Мобильные компьютеры

Ни одна область персональных компьютеров не изменялась столь быстро как технология мобильных (mobile), или портативных (portable), компьютеров. По мере увеличения приложений и все более широкого использования портативных РС производители пытаются "втиснуть" функциональность настольного РС в такое устройство, которым можно пользоваться в ситуациях, когда электросеть недоступна. К середине 1998 г. технологии мобильных РС достигли такого уровня, что стало возможно приобрести портативный РС с такой же производительностью, что и настольный РС, но способный работать без питания от электросети в течение более пяти и более часов.

Процессоры

В середине 1995 г. в ноутбуках применялся процессор Pentium фирмы Intel с частотой синхронизации 75 МГц. Он выпускался в специальном тонкопленочном корпусе (Tape Carrier Package - TCP), который хорошо рассеивал тепло в ограниченном пространстве ноутбука. В нем применялась технология понижения напряжения (Voltage Reduction Technology - VRT), которая позволяла процессору взаимодействовать с компонентами, имеющими стандартное питание +3.3 В, а ядро процессора использовало питание +2.9 В. Это снижало потребляемую мощность и продлевало срок службы батареи. Частота синхронизации постепенно повышалась и к лету 1996 г. достигла 150 МГц.

В январе 1997 г. появился первый мобильный процессор Pentiums MMX (технология 0.35 мкм) с частотой 150 МГц и 166 Мгц. Для внешних схем процессора использовалось стандартное питание +3.3 В, а внутреннее ядро имело питание +2.8 В. К началу 1998 г. частота синхронизации процессоров Pentiums MMX была повышена до 266 МГц. Осень 1997 г. оказалась важной вехой в развитии ноутбуков.

В сентябре 1997 г. были выпущены два мобильных процессора Pentium MMX, которые потребляли на 50% меньшую мощность по сравнению с предыдущими процессорами. Новые процессоры Tillamook (технология 0.25 мкм) работали на частоте 200 МГц и 233 МГц. В результате процессоры для ноутбуков достигли уровня процессоров настольных РС.

Через несколько недель фирма Intel объявила мобильный процессор Pentium MMX (технология 0.35 мкм) с частотой 120 МГц для мини-ноутбуков - новой категории небольших и легких мобильных РС. Напряжение питания ядра процессора составляло всего +2.2 В, а потребляемая мощность 4.2 Вт. Малая потребляемая мощность совместно с технологией MMX предоставили пользователям такие производительность и функциональность, которые позволили работать с деловыми и коммуникационными приложениями "в дороге".

Процессор Tillamook

В 1997 г. фирма Intel выпустила процессор Tillamook с рабочей частотой 200 и 233 МГц, а в начале 1998 г. появился процессор на частоту 266 МГц. Процессор Tillamook был одним из первых процессоров семейства мобильного модуля (Mobile MOdule - MMO) для ноутбуков. Модуль содержит процессор, L2-кэш 512 КБ, преобразователь напряжения для буферирования процессора от компонентов с повышенным напряжением питания, генератор синхронизации и новый чипсет 430TX PCI Northbridge. Он подсоединяется к материнской плате одним массивом из 280 контактов, похожему на разъем Single Edge Cartridge процессора Pentium II.

Процессор выпускался по технологии 0.25 мкм вместо 0.35 мкм для процессоров Pentium настольных РС. Более совершенная технология обеспечила повышение производительности на 30%. Напряжение питания ядра процессора составляло всего +1.8 В, а у мобильного Pentium оно было +2.45 В. Потребовался преобразователь напряжения, чтобы защитить процессор от напряжения +3.3 В шины PCI и шины памяти. Процессоры с частотой 200 и 233 МГц потребляли мощность 3.4 Вт, т.е. почти на 50% меньше, чем мобильного Pentium MMX с частотой 166 МГц. Снижение мощности оказалось большим достоинством, так как многие ноутбуки с процессором Tillamook имели большие энергоемкие экраны 13.3" и 14.1", рассчитанные на графические приложения. Низкое напряжение питания способствовало уменьшению выделения тепла.

Процессор поставлялся производителям РС в своем тонкопленочном корпусе TCP или смонтированным в модуле MMO. Имеются несколько причин размещения процессора в модуле. С инженерной точки зрения упрощается решение двух основных проблем, связанных с процессором, - тепло и соединения. Преобразователь напряжения и пониженное напряжение питания микросхемы помогают рассеивать тепло. Около процессора находится датчик температуры, который должен запускать встроенную производителем систему охлаждения. Чипсет 430TX служит мостом между процессором и другими компонентами, взаимодействуя со вторым компонентом чипсета на материнской плате, который управляет шиной памяти и другими контроллерами, например микросхемами графики и звука.

Фирма Intel полагает, что выпуск модуля MMO позволяет производителям ноутбуков посвятить больше времени на разработку других компонентов РС, не расходуя много времени и усилий на совместимость систем с каждым новым процессором. Кроме того, поскольку большинство процессоров требуют для работы новый чипсет, производители не нужно перерабатывать материнские платы и выбрасывать запасные компоненты при выпуске новых процессоров.

С другой стороны, модуль MMO препятствует конкурентам, заставляя производителей ноутбуков применять фирменный слот Intel. Однако привлекательная идея о том, что модуль обеспечивает простую модернизацию для потребителей оказывается лишь благим намерением. На практике модернизация оказывается более сложной, чем открыть РС и вставить новый корпус SEC, как в настольном РС с процессором Pentium II. Размер модуля MMO также оказался недостатком. Его размеры 101.6 мм (длина), 63.5 мм (ширина) и 8 мм (высота) (10 мм с разъемом) оказываются слишком большими для сверхплоских ноутбуков.

В январе 1999 г. были выпущено семейство мобильных процессоров Pentium MMX с рабочей частотой 300 МГц.

Мобильный Pentium II

Естественным переходом от семейства Deschutes маломощных процессоров Pentium II к рынку портативных РС стал выпуск в апреле 1998 г. семейства Mobile Pentium II. Новый процессор и его чипсет Mobile 440BX вначале имели рабочую частоту 233 МГц и 266 МГц и выпускались в виде модуля MMO или нового корпуса "мини-картриджа", который содержал ядро процессора и L2-кэш. Мини-картриджа имел 1/4 веса и 1/6 размеров и потреблял 2/3 мощности картриджа SEC настольного процессора Pentium II, что делало его вполне подходящим для широкого диапазона форм-факторов современных мобильных РС, включая плоские, легковесные и ультрапортативные системы.

Процессоры Pentium II на частоту 233 МГц и 266 МГц для мобильных РС производились по технологии 0.26 мкм и имели все средства повышения производительности, что и процессоры Pentium II для настольных РС, включая архитектуру сдвоенной независимой шины (Dual Independent Bus - DIB), динамическое выполнение (Dynamic Execution), технологию MMX и тесно связанный L2-кэш емкостью 512 КБ. Системная шина мобильного процессора Pentium II работала на частоте 66 МГц. Кроме того, новый мобильный процессор Pentium II содержал встроенные средства управления мощностью, которые снижали потребляемую мощность и повышали надежность.

В мобильных процессорах Pentium II ядро имело питание +1.7 В. Потребляемая мощность составляла 6.8 Вт (рабочая частота 233 МГц) и 7.8 Вт (266 МГц). С учетом кэша потребляемая мощность увеличивалась до 7.5 Вт и 8.6 Вт, соответственно.

В начале выпуска фирма Intel ожидала, что более половины ее поставок мобильных процессоров в конце 1998 г. придется на долю Mobile Pentium II, а процессор Mobile Pentium MMX (Tillamook) будет снят с производства к середине 1999 г.

Архитектура MediaGXi компании Cyrix

Объединение графики, звука, управления памятью и интерфейса PCI в сам микропроцессор сделало революционную архитектуру MediaGX естественной для ноутбуков, предоставляя простую мультимедийную технологию за приемлемую стоимость, одновременно оптимизируя срок службы батареи благодаря маломощной конструкции. В конце 1998 г. процессор MediaGXi позволил снизить стоимость ноутбуков до 1000 долл. Малые размеры процессоры делали его привлекательным для использования его в мини-ноутбуках формата суб-А4.

Программная технология архитектуры виртуальной системы (Virtual System Architecture - VSA) компании Cyrix заменяет аппаратную функциональность, традиционно реализуемую картами расширения. VSA и интегрированные возможности дополняются тремя исключительно процессорными технологиями, которые управляют мультимедийными и системными функциями процессора MediaGX - XpressRAM, XpressGRAPHICS и XpressAUDIO:

• Технология XpressRAM позволяет процессору MediaGX избежать задержек в пересылках данных между внешним кэшем и основной памятью. При размещении контроллера памяти в микросхеме процессора данные передаются непосредственно в SDRAM и в процессор, устраняя необходимость внешнего кэша.
• Технология XpressGRAPHICS устраняет необходимость в графической карте. В традиционном РС графика обрабатывается вне центрального процессора через медленную шину PCI. Однако когда графический контроллер и акселератор введены в процессор MediaGX, обработка графики производится с полной скоростью центрального процессора. Технология XpressGRAPHICS реализует также новый способ графического сжатия с использованием скоростного буферирования, обеспечивающего гибкость конфигурирования памяти без необходимости добавления дорогой видеопамяти.
• Технология XpressAUDIO выполняет операции отдельной звуковой карты. Будучи совместимой со стандартными звуковыми картами, она генерирует весь звук прямо в процессоре, что позволяет избежать конфликтов производительности и совместимости, которые часто возникают между звуковой картой и другими компонентами.

Архитектура MediaGX представляет собой действительную новинку в проектировании системы и интеллектуальной интеграции. Однако отсутствие L2-кэша снижает общую производительность системы, создавая впечатление, что процессор лучше всего подходит для дешевых систем.

Процессор Dixon

В конце января 1999 г. фирма Intel выпустила новое семейство процессоров Mobile Pentium II, которое разрабатывалось под кодовым именем 'Dixon'. Ключевым моментом стало перемещение L2-кэша на кристалл процессора и его работа с полной скоростью процессора, а не с половинной скоростью. Несмотря на то, что новые процессоры с рабочими частотами 333 МГц и 366 МГц имели L2-кэш емкостью 256 КБ, а не 512 КБ, как у предыдущих процессоров Mobile Pentium II, общая производительность кэша была повышена почти в три раза благодаря повышенной скорости и близости к процессору.

Наряду с сохранением корпусов модуля MMO и мини-картриджа, которые упрощали модернизацию, процессор Dixon выпускался в новом корпусе матрица шариковых выводов (Ball Grid Array - BGA), который был меньше, тоньше и легче. Этот тип корпуса позволил применять этот процессор в мини-ноутбуках. Наличие одного кристалла снижало потребляемую мощность и повышало время работы от батарей. Процессор Dixon с частотой 366 МГц работает с напряжением питания ядра +1.6 В и потребляет мощность примерно на 15% меньше, чем Mobile Pentium II с такой же рабочей частотой.

К середине 1999 г. рабочая частота Mobile Pentium II была повышена до 400 МГц. Этот процессор был первым процессором фирмы Intel, произведенным по технологии 0.18 мкм, хотя он был доступен и по технологии 0.25 мкм. Емкость интегрированного L2-кэша составляла 128 КБ. Процессор выпускался в четырех корпусах - мини-картридж, BGA, микроPGA и MMO.

Процессор Mobile Celeron

Одновременно с выпуском процессора Dixon компания Intel выпустила также первые процессоры Mobile Celeron с рабочими частотами 266 МГц и 300 МГц. В техническом отношении они отличались от процессоров Dixon только тем, что имели интегрированный L2-кэш емкостью 128 КБ, а не 256 КБ. Вместе с тем стоимость их была несколько меньше.

К осени 1999 г. появились процессоры с рабочей частотой 466 МГц, основанные на улучшенной микроархитектуре P6 и имевшие интегрированный L2-кэш емкостью 128 КБ. Процессоры выпускались в корпусах BGA, микроPGA и модуля MMO.

Мобильные процессоры компании AMD

Аналогично тому, как процессор K6-II компании AMD с его технологией 3DNow! для настольных РС оказался на рынке раньше процессора Pentium III с его 'Katmai New Instructions', так и процессор Mobile K6-2 оказался в таком же положении на рынке ноутбуков. Уже в начале 1999 г. такие крупные производители, как Compaq и Toshiba, стали выпускать мобильные РС с этим процессором.

Мобильные процессоры компании AMD совместимы с платформами Socket 7 и Super7, имея керамический 321-контактный корпус PGA, а также компактный корпус BGA. Процессоры работали на частотах 266 МГц, 300 МГц и 333 МГц. Mobile K6-2 имеет напряжение ядра +1.8 В и в типичных приложениях рассеивает менее 8 Вт.

Семейство процессоров Mobile K6-2 было затем дополнено более производительными процессорами семейства AMD K6-2 P и в обоих семействах было реализовано несколько средств повышения производительности, включая технологию 3DNow! и поддержку платформ Super7 ноутбуков. Эта платформа реализует такие новейшие средства, как передняя шина (frontside bus) 100 МГц, графика 2X AGP и L2-кэш емкостью до 1 МБ. К осени 1999 г. появилось семейство Mobile AMD-K6-2-P с рабочей частотой 475 МГц - в то время это была максимальная частота для ноутбуков с процессорами x86.

В середине 1999 г. был объявлен процессор Mobile K6-III-P с улучшенной микроархитектурой шестого поколения и уникальным кэшем TriLevel Cache. Процессор имел L1-кэш 64 КБ, который работал со скоростью процессора, внутренний задний L2-кэш емкостью 256 КБ, также работавший со скоростью процессора, и переднюю шину 100 МГц к необязательному внешнему L3-кэшу емкостью до 1 МБ. Процессор Mobile AMD-K6-III-P содержал 21.3 млн транзисторов, работал с напряжением питания ядра +2.2 В и производился по пятислойной технологии 0.25 мкм. Вначале рабочая частота составляла 380 МГц, а к осени 1999 г. достигла 450 МГц.

Весной 2000 г. компания AMD перешла на технологию 0.18 мкм и выпустила семейства процессоров Mobile AMD-K6-III+ и Mobile AMD-K6-2+ с рабочей частотой до 500 МГц. В начале следующего года компания достигла еще одного крупного успеха, объявив первые процессоры седьмого поколения для рынка ноутбуков - Mobile Duron с рабочими частотами 600 МГц и 700 МГц.

Процессор Mobile Pentium III

В октябре 1999 г. фирма Intel объявила процессоры Pentium III, производимые по технологии 0.18 мкм, включая и первый мобильный процессор Pentium III. Новые процессоры с рабочими частотами 400 МГц, 450 МГц и 500 МГц по производительности вдвое превышали самые быстрые предыдущие мобильные процессоры фирмы Intel.

Все мобильные процессоры потребляют меньшую мощность по сравнению со своими настольными "двойниками", значительно меньше по размеру и имеют усовершенствованные средства управления мощностью. Наименьший корпус процессора BGA по размерам приближается к почтовой марке, а процессор с рабочей частотой 400 МГц и напряжением питания всего +1.35 В был предназначен для мини-ноутбуков.

Технология SpeedStep

Через несколько недель после выпуска процессора Dixon фирма Intel объявила о новой революционной технологии мобильных процессоров, которая должна ликвидировать разрыв между мобильными РС и их исторически более производительными настольными "двойниками". Технология двухрежимного мобильного процессора (кодовое имя Geyserville) позволила пользователю мобильного РС работать на более высокой частоте при питании от электросети и автоматически переключаться на меньшие мощность и частоту при питании от батареи. Эта технология была воплощена в мобильных процессорах Pentium III с рабочими частотами 600 МГц и 650 МГц в начале 2000 г. под названием SpeedStep.

Технология SpeedStep предоставляет мобильным пользователям два режима производительности: режим максимальной производительности (Maximum Performance) и режим оптимизации батареи (Battery Optimised). Система по умолчанию автоматически выбирает рабочий режим в зависимости от того, работает РС от батареи или электросети. В режиме Battery Optimised процессоры работают с частотой 500 МГц и напряжением +1.35 В, что значительно снижает потребляемую мощность и продлевает срок службы батареи. Когда пользователь подключается к электросети, ноутбук автоматически переключается в режим Maximum Performance, повышая напряжение до +1.6 В и работая с максимальной частотой. Переключения производятся за 1/2000-ю секунды совершенно прозрачно для пользователя, даже если РС выполняет сложное приложение, например игру с DVD. Пользователь также может самостоятельно выбрать режим Maximum Performance даже при питании от батареи. Для этого достаточно произвести щелчок на пиктограмме внизу экрана без необходимости перезагрузки. Чтобы воспользоваться преимуществами новой технологии не требуются изменений в операционной системе и приложениях.

Процессоры Crusoe

В начале 2000 г. компания Transmeta Corporation объявила новое семейство х86-совместимых процессоров, предназначенных для мобильных РС и ориентированных на максимизацию срока службы батарей. В процессорах Crusoe предпринята попытка сэкономить мощность, заменяя большое число транзисторов программными средствами.

Аппаратным компонентом является процессор с очень длинным словом команды (Very Long Instruction Word - VLIW), способный выполнять до четырех операций в каждом такте синхронизации. Естественная система команд VLIWТ совсем не напоминает системы команд х86; она ориентирована на быструю маломощную реализацию и использование CMOS-технологии. Окружающий программный слой создает х96-программам впечатление того, что они выполняются на х86-совместимом процессоре. Программный слой называется программой Code Morphing, так как он производит "морфинг" (т.е. преобразование) команд х86 в команды VLIW. Программа Code Morphing имеет несколько средств для достижения хорошей системной производительности и поддерживает средства, встроенные в соответствующие х86-процессоры. Другими словами, разработчик компании Transmeta реализовали некоторые функции аппаратно, а другие программно в соответствии с назначением изделия.

Программа Transmeta один раз преобразует блоки команд x86, сохраняя результаты в кэше преобразования. Когда затем выполняется (преобразованный) код, система пропускает этап преобразования и прямо выполняет имеющееся оптимизированное преобразование с полной скоростью. Такой уникальный подход к выполнению кода х86 позволяет убрать миллионы транзисторов, заменив их программными средствами. В начальной реализации процессор Crusoe использует только четверть транзисторов, необходимых для аналогичной аппаратной реализации, что обеспечивает следующие преимущества:

• Аппаратный компонент значительно меньше, быстрее и экономичнее по сравнению с обычными микросхемами.
• Аппаратные средства полностью развязаны от архитектуры системы команд х86, что позволяет разработчикам компании Transmeta применять новейшие достижения в аппаратных средствах, сохраняя совместимость существующих приложений.
• Программу Code Morphing можно совершенствовать отдельно от аппаратных средств, обеспечивая модернизацию программной составляющей процессора независимо от аппаратных улучшений микросхемы.

Данный подход обеспечивает большую универсальность - различные цели и ограничения будущих изделий могут вызвать разное разделение аппаратных и программных средств. Технология Code Morphing не ограничивается реализациями х86 и в будущем может революционизировать проектирование процессоров.

Семейство процессоров Crusoe вначале состояло из двух микросхем TM5400 и TM3120. Обе они были ориентированы на минимизацию размеров кристалла и потребляемой мощности. Это было достигнуто устранением примерно трех четвертей транзисторов, которые потребовались бы только при аппаратном достижении аналогичной производительности. Выпущенные компанией IBM микросхемы не требовали механизма охлаждения кристалла, что позволило уменьшить размеры процессора. Микросхема TM5400 потребляет около 4 Вт, а менее производительная микросхема TM3120 всего 1 Вт в некоторых приложениях.

Процессор TM5400 предназначен для сверхлегких мобильных РС с операционными системами Windows и NT. Такие достоинства процессора, как высокая производительность до 700 МГц, очень большой кэш и расширенные средства управления мощностью позволяют создать наиболее экономичные мобильные РС для офисных приложений, мультимедийных игр и DVD-фильмов. Процессор TM3120 с рабочей частотой до 450 Мгц ориентирован на мобильные РС для Internet. Компания Transmeta совместно с компанией S3 работает над созданием устройства для Internet на базе Linux, которое будет иметь массу не более 1 кГ, экран 10.4", жесткий диск и слоты PC Card для дополнительных устройств, например карт беспроводных модемов.

Осенью 2000 г. появился первый РС с процессором Crusoe - сверхпортативный лаптоп компании Sony. В конце 2000 г. компания Transmeta объявила о разработке следующего поколения процессоров Crusoe 2.0, производительность которых будет на 40% выше предшественников. Выпуск их планируется на 2002 г. Аппаратная часть процессора будет расширена с 128 битов до 256, что позволит выполнять восемь команд в одном такте синхронизации. Ожидается, что рабочая частота составит 1 ГГц, а потребляемая мощность не превысит 0.5 Вт.

Процессор XScale

Летом 2000 г. фирма Intel вышла на рынок беспроводных Internet-устройств, объявив архитектуру маломощного процессора XScale. Разработанный по технологии StrongARM, которую фирма Intel лицензировала у английской компании ARM Holdings, процессор XScale может работать в широком диапазоне частоты синхронизации и потребляемой мощности. Ключевым элементом в архитектуре является динамическое управление напряжением, аналогичное SpeedStep, которое позволяет RISC-процессору повышать и понижать потребляемую мощность в зависимости от текущих задач.

Фирма Intel считает XScale самой быстрой и экономичной технологией на рынке беспроводных устройств. Объявлено, что процессор потребляет менее 0.5 Вт на частоте 600 МГц, менее 1 Вт на частоте 800 МГц и достигает максимума 1.6 Вт на частоте 1 ГГц. Эти характеристики делают XScale идеальным в устройствах для доступа к Internet и открывает перспективы очень сложных мобильных устройств, способных работать от одной батареи типа АА. Первые изделия с процессором XScale должны появиться в конце 2000 г., а в будущем XScale может широко использоваться в ручных РС.

Дисплеи

В мире мобильных РС такие значительные преимущества технологии жидкокристаллических дисплеев (Liquid-Crystal Display - LCD), как вес, размер и потребляемая мощность, уже много лет перевешивают их высокую стоимость. В конце 90-х годов прошлого века появились экраны размером 15" и на первый план выдвинулись две технологии: суперскрученные нематические жидкие кристаллы с двойным сканированием (Dual-scan Super-Twisted Nematic - DSTN), называемые просто дисплеями с двойным сканированием, и тонкопленочные транзисторы (Thin Film Transistor - TFT).

DSTN-экраны, в которых управление LCD-элементами производится с помощью адресации пассивной матрицы, потребляют меньшую мощность и значительно дешевле TFT-экранов. Однако активная матрица TFT-экранов обеспечивает намного лучшие характеристики отображения.

Оба типа экранов опираются на одинаковые принципы работы и конструкции, так как в них используется поляризация света. LCD основаны на технологии пропускающего отображения с использованием задней подсветки для получения света, который затем блокируется другими компонентами. По существу, это набор низковольтных флюоресцирующих трубок, устроенных так, что они распределяют свет по экрану максимально равномерно обычно с помощью диффузного фильтра. Они дают чистый белый свет и работают на частоте в несколько килогерц для устранения мерцания. Этот свет проходит через "сэндвич" из стекла, жидких кристаллов и поляризующих фильтров. Жидкие кристаллы при подаче на них напряжения скручиваются и это скручивание изменяет поляризацию проходящего света. Первый поляризующий фильтр обеспечивает поляризацию света, проходящего в жидкий кристалл, только в одном направлении. Электроды строки и столбца позволяют электронике дисплея полностью включить любой пиксел, полностью выключить его или установить в любое промежуточное состояние. Жидкие кристаллы изменяют поляризацию света пропорционально напряжению, приложенному к жидкокристаллической смеси. С помощью красного, зеленого и синего элемента для каждого пиксела цветовой фильтр позволяет получить соответствующий цвет спектр для каждого отображаемого пиксела. В зависимости от величины скручивания, приложенной к жидкому кристаллу, второй поляризующий фильтр блокирует весь проходящий свет или его часть. Подробнее об экранах для мобильных РС см. в разделе, посвященным плоским экранам.

Устройства расширения

Многие ноутбуки являются фирменными разработками, имеющими мало общих стандартных компонентов. В связи с этим их потенциал расширения часто ограничен и расходы на модернизацию довольно высоки.

Несмотря на использование в большинстве мобильных РС стандартных процессоров и микросхем RAM, эти компоненты обычно размещаются на уникальных материнских платах, которые монтируются в уникальных корпусах. Размеры РС препятствуют использованию таких элементов, как стандартные слоты шины PCI или отсеки накопителей и даже стандартных слотов модулей SIMM. В общем, единственный дешевый способ модернизации ноутбука состоит в использовании его собственных слотов PC Card.

Порт-репликатор (port replicator) является скорее не устройством расширения, а средством для упрощения соединения ноутбука и внешних периферийных устройств. Основная причина использования порта-репликатора состоит в недолговечности разъемов РС, рассчитанных на определенное число вставок. Репликатор остается постоянно подключенным к настольному РС и частые соединения, которые необходимы для синхронизации ноутбука и настольного РС, производятся через более надежные и долговечные разъемы порта-репликатора.

Настольная доковая станция (docking station) продвигает этот принцип еще на один шаг - она предоставляет мобильным РС такие же возможности расширения, как и у настольного РС. Полная доковая станция обычно имеет слоты расширения и отсеки накопителей, в которые можно вставлять распространенные карты расширения и внешние периферийные устройства. Она может также обеспечивать дополнительные высокопроизводительные интерфейсы, например SCSI, и интегрированный монитор.

Технология PC Card

В начале 90-х быстрый рост рынка мобильных РС потребовал разработки все более меньших, легких и портативных средств обработки информации. Одной из наиболее впечатляющих новинок в этой области стала технология PC Card. Широкие возможности и универсальность карт PC Card быстро сделали их стандартными средствами мобильных РС. Быстрая разработка и повсеместное внедрение технологии PC Card стало возможным благодаря стандартам, установленным Международной Ассоциации карт памяти для персональных компьютеров (Personal Computer Memory Card International Association - PCMCIA).

Впервые опубликованный в 1990 г. PC Card Standard определяет 68-контактный интерфейс между периферийной картой и сокетом, в который она вставляется. Стандарт определил три форм-фактора PC Card, называемых Type I, Type II и Type III. Единственное отличие между типами карт является толщина, составляющая, соответственно, 3.3, 5.0 и 10.5 мм. Так как карты различаются только толщиной, более тонкую карту можно использовать в более толстом слоте, но более толстую карту в тонком слоте применять нельзя.

Каждый тип карт имеет возможности, подходящие для различных применений. Карты Type I обычно применяются для памяти - RAM, флэш-памяти и SRAM. Карты Type II обычно используются для устройств ввода-вывода, например модемов, локальных сетей и устройств массовой памяти. Карты Type III предназначены для устройств, компоненты которых толще, например запоминающих устройств с вращающимися деталями. Расширенные карты допускают подключение компонентов, которые для правильной работы должны оставаться вне системы, например антенн для беспроводных применений.

В дополнение к электрическим и физическим спецификациям PC Card Standard определяет программную архитектуру для реализации технологии Plug and Play для широкого диапазона изделий. Программное обеспечение образовано из Socket Services и Card Services, которые и обеспечивают интероперабельность PC Cards.

Socket Services - это программный уровень BIOS-уровня, который изолирует программное обеспечение PC Card от аппаратных средств системы и обнаруживает вставку и удаление PC Cards. Card Services описывает интерфейс прикладного программирования (Application Programming Interface - API), который позволяет разделять PC Cards и сокеты нескольким клиентам - драйверам устройств, утилитам конфигурирования и прикладным программам. Он управляет автоматическим распределением системных ресурсов, например памяти и прерываний, которые Socket Services обнаруживают при вставке карты.

Разработанные на основе сигнального протокола PCI карты CardBus представляют собой 32-битовую версию технологии PC Card. Разрешенные к поставкам в феврале 1995 г. карты CardBus имеют 32-битовые адреса и данные, работают на частоте 33 МГц и допускают работу в режиме ведущего шины.

В следующей таблице приведены меньшие форм-факторы карт PC, совместимые со стандартом PC Card, которые разработаны в последующие годы.

Технология батарей

Исторически сложилось так, что технология батарей для питания ноутбуков развивалась медленнее других технологий. Более того, повышение мощности батарей часто "съедалось" более производительными РС и в результате средний срок службы батарей оставался примерно постоянным.

До 1996 г., в основном, применялись никель-кадмиевые батареи (NiCad). Такие батареи были тяжелыми, имели небольшую емкость и были подвержены "эффекту памяти". Этот эффект был следствием повторного заряда батареи до ее полного разряда. Батарея "забывала" свой истинный заряд и обеспечивала много меньшую емкость, часто эквивалентную ее емкости до повторного заряда. К счастью, сейчас NiCad-батареи в ноутбуках не встречаются.

На смену NiCad-батареям пришли никель-металл гидридные батареи (Nickel-Metal Hydride - NiMH) с большей плотностью энергии и менее подверженные эффекту памяти. К 1998 г. наиболее подходящими стали литий-ионные батареи (Lithium Ion - Li-Ion). Они были легче, обеспечивали больший срок службы (обычно около трех часов), чем NiMH-батареи, и не требовали полного разряда до повторного заряда.

Основным компонентом Li-Ion батареи является литий, но не чистый металлический литий, а в виде атомов внутри графитового анода (положительного зажима) батареи. Катодом (отрицательным зажимом служит оксид лития-кобальта или лития-магния. Электролитом батареи служит раствор солей лития. Действие батареи опирается на принцип обратимости (реверсивности). При заряде некоторые ионы лития, обычно находящиеся в катоде, освобождаются и направляются к графитовому аноду, где они внедряются в его кристаллическую структуру. При подключении к нагрузке, например ноутбуку, электрохимический разбаланс внутри батареи, созданный зарядом батареи, реверсируется, поставляя в нагрузку ток.

Li-Ion батареи применялись во многих мобильных устройствах, например мобильных телефонах и цифровых камерах. Недостаток этих батарей заключался в саморазряде через несколько месяцев, поэтому для правильной работы батареи за ней необходимо следить.

В 1999 г. разработанная технология литий-полимерных (Li-polymer) батарей, как технология батарей будущего. Используя литий, самый легкий на Земле металл, эта технология обещает большую плотность энергии, чем Li-Ion батареи. Вместо применения жидкого электролита, как обычных технологиях батарей, Li-polymer использует твердый или гелевый материал, смоченный электролитом. Это позволяет сделать батарею почти любой формы для размещения в любом свободном пространстве ноутбука, обычно занятого воздухом. Ячейки производятся из гибкой многослойной пленки толщиной 100 мкм, которая не требует жесткого корпуса. Пленка состоит из пяти слоев: металлическая фольга для сбора тока, катод, электролит, литиевая фольга анода и изолятор.

Первые прототипы литий-полимерные батарей не могут отдавать ток, необходимый для практического применения. Технология Bell core (по имени лаборатории, в которой она открыта) является разновидностью литий-полимерной технологии, которая использует смесь жидкого и полимерного электролитов для получения более сильных токов. Несколько производителей лицензировали эту технологию и в начале 1999 г. компания Matsushita объявила планы промышленного производства по 300 000 штук литий-полимерных батарей в месяц. Вначале эти батареи будут применяться, в основном, в PDA и мобильных телефонах, где требования пространства и веса оправдывают более высокую стоимость. Использование батарей в ноутбуках планируется на 2000 г.

Возможную конкуренцию литий-полимерным батареям может составить цинк-воздушная технология (Zinc-Air). Как говорит название технологии, в таких батареях для получения электричества применяется химическая реакция с участием кислорода. К сожалению, объем Zinc-Air батарей оказывается большим из-за необходимости иметь воздушные камеры, поэтому использование их для компактных устройств остается под вопросом.

Экран DynaSheet

<

Представьте себе газету, которая удобно сложена в кармане и может обновляться каждый день. Мечту о таком экране реализовала компания Toshiba реализовала в начале 2000 г. в виде экрана DynaSheet.

По мнению компании Toshiba экран DynaSheet станет промышленным изделием в 2005 г. Имея толщину всего 1 см и вес 200 Г, DynaSheet представляет собой гибкий электронный экран, который сворачивается в карманную принадлежность. Сейчас размеры и форма мобильного РС определяется, в основном, форматом экрана. Однако к 2005 г. технология светоизлучающего полимера (Light-Emitting Polymer - LEP), разработанная компанией Cambridge Display Technology (CDT), позволит создавать экраны, которые можно будет сгибать и придавать им любую требуемую форму. К тому же 2005 г. технология литий-полимерного геля позволит выпускать батареи, которые также могут принимать любую форму, а это разрешит производителям "втиснуть" дополнительную мощность в любое свободное пространство внутри корпуса мобильного устройства.

К 2005 г. многие люди будут иметь минимум два мобильных вычислительных устройства, которые будут использоваться со множеством периферийных устройств. Следовательно, для всех мобильных устройств потребуются удобные и надежные способы обмена данными. Одна из таких технологий под названием Bluetooth представляет собой открытую спецификацию, определяющую беспроводный обмен данными между электронными устройствами. Поддерживающие Bluetooth системы будут исключительно дружескими, стимулируя внедрение компьютеров в повседневную жизнь, будь это обмен электронной постой, "блуждание" по Web, онлайновые банковские услуги, видеочат (video chat) с приятелем или просто загрузка фильма и просмотр его дома.

Если закон Мура будет действовать, частота синхронизации процессоров к 2005 г. достигнет 5 ГГц. Имея такую мощность, возможно, что экран DynaSheet предложит значительную гибкость по вводу данных, предоставляя выбор между клавиатурой, пером или речевым вводом. Кроме того, завтрашние процессоры предоставят функциональность, которая обеспечивается другими аппаратными компонентами, например коммуникацию, графику и звук. Возможность DynaSheet, называемая чувствительностью к контексту и местонахождению (context and location sensitivity), сделает его идеальным мобильным компаньоном, способным действовать как персональная навигационная система независимо от режима транспортировки. Распознавая улицы и здания, DynaSheet предоставит информацию о ресторанах, магазинах, деловых и общественных учреждениях. Чувствительность к контексту продвигает это еще на один шаг вперед, предлагая "интеллектуальную" интерактивность, опирающуюся на множество источников информации.

Матерчатая клавиатура

В конце 2000 г. английская компания ElectroTextiles выпустила первую в мире матерчатую клавиатуру ElekTex. Эта клавиатура обеспечивает сенсорное восприятие нажатий клавиш, но допускает завернуть в нее мобильное устройство, образуя защитный чехол. Она имеет подставку для удобного подключения экрана. Клавиатура ElekTex объединяет матерчатые структуры с технологией микрочипов в результате чего получена клавиатура, которую можно сгибать, складывать и мыть без потери функциональности.

Персональный цифровой секретарь

К концу 90-х годов прошлого века многие люди уже не могут обойтись без персонального цифрового секретаря (Personal Digital Assistant - PDA). PDA представляет собой ручной РС, способный выполнять много деловых функций - адресной книги, блокнота и телефонного справочника. Однако большинство PDA предлагают и более сложные приложения, например электронная таблица, текстовый процессор, база данных, управление финансами, часы, калькулятор и игры.

Многих пользователей РС привлекает возможность передавать данные между PDA и настольным РС, т.е. безболезненно синхронизировать данные между мобильной и настольной средой. Раньше соединение осуществлялось с помощью последовательного кабеля, а в современных PDA для этого применяется инфракрасный порт или специальная доковая станция (docking station).

Из-за небольших размеров для ввода данных в PDA требуется либо крошечная клавиатура, либо система распознавания рукописных символов. Проблема с клавиатурой заключается в том, что она слишком мала для ввода нажатием клавиш. Проблема системы распознавания рукописных символов состоит в высокой надежности распознавания. Решение второй проблемы может стать рукописная система Graffiti. В ней для ввода данных применяются сенсорный дисплей и упрощенный алфавит, обучиться которому можно за 20 минут. Обычно PDA с системой Graffiti предоставляют вариант письма прямо на дисплее, который преобразует ввод в текст, или открытие специальной области для письма, которая предоставляет онлайновые примеры и помощь.

В результате рынок PDA разделился на два основных сегмента: устройства, которые имеют клавиатуру, и ручные устройства для ввода пером, которые не имеют клавиатуры. Выбор зависит от личного предпочтения и требуемого уровня функциональности. С учетом этого обстоятельства компания Microsoft разделила операционную систему CE на две отдельные версии для каждого сегмента.

Происхождение

Общепринято считать, что своим происхождением PDA обязаны английской компании Psion, которая в 1984 г. выпустила свой первый органайзер Psion 1, имевший размеры 142 мм x 78 мм x 29.3 мм и вес 225 Г. Он опирался на 8-битовую технологию и имел энергонезависимую символьную память 10 КБ в картриджах, два слота для картриджей, базу данных с функцией поиска, пакет утилит с математическими функциями, 16-символьный LCD-дисплей, часы и календарь. Необязательный пакет Science Pack превращал Psion 1 в компьютер, способный выполнять резидентные научные программы и допускающий программирование на своем языке OPL типа BASIC.

Затем был выпущен органайзер Psion II и к началу 90-х годов прошлого века было продано 500 000 органайзеров Psion II. Многие из них не включали в себя стандартные встроенные функции органайзера, а выполняли специализированные приложения. Выпускались три основных типа CM, XP и LZ, которые имели различные параметры ROM/RAM/дисплей. Лучшим был тип LZ, который имел 64 КБ ROM, 32 КБ RAM и символьный дисплей 4x20.

В 1993 г. выпущены органайзеры второго поколения - 16-битовое семейство Series 3a. Эти органайзеры выпускались в корпусе, похожем на театральную сумочку, и имели 58-клавишную клавиатуру и черно-белый LCD-дисплей из 8 строк по 40 символов в каждой. В них впервые было реализовано соединение с настольным РС, позволяющее передавать, преобразовывать и синхронизировать данные между двумя средами. Два года семейство Series 3a доминировало на рынке PDA, а за ним последовали более мощное семейство Series 3с и третье поколение 32-битовых органайзеров Series 5, выпущенное в 1997 г. Органайзеры Series 5 имели экран 640х240 пикселов, способный отображать 16 оттенков серого, и современную клавиатуру. Однако это не предотвратило потерю лидерства компании Psion на рынке PDA из-за появления семейства PalmPilot компании 3COM.

Эволюция

Успех компании Psion привлек внимание к рынку PDA и других компаний. Наиболее заметной из них стала компания Apple Computer, которая выпустила свое первое устройство Newton MessagePad в середине 1993 г. Вскоре устройства Apple были дополнены коммуникационными устройствами таких известных компаний, как Hewlett-Packard, Motorola, Sharp Electronics и Sony Electronics.

Из-за небольших размеров для ввода данных в PDA требуется либо крошечная клавиатура, либо система распознавания рукописных символов. Проблема с клавиатурой заключается в том, что она слишком мала для ввода нажатием клавиш. Проблема системы распознавания рукописных символов состоит в высокой надежности распознавания. Технология Newton выделялась из конкурирующих технологий амбициозной попыткой поддерживать ввод данных через сенсорные LCD-экраны и очень сложной программой распознавания рукописных символов. В 1997 г. компания Apple выпустила новый PDA eMate, который продолжил технологию Newton. Однако система распознавания рукописных символов никогда не стала достаточно быстрой и надежной. В 1998 г. компания Apple объявила о прекращении разработки операционной системы Newton.

В 1995 г. компания US Robotics приобрела компанию Palm Computing и через год на рынке PDA появились устройства Pilot, не имевшие клавиатуры. Ввод данных производился пером на сенсорном экране с помощью рукописной системы Graffiti. В ней для ввода данных применяются сенсорный дисплей и упрощенный алфавит, обучиться которому можно за 20 минут. Обычно PDA с системой Graffiti предоставляют вариант письма прямо на дисплее, который преобразует ввод в текст, или открытие специальной области для письма, которая предоставляет онлайновые примеры и помощь.

Вслед за новой сменой владельца - компания US Robotics в середине 1997 г. влилась в компанию 3Com - изделия Palm стали играть заметную роль на рыке ручных компьютеров. Их успех привел к разделению рынка PDA на два основных сегмента: устройства, которые имеют клавиатуру, и ручные устройства для ввода пером, которые не имеют клавиатуры. Первые считаются "помощниками" настольных РС и часто выполняют усеченные версии приложений настольных РС. Выбор зависит от личного предпочтения и требуемого уровня функциональности.

Распознавание рукописных символов

Печать на небольшой клавиатуре PDA оказывается медленной и раздражающей. По-видимому, писать данные в PDA намного удобнее, но оказалось, что распознавать рукописные символы очень сложно.

Проблема заключается в том, что векторные линейные фигуры не образуют слов. В чем же разница между рисунком дома и формой слова "дом"? Конечно, человек сразу распознает, что первый является рисунком, а второй словом. Для решения проблемы компьютер может предпринять два подхода. Простой подход реализован в системе распознавания Graffiti. Она понимает форму каждой буквы как уникальный шаблон для данной буквы и преобразует каждую форму в соответствующую букву. Здесь нет даже попытки в понимании слов или контекста. Чтобы упростить распознавание, Graffiti использует некоторые специальные формы символов, которым должен обучиться пользователь системы.

Подход, предпринятый компанией Apple в Newton, был намного более амбициозным. Специалисты компании попытались прочитать написанное пользователем и преобразовать его в слова. Компьютер было необходимо "обучить" стилю письма пользователя с помощью некоторых стандартных тестовых сценариях и интерактивных учебников. Этот подход становится эффективнее по мере того, как система все больше распознает стиль письма пользователя.

К сожалению, система распознавания Newton оказалась очень дорогой ошибкой для компании Apple, так как попытка создать надежную систему распознавания рукописных символов оказалась безуспешной. С другой стороны, успех подхода Graffiti стимулировал других разработчиков. В PDA с операционными системами Windows CE и EPOC часто применяются системы Jot компании Communication Intelligence Corporation и CalliGrapher компании ParaGraph.

Palm Pilot

В 1996 г. компания Palm Computing произвела фурор на рынке ручных компьютеров, выпустив устройства Pilot 1000 и Pilot 5000. Спроектированные как "помощники" настольных РС, Palm PDA позволяли мобильным пользователям управлять их планами, контактами и другой важной личной и деловой информацией в настольных РС и удаленно. Они автоматически синхронизировали их информацию с настольным РС локально или через локальную или глобальную сеть буквально нажатием кнопки.

Отличительными особенностями этих PDA были небольшие размеры (можно было положить в карман рубашки), элегантный графический пользовательский интерфейс и новая доковая станция, которая упрощала синхронизацию данных между РС и органайзером.

Устройства Pilot использовали форм-фактор "ладони" (palm-sized) и первые устройства имели размеры колоды игральных карт и весили 155 Г. К 1999 г. размеры еще больше уменьшились до 115х77х10 мм, а вес составил всего 115 Г. Устройства имели LCD-экран 160х160 пикселов и несколько программ, например адресной книги, даты и календаря, списка дел, калькулятор, заметок и игр. В пакет также входила улучшенная система письма Graffiti, которая позволяла вводить до 30 слов в минуту при 100%-ой точности распознавания. Работать с этой системой очень просто и она превратилась в стандарт de facto на рынке ручных компьютеров.

К концу 1999 г. компания Palm Computing еще более укрепила свое лидерство выпуском устройства Palm VII, в котором наряду с обычными приложениями был добавлен беспроводный доступ в Internet. Некоторые провайдеры содержания предложили для Palm "усеченные" версии своих сайтов, которые ориентированы специально на Palm и упрощают загрузку данных. Ожидается, что к концу 2001 г. будет продано более 13 млн устройств и компания Palm Computing продолжит лидировать на рынке ручных PDA.

Операционные системы

Несмотря на все более широкий выбор PDA, борьба за доминирующую операционную систему ведется между тремя основными конкурентами: Windows CE, EPOC и PalmOS.

Успех компании Psion привлек к рынку PDA не только производителей аппаратных средств. Компания Microsoft также вышла на этот рынок со своей операционной системой Windows CE. При выпуске этой системы осенью 1996 г. более 40 компаний обещали разработку аппаратных и программных средств, совместимых с Windows CE. Однако первые СЕ-совместимые устройства не пользовались популярностью из-за ограничений операционной системы и неэкономичных аппаратных средств. Несмотря на улучшения системы многие крупные производители, включая компании NEC, Motorola и Philips, отказались от ее поддержки.

Первая версия CE 1.0 поддерживала черно-белые экраны, но в версии CE 2.0 была добавлена поддержка цветных экранов, что на короткое время обеспечило успех Windows CE. В версии 2.1 была добавлена поддержка RISC-процессоров.

Многие считают основным недостатком CE решение компании Microsoft имитировать традиционный графический пользовательский интерфейс Windows на экране много меньших размеров. В результате операционная система оказалась просто слишком сложной для устройств класса PDA. Компания Microsoft с учетом критических замечаний решила выпускать два варианта операционной системы - Handheld PC Pro (H/PC Pro) для PDA с клавиатурой и Palm PC (P/PC) для ручных устройств. Компания надеется, что упрощенный графический пользовательский интерфейс в ручной версии CE 3.0 в 2000 г. вызовет интерес к CE.

Название операционной системы EPOC произошло из имени ядра операционной системы PDA Series 3 компании Psion, которая считала выпуск этих PDA началом новой эпохи (epoch). В Series 5 имя EPOC закрепилось для всей операционной системы, которая превратилась в открытую 32-битовую систему. Первоначально она работала только с RISC-процессорами, а впоследствии EPOC32 стала переносимой на любую аппаратную архитектуру.

Компания Psion не лицензировала систему EPOC32 до 1997 г. потому что к ней проявляла интерес только компания Philips. Однако в середине 1998 г. компания Psion объединила усилия с компаниями Ericsson, Nokia и Motorola, образовав консорциум Symbian, с целью превратить EPOC в de facto стандартную операционную систему для мобильных беспроводных информационных устройств (Wireless Information Devices). Такие устройства, свободно помещающиеся в карман рубашки, должны обеспечивать доступ к Internet, обмен сообщениями и доступ к информации. Сейчас операционная система EPOC32 разрабатывается совместно.

Консорциум Symbian полагает, что к 2002 г. более 600 млн будут иметь мобильные коммуникационные и информационные устройства. Ими будут "интеллектуальные" телефоны, объединяющие коммуникацию и функциональность PDA, или более универсальные беспроводные информационные устройства, которые объединят современный ноутбук, мобильный телефон и PDA. Система EPOC32 имеет несколько характеристик (модульность, масштабируемость, малая потребляемая мощность и совместимость с RISC-процессорами), которые делают ее идеально подходящей для таких устройств. В 1999 г. в систему EPOC встроена поддержка цветных экранов для субноутбуков Series 7 и netBook.

Феноменальный успех устройств Pilot и Palm Pilot в конце 90-х годов прошлого века вызвал интерес к операционной системе Palm OS. В конце 1999 г. компания Palm Computing объявила о "захвате" 70% мирового рынка PDA, причем число пользователей превысило 5 млн человек. Считается, что более 20 000 разработчиков создают и адаптируют программное обеспечение для платформы Palm OS. Операционную систему Palm OS лицензирует все большее число компаний, включая IBM, Nokia, Sony и Handspring.

Одной из привлекательных характеристик Palm OS является ее экономичность - срок службы батарей измеряется неделями, а не часами, как у конкурирующих операционных систем. Весной 2000 г. выпущено устройство Palm IIIc, которое поддерживает цветной TFT-экран и имеет перезаряжаемые литий-ионные батареи со сроком службы две недели.

Трудно предсказать, кто окажется победителем в сражении за операционную систему для PDA. Некоторые эксперты полагают, что в 2001 г. 80% рынка захватит Palm OS, а на долю Windows CE придется всего 13%. Другие эксперты считают, что лидерство в корпоративном секторе будет за системой Windows CE. Как сложится обстановка на самом деле, покажет время.

Синхронизация

Без возможности передавать и синхронизировать данные с настольным РС почти бесполезно иметь в PDA текстовый процессор или аналогичное приложение тем более, что очень мало устройств поддерживают печать через параллельный порт. Поэтому вопросам коммуникации с настольными РС и синхронизации данных уделяется большое внимание.

Большинство PDA рассчитаны на использование доковой станции, которая обеспечивает соединение с настольным РС через последовательный кабель. Обычно доковая станция имеет также источник питания для зарядки батарей PDA. Однако в решении задачи синхронизации будущее, по-видимому, за двумя беспроводными технологиями - доступной сейчас IrDA и будущей Bluetooth.

С момента своего основания в 1993 г. Ассоциация инфракрасных данных (Infrared Data Association - IrDA) разрабатывает открытый стандарт на передачу данных на небольшие расстояния с использованием инфракрасного излучения. За основу начального стандарта принят физический уровень на основе UART со скоростью 115 Кб/с, который разработан компанией Hewlett-Packard, и протокол доступа к линии (Link Access Protocol - IrLAP), предложенный компанией IBM. Второй стандарт типа точка-точка с узким углом (конус 30 градусов) позволяет передавать данные на расстояние до 1 м со скоростью от 9.6 Кб/с до 16 Мб/с.

Несмотря на использование более 50 млн устройств, многие считают, что у IrDA нет будущего. Способы реализации стандарта многими производителями привели к многочисленным проблемам несовместимости IrDA. Кроме того, программная поддержка этого стандарта явно недостаточна. В результате применять IrDA довольно трудно, поэтому многие надеются на то, что новая инициатива Bluetooth, объявленная в середине 1998 г., окажется намного лучше.

Спецификация Bluetooth, названная по имени датского короля Х века, обеспечивает компактную и дешевую радиосвязь между мобильными компьютерами, мобильными телефонами и другими портативными ручными устройствами. Считается, что она революционизирует мобильные вычислительные средства и коммуникацию, полностью устранив проводные соединения. С этой инициативой выступили крупнейшие компании, включая 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Motorola, Nokia и Toshiba, а поддержали ее более 1300 компаний. Решение компании Microsoft присоединиться к этой группе в конце 1999 г. породило надежду, что для Bluetooth будут решены не только аппаратные проблемы, но и программные проблемы.

Основное достоинство Bluetooth по сравнению с инфракрасной коммуникацией заключается в том, что не требуется "видимости" взаимодействующих устройств. Некоторые эксперты полагают, что при снижении стоимости компонентов Bluetooth полностью вытеснит инфракрасную коммуникацию. Другие же полагают, что обе технологии будут сосуществовать как взаимодополняющие друг друга в конкретных приложениях

Bluetooth будет работать в диапазоне 2.45 ГГц для научных и медицинских приборов (Industrial Scientific and Medical - ISM ). Из-за требования снижения мощности Bluetooth вначале ограничена расстоянием примерно в 10 м и скоростью около 1 Мб/с. Планируется в будущем обеспечить скорость до 2 Мб/с.

Bluetooth считается не заменой скоростных проводных соединений, например USB или IEEE 1394, а более удобной технологией. Она напоминает беспроводные домашние телефоны-трубки, где имеются приемопередатчики (портативные устройства) и базовые станции. В одной ячейке можно работать 8-10 устройствам, причем семь обеспечивают информационные услуги, а три - речевую коммуникацию. Каждое отдельное Bluetooth-устройство фактически использует асимметричную передачу данных с общей скоростью 721 Кб/с, причем канал "вверх" работает со скоростью 56 Кб/с.

Bluetooth-устройство будет содержать один или несколько профилей, которые информируют другие Bluetooth-устройства о том, что это за устройство и что оно может делать. Этот механизм позволяет устройствам попытаться синхронизировать их базы данных, как только они распознают друг друга. В результате, например, Bluetooth-телефон сможет автоматически установить связь с Bluetooth-РС и беспроводными Bluetooth-наушниками. После этого пользователь сможет использовать наушники для разговора по телефону или использовать свой РС для подключения к Internet через цифровой телефон - и все это выполняется без всяких проводов и конфигурирования.

Первые Bluetooth-устройства были выпущены в конце 2000 г. Первое впечатление от них было благоприятным, а программная поддержка хорошей. Обычно расширение Windows Explorer - Bluetooth Neighbourhood - показывает все достижимые Bluetooth-устройства вместе со списком услуг, доступных от удаленных устройств. Создание соединения между двумя Bluetooth-РС состоит в буксировке пиктограммы услуги на пиктограмму удаленного РС, а передача файла реализуется по способу "тащи и бросай" с одного РС на другой внутри Bluetooth Neighbourhood.

Коммуникация

PDA способны предложить "карманный" офис, но до недавнего времени большинству пользователей требовались модем и телефонная розетка для доставки результатов работы в основной офис или для доступа к Internet. Беспроводные технологии полностью изменили ситуацию и для пользователей беспроводных PDA наибольший интерес представляют технологии глобальной системы мобильной коммуникации (Global System for Mobile communications - GSM) и протокол беспроводных приложений (Wireless Application Protocol - WAP).

GSM

GSM считается глобальным стандартом для мобильной телекоммуникации и его быстрое развитие обеспечено кооперацией между правительственными администрациями, операторами, организациями по стандартизации и производителями всего мира. Главное достоинство GSM состоит в международном роуминге (roaming), который позволяет потребителям звонить в 137 стран. Эта услуга расширяется появлением спутникового роуминга, который предоставляет коммуникацию в те области, где наземное перекрытие недоступно.

Первые сети аналоговых мобильных телефонов работали на частоте 900 МГц, а последующие расширения работали на частоте 1.8 ГГц. Однако даже GSM-системы второго поколения в конце 1999 г. обеспечивали скорость передачи данных всего 9.6 Кб/с. Такой скорости достаточно для электронной почты, но недостаточно для "блуждания" по графически насыщенным Web-сайтам или загрузки больших файлов данных. К счастью, имеется несколько разработок, которые могут резко изменить способы использования PDA в будущем.

Звонки с помощью GSM-телефонов (речевые или информационные) занимают одну так называемую временную щель (time slot). Ширина полосы для каждой щели составляет 9.6 Кб/с, но теоретически для получения более высокой скорости можно объединять несколько щелей аналогично агрегатированию пары линий ISDN для удвоения пропускной способности. При наличии максимум восьми щелей, доступных в GSM-сети в любой момент времени мобильные пользователи могут получить скорость до 76.8 Кб/с. Такая услуга, называемая HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data), стала предоставляться в Англии в начале 2000 г.

Однако данные с коммутацией цепей оказываются неудобным способом использования ограниченных ресурсов, особенно когда пользователи работают с пакетными приложениями, например "блуждание" в Web. Коммутация пакетов, применяемая в сетях Ethernet и магистралях Internet, является более подходящей технологией для одновременного разделения ресурсов между несколькими пользователями. Модернизация мобильных сетей GSM - общая пакетная радиоуслуга (General Packet Radio Service - GPRS) - добавляет уровень коммутации пакетов и повышает скорость доставки данных со скоростями 21-100 Кб/с. Более важно, что она позволит операторам взимать плату за объем переданных данных, а не за время соединения. Теоретически это означает, что мобильные пользователи могут быть постоянно соединены с Internet, но оплачивать только доступ к электронной почте или к вновь запрошенным Web-страницам.

В период с 2000 г. по 2002 г. планируются дальнейшие совершенствования, которые обеспечат скорость одной щели до 38.4 Кб/с для HSCSD и 60 Кб/с для GPRS, а при объединении нескольких временных щелей до 384 Кб/с. Эта модернизация называется улучшенными скоростями данных для эволюции GSM (Enhanced Data rates for GSM evolution - EDGE).

Будущие мобильные технологии окажут сильное влияние на стиль жизни людей, касающийся работы и отдыха. Мобильные банковские услуги и покупки уже сейчас можно получить при наличии небольшого экрана, а к 2003 г. более миллиарда пользователей будут получать разнообразные услуги с помощью мобильных телефонов и мобильных PDA.

Протокол беспроводных соединений

Для доступа к Internet важное значение имеет протокол беспроводных соединений (Wireless Application Protocol- WAP). WAP представляет собой открытую глобальную спецификацию, которая позволяет мобильным пользователям с беспроводными устройствами мгновенно обращаться к информации и услугам. Протокол WAP работает с большинством беспроводных сетей, включая CDMA, GSM, TDMA и Mobitex, и рассчитан на множество беспроводных устройств, включая мобильные телефоны, пейджеры, двухсторонние радиоприемники, интеллектуальные телефоны и PDA.

WAP включает в себя и расширяет разработанные ранее протоколы беспроводной передачи данных. Компания Phone.com создала версию стандарта HTML, специально разработанного для эффективной и экономичной передачи данных по мобильным сетям. Беспроводные терминалы оснащались микроброузером языка разметки для ручных устройств (Handheld Device Markup Language - HDML), а затем протокол передачи для ручных устройств (Handheld Device Transport Protocol - HDTP) связывал терминал к Internet или интранет, где находится запрошенная информация. Эта технология была введена в WAP и переименована в соответствии с акронимами, относящимися к WAP.

Важнейшим компонентом WAP-устройств является микроброузер (microbrowser), который обеспечивает доступ к любому Web-сайту, поддерживающему WAP. Ожидается, что провайдеры содержания будут с удовольствием будут поддерживать WAP, так как при минимуме усилий обеспечивается доступ к сайтам миллионов владельцев мобильных устройств. Недостатка в таких сайтах не должно быть. Вместе с тем язык беспроводной разметки (Wireless Markup Language - WML) протокола WAP использует стандарт расширяемого языка разметки (eXtensible Markup Language - XML), который широко применяется в современных Web-сайтах.

Язык WML ориентирован на оптимизацию текстовых данных Internet для доставки по беспроводным сетям с ограниченной полосой пропускания для отображения на небольших экранах. Навигация осуществляется одной рукой без привлечения клавиатуры. Протокол WAP масштабируется от двухстрочных текстовых экранов до графических экранов интеллектуальных телефонов и коммуникаторов (communicators). Он также поддерживает скриптовый язык WMLScript, который похож на язык JavaScript, но требует минимум таких системных ресурсов, как память и возможности процессора. Маловероятно, что в ближайшие годы WML обеспечит поддержку таких возможностей, как цвет, аудио и видео.

Сценарий работы с WAP выглядит следующим образом. Пользователь с WAP-телефоном с помощью встроенного микроброузера запрашивает WML-документ. Запрос передается в шлюз WAP Gateway, который считывает информацию из сервера Internet стандартном формате HTML или в формате, специально подготовленным для беспроводных терминалов с использованием языка WML. Если содержание считывается в HTML-формате, фильтр в WAP Gateway попытается преобразовать его на язык WML. Затем запрошенная информация посылается из WAP Gateway WAP-клиенту с использованием наиболее подходящей мобильной сети.

Компании Nokia и Ericsson разработали свои микроброузеры, а более 20 других поставщиков лицензировали UP.Browser, разработанный компанией Phone.com. Большинство усилий в этой области приходится на Европу, но ожидается, что на интеллектуальных телефонах будет применяться операционная система EPOC консорциума Symbian.

WAP Forum представляет собой промышленную ассоциацию, ответственную за продвижение стандарта. Членами Форума являются компании, на долю которых приходится 90% мирового рынка мобильных телефонов. Ведущую роль здесь играют AT&T, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Symbian и Microsoft.

Компания Nokia в июне 1999 г. первой выпустила мобильный телефон с микроброузером, поддерживающим WAP 1.1, а компании Ericsson, Motorola и Qualcomm выпустили WAP-телефоны в середине 2000 г. Версия WAP 1.1 обеспечивает такую же функциональность, как и WAP 1.0, но содержит некоторые уточнения. Кроме того, в ней предусмотрено согласование со спецификацией языка XHTML, разработанной Консорциумом WWW (W3C).

Интерфейсы расширения

В дополнение к возможности подключения PDA к настольному или портативному РС для синхронизации календарей, электронной почты, списков контактов и других личных данных, сейчас PDA расширяются путем подключения сотового телефона, принтера, дополнительного модуля памяти и других периферийных устройств.

Большинство PDA имеют инфракрасные порты, работающие в стандарте IrDA. Порт можно использовать для соединения с настольным или портативным РС, обмена контактной информацией с другими мобильными устройствами, а также для подключения сотовых телефонов, принтеров и других устройств с инфракрасным интерфейсом. Ожидается, что со временем инфракрасные порты заменит технология Bluetooth.

Многие PDA имеют также порт USB или последовательный порт. Кабель USB или последовательный кабель можно подключить к порту или вставить все устройство в доковую станцию. PDA поддерживают также один из следующих интерфейсов расширения, упрощающих подключение периферийных устройств, дополнительной памяти или сети. Каждый интерфейс рассчитан на определенный тип карты, которая вставляется в интерфейс:

• Springboard: Фирменный интерфейс компании Handspring для семейства Visor (платформа Palm) устройств. Карты имеют наибольший физический объем. Обеспечивается максимальная скорость передачи данных, так как устройства ввода-вывода подключаются к шине процессора.
• CompactFlash: Стандартный интерфейс расширения для портативных устройств. Несмотря на малый размер карты CompactFlash, она позволяет реализовать много функций. Этот интерфейс широко применяется для добавления памяти в цифровые камеры и МР3-плейеры. На картах CompactFlash реализуются последовательные порты, модемы, карты Ethernet и GPS-устройства. Ожидается, что в будущем этот интерфейс будет поддерживаться многими устройствами.
• SmartMedia: Фирменный интерфейс компаний Toshiba и Samsung. Не все карты SmartMedia взаимозаменяемы. Некоторые требуют питания +5 В, другие +3.3 В, а третьи могут работать с любым напряжением.
• Memory Stick: Этот носитель, разработанный компаниями Sony и Fujitsu, довольно мал и реализует относительно мало функций. Обычно он применяется для расширения памяти. Компания Sony надеется сделать этот интерфейс промышленным стандартом и широко использует его в таких потребительских устройствах, как цифровые камеры и МР3-плейеры.
• MultiMediaCard: Разработанная компаниями Siemans, Hitachi и Sandisk карта MultiMediaCard имеет размеры почтовой марки и предназначена для расширения памяти для портативных МР3-плейеров. Небольшие размеры ограничивают возможность поддержки других подключений ввода-вывода.
• Secure Digital: Аналогичная по размерам карте MultimediaCard карта Secure Digital предназначена, в основном, для расширения памяти. Достоинство интерфейса Secure Digital состоит в том, что он допускает использование карт MultiMediaCard.
• PC Card или PCMCIA: Этот самый старый интерфейс расширения для портативных устройств поддерживает множество периферийных устройств. Физический аппаратный интерфейс пока не встроен в PDA из-за относительно большого размера разъема и требования батарейного питания. Карты PC Card потребляют значительную мощность и вряд ли появятся в устройствах с батареями небольшой емкости. Так как слоты PC Card являются стандартными в портативных компьютерах, разработаны карты PC Cards, которые действуют как адаптеры для других меньших карт расширения. Например, карта адаптера PC Card-CompactFlash позволяет вставить карту CompactFlash в слот PC Card. Аналогичные адаптеры разработаны для карт Memory Stick, MultiMediaCard, Secure Digital и SmartMedia. Такие адаптеры можно вставить в слот PC Card портативного компьютера и использовать для передачи данных между ручным и портативным компьютерами.

Размеры карт для этих интерфейсов варьируются и меньшие карты обычно применяются для расширения памяти, а большие карты позволяют реализовать дополнительные функции:

Приложения

Вначале PDA поставлялись с набором знакомых приложений менеджера персональной информации (Personal Information Manager - PIM), дополненным парой игр. Традиционная функциональность PIM постоянно расширяется. В дополнение к программе распознавания рукописных символов в ручных PDA с вводом данных пером обычно имеются следующие программы:

• Ежедневник/Планировшик
• Список дел
• Телефонная/адресная книга
• Блокнот
• Приложение для рисования
• Финансовая программа
• Калькулятор
• Будильники
• Мировое время
• Менеджер файлов
• Программа записи речи
• Синхронизация данных
• Подключение принтера

Стандартными становятся Web-приложения, появившиеся благодаря развитию беспроводных соединений: электронная почта и броузер Web.

Устройства с клавиатурой могут дополнительно поддерживать "урезанные" версии таких настольных приложений, как текстовый процессор, программа орфографического контроля, заказной словарь и электронная таблица.

Расширение рынка PDA в конце 90-х годов прошлого века привело к появлению множества приложений, ориентированных на корпоративный и потребительский секторы. Наиболее интересными являются приложения планирования маршрутов (route planning) и слежения за путешествием (journey tracking). Объединяя мощь и удобство устройств PDA с интеллектом и точностью глобальной системы позиционирования (Global Positioning System - GPS), эти пакеты предоставляют пользователю возможность спланировать путешествие, адаптировать карты и маршруты, а также следить за ходом путешествия независимо от того, является путешествие наземным, морским или воздушным.

Наглядным примером служит приложение 'Route Planner' английской компании, разработанное для всех трех конкурирующих операционных систем. Пользователь определяет будущее путешествие, производя щелчки на карте или вводя названия начальной и конечной точек. До вычисления маршрута можно ввести места, обязательные для посещения, а также места, которые необходимо избегать.

Любую секцию карты дорог можно отобразить в любом масштабе и с любым уровнем детальности. Названия мест, маршруты, обозначения и масштабы можно отображать различными способами. Инструкции по езде также можно отображать в нескольких форматах "естественного языка" и с различными уровнями детальности. При использовании совместно с приемником GPS-спутника можно обновлять позицию путешественника по мере движения. Несколько панелей показывают ход поездки и инструкции по движению.

Глобальная система позиционирования

Глобальная система позиционирования (Global Positioning System - GPS) представляет собой объединение 24 спутников (три из них резервные), которые вращаются вокруг Земли два раза в сутки на высоте примерно 12 000 миль (около 20 000 км). Двадцать четыре часа в сутки спутники непрерывно излучают высокочастотные радиосигналы, содержащие информацию о позиции и времени, что позволяет любому человеку с GPS-приемником определить местонахождение в любой точке Земли. Сеть GPS поддерживается Министерством Обороны США (US Department of Defence) и бесплатно доступна любому, имеющему GPS-приемник.

Спутники системы GPS называются спутниками NAVSTAR. Первый из них был запущен в 1978 г. Каждый спутник весит примерно 800 кГ, а ширина солнечных панелей составляет 5 м. Мощность передатчика составляет 50 Вт и спутники передают три различных частоты. Срок службы каждого спутника составляет примерно 10 лет, поэтому на орбиту периодически запускаются новые спутники.

Любую точку на Земле можно идентифицировать парой координат, которые представляют собой позицию, в которой пересекаются горизонтальная линия (широта) и вертикальная линия (долгота). Основу технологии GPS образует точная информация о времени и позиции. Используя атомные часы (погрешность их составляет 1 секунду за 30 лет) и данные о местонахождении, каждый спутник непрерывно вещает время и свою позицию. В работе системы GPS используется принцип триангуляции. Зная свои расстояния от трех или более спутников, приемник может вычислить свою позицию, решая систему уравнений. Информация от трех спутников необходима для вычисления долготы и широты при известной высоте; а для определения еще и высоты требуется информация от четырех спутников.

Несмотря на официальную поддержку Министерством Обороны США, система GPS широко применяется и в коммерческих целях. С привязкой к транспортному средству она превращается в систему навигации. В контексте координатной системы она становится топографическим инструментом. При наличии сотового телефона или приемопередатчика система становится инструментом слежения за транспортными средствами или людьми. При наличии оцифрованной карт система предоставляет полностью цифровые диаграммы. Систему можно использовать и для наведения ракет. В соответствии с различными потребностями система GPS предоставляет два уровня обслуживания - один для гражданского доступа и второй зашифрованный исключительно для военного применения.

Типичный гражданский GPS-приемник обеспечивает точность от 18 м до 70 м в зависимости от текущего состояния селективной доступности, числа имеющихся спутников и геометрии спутников. Точность можно повысить до 5 м с помощью так называемой дифференциальной GPS (Differential GPS - DGPS), которая использует второй приемник, помещенный в известном месте (и доступный от нескольких источников по бесплатной подписке), для вычисления поправок в спутниковые измерения системы GPS. Программа GPS действует до 2006 г.