1、第五章 多媒體計算機硬件及軟件系統結構學習要點：1、多媒體個人計算機（MPC）的技術標準、產品升級方法、主要功能和應用領域。2、了解具有代表性的多媒體計算機系統結構（硬件、軟件），如Intel/IBM公司研制的DVI（數字視頻交互式）多媒體計算機系統成功和失敗的經驗教訓，對于理想的DVI系統怎樣設計實現。3、將多媒體功能集成到CPU芯片中，一類是以多媒體和通信功能為主，融合CPU芯片原有的計算機功能；另一類是以通用CPU計算機功能為主，融合多媒體和通信功能。4、把多媒體和通信功能集成到CPU芯片中的一些設計原則是：在設計時采用國際標準；將多媒體和通信功能的單獨解決變為集中解決；體系結構的設計和

2、算法相結合等。解決多媒體計算機綜合處理聲、文、圖信息的問題，可以采用下述三種方法： 1、選用專用芯片設計專用接口卡單獨解決。 2、設計專用芯片和軟件，組成多媒體計算機系統，綜合解決聲、文、圖問題。 3、最后一種解決方案是把多媒體技術做到CPU芯片中。一、多媒體個人計算機（MPC）1、MPC的技術標準多媒體個人計算機( Multimedia PC)是在現有PC機基礎上加上一些硬件板卡及相應軟件使其具有綜合處理聲、文、圖信息的功能。交互式多媒體計算機協會 IMA ( Interactive Multimedia Association ) 是多媒體產業供應商和最終用戶組成。主要支持者是Micros

3、oft、Tandy、NEC 等公司。制定了MPC平臺標準，主要解決了兩個問題：(1) 應用軟件和工具軟件在各種軟、硬件平臺上的兼容性。(2) 數據交換的兼容性。MPC平臺標準：（1）硬件平臺 CPU 80286/386/486以上 RAM 2MB較多,最好是4MB 外存3.5英寸(1.44M)軟驅,30MB及大硬盤,光驅傳輸速率不小于150KB/s,視頻 VGA(16色),彩色圖形接口(256色) ,音頻子系統 - 8bit A/D，采樣頻率11.025kHz或 22.05kHz - 8bit D/A，采樣頻率為11.025kHz 或22.05kHz - 拾音器輸入-具有4-9個樂器合成能力，

4、音樂合成器,內裝模擬音頻混頻能力。輸入 101鍵盤, 兩按鍵的鼠標,I/O MIDI I/O接口,串行接口,并行接口,游戲桿接口(2) 軟件平臺Microsoft 公司的 Windows 3.1Microsoft 公司的 MS-DOS 3.1 版以上的操作系統與普通PC相比：CD-ROM、數字音頻子系統2、MPC產品及升級策略從以上介紹的MPC的軟、硬件平臺可看到MPC系統與普通的PC機相比，除了增加必要的音頻信號處理卡，視頻信號處理卡，CD-ROM驅動器以及必要的外部設備以外，并無特殊之處。（1）MPC系統在市場上最先推出的獨立工作的MPC系統是 Tandy 公司的4033LX Multim

5、-edia。它由標準的33MHz386計算機加上Sound Blaster Pro 音頻處理卡, Super VGA 顯示接口,Tandy 的CD-ROM驅動器和接口卡組成。(2) MPC升級套件由Creative Lab 推出的 MPC 升級套件。包括: 一塊Sound Blaster Pro 音頻卡一個內裝的CD-ROM驅動器。最近又推出Video Blaster 卡, 它將使PC機具有獲取視頻圖像、圖形重疊和VGA顯示中的視頻窗口等功能。(3)PC軟件開發工具MPC主要用于播放記錄在CD-ROM上的各種電子出版物和用于電子游戲等。對于公司、學校，可以用MPC制作一些多媒體演示系統和公司介

6、紹和教學演示等，需要多媒體著作工具。(4)媒體的應用產品主要是指已錄制在CD-ROM盤片上的各種電子出版物或電子游戲。(5)MPC升級策略升級辦法如下:自己購置組成MPC的硬件和必要的軟件,自己安裝調試。請專業公司和專業人員協助升級。購置多媒體升級套件。3、MPC的功能和應用MPC主要是面向個人和家庭用戶。本節中我們將先介紹MPC系統的功能，然后在此基礎上說明MPC的用途。MPC的功能：(1)從它對音頻、圖形、圖像和視頻等各種媒體信息的處理和管理能力來評價a.對音頻信號的處理能力錄入、處理和重放聲波信號。可以用MIDI（樂器數字接口）技術合成音樂。b.圖形功能。MPC有較強的圖形處理功能。c.

7、圖像處理功能。MPC通過VGA接口卡和顯示器可以逼真、生動的顯示靜止圖像。d.視頻處理功能。MPC對視頻圖像的處理很有限。(2)以下以我們多媒體演示和電子出版物為例來說明MPC在應用時的性能a.MPC的多媒體演示功能綜合應用文本、圖形、動畫、音頻和圖像制作演示?？臻g位置編輯功能。提供定時表用于控制屏幕部分的畫面或音頻信號的持續時間。完善的圖形繪制和編輯工具。b.多媒體電子出版物與印刷書籍相比的優點：用交互式多媒體技術提高了信息交流的效率。配有適當軟件開發工具,輔以相應的硬件,用戶可以用MPC來自行開發演示或制作部分電子出版物,或把已有的電子出版物編輯在一起。MPC的應用：(1)教育培訓(2)信

8、息咨詢(3)商業服務a.零售商品展示b.產品操作手冊c.銷售演示d.家庭教育和娛樂二、數字視頻交互式（DVI）多媒體計算機系統DVI系統中的視頻音頻引擎(AVE):在1987年3月第二次Microsoft CD-ROM會議上首次公布了DVI（digital video interactive）技術的研究成果，1989年10月Intel公司從GE公司買來了DVI技術，1989年Intel和 IBM公司在國際市場上推出 DVI技術的第一代產品 Action Media 750， 1991年又在美國 Comdex展示會上推出了 DVI技術的第二代產品 Action Media 750II，它榮獲了

9、Comdex 91最佳多媒體產品獎（Best Multimedia Product）和最佳展示獎（Best ofShown）。 Comdex的最佳獎相當于計算機工業的奧斯卡（Oscars）獎。與I型DVI系統相比，它有如下幾點改進：(1) 性能指標高。(2) 使用了專門的門陣電路。(3) 將多塊處理板變成一塊處理板。1、視頻子系統功能：視頻信號的壓縮編碼、視頻信號處理和視頻信號的顯示。組成：主要由82750 PB像素處理器82750 DB 顯示處理器以及VRAM組成。工作原理：視頻-PLV壓縮算法（由像素處理器執行）-VRAM里存放微程序。核心：視頻算法和顯示引擎VRAM存放所有DVI系統數據

10、，包括：位映射數據、壓縮編碼數據、算法微碼、控制執行算法的數據結構以及控制顯示功能的寄存器集數據。像素處理器82750PB可編程專用處理器,用微碼執行視頻圖像,快速處理算法、視頻特技以及數字式運動圖像和增進圖像的壓縮算法，以及解碼算法。顯示處理器82750DB是非常靈活的顯示處理器，他能夠將不同的位映射數據變換成在監視器顯示需要的模擬的RGB信號。(1) VRAM結構可編程的CRT-C并行通道連到像素處理器串行通道連到顯示處理器(2) 82750PB像素處理器結構 82750PB像素處理器直接連接到VRAM的隨機或并行通道。a、82750PB具有48位指令字長，處理能力強，可以同時執行多種操作

11、，每秒可執行100M操作（100MOPS）。b、某些指令字段控制的硬件結構特性，特別適合于圖像處理的運算操作。它包括兩個分開并對稱的內部16位數據總線，為8位像素計算專門分開的ALU操作；在解壓縮時為運動補償設計了像素插值器，為解釋壓縮編碼數據流設計了統計解碼器;為了同DVI的VRAM傳輸數據所設計的四個先進先出數據緩沖區（FIFO）。c、一個微碼塊通常是一些循環指令,它將重復執行給定的算法。微碼表在VRAM中，至于有的時序信號都是82750PB負責產生,讀字VRAM的時序信號，而且適應不同的VRAM，它可以改變。(3) 82750DB顯示處理器結構顯示處理器連接到VRAM的串行通道。a、它是

12、非常靈活的顯示處理器，可編程的顯示處理器，通過寄存器CRTC 45MHZ 適應不同的監視器。輸入和攝象機同步，輸出和VGA同步。b、它能將幾種不同的位映射格式，解釋成在監視器顯示屏幕上所需要的模擬信號數據流。例如：YUN信號, 9bit , 每一行求一次Y，每四行求一次U、V。它能完成從不同存儲器取來，完成插值運算。YUV RGB，彩色空間轉換。2、音頻子系統功能：與視頻子系統并行操作。組成：DSP音頻信號處理器、數字到模擬轉換和模擬濾波器等硬件組成。任務：主要執行音頻信號的壓縮和解壓縮；數字信號到模擬信號的轉換，最后送到音頻放大器和音響系統進行播放。工作原理：音頻壓縮編碼用ADPCM核心部件

13、：模擬設備公司生產的AD2105a. DVI系統采用ADPCM4E壓縮算法b. 控制音量c. 采樣速度d. 從VRAM中讀語言的匯編碼、解壓縮編碼，送到D/A變換器。上述操作DSP的編程碼及LUT，由音頻門陣通過DMA加載。DSP在開始顯示之前譯1-2幀位映射數據放在FIFO中。DSP的中斷處理子程序：三種中斷：采樣輸出壓縮編碼FIFO同步中斷(1)采樣輸出要向DSP發中斷請求，DSP將采樣數據從FIFO通過門陣音頻輸出寄存器，送到立體聲、D/A變換器、數據串行變化任務。(2)緩沖區滿DSP中斷獲取音頻數據時,進行壓縮編碼,當輸入緩沖區滿時,響應從門陣來的中斷處理信號。(3)在垂直消隱時，每個

14、顯示幀出現一次。目的是解決視頻和音頻同步。DSP和主機的通訊及DVI信息設備之間的通訊有兩種通道：(1) 通過VRAM的數據結構(2)通過鍵連/音頻門陣中的MDVIR、DVI信息寄存器及DSP信息寄存器。D/A轉換：單片16位，D/A轉換器濾波(模擬濾波) 17kHz截止頻率最高輸出頻率可達44.1kHz有5個極點的濾波器音頻子系統三個門陣主機接口門陣：VRAM / SCSI / Capture接口門陣82750 LA 音頻子系統門陣DVI總線、視頻音頻總線：為了支持視頻和音頻子系統，大量的基本數據必須在DVI的VRAM及DVI的其余設備之間傳遞。它采用具有多路開關功能的32位數據和地址總線，

15、也稱為DVI總線。該總線是由VRAM并行通道數據信號組成，主機能夠通過該總線與DVI每個子系統通訊，而且子系統之間可以通過總線終端。2、DVI軟件系統中的音頻視頻子系統AVSS DIV軟件系統中的音頻視頻子系統-AVSS（Audio Video Support System）AVK-Audio Video Kernel3、在窗口系統環境下開發的AVK AVSS/RTX的結構必須在特殊的DOS平臺環境下執行，而且不容易移植到新的環境。調度各種任務采用的RTX技術必須重新考慮而找一個新的替代技術。AVK（Audio/Video Kernel）系統能夠用新的任務調度機制滿足上述兩個需要，AVK系統能

16、夠在不同操作系統支撐環境下工作，而且為了實時響應它，能夠最少的依賴于主機CPU。三、將多媒體和通信功能集成到CPU芯片中1、集成設計原則在這里集成的含義是指：在原有計算機體系結構結構中，如何增加下述新的功能：多媒體數據的獲取多媒體數據的壓縮和解壓縮多媒體數據的實時處理和特技多媒體數據的輸出和多媒體通信（1）采用國際標準的設計原則標準化是產業成功的前提，為了使新型的計算機增加多媒體數據的獲取，壓縮和解壓縮、實時處理和特技、輸出和通信等功能，設計時必須采用國際標準。（2）多媒體和通信功能的單獨解決變成集中解決計算機綜合處理聲、文、圖信息和通信功能，過去的解決辦法是設計專用接口卡分散單獨解決，如使用

17、類似聲霸卡解決聲音的輸入輸出和實時編碼、解碼及處理問題；使用類似視霸卡解決視頻信號的輸入、顯示輸出及多窗口的彩色鍵連問題；使用視頻信號壓縮編碼和解碼卡解決視頻信號壓縮和解壓縮問題，使用局域網和ISDN網接口解決局域網和遠程網的通信問題?，F在希望采用微碼引擎，設計制造合適的DSP或陣列處理器通過微碼編程綜合解決上述問題。（3）體系結構設計和算法相結合要求處理器具有如下特點：A、快速靈活的算術運算能力B、擴展的動態范圍C、多操作數的同周期提取D、件的循環緩沖E、多個二維查找表（TD-LUT）F、無額外開銷的循環和分支控制(4) 把多媒體和通信技術做到CPU芯片中將多媒體和通信功能融合到CPU芯片中

18、。融合方案分成兩類：一類是多媒體和通信功能為主，融合CPU芯片原有的計算功能；另一類是以通用CPU計算功能為主,融合多媒體和通信功能。2、Mpact媒體處理器及其PCI總線評價卡 1996年世界上很多廠商推出了多媒體處理器,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 高度集成的多媒體加速器。Mpact芯片的功能和工作原理3、Trimedia媒體處理器、參考板及其軟件開發環境 TM-1000是Philips公司于1996年底推出的新一代媒體處理芯片

19、（Media Processor）。它是一款針對實時處理音頻、視頻、圖像和通信數據流的通用微處理器，內部集成了一個極高性能的CPU，一些周邊的I/O單元和協處理單元。綜合運用內嵌DSP（Digital Signal Processing）的方案和通用CPU的高度可編程特性，使它以極高的性價比實現了高性能的多媒體功能。因此它在消費類電子產品和PC產品中得以廣泛應用。它有以下幾個主要特點：在一塊芯片上同時處理音頻、視頻、圖像和通信數據流；內部集成一個強大、通用的VLIW（Very Long Instruction Word）非常長指令字）的處理器內核，包含分離的數據和指令cache（高速緩沖存儲器

20、），峰值計算速度達到40億次/秒。相互獨立，DMA驅動的多媒體輸入輸出單元接受和輸出格式化的數據，以及能實現特殊多媒體算法的多媒體協處理單元。指令集包括RISC、多媒體、DSP以及和IEEE兼容的浮點運算。TM-1000內部和功能單元之間通過一個高性能的總線和存儲系統進行通信。利用高性能的軟件開發工具和預先構造的庫，使多媒體應用的開發基于c或C+語言。4、將多媒體和通信功能集成到CPU芯片中Phenix芯片和MMX技術多媒體和通信功能集成CPU芯片內的另一類，是以通用CPU計算功能為主，融合多媒體和通信功能。它們的設計目標是與現有計算機系列兼容，融合多媒體和通信功能，主要用在多媒體計算機中。（1）Motorola公司Phenix芯片 Phenix芯片把可擴展的Power PC 的核作為標量處理器和陣列處理