1、第五章 多媒体计算机硬件及软件系统结构学习要点：1、多媒体个人计算机（MPC）的技术标准、产品升级方法、主要功能和应用领域。2、了解具有代表性的多媒体计算机系统结构（硬件、软件），如 Intel/IBM公司研制的 DVI（数字视频交互式）多媒体计算机系统成功和失败的经验教训，对于理想的 DVI系统怎样设计实现。3、将多媒体功能集成到 CPU芯片中，一类是以多媒体和通信功能为主，融合 CPU芯片原有的计算机功能；另一类是以通用 CPU计算机功能为主，融合多媒体和通信功能。4、把多媒体和通信功能集成到 CPU芯片中的一些设计原则是：在设计时采用国际标准；将多媒体和通信功能的单独解决变为集中解决；体
2、系结构的设计和算法相结合等。解决多媒体计算机综合处理声、文、图信息的问题，可以采用下述三种方法：1、选用专用芯片设计专用接口卡单独解决。2、设计专用芯片和软件，组成多媒体计算机系统，综合解决声、文、图问题。3、最后一种解决方案是把多媒体技术做到 CPU芯片中。一、多媒体个人计算机（MPC） 1、MPC 的技术标准多媒体个人计算机( Multimedia PC)是在现有 PC机基础上加上一些硬件板卡及相应软件使其具有综合处理声、文、图信息的功能。交互式多媒体计算机协会 IMA ( Interactive Multimedia Association ) 是多媒体产业供应商和最终用户组成。 主要支
3、持者是 Microsoft、Tandy、NEC 等公司。制定了 MPC平台标准，主要解决了 两个问题：(1) 应用软件和工具软件在各种软、硬件平台上的兼容性。(2) 数据交换的兼容性。MPC平台标准：（1）硬件平台 CPU 80286/386/486以上RAM 2MB 较多,最好是 4MB 外存 3.5英寸(1.44M)软驱,30MB及大硬盘,光驱 传输速率不小于 150KB/s,视频 VGA(16 色),彩色图形接口(256 色) ,音频子系统 - 8bit A/D，采样频率 11.025kHz或 22.05kHz - 8bit D/A，采样频率为11.025kHz 或 22.05kHz -
4、 拾音器输入-具有 4-9个乐器合成能力，音乐合成器,内装模拟音频混频能力。 输入 101 键盘, 两按键的鼠标,I/O MIDI I/O接口,串行接口,并行接口,游戏杆接口(2) 软件平台 Microsoft 公司的 Windows 3.1Microsoft 公司的 MS-DOS 3.1 版以上的操作系统与普通 PC相比：CD-ROM、数字音频子系统 2、MPC 产品及升级策略从以上介绍的 MPC的软、硬件平台可看到 MPC系统与普通的 PC机相比，除了增加必要的音频信号处理卡，视频信号处理卡，CD-ROM 驱动器以及必要的外部设备以外，并无特殊之处。（1）MPC 系统在市场上最先推出的独立
5、工作的 MPC系统是 Tandy 公司的 4033LX Multim-edia。它由标准的33MHz386计算机加上 Sound Blaster Pro 音频处理卡, Super VGA 显示接口,Tandy 的 CD-ROM驱动器和接口卡组成。(2) MPC升级套件由 Creative Lab 推出的 MPC 升级套件。包括: 一块 Sound Blaster Pro 音频卡一个内装的 CD-ROM驱动器。最近又推出 Video Blaster 卡, 它将使 PC机具有获取视频图像、图形重叠和 VGA显示中的视频窗口等功能。(3)PC软件开发工具MPC主要用于播放记录在 CD-ROM上的各种
6、电子出版物和用于电子游戏等。对于公司、学校，可以用MPC制作一些多媒体演示系统和公司介绍和教学演示等，需要多媒体著作工具。(4)媒体的应用产品主要是指已录制在 CD-ROM盘片上的各种电子出版物或电子游戏。(5)MPC升级策略升级办法如下:自己购置组成 MPC的硬件和必要的软件,自己安装调试。请专业公司和专业人员协助升级。购置多媒体升级套件。3、MPC 的功能和应用MPC主要是面向个人和家庭用户。本节中我们将先介绍 MPC系统的功能，然后在此基础上说明 MPC的用途。MPC的功能： (1)从它对音频、图形、图像和视频等各种媒体信息的处理和管理能力来评价a.对音频信号的处理能力录入、处理和重放声
7、波信号。可以用 MIDI（乐器数字接口）技术合成音乐。b.图形功能。MPC 有较强的图形处理功能。c.图像处理功能。MPC 通过 VGA接口卡和显示器可以逼真、生动的显示静止图像。 d.视频处理功能。MPC 对视频图像的处理很有限。(2)以下以我们多媒体演示和电子出版物为例来说明 MPC在应用时的性能a.MPC的多媒体演示功能综合应用文本、图形、动画、音频和图像制作演示。空间位置编辑功能。提供定时表用于控制屏幕部分的画面或音频信号的持续时间。完善的图形绘制和编辑工具。b.多媒体电子出版物与印刷书籍相比的优点：用交互式多媒体技术提高了信息交流的效率。配有适当软件开发工具,辅以相应的硬件,用户可以
8、用 MPC来自行开发演示或制作部分电子出版物,或把已有的电子出版物编辑在一起。MPC的应用：(1)教育培训(2)信息咨询(3)商业服务a.零售商品展示b.产品操作手册c.销售演示d.家庭教育和娱乐二、数字视频交互式（DVI）多媒体计算机系统 DVI系统中的 视频音频引擎(AVE):在 1987年 3月第二次 Microsoft CD-ROM会议上首次公布了 DVI（digital video interactive）技术的研究成果，1989 年 10月 Intel公司从 GE公司买来了 DVI技术，1989 年 Intel和 IBM 公司在国际市场上推出 DVI 技术的第一代产品 Action
9、 Media 750， 1991 年又在美国 Comdex 展示会上推出了 DVI技术的第二代产品 Action Media 750II，它荣获了 Comdex 91 最佳多媒体产品奖（Best Multimedia Product）和最佳展示奖（Best ofShown）。 Comdex 的最佳奖相当于计算机工业的奥斯卡（Oscars）奖。与 I型 DVI系统相比，它有如下几点改进：(1) 性能指标高。(2) 使用了专门的门阵电路。(3) 将多块处理板变成一块处理板。 1、视频子系统功能：视频信号的压缩编码、视频信号处理和视频信号的显示。组成：主要由 82750 PB像素处理器 82750
10、DB 显示处理器以及 VRAM组成。工作原理：视频-PLV 压缩算法（由像素处理器执行）-VRAM 里存放微程序。核心：视频算法和显示引擎VRAM存放所有 DVI系统数据，包括：位映射数据、压缩编码数据、算法微码、控制执行算法的数据结构以及控制显示功能的寄存器集数据。像素处理器 82750PB可编程专用处理器,用微码执行视频图像,快速处理算法、视频特技以及数字式运动图像和增进图像的压缩算法，以及解码算法。显示处理器82750DB是非常灵活的显示处理器，他能够将不同的位映射数据变换成在监视器显示需要的模拟的 RGB信号。(1) VRAM结构可编程的 CRT-C并行通道连到像素处理器串行通道连到显
11、示处理器 (2) 82750PB像素处理器结构82750PB像素处理器直接连接到 VRAM的随机或并行通道。a、82750PB 具有 48位指令字长，处理能力强，可以同时执行多种操作，每秒可执行 100M 操作（100MOPS）。b、某些指令字段控制的硬件结构特性，特别适合于图像处理的运算操作。它包括两个分开并对称的内部 16位数据总线，为 8位像素计算专门分开的 ALU操作；在解压缩时为运动补偿设计了像素插值器，为解释压缩编码数据流设计了统计解码器;为了同 DVI的 VRAM传输数据所设计的四个先进先出数据缓冲区（FIFO）。c、一个微码块通常是一些循环指令,它将重复执行给定的算法。微码表在
12、 VRAM中，至于有的时序信号都是 82750PB负责产生,读字 VRAM的时序信号，而且适应不同的 VRAM，它可以改变。(3) 82750DB显示处理器结构显示处理器连接到 VRAM的串行通道。a、它是非常灵活的显示处理器，可编程的显示处理器，通过寄存器 CRTC 45MHZ 适应 不同的监视器。输入和摄象机同步，输出和 VGA同步。b、它能将几种不同的位映射格式，解释成在监视器显示屏幕上所需要的模拟信号数据流。例如：YUN信号, 9bit , 每一行 求一次 Y，每四行 求一次 U、V。它能完成从不同存储器取来，完成插值运算。YUV RGB，彩色空间转换。2、音频子系统功能：与视频子系统
13、并行操作。组成：DSP 音频信号处理器、数字到模拟转换和模拟滤波器等硬件组成。任务：主要执行音频信号的压缩和解压缩；数字信号到模拟信号的转换，最后送到音频放大器和音响系统进行播放。工作原理：音频压缩编码用 ADPCM核心部件：模拟设备公司生产的 AD2105a. DVI系统采用 ADPCM4E压缩算法b. 控制音量c. 采样速度d. 从 VRAM中读语言的汇编码、解压缩编码，送到 D/A变换器。上述操作 DSP的编程码及 LUT，由音频门阵通过 DMA加载。DSP 在开始显示之前译 1-2帧 位映射数据放在 FIFO中。DSP的中断处理子程序：三种中断：采样输出压缩编码 FIFO同步中断(1)
14、采样输出要向 DSP发中断请求，DSP 将采样数据从 FIFO通过门阵音频输出寄存器，送到立体声、D/A 变换器、数据串行变化任务。(2)缓冲区满 DSP中断获取音频数据时,进行压缩编码,当输入缓冲区满时,响应从门阵来的中断处理信号。(3)在垂直消隐时，每个显示帧出现一次。目的是解决视频和音频同步。 DSP和主机的通讯及 DVI信息设备之间的通讯有两种通道：(1) 通过 VRAM的数据结构(2)通过键连/音频门阵中的 MDVIR、DVI 信息寄存器及 DSP信息寄存器。D/A转换：单片 16位，D/A 转换器 滤波(模拟滤波) 17kHz截止频率最高输出频率可达 44.1kHz有 5个极点的滤
15、波器音频子系统三个门阵主机接口门阵：VRAM / SCSI / Capture接口门阵82750 LA 音频子系统门阵DVI总线、视频音频总线： 为了支持视频和音频子系统，大量的基本数据必须在 DVI的 VRAM及 DVI的其余设备之间传递。它采用具有多路开关功能的 32位数据和地址总线，也称为 DVI总线。该总线是由 VRAM并行通道数据信号组成，主机能够通过该总线与 DVI每个子系统通讯，而且子系统之间可以通过总线终端。2、DVI 软件系统中的音频视频子系统AVSS DIV软件系统中的音频视频子系统-AVSS（Audio Video Support System）AVK-Audio Vid
16、eo Kernel3、在窗口系统环境下开发的 AVKAVSS/RTX的结构必须在特殊的 DOS平台环境下执行，而且不容易移植到新的环境。调度各种任务采用的 RTX技术必须重新考虑而找一个新的替代技术。AVK（Audio/Video Kernel）系统能够用新的任务调度机制满足上述两个需要，AVK 系统能够在不同操作系统支撑环境下工作，而且为了实时响应它，能够最少的依赖于主机 CPU。三、将多媒体和通信功能集成到 CPU芯片中 1、集成设计原则在这里集成的含义是指：在原有计算机体系结构结构中，如何增加下述新的功能：多媒体数据的获取多媒体数据的压缩和解压缩多媒体数据的实时处理和特技多媒体数据的输出
17、和多媒体通信 （1）采用国际标准的设计原则标准化是产业成功的前提，为了使新型的计算机增加多媒体数据的获取，压缩和解压缩、实时处理和特技、输出和通信等功能，设计时必须采用国际标准。（2）多媒体和通信功能的单独解决变成集中解决计算机综合处理声、文、图信息和通信功能，过去的解决办法是设计专用接口卡分散单独解决，如使用类似声霸卡解决声音的输入输出和实时编码、解码及处理问题；使用类似视霸卡解决视频信号的输入、显示输出及多窗口的彩色键连问题；使用视频信号压缩编码和解码卡解决视频信号压缩和解压缩问题，使用局域网和 ISDN网接口解决局域网和远程网的通信问题。现在希望采用微码引擎，设计制造合适的 DSP或阵列
18、处理器通过微码编程综合 解决上述问题。（3）体系结构设计和算法相结合要求处理器具有如下特点：A、快速灵活的算术运算能力B、扩展的动态范围C、多操作数的同周期提取D、件的循环缓冲E、多个二维查找表（TD-LUT）F、无额外开销的循环和分支控制(4) 把多媒体和通信技术做到 CPU芯片中将多媒体和通信功能融合到 CPU芯片中。融合方案分成两类：一类是多媒体和通信功能为主，融合 CPU芯片原有的计算功能；另一类是以通用 CPU计算功能为主,融合多媒体和通信功能。 2、Mpact 媒体处理器 及其 PCI总线评价卡1996年世界上很多厂商推出了多媒体处理器,其中佼佼者是 Chromatic Resea
19、rch公司的 Mpact , Philips 公司的 Trimedia , MicroUnity的 Media Processor以及 Nvidia NVI 高度集成的多媒体加速器。Mpact 芯片的功能和工作原理3、Trimedia 媒体处理器、 参考板及其软件开发环境TM-1000是 Philips公司于 1996年底推出的新一代媒体处理芯片（Media Processor）。它是一款针对实时处理音频、视频、图像和通信数据流的通用微处理器，内部集成了一个极高性能的 CPU，一些周边的 I/O单元和协处理单元。综合运用内嵌 DSP（Digital Signal Processing）的方案和
20、通用 CPU的高度可编程特性，使它以极高的性价比实现了高性能的多媒体功能。因此它在消费类电子产品和 PC产品中得以广泛应用。 它有以下几个主要特点：在一块芯片上同时处理音频、视频、图像和通信数据流；内部集成一个强大、通用的 VLIW（Very Long Instruction Word）非常长指令字）的处理器内核，包含分离的数据和指令 cache（高速缓冲存储器），峰值计算速度达到 40亿次/秒。相互独立，DMA 驱动的多媒体输入输出单元接受和输出格式化的数据，以及能实现特殊多媒体算法的多媒体协处理单元。指令集包括 RISC、多媒体、DSP 以及和 IEEE兼容的浮点运算。TM-1000 内部
21、和功能单元之间通过一个高性能的总线和存储系统进行通信。利用高性能的软件开发工具和预先构造的库，使多媒体应用的开发基于 c或 C+语言。 4、将多媒体和通信功能集成到 CPU芯片中 Phenix 芯片和 MMX技术多媒体和通信功能集成 CPU芯片内的另一类，是以通用 CPU计算功能为主，融合多媒体和通信功能。它们的设计目标是与现有计算机系列兼容，融合多媒体和通信功能，主要用在多媒体计算机中。（1）Motorola 公司 Phenix芯片Phenix 芯片把可扩展的 Power PC 的核作为标量处理器和阵列处理器融合在一起,第一代的产品称为向量通信处理器 VEComP701。（2）Intel 公
22、司的 MMX技术1996年 3月 5日 Intel 公司首先对外公布了 MMX技术。MMX技术的设计思想：MMX 技术的开发者分析了大量多媒体和通信技术的应用软件，发现虽然它们是不同的应用领域，但在数据类型和计算方法方面有共性，它们只有简单的数据类型，定点的矩阵向量运算、局部的循环以及高 度的并行性。另一个设计思想是使 MMX技术与现有 Intel PC机的操作系统和软件全兼容，因此，对 MMX的设计不得不加上许多限制，所以设计者便用浮点寄存器作为 MMX的寄存器组。Intel MMX的核心技术：特点如下：1)增加了新的数据类型；2)扩充了饱和型运算方式；3)扩充了 57条新指令；4)与 IA
23、结构的全兼容性。MMX技术与奔腾处理器体系结构：1) MMX奔腾处理器是一个超标量的处理器,它具有两个通用的流水线和一个可流水作业的浮点单元。2) P6系列处理器P6系列的流水线由三部分构成：有序组织的前端,乱序内核单元和有序的退出单元。3)高速缓存(Cache)数据的高速缓存由 8个按四字节边界交错的存储体构成。4)分支目标缓存5)写缓存MMX开发工具和编程技巧：建议采用下述工具和方法：采用在高级语言中嵌入 MMX指令的方法。采用 Intel公司提供的 MMX标准函数库。采用数据流描述方法。MMX主要编程技巧分述如下：1)寻址方式的选择2)数据和代码的对准3)有前缀的操作码4) Pentium Pro系列处理器中的寄存器部分阻塞5)配对而且为了实时响应它，能够最少的依赖于主机 CPU。
