Специализирани микропроцесорни системи (курс лекции) Учебна година 2008/2009



страница3/4
Дата22.07.2016
Размер0.54 Mb.
1   2   3   4
Тема 5

Специфични особености на сигналните процесори за обработка на мултимедия


  1. Мултимедия:




  • Мултимедия наричаме използването, на равни начала, на компютрите за представяне на текстова информация, графична информация, видео, анимации и звук.




  • Друга работна дефиниция на мултимедията: Медиум / медия наричаме пътя за пренасяне / предаване на информация към или от човека.

До средата на 90-те години на миналия век, мултимедийното приложение на PC, твърде много рекламирано, беше рядко използвано, поради скъпата апаратна част, необходима за целта. Понастоящем, мултимедията е всекидневие, защото всяка компютърна конфигурация може да изобразява и видео, като разрешаващата способност за целта се осъществява / зависи от мощността на видеоконтролера и на ЦП на PC.



Понастоящем съществува разработено програмно обезпечаване за осигуряване на обработка на различни типове цифрова визуална медия – мултимедийна информация. С техните мощни технологии, съвременните медийни управляващи системи могат автоматически да индексират и да обработват визуална информация, основана на нейното съдържание по произход, включващо:

  • Графики и илюстрации;

  • Пълна анимация;

  • Пълно движещо се видео;

  • Други специализирани медия формати.




  1. Специфични особености на мултимедийните системи:

Мултимедийните системи са разработени на базата на мултимедийните информационни технологии. Мултимедийните системи предлагат количествен скок върху конвенционални системи, например върху такава, която използва пълния текст за пренасяне на информация. Съществуват три главни причини за това:

  • Всяка медия не е създадена като еквивалент на друга. Всяка една от тях е по-добра за предаване на дадена информация.

  • Една картина струва хиляди думи.

  • Цялото е по-голямо от сумата на неговите части. Съществува строга синергия между медията, така че мултимедийното представяне да бъде по-реалистично.

По принцип, мултимедийните системи покриват един много широк спектър – от знаците за тютюнопушене до виртуалната реалност. Обаче модерната мултимедия обикновено притежава, ако не всички, то някои следните отличителни белези / свойства / особености /:

  • Едновременно и цялостно предаване: Различните медии се предават конкурентно и по цялостен / интегриран или синхронен начин. Например гласовете в музикалния запис могат се съчетават със съответното движение на устните във филма.

  • Интерактивно (взаимодействащо се) предаване: Човешките взаимодействия с предавателната система, отговарящи на въпроси или посочващи информацията, необходима след това. Тук следва да се отбележи, че информационната пътечка от човека до КС може също така да използва различни медии, например мишката за посочване или входното гласово управление.

  • Динамично и в реално време предаване: В модерните системи, обикновено само едната медия е динамична (предаване на потока от информация) - филм или “саунд трак”. Потокът от информация обикновено се предава с някакви временни ограничения, например 24 кадъра в секунда.

Важно е да се разбере какви технологични проблеми са присъщи при използване на мултимедията. Например как мултимедията ще влияе върху проблемите за информационен достъп, върху надеждните /сигурните изходи, или върху мрежовите компоненти? На тези въпроси може да се отговори, като се посочат четири ключови изисквания за мултимедийните информационни системи:

  • Мултимедията обикновено изисква синхронизирано и в реално време информационно предаване. Новите технологии са длъжни да посрещат тези нужди.

  • Операциите върху мултимедийната информация са често по-богати и по-сложни. Например крайните потребители могат да искат да търсят изображения, базирани на формите или на цветовете. Те могат да искат да редактират или да обединят видео материали. Тези операции представляват нови изчислителни и потребителски интерфейсни повиквания.

  • Мултимедийната технология е избрана от един широк потребителски пазар. Това води до изисквания за ниска цена, лесна употреба и удобство за съгласуване на голям брой потребители и информационни източници.

  • Мултимедията набляга на всички системни компоненти. Взимайки горните изисквания, мултимедията поставя големи изисквания върху всички системни компоненти. Тук могат да се отбележат няколко примера: запаметяващите подсистеми трябва да имат голям капацитет и големи скорости на обмен, мрежите трябва да имат широка честотна лента и да посрещат ограниченията в реално време, а дисплеите трябва да имат висока разрешаваща способност.

Ние можем да установим следните класове от технически области, които могат да бъдат адресирани, за да се задоволят / посрещнат следните технически предизвикателства:



  • Мултимедийно информационно намиране;

  • Мултимедийно оторизиране и генериране;

  • Собственост / притежание и показване на изложения;

  • Представяне;

  • Мултимедийни информационни управляващи системи;

  • Обем на апаратната памет

  • Мултимедийни бази данни:

Мултимедийните бази данни се управляват от мултимедийни търсещи системи на бази данни.

Системите от бази данни се използват за управление на постоянни данни. С развитието на технологиите на базите данни за сложни области на приложение става очевидно, че тази класическа технология не е достатъчна да задоволи изискванията на тези приложения като: високи технически характеристики, паралелизация, разпределение на различни версии, поддръжка на работен поток, поддръжка на мултимедийни данни. Освен техническия смисъл, развитието на широка номенклатура от функционалност за управление на данните, се е появил икономически смисъл, за да се посрещнат изисквания като: високо качество на информацията, понижени цени за развитие и поддържане на системи от бази данни и защитени стари инвестиции в наследените бази от данни.

Една мултимедийна търсеща система на бази данни е тази, която предоставя полезни препоръки на потребителя, основаващи се на:


  • Обработка на изображенията и извличане на признаци / свойства;

  • Анотации, създадени от човека и таксонометрични научни бази;

  • Потребителски предпочитания, представени от навигационния behavior на сегашните и миналите потребители.

Следващата схема представя една системна архитектура на такава система:

Фиг.11.
От схемата се вижда, че базите данни могат да се дефинират в два отделни класа - два основни вида, използвани във всяка мултимедийна система за управление на бази от данни: сходни данни и препоръчителни данни.



  1. Специфични особености на сигналните процесори за обработка на мултимедия

Необходимостта, наложила изграждането на мултипроцесорни системи от СП произлиза от посочената вече необходимост от изчислителни структури с възможно най-малко закъснение – т.е. за работа в реално време на тези структури, при обработка на тези големи обеми / масиви от данни при видео сигналите. Тук може да се посочи основен набор от изисквания при обработка на тези сигнали:

  • Наличие на бързо процесорно устройство, с възможност за един цикъл да изпълни операцията умножение и запис в паметта (вж. по-горе посоченият пример за нарастване на тактовата честота на СП за последните 25 г.);

  • Голяма разрядност на паметта;

  • Детерминирана производителност;

  • Поддръжка на механизма от програмни прекъсвания;

  • Гъвкав обмен на данни с външния свят.



  1. Методи за изграждане на мултипроцесорни системи на базата на сигнални процесори:

Една мултипроцесорна система може да се разглежда като система, реализирана от много хора, всеки работещ със своята компютърна конфигурация. Тук се разглеждат няколко архитектури на системи, в зависимост от начина на изгражданата структура на мултипроцесорната система:




  • Линейна архитектура - представлява последователно свързани СП, всеки от тях синхронизиран с работата на предходния и следващ след него СП. Оттук и всеки от процесорите се нарича в тази линейна архитектура – синхронен процесор. Тук имаме зависимост на отделните процесори един спрямо друг;




  • Матрична архитектура – представлява една матрица от редове и стълбове, във всяка пресечна точка на които се поставя един СП. Тук свободата на всеки от СП е по-голям в сравнение с линейната архитектура, но остава проблемът отделните операции в тази мултипроцесорна система да са независими една от друга;




  • Хоствана” архитектура – при нея единият от процесорите е главен процесор, свързан от своя страна към главната магистрала / шина от данни, адреси и управляващи сигнали, а от другата страна на тази магистрала са останалите процесори – наречени подчинени процесори. Основната функция на главния процесор е “подчинител” – той показва в кой момент всеки от подчинените процесори има достъп до главната магистрала. Този тик архитектура на мултипроцесорна система е доста често използван в сравнение с горните две;




  • Клъстерна” архитектура – това е сравнително нова архитектура, осигуряваща високопроизводителна обработка на данни, там, където има тежки и строги изисквания за приложение на информационни – мултимедийни системи в ядрената физика, организацията на видео конференции при безжичните комуникации и др. Пример за такава архитектура е даден на долната функционална схема, използваща 6 СП ADSP2106x:



Фиг. 12.
Тази архитектура е от актуалните в момента, използвани в различните мултимедийни мултипроцесорни системи от СП.



  1. Видове технологии за изграждане на вградени мултипроцесорни системи:


5.1. ARMAdvanced Risk Machine: Това съкращение, съществува от 1990 година, като до този момент под ARM се е разбирало Acorn RISC Machine, на името на фирмата Acorn Computers Ltd., която през 1983 год. излиза на пазара с процесора 6502. Понастоящем ARM процесопите представляват 32 разрядни по данни и 32 разрязни по адреси микропроцесорни контролери, на базата на RISC технология на процесорите, използвани в тях;
5.1. AVRAdvanced Virtual RISC: това съкращение се появява за първи път през 1996 год. от фирмата Atmel, предложила 8-бита “RISC Single Chip Microcontroller”, на базата на процесора Intel 8051 и изграден по Харвард’ската архитектура. За наименованието AVR се дава и труга трактовка – първите букви на ваторите на тези микропроцесорни фамилии : A-Alf и V-Vegard, които на базата на RISC технологията предлагам тази технология – AVR. Тук ние не даваме предпочитания, а само споменаваме произхода и предназанчението на двете, владеещи света в момента микропроцесорни технологии.

Тема 6

Стратегии при използване на ресурсите на мултипроцесорните системи. Организация на входно-изходния обмен при мултипроцесорните системи.


  1. Стратегии при използване на ресурсите на мултипроцесорните системи:

Ресурсите на мултипроцесорните системи включват:

  • брой и вид на процесорите в мултипроцесорната система,

  • обеми на общата памет на мултипроцесорната система за различните йерархични нива на паметта,

  • комуникационна честотна лента,

  • процесорно време за единична инструкция,

  • набор от периферните устройства на мултипроцесорната система.

Процесорното време може да се онагледи със следната сравнителна схема: Нека два активни процеса са заредени в единия случай в един процесор, а във втория вариант същите два активни процеса се изпълняват от мултипроцесорна система от два процесора. Единичния процесор ще отдели време за работа 50 % за всеки от процесите, докато в мултипроцесорния компютър (в случая от два процесора), всеки от процесите ще заеме 100 % от процесорното време на мултипроцесорната система, или образно казано, системата за това същото време ще изпълни два пъти възложената й работа.

В зависимост от начина на включване на отделните процесори се дефинират няколко начина на организация на мултипроцесорните системи:



  • MIMD – multiple-instruction, multiple-data: няколко процесора се свързват, за да изпълняват множество от независими последователности от инструкции в разнообразен контекст;

  • SIMD – single-instruction, multiple-data: често използвана при векторната процесорна работа и представлява единична последователност от инструкции в разнообразен контекст;

  • MISD - multiple-instruction, single-data: множество от независими последователности от инструкции в един контекст.

Всички тези начини на паралелна работа на процесорите в една система се използват за свръх натрупване на информация в системите с ниска надеждност, а понякога се прилагат и за описание на pipelined процесори или хипер връзки. Тези начини на мултипроцесорна работа представят стратегиите за използване на отделните ресурси в една мултипроцесорна система.

Използвайки ресурсите на една мултипроцесорна система може да се даде многоразмерна / пространствена (в три координатна система – Ресурси, Ограничения, Цена) графика на необходимото време за запаметяване на приложна информация за изследване, представена на долната фигура.

Всяка точка от тази пространствена фигура представя взаимната зависимост между:



    • Ограниченията за работа (скорост, производителност, качество) на мултипроцесорната система за конкретното приложение,

    • Цената (напр. консумацията на ел.енергия) и

    • необходимите Ресурси (ресурси на паметта, ресурси на процесорните елементи, комуникационни ресурси, и т.н.),

за получаване на изискуемата /необходимата производителност от мултипроцесорната система.



Фиг. 13.
Структурната схема на взаимодействието между необходимото време за изследване и управлението на времето за зареждане на съответната платформа е дадена на следващата фигура:

Фиг. 14.

  1. Организация на входно-изходния обмен при мултипроцесорните системи:

Тук ще се спрем на програмния входно – изходен обмен в мултипроцесорните системи. Този входно-изходен обмен зависи от начина на организация на конкретната мултипроцесорна система – MIMD, SIMD, MISD, представен по-горе.

MIMD мултипроцесорната архитектура е удобна за продуктивна работа с голямо разнообразие от задачи, в които могат да се включат напълно независими и с паралелно изпълнение инструкции, касаещи различни масиви от данни. Така се получава на входа и между отделните процесорни паралелна входно / изходна комуникационна шина / магистрала, по която постъпват едновременно или в различни моменти входните сигнали. По тази причина и поради факта, че е лесна за реализация / изпълнение, тази архитектура е преобладаваща при мултипроцесорните системи. При нея процесорната дейност е разделена между много отделни връзки, всяка със своя собствено апаратно процесорно състояние, с отделен програмно дефиниран процес или с много процеси. Така тази архитектура осигурява добро използване на апаратните ресурси на мултипроцесорната система. Различни конфликти могат да възникнат на апаратно ниво между отделните процесори (например съревнование и разрушаване в кеш-паметта) и обикновено появилия се конфликт може да бъде разрешен в апаратната част, или в комбинация между апаратна и програмна части (например инструкции за изтриване на кеш-паметта).

SIMD мултипроцесорната архитектура подхожда много на паралелното или векторното процесорно действие. При него голям обем от данни може да бъде разделен на части, които индивидуално / поотделно да бъдат подложени на идентични, но независими операции. Единичният поток от инструкции направлява операцията на мултипроцесорното управление за изпълнение на еднакви манипулации едновременно с потенциално големи количества от данни. Неудобството на тази архитектура е, че голяма част от системните сривове не могат да бъдат разделени между отделните части на мултипроцесорната система, които работят в паралел.

SIMD начинът на организация намира широко приложение в някои области като компютърната симулация, но малко се използва в настолните с общо предназначение работни места и бизнес компютърните области.

MISD мултипроцесорната архитектура предлага главно предимството на повторението, щом мултипроцесорните блокове извършват същите задачи със същите данни, ограничавайки /намалявайки шансовете за некоректни резултати, ако един от блоковете отпадне. Тази архитектура има много предимства и е много скъпа. Тя не усъвършенства работата. Тя може да бъде приложена по начин, който е прозрачен за програмната част от мултипроцесорната система.

Тема 7

Изисквания към програмното осигуряване на мултипроцесорните системи. Независимост на данните и начини за осъществяването й. Особености на обектно ориентираните, йерархични и релационни мултипроцесорни системи. Методи за търсене на информация


  1. Изисквания към програмното осигуряване на мултипроцесорните системи:


Програмното осигуряване, или всяка една програма, представлява списък от инструкции, които при изпълнението им, заставят компютърната система да функционира по зададения от тези инструкции начин. По този начин една програма може да се сравни с рецепта: тя, както и рецептата, съдържа списък от отделни компоненти, наречени в този случай променливи и списък от указания / упътвания, наречени тук изрази/команди, които казват на компютърната система какво да прави с променливите. Променливите могат да бъдат числови данни, текст, звук или графични изображения.

Във всяка една програма - за определение и за управление, могат да се определят пет отделни критически пространства / области:



  • Извличане;

  • Анализ;

  • Спецификация;

  • Потвърждаване;

  • Управление.

В областта на съвременните безжични комуникации и разпръскване, изискванията към съответното програмно осигуряване са свързани с конкретния случай на приложение на съответната информационна система. При програмирането се използват изключително Езици от високо ниво, защото са по-близо до човешките езици и по-разбираемо, по-бързо и лесно се изпълняват изискванията на отделните области на конкретната програма. А тогава, когато трябва да се програмира сравнително малка по обем програма, предназначена за промяна на част от съответната конфигурация на използваната информационна система, си прибягна до езиците от ниско ниво – Асемблерните езици. Причината е, че една такава програма е по-бърза, по-лесно се компилира и коригира, съгласно изискванията на основния алгоритъм.

Едно от определящите изисквания тук е определяне на приоритета на всяка от дефинираните по-горе области, в зависимост от конкретния случай. Но във всеки от случаите, говорим за обработка на големи масиви от данни, получавани от ефира, които в повечето случаи съдържат всеки от компонентите на една мултимедийна система – текст, звук и изображение. Следователно, още една причина да се използва език от високо ниво – обработват се големи масиви от данни.

Друго изискване касае многоканалната обработка на информацията – данни се получават и се предават по много канали, в зависимост от тяхната поява и необходимост от ползване от страна на потребителя на конкретен канал и пакет от информация по този канал. Често пъти този канал е в паралел с друг канал.

Така се появява трето изискване – приоритетно обслужване на каналите, по които се обменя информацията. В информационните системи съществува познатата ни т.нар. “опашка”, но в този случай, програмното обезпечаване трябва да позволява във всеки един момент от времето, нарушаване на реда в тази опашка от отделни информационни пакети по преценка на потребителя, обслужващ тази информационна система.

Оттук вече може да се направи извода, че алгоритъмът на всяка от програмите в тази област е със силно разклонена структура и отворен в много точки, където могат да се добавят нови клонове на програмното обезпечаване за обработка на нови информационни пакети по преценка / по задание на оператора.

Каква организация да бъде създадена, за да се получи една ефективно изградена информационна система? Най-важното предизвикателство по време на развитието на информационните системи е те да се справят с изпълнение на изискванията, поставени пред конкретната информационна система (ИнфС). В зависимост от конкретното им предназначение, за едни от ИС е от първостепенно значение да постигат кратко време за отговор, за други да реализират достатъчно голямо по обем пространство за запаметяване на необходимите данни. Изискванията за работа/изпълнение са важен клас от Не - Функционалните - Изисквания (НФИ=HFR). За да бъдат ефективни, информационните системи трябва да постигат както функционалните си, така и нефункционалните си изисквания. Функционалните изисквания описват какво може да извършва тази система, в смисъл на всички нейни входно - изходни връзки.

Двата класа изисквания оформят общата структура на тези изисквания – PeRF (Performance Requirements Framework). Тази структура представя и организира изучаването на ИнфС, тяхното проектиране, приложение и работа. Тази структура представя и организира резултатите от семантичните модели от данни, бази от данни и SPE (Software Performance Engineering – Работният Програмен Инженеринг). Оттук произлиза организацията на информационната система.


  • На първо място това са входно-изходните фактори на ИнфС. Основните входни фактори включват: 1)работните изискваниа за системата; 2)други НФИ за системата, които могат да взаимодействат с работните изисквания и решенията за развитие; 3)функционални изисквания за системата – например конкретната система оторизира с приоритет избрани състояния; 4)приритети за организация и систематизиране; 5)очаквано работно натоварване.

Видът на допълнителните входни фактори включва:

1) Технологии за развитие – да създадат целевата система от спесификацията на източниците;

2) Взаимодействия и замени;

3) Спесификация на системата;

4) Признаци/Особености на основния програмен език.

Резултатите от развитието на този процес включват следните изходи:



5) Запис на решенията за развитие;

6) Индикация за срещнатите работни изисквания;

7) Предсказване на работата на избраната ИнфС.

1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница