更小、更轻便同时又更易于使用，能解决这三方面问题的一种可行技术就是语音识别。这种技术由于清除了传统的输入器件，故具有更小和更轻便的特点。以往由于HPC硬件上特别是CPU速率的限制，语音识别输入在HPC上还未得到广泛的使用。语音识别输入的实现可以在HPC处理器功能足够强大时用相应的软件实现，也可以使用专用芯片在HPC上增加一个功能模块。前者对HPC硬件配置的要求较高，如处理器的速度和存储器的容量等，所用软件的典型代表是比利时L＆H公司的ASR系列，软件大小在1M左右。后者则通过专门的DSP芯片来完成语音识别输入过程中的所有运算工作，不会加重HPC主处理器的负担。这种专用的语音识别芯片现在已经有多种产品出现了。如sensory公司的语音识别芯片系列，内部采用神经网络技术来识别训练过的单词或短语，准确度高于99％。并且芯片高度集成化，减少了所需外部元器件的数目。可以快速和方便地嵌入到现存的和新设计的产品中，适合用于多种需要语音控制的消费产品。
　　语音识别技术以识别方法来分，有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这三种方法都属于统计模式识别方法。它的识别过程大致如下：首先选定语音的特征作为识别参数的模板，然后用一可以衡量未知模式和参考模式(即模板)的似然度的测量函数，最后选用一种最佳准则及专家知识作为识别策略，对识别候选者作最后判决，得到最好的识别结果在识别系统上输出。以说话人来说，分为语音从属(speaker－dependent)模式和语音独立(speaker－independent)模式。语音从属意味着必须有培训系统而且通常它只可识别培训系统的人所讲的词。语音独立系统则可识别几乎所有讲话人的词。从目前水平来看，语音从属模式下的模板匹配法用得比较广泛。
　　语音识别技术在HPC上的使用，不仅可以通过声音命令来控制HPC，还可将输入的声音转换为文本，使得用户就能用声音口述需要输入的文本。这样用户就可以用声音输入取代笨拙的触笔和(移动电话使用的)键盘输入。语音识别功能，将是促使掌上类设备兴盛的关键因素之一。如果再加上语音合成输出功能，就可以在HPC上实现书面语言和口头语言的双向转换，从而构成完整的语音输入输出功能。语音输入功能虽然现在由于技术上的原因尚未成为主流，但IBM、Palm、L＆H几家公司正在不停地完善并生产出了样品，预计到2001年初即能形成规模上市。
7 电感式触摸屏的出现
　　现在HPC上应用最多的还是笔输入。与之相关的硬件之一就是触摸屏。它提供了用户向HPC进行输入的接口，其性能的好坏，直接影响到用户对产品性能特别是易用性的评价，如表2。

世界上约80％的笔记本上使用的都是美国SYNAPTICS(新思)公司的产品，最近该公司已经研制生产出新一代的电感式触摸屏。工作原理是在触摸笔中安装LC谐振线圈，通过改变和安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置。因为这种触摸屏是安装在液晶显示屏的后面，而普通的电阻式和电容式触摸屏需要安装在液晶显示屏的前面。两者相比，在HPC上使用电感式触摸屏，输入笔不必接触屏幕，可以减少对屏幕的磨损，同时大大提高输入的灵敏度。由于触摸屏安装在显示屏的后面，也增加显示的清晰度和亮度，减少背光的使用，进而可以延长电池的使用寿命。
　　随着科技的不断进步，掌上电脑作为随身携带的个人信息管理的应用终端，将具备越来越强大的功能。在小小的HPC上集成“无线因特网＋手机＋掌上电脑”三大功能，甚至更多的功能于一体。相信在不久的将来，HPC 将成为“一机在手，功能全有”的多用途手持数字设备，在人们的工作、生活中扮演重要的角色。