SCSA: архитектура для систем мультимедиа реального времени

Архитектура систем цифровой обработки сигналов (Signal Computing System Architecture (SCSA)) (Dialogic Corporation) (рис. 5.2) определяет стандарты разработки серверов, обеспечивающих как управление телефонными соединениями, так и услуги по обработке потоков мультимедийной информации. Эта открытая архитектура представляет собой набор стандартов на программные и аппаратные интерфейсы. На основе этих стандартов становится возможным разработка и построение высокомодульных систем обработки речевой и мультимедийной информации, используя имеющиеся в продаже изделия различных поставщиков. Этот набор стандартов позволяет поставщикам выпускать широкий спектр совместимой модульной аппаратной и программной продукции с гарантией. Более 260 компаний объявили о поддержке SCSA как основы для разработки или приобретения аппаратно-программных средств. Проект стандарта VME-SCSA (VME-SCSA Draft 5.2 Standard), разработанный при спонсорском участии VITA, определяет интерфейс J2/P2, позволяющий VME-модулю обращаться к шине SCSA. Данную спецификацию можно получить в VITA.

Рис. 5.2. Конфигурация типовой SCSA-VME-системы

Шина передачи мультимедийных данных. Стандарт SCSA предусматривает тактируемую шину передачи данных со скоростью 131 Мбит/с, называемую SCbus и используемую для маршрутизации потоков мультимедийных данных между различными системными ресурсами и подсистемами ввода/вывода. Эта синхронная шина состоит из 16 линий данных с побитовой передачей и реализована на базе определяемых пользователем контактов рядов (а) и (с) VME-разъема P2/J2. Стандарт физического уровня VME-SCSA (определяющий назначение выводов разъема P2/J2) получил название VITA-6-1994.

Каждая линия данных шины SCbus предоставляет 32, 64 или 128 временных квантов (time slots), чередуемых последовательно. Каждый квант повторяется с частотой 8 КГц и содержит 8-разрядное значение данных. Для передачи или приема информации любой агент шины или ресурс может использовать любой свободный квант. Распределение квантов и их маршрутизация выполняется программно. Все кванты распределяются между взаимодействующими агентами шины таким образом, чтобы обеспечить виртуальный канал данных со скоростью обмена информацией 64 Кбит/с.

Способность к связному объединению временных квантов чрезвычайна важна с точки зрения обеспечения широкополосных каналов, необходимых для передачи видео- или других мультимедийных данных. При объединении нескольких квантов происходит мультиплексирование потока мультимедийных данных и передача его приемнику по нескольким различным временным квантам. Связное объединение гарантирует, что расположенные рядом байты исходного потока прибудут в место назначения в таком порядке, который облегчит реконструирование потока. Шина SCbus допускает связное объединение любого количества временных квантов.

Базовый тактовый сигнал для шины SCbus, SCLK, передается с частотой 2,048; 4,096 или 8,192 МГц. Каждый тактовый импульс индицирует прибытие очередного бита в составе временного кванта. Выбор фактической тактовой частоты производится системным интегратором в зависимости от требований к пропускной способности системы. На выбор тактовой частоты также влияют и другие условия, например, тип физической линии связи, используемой для передачи сигналов SCSA. Если используется плоский кабель, то верхний предел частоты передачи – 4,096 МГц. Если в качестве каналов данных используется терминированная объединительная плата, то возможна передача сигналов на частоте 8,192 МГц. Если в системе присутствуют SCSA-модули с шиной ST-bus с 2,048 Мбит/с, то такая система должна тактироваться на более низких частотах. Сигнал SCLK x 2 (удвоение тактовой частоты SC) используется только при частоте передачи данных по шине 2,048 МГц и обеспечивает совместимость с шиной Mitel ST-bus (применяемой в некоторых более старых коммутационных и речевых системах).

Для упрощения реализации SCbus компания VLSI Technology предлагает полнодуплексный виртуальный матричный коммутатор 32´2048 (ASIC) SC2000, обеспечивающий неблокируемый доступ до 32 ресурсов к любому из 2048 квантов шины SCbus. В системах с очень большим числом каналов можно использовать нескольких таких коммутаторов. Компания Dialogic разрабатывает устройство, с помощью которого будет осуществляться доступ к 128 внутренним временным квантам. Так как во время передачи по SCbus-шине мультимедийные потоки чередуются, любой SCbus-модуль (агент) может пересылать мультимедийные потоки любому другому агенту или группе агентов.

Канал передачи сообщений.В архитектуре SCSA реализован вторичный коммуникационный канал обмена информацией между совместимыми SCSA-изделиями – канал SCmessage. Данный канал обеспечивает быструю передачу служебных сообщений от одного агента другому. Канал представляет собой простую последовательную шину из одного проводника, называемую шиной сообщений. Так как трафик данных на этой шине носит спорадический характер и является пакетно-ориентированным, то управление шиной осуществляется на базе протокола CSMA/CD (Collision Sensing Multiple Access – множественный доступ с определением конфликтов), аналогичного используемому в локальных сетях Ethernet. Сообщения пересылаются по шине в виде кадров формата ISO #3309 (HDLC).

Шина сообщений не является самотактирующейся. Каждый модуль, снабжённый такой шиной, является как передатчиком, так и приемником. Каждый модуль путём деления тактового сигнала SCLK основной шины SCbus генерирует своего МС-такт частотой 2,048 МГц. Таким образом, фронты этого сигнала синхронизированы с сигналом SCLK. Именно этот МС-синхросигнал и используется для передачи и приема кадров данных по шине сообщений.

Шину сообщений можно сравнить с локальной мини-сетью, объединяющей модули ресурсов и интерфейсные модули ввода/вывода. Во избежание зависаний каждый агент шины после успешной передачи сообщения должен ожидать не менее двух периодов синхроимпульса до повторного обращения к шине.

Хотя протокол CSMA/CD при 75-процентной загрузке шины перестает справляться с работой, фактическая загрузка SCSA-системы составляет менее 10 процентов имеющейся пропускной способности. На этом уровне использования шины SCSA-модули могут обмениваться сообщениями (как широковещательными, так и для определенного адресата) с задержками передачи не более 1 мс. Таким образом, данная шина обеспечивает более быструю передачу сообщений, чем хост-процессор с VME-шиной.

Чтобы воспользоваться преимуществами этого канала сообщений, ядро реального времени предоставляет транспортный сервис, в который входит стандартный прикладной программный интерфейс на базе SC2000 (SC2000 Hardware Developer's kit) от Dialogic.

Интерфейс шины сообщений можно легко реализовать на базе кристаллов SC2000 и Siemens HSCX.

Кристалл Siemens HSCX представляет собой более-менее стандартный HDLC-контроллер с такими характеристиками, как FIFO-буферы, детектирование адреса и определение конфликтов. Кристалл HSCX требует только тактовый сигнал МС (генерируемый из SCLK-сигнала) и один драйвер шины 24 мА с открытым стоком (входящий в состав SC2000) для подключения к шине сообщений.

Многоузловая архитектура – это расширение SCSA, предназначенное для реализации многокрейтовых SCSA-систем. В нём определяется интерфейс прикладных программ с межкрейтовой шиной SCbus и каналами сообщений, так как для различных системных топологий требуется разная полоса пропускания, то в данной архитектуре попыток сформулировать требования к аппаратной реализации межкрейтовых линий связи (физический уровень) не предпринимается, а просто указываются общие требования, включающие:

· синхронизацию;

· управление временными квантами;

· канал сообщений;

· поддержку объединения временных квантов;

· требования к коммутации.

Стандартизация прикладных программных интерфейсов (API). В число прикладных программных интерфейсов для SCSA-стандарта входят:

· управление телефонным соединением;

· мультемедийная запись/воспроизведение/преобразование текста в речь;

· посылка/прием факсимильных сообщений;

· генератор/декодер сигналов (DTMF, MF, тональные посылки);

· автоматическое распознавание речи.

API для управления телефонным соединением уже представлен для рассмотрения Европейской Ассоциации Производителей Компьютеров (European Computer Manufacturer's Association - ЕСМА).

Интерфейсы для мультемедийной записи/воспроизведения/ преобразования текста в речь и посылки/приема факсимильных сообщений пересматриваются Международным телекоммуникационным союзом на предмет возможной адаптации. Программные интерфейсы для генераторов/декодеров сигналов и автоматического распознавания речи на регистрацию еще никуда не поданы и, скорее всего, станут стандартами де-факто. В дополнение к этим интерфейсам определяются API для основных системных услуг, включающих:

· распределение системных ресурсов;

· управление коммутацией;

· поддержка нескольких приложений.

Стандартизация интерфейса провайдера услуг. Интерфейс провайдера услуг упрощает стыковку модулей ввода/вывода с SCSA-системой и почти эквивалентен интерфейсу драйвера. Однако этот интерфейс дополнительно определяет следующее:

· метод программного конфигурирования набора характеристик при помощи передачи стандартных числовых параметров;

· стандартизированные мультимедийные события, генерирующие обрабатываемые хост-процессором прерывания.

Разработка драйверов устройств в соответствии со спецификациями интерфейса провайдера услуг упрощает процесс интеграции модуля ввода/вывода в SCSA-систему.

Поддержка архитектуры "клиент/сервер". Для приема сообщений от любой транспортной службы, поддерживаемой ОС (типа TCP/IP или TLI – Transport Library Interface[12]), был разработан уровень протокола сообщений SCSA. Чтобы послать команду SCSA-серверу, в системе-клиенте должны быть реализованы уровень адаптера прикладного интерфейса и уровень протокола сообщений.

Контрольные вопросы

1. Каковы требования реального времени в системах мультимедиа?

2. Сформулируйте и дайте краткий анализ требований к архитектуре мультимедиа-систем.

3. Как осуществляется в системе Freescale объединение графического и мультимедийного ядра?

4. Проиллюстрируйте особенности мультимедийных микропроцессоров обработки данных на примере PNX1500.

5. Сформулируйте особенности архитектуры систем цифровой обработки сигналов для систем мультимедиа реального времени.

Заключение

В данном учебном пособии проведён анализ предметной области СРВ. Определены основные отличия ОС общего назначения от ОСРВ и особенности управления исполнением задач.

Показано, что важнейшим свойством СРВ является предсказуемость временных реакций системы на внешние события, что определяет состоятельность и обоснованность решений, заложенных в конкретной СРВ. И именно в свете временной предсказуемости необходимо рассматривать возможности выбора конкретной ОС под конкретную задачу реального времени.

В пособии при анализе СРВ выделены важнейшие функции ОС, связанных с планированием, диспетчеризацией потоков в рамках конкретной задачи. Для обеспечения эффективного функционирования вычислительной системы, ОС должна уметь эффективно обслуживать и распределять ресурсы процессора, памяти (основной и внешней) и внешних устройств.Выделенные требования выбора ОС РВ проиллюстрированы примерами типовых контроллеров, предназначенных для решения конкретных задач в реальном времени.

[1] MIPS – семейство RISC-микропроцессоров, разрабатываемое компанией MIPS Technologies.

[2] Разделяемым называется ресурс, доступ к которому могут одновременно получать несколько выполняющихся задач.

[3] Сообщениями является любой механизм явной передачи информации от одной задачи к другой (семафоры можно отнести к механизму неявной передачи сообщений).

[4] Редиректор – это сетевой компонент, ответственный за посылку запросов ввода/вывода по сети, если файл или устройство, к которому осуществляется обращение, не является локальным.

[5]RISC (англ. Reduced Instruction Set Computing) – вычисления с сокращённым набором команд – концепция проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет как удешевить процессор, так и поднять тактовую частоту. Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC (Сomplex Instruction Set computer) выполняли 100–200.

Характерные особенности RISC-процессоров:

· фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды;

· одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью – чтение или запись;

· операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют;

· большое количество регистров общего назначения (32 и более).

В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

[6] Продукт компании ICS Triplex

[7] Библиотека ACE (Adaptive Communication Environment) появилась в ходе исследовательской деятельности и научных разработок д-ра Дугласа С. Шмидта в Калифорнийском университете в Ирвине, направленных на проектирование шаблонов, представление и анализ объектно-ориентированных технологий, способствующих развитию высокопроизводительных, распределенных вычислительных систем реального времени. Результатом работы стала библиотека ACE – мощный инструментарий, предназначенный для создания сложных многоплатформенных коммуникационных приложений.

ACE свободно используется для любых приложений, в том числе коммерческих, без каких-либо лицензионных соглашений. ACE широко применяется во всем мире, а также является одной из самых переносимых C++ библиотек, она поддерживает десятки платформ и продолжает развиваться.

· [8] MIPS (англ. Million Instructions Per Second) - величина, показывающая сколько миллионов инструкций в секунду выполняет процессор в некотором синтетическом тесте.

[9] ADVANTECH. Корпорация ADVANTECH, основанная в 1983 году, является одним из крупнейших в мире производителей вычислительной техники для промышленной автоматизации, встраиваемых систем и телекоммуникаций. Свою миссию ADVANTECH видит в поддержке разработчиков и системных интеграторов в создании инновационного электронного оборудования и автоматизированных систем для широкого круга приложений. Под маркой ADVANTECH сегодня выпускается более тысячи наименований продукции: промышленные компьютеры и контроллеры, интернет-серверы, панели управления для человеко-машинного интерфейса, устройства сбора и передачи данных и многое другое.

[10]Компания Lenel Systems International является одним из ведущих мировых производителей оборудования и программного обеспечения для систем контроля и управления доступом и интегрированных систем безопасности на их основе.

[11] ADPCM - сокращение от Adaptive Differential Pulse Code Modulation (Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция), представляющее собой метод кодирования звуковой информации, в котором передаётся разница между амплитудами текущего и предыдущего сигнала, а не собственно значения сигнала (для хранения одного стробированного отсчёта передаваемого по телефонной линии сигнала требуется 12 битов). Данный алгоритм называется "адаптивным", поскольку он самонастраивается на точность представления значения разницы между отсчётами.

[12] TLI - это ориентированный на UNIX сервис ядра для передачи данных между локальными или удаленными прикладными программными подсистемами по соответствующим линиям связи.