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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 - 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 3.1
Microsoft 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 in－teractive）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 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 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AD2105
a. 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)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 Video Kernel
3、在窗口系统环境下开发的AVK
AVSS/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 Research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。