CC BY
53Компоненты и технологии, № 6'2002
Медиа-процессор TriMedia TM-1300 -
взгляд в будущее
Игорь Лапченко
Медиа-процессор TriMedia ТМ-1300
Мультимедийный процессор конца XX века. Новое направление систем обработки видео для компьютера РС.
Процессор TriMedia TM-1300 фирмы Philips относится к группе так называемых программируемых медиа-процессоров и является развитием предыдущих чипов семейства TriMedia — TM-1100 и TM-1000. «Сердцем» чипа TriMedia TM-1300 является центральный процессор DSPCPU, работающий с частотой 166 МГц. Этот процессор относится к категории сигнальных процессоров DSP и универсальных вычислительных блоков. Что это дает на практике? В отличие от мультимедийных микросхем, реализующих только несколько выбранных функций (например, компрессию или декодирование видеоданных в определенном формате), процессор TriMedia может реализовать любой алгоритм благодаря соответствующей программе. Поэтому область его применения ограничена только воображением программистов, которые имеют в своем распоряжении два процессора: главный процессор компьютера PC и специализированный медиа-процессор TM-1300.
Универсальность мультимедийного процессора сочетается с очень высокой его производительностью. Центральный блок, построенный на архитектуре VLIW (от англ. very long instruction word — очень длинное слово инструкции), может выполнять около 6,5 млрд операций в секунду, что делает его идеальным средством для выполнения преобразований сигналов в реальном масштабе времени — аудио, видео, компьютерной графики и коммуникационных потоков, (например, обслуживание аналоговых и цифровых модемов). К процессору можно подключить память SDRAM величиной до 64 M6ot с шиной, работающей со скоростью до 143 МГц.
Кроме программируемого центрального блока, чип TriMedia TM-1300 содержит ряд специализиро-
Цифровой видео вход CCIR 656 в формате YUV 4:2:2 до 80 МГц
фровои звуковой стереовход данные 8 или 16 бит, шина 125 до 20 МГц
Шина I2S управления гг
8 канаолв цифрового выхода звука 1ина I2S 16/32 бит до 20 МГц
Цифровой выход звука AC3-SPDIF IEC958 до 40 Мбит/сек
Цифровой видео выход CCIR 656 в формате YUV 4:2:2 до 80 МГц
модем, ISDN, Front End
Рис. 1
ванных вспомогательных модулей, таких, как видео-и аудио- вход и выход, интерфейс периферийных устройств, а также графический сопроцессор, который помогает центральному блоку в типовых операциях, таких, как копирование и скалирование фрагментов изображения или декомпрессия MPEG.
По своей архитектуре чип TM-1300 дает почти неограниченные возможности там, где необходимо одновременно обрабатывать несколько различных мультимедийных потоков. Такими потоками могут быть, например, видео- или аудиосигнал с камеры, магнитофона или с привода DVD. Благодаря огромной вычислительной мощности процессора и поддержке специализированных модулей, поток может быть в реальном времени подвергнут любому процессу обработки, такому, как компрессия, декомпрессия, фильтрация, преобразования — и это в любых форматах видео и аудио!
Кроме того, TM-1300 находит применение в различных мультимедийных приложениях, таких, как например, видеоконференции, видеомонтаж, системы визуального контроля, охрана объектов, анализ изображений в промышленности, а также в многофункциональных устройствах (цифровые телевизионные приемники и устройства SetTopBox). Очевидно, что чип TriMedia TM-1300 может быть также установлен на плату расширения компьютера PC, который, «вооружившись» таким образом, станет настоящим мультимедийным центром.
Характеристики медиа-процессора TriMedia TM-1300
• Преобразование сигналов аудио-, видео- и коммуникационных каналов в одной интегральной микросхеме.
• Идеален как главный процессор для мультимедийных применений.
• Используется процессор DSPCPU с архитектурой типа VLIW с частотой 143 или 166 МГц, идеально подходит для параллельных преобразований, достигая мощности 6,5 млрд операций в секунду.
• Универсальный набор команд, типичный для традиционного микропроцессора, специальный набор мультимедийных команд, SIMD и математических инструкций.
• Независимые DMA-каналы для мультимедийных портов, сопроцессоров и главного процессора DSPCPU.
• Шина PCI/XIO.
• От 16 до 64 Мбит SDRAM с частотой до 143 МГц.
Компоненты и технологии, № 6'2002
Шина PCI
Рис. 2
Источник аналогового видеосигнала
Шина PCI
Рис. 3
• Аппаратная поддержка воспроизведения DVD, декодер MPEG2, Dolby Digital в формате AC3.
• Сопроцессор для преобразования изображений.
• Сопроцессор VLD для облегчения процесса декомпрессии и компрессии MPEG1 и MPEG2.
Попробуйте представить себе некоторый компьютер PC, оснащенный платой с микросхемой TriMedia TM-1300. Затем, помня о всех интересных технических особенностях, несколько шире опишем элементы архитектуры микросхемы, о которых упоминалось в начале.
Оцифровка видеосигналов из аналоговых источников
Первое применение нашего мультимедийного центра — это оцифровка на жесткий диск стандартных аналоговых видео- и аудиосигналов, например, в формате AVI-файлов. Файлы, оцифрованные в такой системе перед записью на жесткий диск компрессируются при помощи микросхемы TM-1300. По сути дела, компрессия может осуществляться в любом формате: JPEG, MPEG, Wavelet или DV!
Ни одна из доступных обычных систем нелинейного монтажа или оцифровки видеосигналов не может похвастаться такой универсальностью и богатыми возможностями, и это потому, что алгоритм компрессии и декомпрессии реализован при помощи супербыст-рого процессора, который является «сердцем» TM1300. Достаточно изменить только программу процессора! На практике это позволяет получить наилучшие возможности по качеству аудио и видео, в зависимости от требований пользователя и доступного дискового пространства. Программируемый процессор открывает также путь к созданию совершенно новых форматов компрессии, где реализованные на его базе приложения не ограничиваются ни существующими стандартами, ни рамками аппаратных решений.
Работа с цифровыми устройствами, совместимыми со стандартом IEEE-1394
Другая область применения компьютера, оснащенного процессором TM-1300 — это работа с цифровыми видеоустройствами, имеющими интерфейс FireWire (IEEE 1394). Наипопулярнейшими представителями таких устройств являются камеры и камкордеры DV.
Никого уже не нужно убеждать в их преимуществах, а также в преимуществах формата DV — об этом свидетельствует растущая популярность таких устройств.
TM-1300 может в реальном времени компрессировать и декомпрессировать видеофильмы в формате DV, используя все возможности DV-устройств. Огромный интерес представляет также возможность компрессии в формате DV сигналов от аналоговых источников! На практике это дает возможность заменить аналоговый сигнал на формат DV и записать его в таком виде на жесткий диск. Созданный файл можно переслать на устройство DV. Аналогично, преобразование в другую сторону — из формата DV в аналоговый — не будет проблемой и также может быть реализовано в реальном времени.
Формат DV имеет постоянный коэффициент компрессии, ставя вопрос о возможности использования TM-1300 для изменения этого коэффициента и создания нового формата компрессии. Воплощая эту идею, фирма HDP Electronics разработала новый формат компрессии, названный XJPG, который подобен формату DV. Вот что отличает формат XJPG от DV:
• меньшая сложность вычислений;
• возможность регулировки качества компрессии изображения;
• преобразование без потерь в формат DV. Фильм, оцифрованный в новом формате
XJPG, занимает меньше места на жестком диске, а его качество может быть подобрано под индивидуальные потребности пользователя.
Видеомикшер и процессор 30-эффектов
Наш мультимедийный центр может использоваться для линейного монтажа (этот метод известен по системе VideoF/X 2000). В этом случае микросхема TriMedia превращается в микшер двух видеосигналов. В качест-
ве дополнительного аналогового сигнала можно использовать дополнительную входную плату, которая через шину PCI будет взаимодействовать с TM-1300.
В показанном примере TM-1300 смешивает два аналоговых сигнала, одновременно делая необходимые вычисления, чтобы в реальном времени преобразовывать и фильтровать видеоизображение, создавая, например, трехмерные эффекты. Невозможно сосчитать все возможные эффекты, их число и вид зависит только от воображения тех, кто создает программное обеспечение. Перечислим, однако, наиболее типовые:
• наложение на видеоизображение надписей или любых других графических изображений;
• наложение видеоизображения на подготовленную заранее компьютерную графику (так называемый эффект blue-box, дающий возможность, например, создать виртуальную студию);
• дополнительные переходы между надписями (или компьютерной графикой) и «живым» видеоизображением;
• скалирование изображений;
• создание разнообразных плоских и трехмерных эффектов на «живом» видеоизображении;
• коррекция параметров изображения;
• регенерация видеосигнала (time-base corrector);
• наплыв изображений из двух источников;
• скалирование и смешивание двух «живых» изображений на экране одновременно;
• выполнение эффекта «картинка в картинке» (PIP) по любому графическому шаблону (например, врезка «живого» изображения в контур букв, отображаемых на фоне другого «живого» изображения);
• наложение разнообразных плоских и трехмерных эффектов на два «живых» видеоизображения.
Источник видеоизображения напр, магнитофон
VIDEO 1
Источник видеоизображения напр, камера VIDEO 2
Рис. 4
Входная плата AV - Mixer
Шина PCI
PCI PC х8 6 CPU
Компоненты и технологии, № 6'2002
Рис. 5
Шина PCI
PCI РСхвй CPU
Дополнительный сопроцессор
Последнее из рассматриваемых применений процессора TM-1300 — это использование его в качестве дополнительного акселератора.
Центральный блок (DSPCPU) процессора TriMedia TM-1300 может реализовать максимум 6,5 млрд операций в секунду и для многих алгоритмов значительно более эффективен, чем главный процессор компьютера PC из семейства x86. DSPCPU выполняет до пяти операций одновременно; эти операции складываются в одиночную команду VLIW. Большинство таких команд выполняется в едином временном цикле. Стоит напомнить, что некоторые операции могут быть выполнены независимо от DSPCPU, через вспомогательный сопроцессор, реализующий такие операции как: копирование памяти, скалирование изображений, преобразование форматов YUV в RGB или декодирование Хаффмана Результаты таких операций пересылаются в память SDRAM через внутреннюю шину, к которой отдельные устройства имеют доступ через свой индивидуальный канал DMA.
Практическое использование этого потенциала зависит только от способностей тех, кто создает программное обеспечение. Можно использовать специальные библиотеки, которые будут задействовать приложение в некоторых заданиях, например, обеспечивать выполнение эффектов в программе Adobe Premiere, производить рендеринг, преобразовывать компьютерную графику, изменять графические форматы и т. д. Процессор TM-1300, взаимодействуя с соответствующими программами, может быть «виден» в системе как еще одна графическая карта.
Установка в системе всего лишь одного процессора TM-1300 открывает такие возможности, о которых до недавнего времени можно было только мечтать.
Архитектура процессора TriMedia TM-1300
Несколько слов о наиважнейших элементах архитектуры процессора TM-1300, говорящих о его необыкновенном потенциале.
Главный процессор (CPU)
«Сердцем» микросхемы TM-1300 является главный процессор с характерными чертами сигнального процессора DSP, построенного по архитектуре VLIW. В команде длиной в пять одиночных команд можно закодировать до пяти реализуемых одновременно операций. Каждая из этих операций может выполняться в едином временном цикле и
использовать один из 27 функциональных элементов процессора.
Отличительная черта процессора VLIW в микросхеме TriMedia — это оптимизация параллельного выполнения программы на этапе ее компиляции. Благодаря этому удалось упростить центральный блок, который не может быть выполнен в аппаратуре оптимально. Высвобожденные аппаратные ресурсы используются для создания специализированных мультимедийных функций.
Кроме традиционных микропроцессорных команд и стандартного набора неизменяемых операций, блок команд процессора TM-1300 содержит специальные мультимедийные команды и команды, помогающие преобразовывать сигналы (DSP). Это так называемые команды типа SIMD (от англ. single instruction multiple data — единичная команда, работающая со многими данными). Использование команд SIMD позволяет реализовать до 12 стандартных операций в едином временном цикле.
Видеовход (VIDEO IN)
Видеовход позволяет принимать поток видеоданных из любого внутреннего источника. Он может работать с любыми устройствами, совместимыми со стандартом CCIR656, которые выдают восьмибитовый параллельный поток данных в формате YUV 4:2:2 с разделением во времени, например, с цифровыми видеокамерами. Данные YUV записываются в память SDRAM.
Модуль видеовхода может дополнительно выполнять функцию понижения строкового разрешения, благодаря чему изображение с высоким разрешением (720 пикселей в строке) может «на лету» преобразовываться в меньшее разрешение (360 пикселей в строке) без участия главного процессора. Уменьшение разрешения на входе позволяет облегчить требования к памяти и уменьшить нагрузку на внутреннюю шину данных.
Видеовыход (VIDEO OUT)
Модуль видеовыхода генерирует поток данных в формате YUV, предназначенных для цифровых устройств, таких, как блоки видеокодеров, цифровые магнитофоны и др. Дополнительно модуль видеовыхода самостоятельно реализует некоторые операции, такие, как увеличение разрешения по горизонтали при преобразовании из стандарта CIF/SIF в CCIR 601, а также прокеивание по цвету (англ. chroma keying). Кроме того, этот модуль выполняет роль интерфейса между несколькими работающими друг с другом процессорами TriMedia.
Аудиовход и выход
Аудиовход и выход может непосредственно работать с большинством быстрых кон-
верторов A/D и D/A или кодеков. Модуль входа и выхода программируется, поэтому поток аудиоданных может быть «подогнан» под нетиповые протоколы и будущие стандарты. Также доступен широкий диапазон частот оцифровки, а также функция синхронизации звука с видеосигналом.
Вход обслуживает максимально два аудиоканала в форматах моно и стерео (16 бит). Выходной модуль может обслуживать максимально восемь каналов в форматах моно и стерео (16 или 32 бит). Соответствующее программирование микросхемы обеспечивает совместимость со стандартами Dolby ProLogic и Dolby Digital (AC3).
Сопроцессор изображения
Этот сопроцессор разгружает центральный блок, реализуя некоторые часто выполняемые операции, такие, как копирование изображений из памяти SDRAM в видеопамять компьютера, вертикальную или горизонтальную фильтрацию и скалирование изображений, а также преобразование формата YUV в RGB (например, для того, чтобы отобразить изображение на мониторе компьютера). Сопроцессор реализует также функцию, связанную с отображением видеоизображения в нескольких растягиваемых окнах.
Сопроцессор VLD
Это блок осуществляет декодирование потока видеоданных MPEG1 и MPEG2, закодированных методом Хаффмана. Декодированный поток также дополнительно оптимизируется под текущее применение посредством программирования процесса декомпрессии данных MPEG-2.
Декодер DVD
Декодер дает возможность проверять правильность и дешифровать данные DVD, благодаря этому микросхема TriMedia может с малыми материальными издержками участвовать в воспроизведении DVD.
Подсистема памяти
Главный блок TM-1300 оснащен двумя независимыми блоками сверхбыстрой памяти (cache) — команд и данных. Применяется новейшая техника оптимизации работы сверхбыстрой памяти. Чтобы минимизировать загрузку шины данных, инструкции в сверхбыстрой и главной памяти хранятся в компрессированной форме и декомпрессируются непосредственно перед передачей в главный CPU.
Обслуживается большое число разных конфигураций главной памяти, в том числе 16- и 64-мегабитной памяти SDRAM. Система может быть оснащена памятью с емкостью 8, 16 или 32 Мбит. Существует также возможность подключения памяти с большей емкостью (до 64 Мбит) при условии понижения частоты работы шины либо применения внутренних буферов.
Фирма Philips предоставляет комплексную поддержку разработчикам — программную среду проектирования (TriMedia Software Development Environment). Все программное обеспечение пишется на языке C/C++. В комплекте — полная документация, примеры кодов, утилиты отладки, компиляторы, ассемблер и т. д. С середины 2000 года полную поддержку разработчиков и производителей
Компоненты и технологии, № 6'2002
производит дочерняя фирма Philips — Trimedia Technologies Inc. Дополнительную информацию о новых разработках и деятельности этой фирмы можно получить на сайте www.trimedia.com.
Генеральным дистрибьютором изделий HDP Electronics в России является петербургская фирма Amiga Plus, которая специализируется на видеомонтажных системах и устройствах видеообработки. Она также ведет разработки новых устройств на процессорах Philips TriMedia и приглашает к сотрудничеству инвесторов и талантливых программистов и разработчиков. Дополнительную информацию можно получить на сайте www.videopro.ru или по электронной почте [email protected].
Интересная и перспективная микросхема — это еще полдела... Потребителей интересуют конкретные изделия, использующие возможности вышеописанного процессора. Архитектура процессора TriMedia спроектирована для поддержки широкого диапазона применений в области обработки медиа-данных и коммуникационных процессов и подходит для разработок в области цифровой видеообработки и телевидения, интернет-навигации, электронной почты и игр.
Со времени появления на рынке этого поколения мультимедийных процессоров множество производителей электронных устройств использовали это чип в своих уникальных разработках в области интеллектуальных систем цифрового телевидения (Интернет-вещание, видеопочта), видеофонии, систем охраны и наблюдения, цифровых видеомонтажных систем, персональных видеорекордеров и домашних видеосетей. На врезке приведены некоторые примеры устройств с чипом TriMedia. ИМ
Шина PCI
Рис. 6
Производитель:
Philips Consumer Electronics
Продукт:
64" Проекционный телевизор формата HDTV
Производитель: 2WIRE, Inc. Продукт: HomePortal™ Комплексная DSL-система домашней сети
Производитель:
Fast Multimedia Продукция:
Видеомонтажная система Blue Видеомонтажная система 601
Производитель:
Integrated Computing Engines (ICE) Продукт: BlueICE™ Ускоритель Видеоэффектов
Призводитель:
Samsung
Продукт:
ATSC Цифровой TV-приемник
Производитель: Sony Продукт: ATSC Цифровой телевизионный приемник
Производитель:
Polycom
Мировой лидер
Производитель: Matrox Продукт: Видеомонтажная система DigiSuite DigiSuite DigiSuite LE DigiSuite HDTV
Производитель: DResearch Digital Media Systems
Продукт:
Teleobserver Security Series Беспроводная система охраны, использующая GSM-связь
Производитель:
HDP Electronics
Продукт:
Видеомонтажная плата VideoZIP RT
Производитель:
Telestream
Продукция^ ClipMail™ Видео e-mail вещательного качества
по системам
телеконференций
Продукт: ViewStation Станция видеоконференций ViewStation SP
Є
