【教学课件】第5章多媒体硬件环境.ppt
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1、第5章 多媒体硬件环境,5.1 多媒体计算机5.2 多媒体信息的存储环境光存储设备5.3 音频接口5.4 视频接口5.5 多媒体I/O设备 5.6 小结,5.1 多媒体计算机,多媒体计算机系统组成,5.1 多媒体计算机,5.1.1 多媒体计算机硬件组成5.1.2 多媒体处理器(CPU)5.1.3 多媒体计算机总线技术 5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),5.1.1 多媒体计算机硬件组成,硬件是构成计算机系统的各种实体的总称,是组成计算机系统的电子和机械装置,它是计算机系统的物质基础。硬件的组成部分(1)运算器(算术、逻辑运算单元)在计算机中,执行算术和逻辑的部件叫做运算器。(2)控制器(控
2、制单元)控制器是多媒体计算机的指挥中心,负责对控制指令进行分析,然后发出操作控制信号,控制并协调多媒体计算机各部分的工作。,5.1.1 多媒体计算机硬件组成,(3)存储器 在多媒体计算机中,起着记忆作用的部件叫存储器。必须将操作系统、应用程序和需要处理的数据等装入内存才能被CPU调用和处理。(4)外存储器 外存储器是指硬盘、软盘、磁带、光盘、移动存储器等外部存储设备。(5)各种功能卡 各种功能卡是计算机中用来处理特定多媒体的板卡。(6)输入设备 输入设备是指把数据输入计算机的设备。,5.1.1 多媒体计算机硬件组成,(7)输出设备 输出设备是指从计算机中输出数据的设备。(8)总线(Bus)在多
3、媒体计算机中CPU、内存储器、外存储器、输入、输出设备等都是连接在一条称为总线的公共通道上的,总线实际上是一束导线,它是计算机各部件之间传送信息的公共通道,允许各部件共同使用它传送数据、指令、地址及控制信号等信息。,5.1.1 多媒体计算机硬件组成,多媒体硬件的主要性能指标(1)时钟频率 通常用时钟周期的倒数时钟频率(MHz/s)来表示多媒体各处理部分的运行速度。(2)数据带宽 数据带宽是指每秒最大数据传输量。(3)分辨率 分辨率是衡量设备处理信息的精细程度的指标。,5.1.2 多媒体处理器(CPU),在原有的计算机体系结构中,增加多媒体和通信功能的设计原则是:采用国际标准的设计原则;把多媒体
4、和通信功能的单独解决变成集中解决;体系结构设计和算法相结合;把多媒体和通信技术做到CPU芯片中。,5.1.2 多媒体处理器(CPU),几种典型的多媒体处理器 目前,在多媒体处理器领域比较领先的厂商包括MicroUnity、Philips、Chromatic research 和Nvidi 4家公司,它们的多媒体微处理器产品依次是Mediaprocessor、Trimedia、Mapact MediaEngine和NVI。,5.1.2 多媒体处理器(CPU),多媒体处理器的主要性能、技术指标(1)主频、外频、倍频和前端总线频率主频是CPU工作的时钟频率,也就是CPU在单位时间(1秒钟)内的时钟周
5、期数,主频越高,CPU的运行速度越快。外频是CPU的外部频率,由于CPU是通过外部总线与其他部件进行信息传递,所以外频越高,CPU与其他部件之间的信息传递速度越快。倍频是指CPU外频与主频相差的倍数,CPU的主频等于外频乘以倍频系数,即:主频外频倍频系数,5.1.2 多媒体处理器(CPU),前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。数据带宽(总线频率数据带宽)/8。外频与前端总线(FSB)频率的区别:前端总线的速度指的是数据传输的速度,外频是CPU与主板之间同步运行的速度。100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次;而100MHz前端总线指的是每秒钟
6、CPU可接受的数据传输量是100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s,多媒体处理器(CPU),(2)高速缓存L1和L2 Cache的容量和频率 L1 Cache是集成在CPU芯片内,称为片内Cache或一级Cache(L1),L1的容量相对较小,一般为16kB、32kB和64kB,工作频率与CPU主频相同。L2 Cache在CPU外部,称为片外Cache或二级Cache(L2)。运行频率与CPU外频相同的L2称之为“全速L2高速缓存”。目前,L2容量达到1M和2M之多。另外,由于双核甚至三核CPU的应用,高速缓存容量成倍增大。,多媒体处理器(CPU),(3)支持的多媒体扩展指令集
7、 扩展指令是为提高CPU处理多媒体数据的能力而设计的。用扩展指令集,一条指令可对2个以上的数据流进行处理计算。这样就成倍的提高了多媒体信息的处理能力。,5.1.2 多媒体处理器(CPU),(4)CPU内部工作电压 CPU内核工作电压指的是CPU正常工作所需的电压。CPU的制造工艺水平越高,内核工作电压就越低。(5)制造工艺水平 CPU的制造工艺主要指平常所说的0.25微米、0.18微米技术等。微米值越小,表明CPU的制造工艺越先进。(6)字长 通常所说的16位机、32位甚至64机,就是指CPU可以同时处理16位、32位和64位的二进制数据。,5.1.3 多媒体计算机总线技术,为了简化硬件电路设
8、计、简化系统结构,常用一组线路,配置以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路被称为总线。多媒体微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连;系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连;外部总线则是微机和外部设备之间的总线,微机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连。,5.1.3 多媒体计算机总线技术,目前比较流行的总线技术:ISA总线(industrial standard architecture)ISA总线:(Industry Standard
9、Architecture:工业标准体系结构)是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准,为16位体系结构,只能支持16位的I/O设备,数据传输率大约是8MB/S。也称为AT标准。,5.1.3 多媒体计算机总线技术,目前比较流行的总线技术:PCI总线(Peripheral Component Interconnect)从数据宽度上看,PCI总线有32bit、64bit之分;从总线速度上分,有33MHz、66MHz两种。USB总线(universal serial bus)为通用串行总线,USB接口位于PS/2接口和串并口之间,允许外设在开机状态下热插拔,最多可串接下来127个外设,传输速率可达
10、480MB/S,P它可以向低压设备提供5伏电源,同时可以减少PC机I/O接口数量。,5.1.3 多媒体计算机总线技术,目前比较流行的总线技术:AGP总线(Accelerated Graphics Port)AGP(Accelerate Graphical Port),加速图形接口。随着显示芯片的发展,PCI总线日益无法满足其需求。英特尔于1996年7月正式推出了AGP接口,它是一种显示卡专用的局部总线。连接控制芯片和AGP显示卡。AGP接口是基于PCI 2.1 版规范并进行扩充修改而成,工作频率为66MHz。AGP标准在使用32位总线时,有66MHz和133MHz两种工作频率,最高数据传输率为
11、266Mbps和533Mbps,而PCI总线理论上的最大传输率仅为133Mbps。目前最高规格的AGP 8X模式下,数据传输速度达到了2.1GB/s。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),所谓多媒体个人机就是具有多媒体功能的个人计算机。从硬件设备来看,在PC机上增加声音卡和光盘驱动器,这就是人们一般所指的早期的多媒体个人计算机。对广大用户而言,就是把具有上述功能的PC机或把现有增加多媒体升级套件的PC机叫MPC。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),3个MPC标准:MPC Level 1(MPC1)、MPC Level 2(MPC2)和MPC Level3(MPC3)1MPC规范 MP
12、C联盟规定多媒体计算机包括5个基本的部件:个人计算机(PC)、只读光盘驱动器(CD-ROM)、声卡、Windows操作系统和一组音箱或耳机。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),2MPC的性能(1)图像处理能力 多媒体计算机对图像的处理包括图像获取、编辑和变换。计算机中的图形是数字化的,分为矢量图(Vector Graphics)和点阵图(Bitmap)。,MPC最低功能要求标准,MPC最低功能要求标准(续),MPC最低功能要求标准(续),5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),(2)声音的处理能力 声音的数字化方法是采样。采样频率越高,保真度就越高
13、。声音的处理还分单声道和立体声道两种。(3)MIDI乐器数字接口 MIDI规定了电子乐器之间电缆的硬件接口标准和设备之间的通信协议。MIDI信息的标准文件格式包括音乐的各种主要信息,合成器可以根据MIDI文件奏出相应的音乐。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),(4)动画处理能力 计算机动画有两种,一种叫造型动画(Cast Based Animation),另一种叫帧动画(Frame Animation)。后者由一帧帧位图组成连续的画面;前者是对每一个活动的物体分别进行设计,赋予每个物体一些特征(如形状、大小、颜色等),然后用这些物体组成完整的画面。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC)
14、,有3种方法可以播放动画 使用多媒体应用程序接口MMP DLL(Multimedia Movie Player Dynamic Link Library),这时必须自己写一个放映动画的程序;使用Windows的Media Player软件,该软件是可直接放映动画的应用软件;使用任何含MCI(Media Control Interface)接口并支持动画设备的应用软件。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),(5)多媒体数据的存储对多媒体的数据存储问题考虑的基本点是:存储介质的容量、速度和价格。有3类大容量存储器可以考虑。硬盘工作介质,其平均存取时间为1028ms,传送速度为40KB/s28K
15、B/s,且越快越好。光盘介质,光盘可分CD-ROM、CD-R等类型。磁带备用介质,优点是便宜、容量大;缺点是速度慢、顺序存储。,5.1.4 多媒体个人计算机(MPC),(6)MPC之间的信息传递。传递方法有以下几种:可移动式硬盘:包括便携式硬盘片、打印口外接硬盘、抽拉式硬盘盒;可移动光盘:CD-ROM、WORM、可擦写光盘;网络:电子邮件、局域网、远程网;串口通信。,5.2 多媒体信息的存储环境光存储设备,5.2.1 光存储的类型 5.2.2 光存储设备的技术指标 5.2.3 光存储格式标准和类型 5.2.4 光盘塔,5.2.1 光存储的类型,只读型光存储系统(CD-ROW)只读型光盘包括LV
16、和CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)等。用户只能从CD-ROM读取信息,而不能往盘上写信息。CD-ROM中的内容在光盘生成时就已经决定,而且不可改变。,5.2.1 光存储的类型,一次写型光存储系统(CD-R)一次写(Write Once Read Many,WORM)光存储系统可一次写入多媒体信息,任意多次读出,与CD-ROM相比,它具有由用户自己确定记录内容的优点。可重写型光存储系统(CD-RW)可重写型光存储系统(Rewritable 或Erasable,E-R/W)像磁盘一样可任意读写数据。它又分磁光型(Magnetic Optical,MO)和相
17、变型(Phase Change,PC)两种形式。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(1)尺寸光盘的尺寸多种多样。LV的直径为12英寸(300mm),CD激光唱盘和CD-ROM为4.72英寸(120mm),WORM一次写光盘为14.12英寸和5.25英寸,可擦写光盘向小尺寸方向发展,主要尺寸为5.25英寸和3.5英寸。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(2)容量 格式化容量 格式化容量是指按某种光盘标准进行格式化后的容量。采用不同的光盘标准就有不同的存储格式,容量也不同。用户容量 用户容量是指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量。由于格式、校正、检索等比特需要占用一定的容量空间,因此用户
18、容量小于格式化容量。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(3)平均存取时间、平均寻道时间和平均等待时间 平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始,到光盘驱动器在光盘上找到需读/写的信息的位置并接受读/写命令为止的一段时间。光学头沿半径移动全程1/3长度所需的时间为平均寻道时间。盘片旋转半周的时间为平均等待时间。把平均寻道时间、平均等待时间和读/写光学头稳定时间相加,就得到平均存取时间。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(4)数据传输率 数据传输率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数。通常用光驱在1s时间内所能读取的数据量来表示,用千字节/秒(KB/s)表示。同步传输率、异步传
19、输率和DMA传输率数据传输率也指控制器与主机之间的传输速率。它与接口规范和控制器内的缓冲器大小有关。SCSI接口的同步传输率为4MB/S,异步传输率为1.5MB/S。AT总线规定的DMA方式的传输率为1MB/S。,5.2.2 光存储设备的技术指标,DMA(DirectMemoryAccess,直接内存存取),顾名思义DMA功能就是让设备可以绕过处理器,直接由内存来读取资料。打开硬盘的DMA模式将大幅度的提高硬盘系统的功能,使我们能更快更好的进行视频处理和文件传输。打开刻录机的DMA选项,可以保障刻录品质,并降低刻录时的CPU占用率。所以在我们首次连接好DVD刻录机,进入Windows系统后要做
20、的第一件事情就是要确认DVD刻录机的DMA模式已打开。,5.2.2 光存储设备的技术指标,突发传输率 为了提高数据传输率,读数据过程中先把数据存入缓冲器,再进行集中传送;如果下次读取同一内容,就不必从光盘上去读取,直接把缓冲区中的数据传送给主机就可以了,这种传输率称为突发传输率。持续传输率 当传送的数据量很大时,缓冲器就起不到提高传输率的作用了,这时的传输率称为持续传输率。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(5)容错能力 由于光盘是移动存储设备,并且盘片的表面没有任何保护,因此难免会出现划伤或沾染上杂物的情况,这些小毛病都会影响数据的读取。为了提高光驱的读盘能力,人们提出了各种纠错技术。一些
21、光驱为了提高容错能力,还相应地加大了激光头的功率。当光头功率增大后,读盘能力确实有了一定提高,但长时间“超频”使用会导致光头老化,严重缩短光驱的寿命。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(6)缓存 缓存主要用于临时存放从光盘中读取的数据,然后再发送给计算机系统进行处理。这样就可以确保计算机系统能够一直接收到稳定的数据流量。使用缓存缓冲数据可以允许驱动器提前进行读取操作,满足计算机的处理需要,缓解控制器的压力。,5.2.2 光存储设备的技术指标,(7)系统接口 所谓系统接口就是指驱动器用来与计算机系统进行通讯的连接方式。目前可以用来连接CD-ROM和计算机的接口主要有以下几种:SCSI 接口(S
22、mall Computer System Interface)即小型计算机系统接口,是一种可以在一条线缆上同时连接多台设备的特殊总线。,5.2.2 光存储设备的技术指标,IDE 接口 我们可以把IDE看作是SCSI的衍生技术,两者主要的区别在于IDE不需要中央控制器。IDE设备本身就包含了总线的控制电路。并行端口USB和PCMCIA USB是一种完全兼容即插即用技术的总线协议,理论上可以连接上千个外部设备。当用户接入新设备时,一旦操作系统获得该设备的信息,就不再需要用户进行任何干预。,5.2.3 光存储格式标准和类型,国际标准化组织(ISO)对光存储的数据格式作了详细规定。ISO标准包括数据格
23、式、编码方法、物理尺寸以及CD技术等方面的说明。记载各种光盘数据格式的规范文本的封面用不同颜色加以区别,人们也就习惯了把光盘的标准以其文本的封面颜色来划分。,5.2.3 光存储格式标准和类型,CD-ROM光存储系统 1CD-ROM盘片的物理层次 CD-ROM有标准的物理规格,它由直径为120mm,厚度为1.2mm的聚碳酸酯盘组成,中心有一个15mm的主轴孔。共分为五层:印刷层、保护层、反射层、记录层、聚碳酸脂透明低层。聚碳酸酯的表面覆盖着反射铝合金或金以增加记录面的反射性。反射面由防止氧化的漆膜层保护。,5.2.3 光存储格式标准和类型,CD-ROM的物理层次 聚碳酸酯衬底含有凸区和凹坑区。每
24、个凹坑区都深100nm,宽500nm。两个相邻凹坑区之间的地方称为凸区。凸区和凹坑区表示二进制的0,从凸区到凹坑区和从凹坑区到凸区的过渡由二进制的1表示。,5.2.3 光存储格式标准和类型,2.CD-ROM驱动器的构造,内部主要部件包括如下6个部分:(1)激光头:激光头(Optical Pickup)是CD-ROM驱动器的关键部件。它的功能是把存储在CD-ROM盘上的信息转换成点信号。(2)聚焦伺服:为使激光束的聚焦点落在光盘的信息面上,CD-ROM驱动器采用自动聚焦伺服系统来实现。自动聚焦伺服系统通过产生聚焦误差信号,调整光头和光盘之间的距离,以保证聚焦点落在光盘的信息面上。,5.2.3 光
25、存储格式标准和类型,(3)道跟踪伺服:为了确保聚焦光束能沿着道间距为16um、凹坑宽为0.5um左右的螺旋形光道正确读出信息,CD-ROM采用径向光道跟踪技术,以克服光盘可能多达30um的偏心,使道跟踪精确度达到0.1um。(4)CLV伺服:由于CD-ROM盘要以恒定线速度(CLV)旋转,这就意味着驱动光盘旋转的驱动马达的速度要随光头所处的位置而变化。在CD-ROM标准中,线速度为1.2m/s,为保持这个恒定的速度,光头从导入区移到导出区,光盘驱动马达的速度从500r/min降到200r/min。,5.2.3 光存储格式标准和类型,(5)EFM解调:从聚焦伺服系统输出的数据信号是经过EFM调制
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