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% 8-bitová zvuková karta se schopností přehrávat stereo na frekvenci 22 khz a nahrávat zvuk na frekvenci 11 khz Operační systém Windows 3.0 s multimediálním rozšířením MPC Level 3, 1996 Procesor Pentium / 75 MHz 8 MB RAM HDD 540 MB VGA 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 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 čte z paměti instrukce a na jejich základě vykonává program Vnitřní architektura 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 podporují paralelní zpracování dat 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 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 pomocí stanoveného protokolu paralelní sběrnice řídicí, adresové a datové vodiče sériová sběrnice vodiče sdíleny pro přenos dat i řízení Systémová sběrnice (Front Side Bus, FSB) řízena CPU, propojuje CPU s obvody na základní desce Periferní sběrnice spojuje FSB s okolním světem Back Side Bus připojuje rychleji než FSB (L2, L3 cache)
FSB Obousměrná datová sběrnice přenáší veškeré informace mezi procesorem a northbridgem Northbridge (systémový řadič) 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) šířka 8 nebo 16 bitů, přenosová rychlost < 8 MB/s VESA Local Bus (1992, VL-Bus) rozšíření ISA, přímý přístup do systémové paměti PCI (1991, Peripheral Component Interconnect) 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 rozšiřující karty a systémy mohou být převedeny na PCI-Express pouze změnou fyzické vrstvy Lokální sběrnice spojena přímo s procesorem Vyšší rychlost sběrnice použití místo všech existujících interních sběrnic včetně AGP a PCI jediný řadič PCIe může komunikovat se všemi externími zařízeními konkuruje řešení pomocí severního a jižního můstku Propustnost PCIe (1.1) obousměrný provoz dvojnásobek 1-250 MB/s 4-1 GB/s 8-2 GB/s 16-4 GB/s Propustnost PCIe (2.0) dvojnásobná
Univerzální sériová sběrnice (USB) Sériová polyfunkční sběrnice 2 diferenciální datové vodiče 2 napájecí vodiče 5 V/500 ma Rychlost 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 USB 3.0 USB 2.0 Přenosová rychlost Rozhraní Vodiče 5 Gbit/s 480 Mbit/s dual-simplex, čtyři datové vodiče oddělené od USB 2.0 4 pro SuperSpeed, 2 pro ostatní (+ 2 napájení, celkem 8) half-duplex, dva datové vodiče 2 pro low, full-speed i high speed (+ 2 napájení, celkem 4) Transakční protokol sběrnice řízený hostitelem (řadičem) asynchronní packetový tok je směrován řízený hostitelem (řadičem) dotazovací packetový tok se vysílá na všechna zařízení Power management Napájení víceúrovňový (idle, sleep, suspend) PM pro připojení, zařízení i funkce jako USB 2.0 s možností 50% zvýšení pro nekonfigurovaná zařízení a 80% pro konfigurovaná Detekce připojení hardwarová detekce s přechodem do provozního stavu pro datovou komunikaci Typy dat. přenosu jako USB 2.0 se SuperSpeed omezením (viz dále) na úrovni odpojení a připojení portu PM pro zařízení podpora low/high power (100 resp. 500 ma) zařízení 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) optický modul zodpovědný za převod elektrických signálů na světlo a zpět 2 miniaturní laserové vysílače 2 fotosnímače 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 na monitor, TV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku Připojena pomocí systémové sběrnice 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 jeden bod obrázku zadaný svou barvou skládá se ze tří základních obrazců RGB Texel (Texture Element) základní prvek textur pro povrchy 3D objektů 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 zpracovává 3D geometrii na 2D obraz plně paralelní čip vhodný i pro matematické výpočty až 100 větší výkon než CPU Paměť ukládány informace pro grafické výpočty může být sdílena RAM (u integrovaných na základní desce) DDR, DDR2, DDR3, GDDR3, GDDR4, GDDR5 Firmware 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 možnost zpracovávat více instrukcí najednou Pipeline cesta pro zpracování instrukcí vykreslí texel (i více texelů) v jednom taktu Řadič paměti stará se o komunikaci mezi grafickou pamětí a GPU TMU (Texture mapping unit) pokládá na objekty textury ROP (Render Output unit) zabezpečuje konečný výstup dat z grafické karty
Mapování textur - příklady Sférická projekce Cylindrická projekce Kubická 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 velikost textury obvykle neodpovídá velikosti objektu zmenšení nebo zvětšení a výpočet mapování texelů na pixely objektu např. bodové vzorkování 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 výsledkem je pozice (2D) na obrazovce získáme pixely vrcholy nelze přidávat Pixel shader (rasterizační program) 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 včetně chráněného obsahu většinou připojením redukce do konektoru DVI zpětně kompatibilní s DVI-D nový standardní televizní výstup přenos digitálního audiosignálu 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) každý nabývá určitých hodnot podle typu obrazu High Color 16-bit 2 16 = 65 536 5 bitů na R a B, 6 bitů G (větší citlivost) (32 64 32=65 536) True Color 24-bit 2 24 = 16 777 216 8 bitů (256 barev) na barevný kanál (256 256 256=16 777 216) 32-bit 2 32 = 4 294 967 296 3 8 bitů na barvy + 8 bitů pro α-kanál; optimalizace rychlosti
Indexový mód Paleta (mapa barev) hodnota pixelu = umístění do převodní tabulky převodní tabulka (index reprezentován bytem, proto 256 barev) pixel 1 B 3 B Greyscale odkaz do palety s odstíny šedi Pseudocolor odkaz do palety s odstíny RGB (8-8-8) (256 256 256=16 777 216) 1 B na barevný kanál, proto výběr 256 z 2 24 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 IBM 1987 nástupce EGA a CGA Příklady specifikací 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 1024 768 SXGA+ 1400 1050 UXGA 1600 1200 QXGA 2048 1536 QSXGA+ 2800 2100 QUXGA 3200 2400 Poměr stran 5:4 SXGA 1280 1024 QSXGA 2560 2048 SINS 3200x2560 Poměr stran 16:10 WXGA 1280 800 WXGA+ 1440 900 WSXGA+ 1680 1050 WUXGA 1920 1200 Poměr stran 16:9 WXGA 1360 768 WXGA 1366 768 WXGA++ 1600 900 FHD 1920 1080
Bezdrátový přenos videa Intel WiDi vytvoření bezdrátové sítě s televizí prostřednictvím klasické Wi-Fi sítě komprimace obsahu obrazovky komprimace MPEG2 přenos do adaptéru (televizoru) 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 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