Потоки MPEG-2 и проблема ширины полосы пропускания шины PCI

• Вступление
• Движение потоков данных DVD в системе
• Требования к ширине полосы пропускания шины
• Варианты архитектурных решений систем
• Поддержка MPEG-2/AC-3 реализована в графическом контроллере
• Шина PCI в качестве управляющего порта для декодера
• Декодер DVD подключен полностью через шину PCI
• Рекомендации
• Источник информации

Вступление

Устройства чтения Цифровых Видео Дисков (Digital Video Disk, так же известные, как Digital Versite Disk или DVD), являются новым стандартом для проигрывания высококачественного видео с высоким разрешением. Однако, применение DVD в PC порождает много новых дополнительных требований к подсистеме Ввода/Вывода. Существует много инженерных решений и предложений, которые необходимо учитывать при разработке адаптеров декодирования DVD. Эта статья поможет разобраться в особенностях различных технологических решений, здесь Вы сможете прочитать следующее:

• Описание типичного примера движения потоков DVD данных в системе
• Определения требований к ширине полосы пропускания системы с DVD
• Описание трех потенциально возможных вариантов реализации систем декодирования данных DVD
• Обсуждение за и против всех трех предлагаемых решений

Предполагается, что данная статья может быть интересна разработчикам систем, производителям компьютеров и обычным пользователям, имеющим базовые знания о графической подсистеме PC и немного знакомых со сжатием звука и видео.  

Движение потоков данных DVD в системе

На Рис. 1 изображены наиболее важные составляющие DVD системы для PC

Способ реализации и месторасположение каждого из изображенных блоков, а так же путь, по которому данные передаются из одного блока в другой — основные факторы, влияющие на производительность и стоимость инженерно-технической реализации аппаратуры.

В качестве минимальных рекомендаций, можно выделить следующие:

1. Устройство DVD должно подключаться через шину PCI с поддержкой Bus Mastering (т. е. с возможностью захвата устройством управления шины) через адаптер, реализующий подключение через интерфейс ATAPI/EIDE, SCSI или IEEE 1394 (FireWire).
2. Определение структуры потока и предварительное декодирование осуществляется программным способом за счет CPU.
3. Графический контроллер подключен через шину PCI или AGP и должен иметь входной буфер, позволяющий прини-мать пакет данных, проходящий за четыре такта шины PCI (AGP) или соответствующий размеру 16 байт, без введения дополнительных временных задержек или потери соединения.
4. Распакованные звуковые данные конвертируются в аналоговый вид и передаются в звуковую карту через кабель, аналогичный тому, который используется для передачи звука с CD-ROM устройства.

Исходя из этого вступления, далее, большая часть этой статьи будет посвящена описанию того, как сжатые MPEG-2/AC-3 данные и распакованные видео данные управляются при перемещении и какая ширина полосы пропускания требуется для этого. Другие потенциальные проблемы, свя-занные с использованием технологии DVD, такие, как под-держка линейной PCM (Pulse Code Modulation — передача данных импульсным кодом, метод, с помощью которого звуко-вой сигнал представляется в виде цифровых данных), авторское право, интерактивные области применения, находятся за рамками данной статьи, и рассматриваться не будут.  

Требования к ширине полосы пропускания

Назначив значения каждому из блоков, изображенных на Рис. 1, получим следующую картину:

Сжатые данные (10 Mbits/s)

• Максимальная скорость передачи данных с устройства DVD-ROM: 10 Mbits/s
• Алгоритм обработки предварительных изображений (RLE — run-length encoding) может обрабатывать данные со скоростью: 100 Kbits/s
• Видеоданные в формате MPEG-2 могут передаваться со скоростью: 15 Mbits/s
• Звуковые данные в формате MPEG могут передаваться со скоростью: 640 Kbits/s
• Звуковые данные в формате AC-3 могут передаваться со скоростью: 450 Kbits/s

Распакованные данные (20 Mbytes/s)

• Видеоданные в формате YUV^* могут передаваться со скоростью: 20- Mbytes/s

^* В данном случае имеется в виду группа упакованных форматов, где литеры Y, U и V являются элементами изображения, запакованными вместе в виде макропикселов, хранящихся в одном массиве. Цифровые индексы, назначаемые каждой из литер, обозначают положение каждого из элементов на линиях, из которых состоит изображение. Например, V0 показывает крайнее левое положение элемента V, а Yn показывает, что этот элемент находится на позиции (n+1) пикселов слева.

Из выше указанного списка значений скоростей, ясно видно, что наибольшие требования к системе Ввода/Вывода предъявляют распакованные YUV видеоданные. То, как управ-ляется поток данных, движущийся со скоростью 20 Mbytes/s, является главной темой дискуссии о преимуществах той или иной архитектуры и рассматривается ниже.  

Архитектуры систем

Предлагаемых к обсуждению архитектур всего три:

1. MPEG-2/AC-3 декодер тесно интегрирован в графиче-ский контроллер.
2. Управляющий порт MPEG-2/AC-3 декодера расположен на шине PCI, при этом распакованные видеоданные напрямую передаются в графический контроллер.
3. Управление декодером MPEG-2/AC-3 и видеоданными осуществляется через шину PCI.

Декодер MPEG-2/AC-3, интегрированный в графический контроллер

Архитектурное решение, показанное на Рис 2., представляет из себя соединение, сделанное напрямую через ши-ну GPIO (General Purpose I/O — основного Ввода/Вывода) и видеопорт, когда декодер MPEG-2/AC-3 интегрирован в гра-фический контроллер.

В случае такой реализации, сжатые MPEG-2 и AC-3 данные передаются в графический контроллер через шину PCI. Далее, графический адаптер передает данные через свой GPIO порт в управляющий порт декодера. Распакованные ви-деоданные напрямую передаются в видеопорт графического контроллера и хранятся в его буфере кадров. Физически такая реализация обычно представляет собой интегрированный декодер в графический процессор или подключенную через специальный коннектор дочернюю плату с декодером на ней.  

Шина PCI как управляющий контроллер декодера

В архитектуре, показанной на Рис.3 порт управляющего контроллера декодера MPEG-2 и AC-3 напрямую подключен к шине PCI, при этом распакованные видеоданные все еще передаются в графический контроллер через вход видеопорта, минуя шину PCI.

С точки зрения ширины полосы пропускания шины, эта архитектура аналогична той, что была представлена в первом примере. Сжатые видео и звуковые данные также передаются через шину PCI, но, минуя графический контроллер, напрямую попадают в декодер.

Главное преимущество этого решения — более удобное подключение через шину PCI, однако при этом теряется некоторая гибкость в использовании, т. к. возникает необходимость поиска универсального способа подключения к видеопорту графического контроллера. И кроме того, эта реализация требует наличия в системе свободного слота PCI.  

Декодер DVD на шине PCI в качестве контроллера управляющих и видео данных

В архитектуре, показанной на рис. 4, сжатые управляющие данные и распакованные видеоданные передаются через шину PCI.

Использование отдельной PCI платы обеспечивает наибольшую гибкость, потому что карта DVD декодера может передавать видеоданные в любой графический контроллер вне зависимости от типа его соединения с управляющим или видеопортом. К сожалению, эта гибкость не дается даром — подсистема ввода/вывода должна быть тщательно настроена так, чтобы 20-Mbyte/s видеопоток не прерывался задержками шины и не застревал в многочисленных «ловушках», проходя через шину PCI.

Основные факторы влияющие на загрузку шины:

• операции чтения данных с DVD-ROM
• операции записи данных из управляющего контроллера в декодер
• операции записи данных в графический буфер кадров (16-ти битные пакеты)

Проверьте загрузку шины как показано в Таблице 1. Передача 20 Mbyte/s потока данных в графический контроллер, который содержит 16-ти битный буфер ввода, требует в общей сложности временных затрат, соответствующих 300 ns.
Таким образом, приемлемая пропускная способность равна 18.75 ns/byte или 53.3 Mbyte/s. По этой оценке данных, максимальная задержка системы, которая может быть допущена при прохождении 20 Mbyte/s равна 200 ns.
Это значит, что распакованные данные должны быть отправлены из платы DVD декодера в графический контроллер последовательно через шину PCI, имеющей поддержку захвата управлением (Bus Mastering).

А теперь посмотрите на другие параметры работы шины, показанные в Таблице 2. Оптимальная величина скорости чтения данных с DVD-ROM = 19 Mbyte/s.

Операции записи сжатых данных в декодер описываются исходя из предположения, что на плате DVD декодера имеется буфер ввода емкостью 16 байт, производим вычисления, также, как и для операций записи в графический буфер кадров: 1 PCI clks = 300 ns = 53.3 Mbytes/s — значение оптимальной пропускной способности.

Исходя из результатов, полученных в Таблицах 1 и 2, на рис. 5 представлена модель использования ресурсов шины. На рисунке изображена последовательность, которая предпочтительна для управления потоком данных DVD, процессом записи управляющего контроллера в декодер, который, в свою очередь, осуществляет последовательную запись в буфер кадров. Необходимо учитывать время, требуемое системе для осуществления функций общего назначения, поэтому учитываются такты шины ISA.

Временные задержки на чтение данных с DVD-ROM и запись данных в управляющий контроллер равны 1.53 ms и 3.06 ms соответственно, в результате чего мы имеем пропускную способность, равную 2.61 Mbytes/s и 5.22 Mbytes/s, что удовлетворяет требуемой ширине полосы пропускания для каждого устройства.

Из последовательности на шине, показанной выше, видно, что полный DVD видеопоток может проходить через PCI шину при следующихограничениях:

1. В плату DVD декодера должно быть включено устройство для последовательного управления потоками, проходящими через PCI шину.
2. Обновление изображения на экране или другие процессы в шине могут прерывать видеопоток и являться причиной пропуска видеокадров из-за задержки, превышающей максимально допустимое значение в 200 ns.
3. Допустимая тактовая частота шины PCI должна соответствовать 33 MHz или выше. Так как тактовая частота системной шины и шины PCI взаимосвязанны, минимально допустимые характеристики системы должны быть следующими: тактовая частота системной шины — 66 MHz, а частота центрального процессора класса не ниже Pentium — 100 Mz.

Рекомендации

Так как ни одно из решений не является универсальным, любая из рассмотренных выше архитектур может быть использована для работы в предлагаемом виде. Однако, имейте в виду, что предпочтительным является вариант не использующий большой части ширины полосы пропускания шины PCI. Увеличение емкости буфера ввода в графических контроллерах нового поколения свыше 16 байт вполне решит проблему пропускной способности, но и увеличит стоимость конечного продукта.

С точки зрения самой ширины полосы пропускания шины, как таковой, передача распакованных видеоданных непосредственно в графический контроллер сделает возможным параллельное использование других устройств, интенсивно задействующих шины, таких, как 3D-акселлераторы и сетевые карты, одновременно с обработкой DVD видеопотока. Тем не менее, проблема совместимости должна быть решена, в итоге, подключение шины управляющего контроллера через PCI шину может быть хорошим компромиссом.

С точки зрения перспектив развития операционной системы, вышеизложенный подход поддерживается компанией Microsoft. Приводим цитату из спецификации PC'97 на аппаратное обеспечение.

Поддержка ускоренной обработки потоков MPEG-1 обеспечивается применением интерфейса ActiveMovie. Если система, сделаннная в соответствии со спецификацией PC'97 разработана для поддержки проигрывания высококачественного видео, то в нее должна быть включена поддержка на аппаратном уровне обработка потоков MPEG-2. Такая аппаратная поддержка может представлять из себя реализацию встроенного в системную плату устройства, интегрированного в графический контроллер или поставлятся в виде отдельно устанвливаемой платы-адаптера. Рекомендуемое решение таково: MPEG-2 декодер должен быть расположен на графическом адаптере — таким образом распакованные видеокадры не нужно передавать через шину PCI или шину памяти, декодированные данные напрямую передаются в графический контроллер.

Следующая цитата взята из раздела о развлекательных системах (Entertainment PC'97):

Наличие аппаратной реализации декодера MPEG-2 необходимо, если компьютер, предназначенный для развлечений, имеет устройство DVD-ROM или Direct Satellite Tuner (DSS — приемник прямого сигнала со спуттника), так как поток MPEG-2 является звуковым/видео форматом, в котором информация передается с этих систем. Если быть точным, то аппаратный декодер должен поддерживать:

• Основной формат и уровень скорости передачи данных MPEG-2 (720×480×4:2:2, 15 megabits/s).
• Захват управления шиной (Bus Mastering) при передачи данных из системной памяти (2 Mbytes/s).
• Прямую передачу распакованных данных в буфер кадров графического контроллера (YUV).
• Управление должно осуществляться драйвером DirectMPEG.