Multimediatietokoneet Video ja grafiikka, audio sekä tietoverkot CD & DVD USB & FireWire Prosessorit

Transkriptio

1 Oheislaitteet Multimediatietokoneet Video ja grafiikka, audio sekä tietoverkot CD & DVD USB & FireWire Prosessorit 1

2 Multimediatietokoneet Useat tietokoneet tukevat multimediaa Tietokoneissa on yleensä väylä Prosessori Muisti Kovalevy CD-ROM Väylä Video Audio Portit USB MIDI Verkko 2

3 Sulautetut laitteet Sulautetuissa laitteissa ei yleensä käytetä väylää Salauksen Set-top box purku Viritin ja demodulaattori Muisti Videodekooderi Demux Mikroprosessori Audiodekooderi Modeemi 3

4 Matkapuhelimet Java WLAN. Bluetooth. Käyttöjärj. ASIC Multimedia Protokolla ASIC Järjestelmä GPS Näyttö Kamera Näppäimet RAM Antenni HW kiihd. DSP MCU SRAM Muisti- Flash kortti Logiikka DSP MCU SRAM Analogiset piirit Muisti- Flash kortti 4

5 Nykyiset laitteet Ominaisuudet: 1) multimedian toisto, editointi ja tallennus 2) tiedosiirto puhelin- ja tietoverkon kautta Rajoitukset: 1) 2) 3) 4) rajallinen määrä medioita (suorituskyky) synkronointi (hoidettu laitteistolla) vuorovaikutus energian kulutus 5

6 Tärkeimmät laiteryhmät Video näyttö, kamerat kaiuttimet, mikrofonit Massamuistit Tietoliikenne Audio Muistikortit, CD, DVD Sarjaväylät Langallinen ja langaton paikallisverkko, kaapeliverkko, laajakaista Prosessorit Muut USB, FireWire TV, Radio, peliohjaimet, tulostimet 6

7 CD & DVD Eri formaatit Toiminta & kapasiteeetti Salaus Seuraavan sukupolven DVD 7

8 CD CD-ROM -levyt sopivat hyvin multimedian jakeluun Käytössä useita eri standardeja CD-DA (red book): digitaalinen audio, 150 Kbps, 44.1 Ksample/s, 682 MB CD-ROM (yellow book): 1) teksti & data, 2) audio & video data CD-I (green book): tekstin, grafiikan, audion ja videon toisto (multimedia ja pelit) 8

9 CD (jatk.) CD-XA (extended yellow book): parantaa audio ja video ominaisuuksia PhotoCD: max 100 kompressoitua kuvaan Video CD (white book): MPEG1 video (74 min) CD-R (orange book): kertaalleen tallentava CD CD-RW: uudelleen kirjoitettava CD 9

10 DVD DVD-levyissä on suurempi tallennuskapasiteetti kuin CD-levyissä 1) pienempi "kuopan" väli (0.4 mikronia vs mikronia) 2) pienempi uran väli (0.74 mikronia vs. 1.6 mikronia) 3) lyhyempi laserin aallonpituus ( nanometriä vs. 780 nanometriä) 4) kaksi puolta 5) kaksi kerrosta 10

11 DVD:n kapasiteetti DVD-levyjen kapasiteetti: 1) yksi puoli ja yksi kerros: 4.7 Gtavua 2) kaksi puolta ja yksi kerros: 9.4 Gtavua 3) kaksi puolta ja kaksi kerrosta: 17 Gtavua DVD-asemat voivat olla yhteensopivia CD-levyjen kanssa Videossa käytetään MPEG-2:ta ja audiossa Dolby AC-3:ta 11

12 DVD:n salaus Vain osa sisällöstä salataan säästää CPU-aikaa DVD-soitin purkaa salauksen laitteistolla Salausavain löytyy levyltä vain lisenssin hankkineet valmistajat tietävät miten Sotkettua TV-signaalia ei voi kopioida DVD-ROM -asema antaa avaimen vain salattua väylää pitkin Vesileimoilla voidaan rajoittaa kopioiden määrää 12

13 DVD-salausjärjestelmä 13

14 Toimiiko DVD-salaus? 14

15 Seuraavan sukupolven DVD Sininen laser (450 nm) punaisen (650 nm) sijasta Blu Ray Sony, Hitachi, LG, Matsushita, Philips, Pioneer, Samsung, Sharp ja Thomson 23, 25 tai 27 GB DVD-HD Toshiba, Nec, Warner, Paramount ja Universal GB 15

16 Kumpi voittaa? 16

17 USB Universal Serial Bus (USB) -väylän kautta voidaan liittää erilaisia laitteita tietokoneeseen USB:n etuja: 1) laitteiston asetuksia (keskeytykset, DMA, osoitteet ym.) ei tarvitse määritellä 2) tietokonetta ei tarvitse "avata" 3) erillisiä sähköjohtoja ei tarvita 17

18 USB-laitteita 1) näppäimistö, hiiri, tulostin, modeemi, skanneri, CD-ROM ym. 2) puhelin, ISDN ym. 3) joystick, peliohjaimet, datahansikkaat, virtuaalisilmiköt ym. 4) videokamerat, digitaaliset kamerat ym. 5) TV- ja radio-vastaanotin 18

19 USB:n ominaisuuksia USB-väylän nopeus Vbus Vbus on 1.5 Mbps ja 12 D+ D+ Mbps DDGND USB-väylä sisältää GND neljä johdinta Bitit ilmaistaan jännite-eroina Maksimietäisyys on 5 metriä Laitteet kytketään tähtitopologiaan (HUB) Verkot voivat olla hierarkisia 19

20 USB tukee 1) Isokroninen videon ja audion siirto 2) Reaaliaikaiset keskeytykset 3) Suurten datamäärien siirto paras yritys -metodilla 4) Ohjaustiedon siirto 20

21 USB 2.0 Siirtokapasiteetti max 480 Mbps (40 kertainen) Yhteensopiva USB 1.1:n kanssa Nopeus tiputetaan tarvittaessa automaattisesti Mahdollistaa uusien oheislaitteiden käytön videoneuvottelu (parempi kuvanlaatu) tulostimet & skannerit (nopeus & resoluutio) CDROM & DVD (suurempi datan määrä) 21

22 FireWire Kuten USB-väylä, mutta suurempi siirtonopeus: , ja Mbps Yli 1 Gbps nopeudet kehitteillä laitetta ja siltaa Yhden kaapelin etäisyys max 4.5 m Kahden laitteen etäisyys max 16 kaapelia eli 72 m 22

23 FireWire- konfiguraaatio Laiteryhmät liitetään toisiinsa sillalla 23

24 FireWire-kaapeli Kaapeli koostuu kahdesta datajohdinparista ja virtajohtimista 24

25 FireWire-väylän etuja 1) Väylä skaalaantuu hyvin 2) Joustava topologia 3) Laitteita voi liittää "kuumaan" väylään 4) Väylä on helppo käyttää (ei asetuksia) 5) Suunniteltu kulutuslaitteisiin (halpa) 25

26 FireWire-väylän tilanne Tällä hetkellä laitteita rajatusti FireWire-kortteja saatavilla tietokoneisiin Joissakin työasemissa ja PC-koneissa on FireWire-väylä vakiona Joitakin videokameroita ym. Tulossa digitaalisen television set-top boxeihin 26

27 Prosessorit Multimedian käsittely vaatii laskentatehoa Dataa on paljon ja algoritmit ovat laskennallisesti vaativia Ongelma voidaan ratkaista eri tavoilla: 1) kiihdyttimet (MPEG purkupiirit ym.) 2) erikoisprosessorit (signaaliprosesorit ym.) 3) yleisprosessorien laajennukset (MMX ym.) 4) rinnakkaiset arkkitehtuurit 27

28 Kiihdyttimet Kiihdyttimissä suoritettava algoritmi on toteutettu suoraan laitteistotasolla Datan käsittely on nopeaa Algoritmit voivat olla joko kiinteitä tai uudelleen konfiguroitavia Jälkimmäisessä tapauksessa käytetään uudelleen ohjelmoitavia logiikkapiirejä Kiihdytin voi toimia itsenäisesti tai se voidaan liittää mikroprosessorin kylkeen Kiihdytin voidaan jopa integroida samalla mikropiirille prosessorin kanssa 28

29 Texas Instruments DM310 D. Talla et al., Anatomy of A Portable Digital Mediaprocessor, IEEE Micro, March-April 2004, pp

30 Erikoisprosessorit (I/II) Digitaaliset signaalinkäsittelyn prosessorit sopivat erityisen hyvin kuva ja äänisignaalien käsittelyyn Käskykannat sisältävät yleisesti signaalinkäsittelyssä käytettäviä operaatiota Valmistajat ovat myös toteuttaneet signaalinkäsittelyn algoritmikirjastoja Useissa multimedialaitteissa on perusprosessorin lisäksi DSP-prosessori 30

31 Erikoisprosessorit (II/II) Toinen yleisesti käytetty erikoisprosessorien ryhmä on erilaiset grafiikkaprossorit Ne on optimoitu erilaisten piirto, valaistus, näyttö ym. algoritmien suorittamiseen Grafiikkaprosessori toimii varsinaisen pääprosessorin rinnalla 31

32 Nvidia GeForce 6800 J. Montrym and H. Moreton, The GeForce 6800, IEEE Micro, March-April 2005, pp

33 MMX MMX on Intelin Pentium ja Pentium Pro prosessorein multimedialaajennus Perustuu Single Instructin Multiple Data (SIMD) arkkitehtuuriin Yksi käsky käsittelee useampaa dataa yhtäaikaa Esim. 64 bitin rekisteri sisältää 8 kpl 8 bitin data-alkiota tai 4 kpl 16 bitin data-alkiota 33

34 Esim. rinnakkainen kertolasku I(3) I(2) I(1) I(0) Kertolasku I(3) I(2) I(1) I(0) I(3) I(2) I(1) I(0) 34

35 MMX:n käyttö Sama operaatio toistetaan usealle dataalkiolle Videon kompressointi, kuvankäsittely, tietokonegrafiikka ja digitaalinen signaalinkäsittely Esim. MPEG1 videon purku on 1.5 kertaa nopeampi kuin ilman MMX-käskykantaa Ongelmana on algoritmien uudelleen koodaaminen 35

36 Rinnakkaiset arkkitehtuurit Laskentatehoa voidaan lisätä myös rinnakkaisilla arkkitehtuureilla: Superskalaarit arkkitehtuurit Vektoriprosessointi Single Instruction Multiple Data (SIMD) Very Large Instruction Word (VLIW) Transport Triggered Architectures (TTA) 36

37 Superskalaarit arkkitehtuurit Prosessorissa on yksi käsky-yksikkö, mutta useita laskentayksiköitä Käsky-yksikkö jakaa operaatiot eri laskentayksiköiden suoritettavaksi Operaatioiden järjestystä voidaan muokata joko kääntäjässä tai laitteistolla Ohjelmistokoodia ei tarvitse muokata Useimmat tehokkaat nykyaikaiset prosessorit ovat superskalaareita arkkitehtuureja 37

38 Vektorilaskenta Perinteiset supertietokoneet perustuvat vektoriprosessointiin Käsiteltävä data talletetaan vektori- tai matriisitietorakenteisiin Useampaa data-alkiota käsitellään yhtä aikaa erilaisissa laskentayksiköissä Laskentayksiköitä voidaan liukuhihnoittaa peräkkäin Vektorilaskennan hyödyntäminen edellyttää joko käsin koodaamista tai optimoitua kääntäjää 38

39 SIMD SIMD-arkkitehtuurissa sama käsky suoritettaan yhtäaikaa monelle data-alkiolle Arkkitehtuuri koostuu yhdestä käskyyksiköstä ja useasta samanlaisesta laskentayksiköstä Yleensä data jaetaan ensin eri laskentayksiköille ja käsittelyn jälkeen se kerätään niiltä pois Sopii hyvin esim. kuvankäsittelyyn tai tietokonegrafiikkaan 39

40 Cell Prosessori Pham et al., Overview of the architecture, circuit design, and physical implementation of a first-generation cell processor, IEEE Journal of Solid -State Circuits, vol. 41, no. 1, Jan. 2006, pp

41 Cell Piiri 41

42 VLIW Erittäin pitkän käskysanan arkkitehtuureissa yksi käskysana sisältää useita eri laskentayksiköissä suoritettavia operaatioita Kääntäjä huolehtii käskysanojen luomisesta Esim. toistorakenteet voidaan purkaa rinnakkaisiksi operaatioiksi Multimedian ja signaalinkäsittelyn algoritmeissa on yleensä paljon tiukkoja toistorakenteita 42

43 TTA TTA-arkkitehtuurissa ei ole käsky-yksikköä ollenkaan (pienenpi energiankulutus ja piirin pinta-ala) Laskentayksiköitä on sen sijaan useita Kääntäjä määrittelee miten data-alkioita siirretään laskentayksiköstä toiseen Siirto tapahtuu heti kun laskenta saadaan valmiiksi Sopii hyvin signaalinkäsittelyyn 43

44 TTA Example H. Corporaal, Design of transport triggered architectures, in Proc. 4th Great Lakes Symposium on Design Automation of High Performance VLSI Systems, GLSV '94, March 1994, pp