隨著無線通信和芯片技術的快速發(fā)展，HPC(手持電腦、掌上電腦)等微型個人數字設備的發(fā)展日新月異?，F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？本文作者將結合正在從事的HPC開發(fā)項目對此問題做一探討，并介紹與HPC發(fā)展緊密聯系的幾項新技術。
1 CPU主頻速度的快速提高和高度集成化
　　針對各種手持數字設備的需求，各個半導體芯片廠商都投入了很大的力量研發(fā)和生產適用于這些設備的CPU及協處理器芯片。用于手持設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，它們都使用了復雜的指令集，包括了所有數學指令，如Add、Sub、Mul、Div等。這些指令中的一些經常使用，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，使得它可以運行得更快。RISC只有數學指令的子集，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。RISC結構體系有兩大主流：Silicon Graphics公司(硅谷圖形公司)的MIPS技術，ARM公司的Advanced RISC Machines技術。此外Hitachi(日立公司)也有自己的一套RISC技術SuperH。不過，MIPS技術毫無疑問是領先者，領先Hitachi，同時市場份額是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系列將會達到168MHz，Intel最新的StrongARM將沖刺600MHz，Hitachi將在2000年第四季投產SH5(400MHz／714MIPS／600mW)。可以預見，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，現在其最高主頻已經達到了206MHz。通過利用高性能的微結構，先進的CMOS工藝技術和大容量的片上存儲Cache，在MIPS／mW指標上已經處在了領先地位，從而使得移動設備可以利用操作系統和強化性能的應用程序提供更快的響應，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優(yōu)化了電源利用率，具有提供低功耗高性能的獨特能力。與之相應的協處理器集成了SSP串行數據接口、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存控制器能降低系統帶寬需求，提供如此眾多的手持應用的關鍵I／O功能，最大限度地提高了系統的總體性能。
　　以上述處理器芯片為主，添加必要的外圍電路并配合相應的少量外設，就可以非常方便地設計出功能強大的HPC產品。我們設計的基本硬件構成框圖如圖1所示。該框圖是一個HPC的全方位解決方案。對其外圍電路進行修改，就可以設計出針對不同要求，提供不同功能，處于不同價位的各款數字終端產品。

2 HPC中集成無線收發(fā)模塊并接入WAP服務
　　應該說，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)展進入一個新階段的標志。可以說，哪個生產廠家能率先在這方面取得突破，誰就能在HPC上取得先機，占領市場。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才能接入網絡，瀏覽信息。即使是一些帶有無線模塊的手持設備，如摩托羅拉的寶典828掌中網機，也只可以進行單向的無線接收。參照GSM手機的設計，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，再接入到Internet上，真正實現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，提供類似手機的無線語音通信功能，撥號可以通過觸摸屏來完成。設計方案如圖2所示。
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WAP(Wireless Application Protocol)就是“無線應用協議”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市場90％ 以上的份額，并代表著超過1億訂戶的電信公司、領先基礎設施提供商、軟件開發(fā)商和向無線行業(yè)提供解決方案的其他機構。
　　WAP是面向目前的無線設備和窄帶網設計的。WAP最主要的特點是將一系列統一的協議規(guī)范引入到無線網絡中，而不管底層的空中接口標準的差異。在Internet開放原則的指導下，WAP的規(guī)范可以適用于CDMA、GSM、IS－136及未來的第三代系統。WAP應用將適用于不同的傳輸載體和設備類型，它的目標是允許各種無線設備接入豐富的信息資源和應用。WAP的設計原則是盡量少利用手持設備的資源，WAP的經過精簡的HTML叫做WML(Wireless Markup Language，無線標識語言)，可以將重要信息顯示在微小的LCD屏幕上。
　　現在支持WAP標準的廣泛程度是令人吃驚的——手機廠商、服務提供商、軟件開發(fā)商和內容提供商都支持該標準。去年年末，甚至微軟也采納了該標準，它發(fā)布了用于無線設備的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(3G)可以為多種移動多媒體Internet應用提供高速的寬帶數據通信平臺。但在WAP設計時面臨的限制如時斷時續(xù)的覆蓋、小顯示屏、低功耗、承載業(yè)務和設備的廣泛性、單手操作等在3G網絡中依然存在。同時未來的系統即使帶寬增加，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)化使用設備和網絡資源。所以伴隨著移動通信技術的發(fā)展，不斷完善的WAP很有可能成為用于數字移動電話和其他無線終端設備的無線信息與電話服務在事實上的全球標準。
　　加入無線收發(fā)模塊后，再配合相應的軟件，HPC就可以接收基于GSM的WAP服務了。由于現在掌上電腦的CPU速度夠快，所以執(zhí)行這些軟件應該是不成問題的。目前無線上網大多是通過手機實現的，其中功能較為強大的典型代表是摩托羅拉的A6188。但手機不甚強大的CPU、較小的內存、較小的顯示屏和非常有限的負荷能力等都制約著它作為上網終端的廣泛使用。和手機相比，掌上電腦在這一方面卻能凸現其特有的優(yōu)勢：功能強大運行速度高的CPU、較大的內存、相對于手機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無線接入網絡的能力得到了彌補。
3 HPC中加入GPS模塊
　　在掌上電腦增加GPS接收機功能模塊，可構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(GPS)，配合地理信息系統(GIS)、智能監(jiān)控決策(IMD)軟件，利用專用通信網或全國聯網的GSM移動通訊網向上級管理系統回傳位置信息，從而實現智能化移動定位導航系統。為實現GPS導航定位功能，在掌上電腦內部需增加GPS衛(wèi)星接收、信號處理等功能模塊。目前，由于GPS技術已經相當成熟，各廠家生產的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接收機的設計框圖如圖3所示，由GPS射頻前端、相關接收機、數據處理等組成。射頻前端由天線、低噪聲前置放大器、頻率綜合、下變頻器、AGC電路及二進制量化電路構成。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信號的數字化后，送給相關接收機以作數字基帶信號處理。在相關接收機中，由模擬信號恢復出要接收的衛(wèi)星信號編碼。并按照每顆衛(wèi)星的不同編碼獨立選擇各衛(wèi)星的信號進行采集，最高可以同時跟蹤12顆不同的可視衛(wèi)星。相關處理的結果形成積累數據，傳送給微處理器以提取廣播衛(wèi)星數據(導航數據)并控制軟件信號跟蹤環(huán)。
　　微處理器在獲得導航數據后，就可以根據需要在液晶顯示的GIS向量地圖上進行各種標記，包括當前位置、運動軌跡、日期時間等，這些工作都是在應用軟件的控制下實現的。
　　為了增加系統的可靠性，我們在使用美國GPS系統的同時，還考慮增加對俄羅斯GLONASS系統的支持。將來還要針對我國自主建立的定位系統“北斗1號”進行支持。

4 短程無線連接技術Bluetooth的應用
　　所謂藍牙(Bluetooth)技術，實際上是一種短距離、低成本的無線連接技術，是一種能夠實現語音和數據無線傳輸的開放性方案。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合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出。這五家廠商還成立了藍牙特別興趣組(Bluetooth SIG)，盡力使藍牙技術能夠成為未來的無線通信標準。
　　藍牙技術產品是采用低能耗無線電通信技術來實現數據傳輸的，其傳輸速率最高為每秒1兆，以時分方式進行全雙工通信，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)、科學研究及醫(yī)學領域都開放的頻帶，不被各國法令、法規(guī)限制使用。[!--empirenews.page--]
　　使用Bluetooth技術可以實現輕松的即時連接。它可以讓鄰近的設備通過置于微芯片的小型無線電收發(fā)器實現通信。與紅外線技術相比，采用Bluetooth的設備不需要相互對準，可以繞過物理障礙傳送數據到一個或多個設備。利用藍牙技術，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與因特網之間的通信，從而使這些現代通信設備與因特網之間的數據傳輸變得更加速迅速高效，為無線通信拓寬道路。其實際應用范圍還可以拓展到各種家電產品、消費電子產品和汽車等信息家電，組成一個巨大的無線通信網絡。
　　Bluetooth SIG的活動，得到了全球業(yè)界的鼎力支持和大力協助，其成員企業(yè)已經達930家。1999年下半年，著名的業(yè)界巨頭Microsoft、Motorola、3Com、Lucent Technologies與藍牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球范圍內掀起了一股“藍牙”熱，使藍牙技術呈現出極其廣闊的市場前景。目前已經有1500多家廠商宣布支持這個標準。
　　在掌上電腦上集成Bluetooth芯片，提供和其他數字終端進行信息同步、備份的功能，甚至可以替代紅外線在各種數字設備之間方便地交換信息，還可以在小的空間范圍內方便地組建無線局域網。還可以配備相應的藍牙耳麥，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、加解密算法模塊等，EEPROM中存放有關用戶的個人化參數和數據，EEPROM中的數據只能通過智能卡中的操作系統來訪問，外部應用程序不能直接訪問這些數據。這樣，智能卡中個人化的參數數據從硬件上就實現了保密性。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，即不可進行讀寫操作，使智能卡無法復制，所以智能卡中的數據絕對安全可靠。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據，可以做到一卡多用。
　　如果在HPC中加入SmartCard(SIM)卡接口，就可對通信數據進行加解密，使無線數據通信安全、可靠，同時進行用戶的身份認證。這樣掌上電腦就可以用來進行網上金融活動，如網上交易、網上炒股等，還可以用于對接收有償信息的收費管理。
6 語音識別輸入技術在HPC上得以使用
　　用戶不斷地要求所用的裝置更小、更輕便同時又更易于使用，能解決這三方面問題的一種可行技術就是語音識別。這種技術由于清除了傳統的輸入器件，故具有更小和更輕便的特點。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。語音識別輸入的實現可以在HPC處理器功能足夠強大時用相應的軟件實現，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算工作，不會加重HPC主處理器的負擔。這種專用的語音識別芯片現在已經有多種產品出現了。如sensory公司的語音識別芯片系列，內部采用神經網絡技術來識別訓練過的單詞或短語，準確度高于99％。并且芯片高度集成化，減少了所需外部元器件的數目?？梢钥焖俸头奖愕厍度氲浆F存的和新設計的產品中，適合用于多種需要語音控制的消費產品。
　　語音識別技術以識別方法來分，有模板匹配法、隨機模型法和概率語法分析法。這三種方法都屬于統計模式識別方法。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，最后選用一種最佳準則及專家知識作為識別策略，對識別候選者作最后判決，得到最好的識別結果在識別系統上輸出。以說話人來說，分為語音從屬(speaker－dependent)模式和語音獨立(speaker－independent)模式。語音從屬意味著必須有培訓系統而且通常它只可識別培訓系統的人所講的詞。語音獨立系統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，將是促使掌上類設備興盛的關鍵因素之一。如果再加上語音合成輸出功能，就可以在HPC上實現書面語言和口頭語言的雙向轉換，從而構成完整的語音輸入輸出功能。語音輸入功能雖然現在由于技術上的原因尚未成為主流，但IBM、Palm、L＆H幾家公司正在不停地完善并生產出了樣品，預計到2001年初即能形成規(guī)模上市。
7 電感式觸摸屏的出現
　　現在HPC上應用最多的還是筆輸入。與之相關的硬件之一就是觸摸屏。它提供了用戶向HPC進行輸入的接口，其性能的好壞，直接影響到用戶對產品性能特別是易用性的評價，如表2。

世界上約80％的筆記本上使用的都是美國SYNAPTICS(新思)公司的產品，最近該公司已經研制生產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)生變化從而計算出觸點的位置。因為這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，進而可以延長電池的使用壽命。
　　隨著科技的不斷進步，掌上電腦作為隨身攜帶的個人信息管理的應用終端，將具備越來越強大的功能。在小小的HPC上集成“無線因特網＋手機＋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“一機在手，功能全有”的多用途手持數字設備，在人們的工作、生活中扮演重要的角色。