Медиа-процессор TriMedia TM-1300 — взгляд в будущее

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 Mбит с шиной, работающей со скоростью до 143 МГц.

Кроме программируемого центрального блока, чип TriMedia TM-1300 содержит ряд специализированных 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.
• 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 аудио- сигналов, 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 супербыстрого 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 3D-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 качестве 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.

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 Хаффманa. Результаты таких операций пересылаются в память SDRAM через внутреннюю шину, к которой отдельные устройства имеют доступ черезсвой 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 конверторов 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 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

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.