MULTIMEDIÁLNÍ HARDWARE

MULTIMEDIÁLNÍ HARDWARE

Multimediální PC – historie 

MPC, Microsoft 1991   

 



Procesor 386SX / 16 MHz 2 MB RAM HDD 30 MB VGA 640 x 480, 256 barev 1x CD-ROM 

přenosová rychlost 150 KB/s



zátěž procesor méně než 40%

MPC Level 3, 1996   



se schopností přehrávat stereo na frekvenci 22 kHz a nahrávat zvuk na frekvenci 11 kHz





s multimediálním rozšířením 

s možností přehrát video 352 x 240, 30 snímků za sekundu, 32 768 barev

4x CD-ROM 

přenosová rychlost 600 KB/s



zátěž procesor méně než 40%

16-bitová zvuková karta 

Operační systém Windows 3.0 

Procesor Pentium / 75 MHz 8 MB RAM HDD 540 MB VGA 

8-bitová zvuková karta 





se schopností přehrávat stereo na frekvenci 44.1 kHz, s možností FM syntézy

Operační systém Windows 3.11

Hardware pro multimediální PC     



 

Zvuková karta Grafická karta Střihová zařízení TV/FM tunery Optické disky, magnetooptické disky Zobrazovací zařízení Tisková zařízení Skener

Multimediální centrum 

HTPC (Home Theater PC) 

speciální „obývákové“ PC     

výkon kompatibilita multimediální funkce nízká hlučnost (pasivní chlazení) ovládání, vzhled

http://pctuning.tyden.cz/multimedia/pc-v-obyvaku-htpc

Multimediální centrum – SW  

Windows Media Center XBMC 



Linux, iOS, Windows

Moovida 

Windows, Linux

Multimediální konzole a přehrávače

Mikroprocesor 

Ústřední výkonná jednotka 



Vnitřní architektura 

 

čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program RISC/CISC

Počet jader Počet bitů 

který je schopen zpracovat v jednom kroku

Vnitřní architektura mikroprocesoru 

CISC (Complete Instruction Set Computer)  



velká sada strojových instrukcí různě dlouhé vykonání instrukcí

RISC (Reduced Instruction Set Computer) 

pro vykonání 80% operací zapotřebí 20 instrukcí 

 



procesory řád. stovky

jednodušší instrukce, zvýšení frekvence řetězení instrukcí (pipelining)

post-RISC 

překlad (rozdělení) CISC instrukcí na RISC (několik mikroinstrukcí) 

 

ty se pak provádějí mimo pořadí a paralelně

dnes většina (Intel) instrukční sady jsou rozšířeny o speciální povely pro práci s multimédii 

MMX, SSE, 3DNow!

Multimediální rozšíření instrukčních sad 

MMX („MultiMedia eXtension“), Intel 1997 

nové datové typy, registry a instrukce  

zvětšení vnitřní cache využití osmi 64-bitových registrů 







rozšíření o 57 nových instrukcí (pův. 220)

nevýhoda – práce pouze s celými čísly

3DNow!, AMD K6-2, 1998 

podpora SIMD operací v plovoucí desetinné čárce 





podporují paralelní zpracování dat

Single Instruction, Multiple Data

21 nových instrukcí, MMX instrukce

SSE (Streaming SIMD Extensions), Intel 1999, PII  PIII  

 

70 nových instrukcí 8 nových 128-bitových registrů SSE2, SSE3 (P4) SSE4 (Core 2 Duo)

Procesory ARM 

Advanced RISC Machine, pův. Acorn RISC Machine   

32bit (v době vzniku moderní) první navržen firmou ARM Limited v r. 1984 r. 2007 architektura ARM zastoupena v 98 % mobilů 





ve více než miliardě každoročně prodaných mobilů

schéma procesorů "intelektuální vlastnictví" firmy ARM, od výrobců hardwaru vybírá licence

Využití 

PDA, mobilní telefony, multimediální přehrávače, přenosné herní konzole, kalkulačky, pevné disky, routery, jednodušší PC, …

Vlastnosti ARM 

Charakteristika ARM  32bit vnitřní architektura, 32bit datová sběrnice (32 MB/s)  26bit adresová sběrnice 

    





dostupný lineární adresní prostor 64 MiB

25 vnitřních 32bit registrů přístup do paměti Load/Store částečné překrývání vnitřních registrů doba reakce na přerušení 3 ms možnost podmíněného vykonání instrukcí možnost připojení standardních pamětí DRAM jednoduchý a výkonný instrukční soubor, jednoduše využitelné kompilátory vyšších programovacích jazyků http://www.semiconductorrelease.com/lpc1200-industrial-control-seriesextension-of-arm-cortex-m0-microcontroller-portfolio/

Sběrnice 

Skupina signálových vodičů 

přenos dat a řídicích povelů mezi zařízeními 



paralelní sběrnice 



řízena CPU, propojuje CPU s obvody na základní desce

Periferní sběrnice 



vodiče sdíleny pro přenos dat i řízení

Systémová sběrnice (Front Side Bus, FSB) 



řídicí, adresové a datové vodiče

sériová sběrnice 



pomocí stanoveného protokolu

spojuje FSB s okolním světem

Back Side Bus 

připojuje rychleji než FSB (L2, L3 cache)

FSB 

Obousměrná datová sběrnice 



Northbridge (systémový řadič) 





přenáší veškeré informace mezi procesorem a northbridgem zajišťuje komunikaci mezi CPU, RAM (řadič paměti), PCI Express sběrnicí může obsahovat integrovanou VGA

Southbridge (IO řadič)  

obsluha pomalejších zařízení vlastní proprietární rozhraní pro připojení s NB

Typy sběrnic 

ISA (1981, Industry Standard Architecture) 



VESA Local Bus (1992, VL-Bus) 



rozšíření ISA, přímý přístup do systémové paměti

PCI (1991, Peripheral Component Interconnect) 



šířka 8 nebo 16 bitů, přenosová rychlost < 8 MB/s

šířka 32 nebo 64 bitů, přenosová rychlost < 130 MB/s (260 MB/s)

AGP (1997, Accelerated Graphics Port) 

pro připojeni grafického rozhraní, 260 MB/s - 2 GB/s

PCI-Express (PCIe) 

Sériová implementace PCI 

založena na PCI, 2004 



Lokální sběrnice 



rozšiřující karty a systémy mohou být převedeny na PCI-Express pouze změnou fyzické vrstvy

spojena přímo s procesorem

Vyšší rychlost sběrnice 

použití místo všech existujících interních sběrnic 



jediný řadič PCIe 



včetně AGP a PCI může komunikovat se všemi externími zařízeními

konkuruje řešení pomocí severního a jižního můstku

Propustnost PCIe (1.1) obousměrný provoz dvojnásobek

1× 4× 8× 16×

- 250 MB/s - 1 GB/s - 2 GB/s - 4 GB/s

Propustnost PCIe (2.0) dvojnásobná

Univerzální sériová sběrnice (USB) 

Sériová polyfunkční sběrnice  



Rychlost 

 

 

2 diferenciální datové vodiče 2 napájecí vodiče 5 V/500 mA verze 1.1 rychlost 12 Mb/s verze 2.0 rychlost 480 Mb/s verze 3.0 rychlost 5 Gbit/s

Plug & Play Jedno zařízení Master 

všechny aktivity vycházejí z PC; vysílání dat  



krátké pakety o 8 B delší pakety o délce až 256 bajtů.

přijímání dat 

PC může požadovat data od zařízeni, zařízení nemůže vysílat data samo od sebe

USB 3.0 Parametr Přenosová rychlost Rozhraní Vodiče

USB 3.0

USB 2.0

5 Gbit/s

480 Mbit/s

dual-simplex, čtyři datové vodiče oddělené half-duplex, dva datové vodiče od USB 2.0 4 pro SuperSpeed, 2 pro low, full-speed i high speed (+ 2 2 pro ostatní (+ 2 napájení, celkem 8) napájení, celkem 4)

řízený hostitelem (řadičem) Transakční asynchronní protokol sběrnice packetový tok je směrován Power management Napájení

řízený hostitelem (řadičem) dotazovací packetový tok se vysílá na všechna zařízení

víceúrovňový (idle, sleep, suspend) PM pro připojení, zařízení i funkce

na úrovni odpojení a připojení portu PM pro zařízení

jako USB 2.0 s možností 50% zvýšení pro nekonfigurovaná zařízení a 80% pro konfigurovaná

podpora low/high power (100 resp. 500 mA) zařízení

Detekce připojení hardwarová detekce s přechodem do provozního stavu pro datovou komunikaci Typy dat. přenosu

jako USB 2.0 se SuperSpeed omezením (viz dále)

hardwarové detekce připojení portu, softwarový ovladač přepne zařízení do stavu zapnuto (může začít datový přenos) čtyři typy: control, bulk, interrupt a isochronous

http://hw.cz/teorie-a-praxe/art2569-vysla-specifikace-usb-30.html

Light Peak 

Optické propojení různých zařízení k počítači  

rychlost 10 Gb/s skládá se z ovládacího čipu a dvou optických modulů (dvoukanálový přenos) 

 

2 miniaturní laserové vysílače 2 fotosnímače 



optický modul zodpovědný za převod elektrických signálů na světlo a zpět

komunikaci přenášejí optické kabely s vlákny o průměru 0,125 mm

malé rozměry, cena; flexibilnost, propustnost i délka kabeláže

http://technet.idnes.cz/novinka-od-intelu-prenos-50gb-blu-ray-po-usb-za-pouhych-40-sekund-pb0-

Grafická karta (videoadaptér) 

Součást počítače, která se stará o grafický výstup 



Připojena pomocí systémové sběrnice 



na monitor, TV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku ISA, VESA, VLB, PCI, AGP, PCI-E

Typy zobrazení 

Plošný 2D 



kreslený ve 2 osách

Prostorový 3D 

kreslený ve 3 osách

Základní pojmy 

Pixel (Picture Element)   

též pel, px nejmenší jednotka bitmapové grafiky jeden svítící bod na monitoru 





skládá se ze tří základních obrazců – RGB

Texel (Texture Element) 

základní prvek textur pro povrchy 3D objektů 



jeden bod obrázku zadaný svou barvou

textury obvykle 2D

Voxel (Volumetric pixel)  

analogie pixelu ve 3D částice objemu, reprezentující nějakou hodnotu v pravidelné mřížce 3D

Funkce grafické karty 

Rendering 

tvorba reálného obrazu na základě počítačového modelu (3D)

Fillrate počet pixelů vytvořený za jednotku času

Součásti grafické karty 

GPU - grafický procesor  

výpočetní jádro grafické karty zodpovědný za rendering 



plně paralelní čip vhodný i pro matematické výpočty 







ukládány informace pro grafické výpočty může být sdílena RAM (u integrovaných na základní desce) DDR, DDR2, DDR3, GDDR3, GDDR4, GDDR5

Firmware 



až 100× větší výkon než CPU

Paměť 



zpracovává 3D geometrii na 2D obraz

informace o názvu, GPU, taktech a napětích GPU a grafické paměti

RAMDAC (Random Access Memory D/A Converter) 

D/A převodník (pro analogová zobrazovací zařízení) 

VGA, component video, …

GPU 

Pipelining  

zřetězené zpracování rozdělení zpracování jedné instrukce mezi různé části procesoru 



Pipeline  



stará se o komunikaci mezi grafickou pamětí a GPU

TMU (Texture mapping unit) 



cesta pro zpracování instrukcí vykreslí texel (i více texelů) v jednom taktu

Řadič paměti 



možnost zpracovávat více instrukcí najednou

pokládá na objekty textury

ROP (Render Output unit) 

zabezpečuje konečný výstup dat z grafické karty

Mapování textur - příklady

Sférická projekce

Kubická projekce

Cylindrická projekce

UV(W) mapování http://www.dimenze3.cz/view.php?nazevclanku=mapovani-textur-?-prirazeni-textury-na-objekt

Funkce GPU 

Mapování textur  



přiřazení texelů do pixelů výsledného obrazu jeden pixel generován z několika texelů

Texture filtering 

úprava rozlišení textury pro zobrazení plynulých přechodů  



např. bodové vzorkování  



velikost textury obvykle neodpovídá velikosti objektu zmenšení nebo zvětšení a výpočet mapování texelů na pixely objektu použije se texel ze středu pixelu podobné techniky jako u antialiasingu

Shader   

součást specifikace DirectX 8+ plně programovatelné součásti grafického čipu (každé pipeline) starají se o zpracování obrazu 

s několika dalšími jednotkami (například ROP – Render Output unit)

http://pcworld.cz/hardware/technologie-unifikovane-shadery-co-to-vlastne-je-3865

Shadery 

Vertex shader 

provádí geometrické transformace s vrcholy 





vrcholy nelze přidávat

Pixel shader (rasterizační program)  



výsledkem je pozice (2D) na obrazovce – získáme pixely

provádí se nanesení textury postupně na všechny pixely na obrazovce náročné na hardware, maximálně optimalizované

Geometry shader 

umožňuje přidávat a odebírat vrcholy 



upravovat geometrii

pracují s celou kostrou objektu před Vertex shadery 

pouze na DirectX 10 pod Windows Vista + http://home.zcu.cz/~jhruska/pipeline.html

Výstupy grafické karty – analogové 

VGA   

analogový grafický výstup konektor D-SUB pro vyšší rozlišení nutno dobře stíněné

http://www.edcheung.com/album/album07/Pinball/wpc_sound.htm

http://www.engadget.com/2007/03/13/how-to-make-a-solid-state-a-v-switcher/

Výstupy grafické karty – analogové 

Component video  



YPbPr kanály vyšší kvalita než VGA

Composite Video (CVBS – Color Video Blanc Sync)   

nejstarší standardní TV výstup jeden signálový vodič barevná složka modulovaná do jasové 



přepočteno na pevné rozlišení televize

špatná kvalita obrazu, horší než SCART

Výstupy grafické karty – analogové 

S-video  



 

náhrada kompozitního výstupu oddělení jasového (Luma) a barevného (Chroma) signálu 4-pin, 7-pin mini-DIN konektor připojení TV horší kvalita

Další způsobu přenosu analogového signálu 

SCART  

starší TV a videa, včetně zvuku horší stínění

http://www.tkk.fi/Misc/Electronics/faq/vga2rgb/scart.html, http://pinouts.ru/VideoCables, www.satellites.ru/main/faq

Výstupy grafické karty – digitální 

DVI (Digital Visual Interface)  



digitální grafický výstup systém korekce chyb

HDMI (High-Definition Multi-media Interface) 

výstup s vysokým rozlišením 



většinou připojením redukce do konektoru DVI 







zpětně kompatibilní s DVI-D

nový standardní televizní výstup přenos digitálního audiosignálu 



včetně chráněného obsahu

19 vodičů

1.0 (2002) 4.95 Gb/s 1.3 (2007) 10.2 Gb/s

http://www.cabletrain.com/cable-guide

Výstupy grafické karty – digitální 

DisplayPort 

 

   

 

digitální grafický výstup ve vysokém nekomprimovaném rozlišení přenos nekomprimovaného digitálního obsahu podpora ochrany DPCP (DisplayPort Content Protection) 128 bit. šifrování AES 8-kanálového zvuku rychlost přenosu 10,8 Gbit/s WQXGA (2560x1600) zvládá na vzdálenost do 3 metrů 1920x1080p zvládá na vzdálenost až 15 metrů nástupce DVI a HDMI

Rastrový obraz 

Dvourozměrná matice bodů (pixelů) 



High Color 

16-bit 



každý nabývá určitých hodnot podle typu obrazu

216 = 65 536

5 bitů na R a B, 6 bitů G (větší citlivost) (32×64×32=65 536)

True Color 

24-bit 



8 bitů (256 barev) na barevný kanál (256×256×256=16 777 216)

32-bit 

224 = 16 777 216

232 = 4 294 967 296

3×8 bitů na barvy + 8 bitů pro α-kanál; optimalizace rychlosti

Indexový mód 

Paleta (mapa barev)   



Greyscale 



odkaz do palety s odstíny šedi

Pseudocolor 





hodnota pixelu = umístění do převodní tabulky převodní tabulka (index reprezentován bytem, proto 256 barev) pixel  1 B – 3 B

odkaz do palety s odstíny RGB (8-8-8) (256×256×256=16 777 216) 1 B na barevný kanál, proto výběr 256 z 224 možných barev

Direct Color 

odkaz (r,g,b) do 3 barevných palet 

snadná změna všech barev bez změny rastru obrazu

Video Graphics Array (VGA) 

Standard pro počítačovou zobrazovací techniku  



Příklady specifikací      



IBM 1987 nástupce EGA a CGA 256 kB Video RAM 16 nebo 256 barev obnovovací frekvence až 70 Hz podpora jemného hardwarového skrolování typický režim 640×480 - 16 barev textové režimy VGA jsou 80×25 a 40×25 znaků

Nahrazeno  

SVGA (800×600) XGA (1024×768)

Extended graphics array Poměr stran 4:3 XGA SXGA+ UXGA QXGA QSXGA+ QUXGA Poměr stran 5:4 SXGA QSXGA SINS Poměr stran 16:10 WXGA WXGA+ WSXGA+ WUXGA

1024×768 1400×1050 1600×1200 2048×1536 2800×2100 3200×2400 1280×1024 2560×2048 3200x2560 1280×800 1440×900 1680×1050 1920×1200

Poměr stran 16:9 WXGA WXGA WXGA++ FHD

1360×768 1366×768 1600×900 1920×1080

Bezdrátový přenos videa 

Intel WiDi 

vytvoření bezdrátové sítě s televizí 



komprimace obsahu obrazovky 





přímo z paměti grafické karty 30 fps, dynamický datový tok 6 - 9 Mb/s

Wireless HD  ekvivalent HDMI (1.3 10.2 GB/s),  pro HD videa komprimovaná H264 nebo nekomprimovaná 



komprimace MPEG2

přenos do adaptéru (televizoru) 



prostřednictvím klasické Wi-Fi sítě

frekvence 60 GHz, teoreticky 28 Gb/s (Full HD, 60 fps)

WHDI  Wireless High-definition Interface  rozlišení 720p či 1080i bez nutnosti komprese, až 3 Gb/s 

levnější zařízení http://www.zive.cz/clanky/intel-widi-z-notebooku-do-televize-a-bez-kabelu