María Ferragut Fiol. Introducción Reproductores MP4 Mercado Actual Procesadores de propósito general Extensiones Multimedia Aceleradores Hardware.

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1 María Ferragut Fiol

2 Introducción Reproductores MP4 Mercado Actual Procesadores de propósito general Extensiones Multimedia Aceleradores Hardware

3 Introducción Reproductores MP4 Mercado Actual Procesadores de propósito general Extensiones Multimedia Aceleradores Hardware

4 MP4 es un formato de archivo contenedor que forma parte del estándar MPEG-4 parte 14,del cual hablaremos a continuación. Este archivo contenedor se utiliza ampliamente para distribuir vídeo y audio. El estándar MPEG-4, es el nombre de un grupo de estándares de codificación de audio y video así como su tecnología relacionada normalizada por el grupo MPEG. MPEG-4 toma muchas de las características de MPEG-1 y MPEG-2 así como de otros estándares relacionados. El video es problemático en términos de almacenamiento y transmisión debido al extenso tamaño de los archivos. Un video no comprimido, de pantalla completa significa la necesidad de 30 archivos de imagen de 1MB, cada uno, por segundo, sin incluir las señales de sonido. El estándar de compresión de video MPEG-2, a través de comparaciones entre una trama de video y las sucesivas, nos permite que se almacene o envíe solo la información de los cambios entre las tramas, el resto será repetida de la primera trama, de esta forma mucha de la data original puede ser dejada de transmitir, reduciendo el ancho de banda necesario. El único problema es que el mínimo denominador común de una trama simple sigue siendo comparativamente largo. Para ahorrar espacio, MPEG-4 reconoce objetos individualmente dentro de la trama. Manipulando cada objeto en forma individual, MPEG- 4 es capaz de desechar una mayor cantidad de información, obteniendo órdenes de compresión que van de 8 a 12 veces menos que los obtenidos en MPEG-2. Con MPEG-4 puede comprimirse la información de un DVD de 8 GB en un CD de 700MB.

5 Existen principalmente dos tipos de reproductores, clasificados según su modo de almacenamiento: Reproductores basados en Flash: Éstos son dispositivos que almacenan ficheros de audio digital en memoria interna o externa, como tarjetas de memoria. Normalmente son dispositivos con poca capacidad de almacenamiento, típicamente entre 256MB-8GB. Reproductores basados en disco duro: Dispositivos que leen ficheros de vídeo, imágenes y audio desde un disco duro. Estos reproductores tienen capacidades de almacenamiento mucho más grandes, desde 5GB a 200GB, dependiendo en la tecnología del disco duro.

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7 Actualmente en la creación de los reproductores mp4 nos encontramos con un mercado muy competitivo, en donde el más mínimo avance es un total y absoluto secreto, así pues hoy por hoy para el procesamiento del MPEG4 se utilizan diversas técnicas de las cuales trataremos a continuación

8 Los PPG son procesadores genéricos (ARM,Intel) a los cuales se les programa para que sean capaces de codificar o decodificar MPEG-4 De todos los PPG trataremos de 3 principalmente, que son sin duda los más usados en la actualidad: ARM MIPS PPC

9 ARM ARM2, posee un bus de datos de 32 bits y ofrece un espacio de direcciones de 26 bits, junto con 16 registros de 32 bits. Uno de estos registros se utiliza como contador de programa, aprovechándose sus 4 bits superiores y los 2 inferiores para contener los flags de estado del procesador. Posee sólo 30 000 transistores ARM3, incluye una pequeña memoria caché de 4 KB, lo que mejora los accesos a memoria repetitivos. ARM6 el núcleo mantuvo su simplicidad a pesar de los cambios: en efecto, el ARM2 tiene 30 000 transistores, mientras que el ARM6 sólo cuenta con 35 000. La idea era que el usuario final combinara el núcleo del ARM con un número opcional de periféricos integrados y otros elementos, pudiendo crear un procesador completo a la medida de sus necesidades.

10 La mayor utilización de la tecnología ARM se alcanzó con el procesador ARM7TDMI, con millones de unidades en teléfonos móviles y sistemas de videojuegos portátiles. El diseño del ARM se ha convertido en uno de los más usados del mundo, desde discos duros hasta juguetes. Hoy en día, cerca del 75% de los procesadores de 32 bits poseen este chip en su núcleo.

11 MIPS Con el nombre de MIPS se conoce a toda una familia de microprocesadores de arquitectura RISC desarrollados por MIPS Technologies.Las primeras arquitecturas MIPS fueron implementadas en 32 bits (generalmente caminos de datos y registros de 32 bits de ancho), posteriormente se implementaron versiones en 64 bits. R2000, añadía instrucciones multiciclo para la multiplicación y la división en una unidad independiente integrada en el procesador. Además soportaba hasta cuatro co-procesadores, uno de los cuales estaba integrado en la CPU principal para el manejo de excepciones e interrupciones, mientras que los otros tres estaban destinados a otros usos. R3000 añadía una caché de 32 kB (pronto aumentada a 64 kB) para instrucciones y datos.

12 MIPS R4000 se extendió el juego de instrucciones del MIPS para constituir una auténtica arquitectura de 64 bits y se movió la FPU (unidad de punto flotante) al mismo circuito para crear un sistema de chip único, operando a una velocidad de reloj radicalmente superior (inicialmente 100 MHz). R8000 fue el primer diseño MIPS superescalar, capaz de ejecutar dos operaciones de ALU y otras dos de memoria en cada ciclo de reloj. R10000 era un diseño de chip único, con mayor velocidad de reloj que el R8000, y mayores cachés primarias de 32 kB para instrucciones y datos. Aún con una FPU(unidad de punto flotante) más simple, la vasta mejora en las operaciones con enteros, su menor precio y la mayor densidad hicieron del R10000 el preferido por muchos clientes. Los diseños más recientes se basan en el R10000

13 PPC PowerPC (PPC) es el nombre original de la arquitectura de computadoras de tipo RISC, fue desarrollada por IBM, Motorola y Apple. Los procesadores de esta familia son producidos por IBM y Freescale Semiconductor que es la división de semiconductores y microprocesadores de Motorola, siendo utilizados principalmente en ordenadores o computadores Macintosh de Apple Computer El PowerPC 7447 es un procesador de 32 bits de un solo núcleo que fue usado extensamente por Apple en sus líneas Powerbook, ibook y Mac mini desde finales del año 2003 hasta finales del 2005 justo antes de cambiar a procesadores Intel.

14 PPC Estos procesadores se usaron en velocidades de 1 Ghz en el Powerbook de 12" DVI hasta 1.67Ghz en el Powerbook de 15" y 17" dual layer. Estos últimos usaron una variación llamada 7447a. Apple denominó a este procesador como G4 al igual que las versiones anteriores como el 7455. Lo destacable de un procesador G4 era que incluía por primera vez el set de instrucciones Altivec o Velocity Engine como lo publicitaba Apple, el cual no estaba disponible en la generación anterior de procesadores conocidos como G3. El G5 o 750 también incluía este set de instrucciones pero era de 64 bits. El G5 consumía más energía que el G4 y se calentaba considerablemente más por lo que nunca fue utilizado en máquinas pequeñas o portátiles, por eso coexistió con el 7447.

15 Las extensiones multimedia (MMX )es un Conjunto de instrucciones SIMD diseñado por Intel e introducido en 1997 en sus microprocesadores Pentium MMX. MMX agregó 8 nuevos registros a la arquitectura, conocidos como MM0 al MM7 (en adelante llamados MMn) Cada uno de los cuales es un número entero de 64 bits. Sin embargo, uno de los conceptos principales del juego de instrucciones MMX es el concepto del tipo de datos compactados, que significa en lugar de usar el registro completo para un solo número entero de 64 bits, se puede usar para almacenar dos enteros de 32 bits, cuatro enteros de 16 bits u ocho enteros de 8 bits. Para simplificar el diseño y evitar modificar el sistema operativo para preservar el estado adicional a través de los interruptores de contexto, MMX reutiliza los ocho registros existentes de la FPU. Por ello es muy difícil trabajar con la FPU y MMX a la vez. Para maximizar el rendimiento, los programadores deben utilizar el procesador exclusivamente en un modo o el otro, retrasando todo lo posible el lento paso de un modo a otro.

16 Otro problema para MMX es que sólo soporta operaciones con números enteros. Cada uno de los ocho registros de 64 bits del vector MMX, pueden representar 2 números de 32 bits, cuatro de 16 u 8 de 8 bits. Por otra parte, sus nuevas operaciones aritméticas incluyen las operaciones aritméticas de saturación, lo que podría acelerar perceptiblemente el procesamiento digital de señales. Por ello mejora el rendimiento de la multimedia. Intel solucionó esos problemas más adelante con SSE, un conjunto de instrucciones SIMD más ampliado con soporte de coma flotante de 32 bits y un sistema adicional de vectores de registros de 128 bits que hacen más sencillo usar SIMD y FPU al mismo tiempo Intel y su mayor competidor AMD llegaron a un acuerdo de compatibilidad por el que éste último sacó al mercado microprocesadores con el juego de instrucciones MMX, los procesadores AMD K6. Más tarde AMD daría un paso más, añadiendo a sus procesadores un nuevo juego de instrucciones para operaciones en coma flotante: 3DNow!.

17 En este punto vamos a destacar únicamente dos grupos: GPUs ASIC

18 Una GPU es un procesador dedicado exclusivamente al procesamiento de gráficos, para aligerar la carga de trabajo del procesador central. De esta forma, mientras gran parte de lo relacionado con los gráficos se procesa en la GPU, la CPU puede dedicarse a otro tipo de cálculos Si bien en un computador genérico no es posible reemplazar la CPU por una GPU, hoy en día las GPU son muy potentes y pueden incluso superar la frecuencia de reloj de una CPU antigua (más de 500 MHz). Pero la potencia de las GPU y su dramático ritmo de desarrollo reciente se deben a dos factores diferentes. El primer factor es la alta especialización de las GPU, ya que al estar pensadas para desarrollar una sola tarea. Por ejemplo, las GPU actuales están optimizadas para cálculo con valores en coma flotante, predominantes en los gráficos 3D.

19 Por otro lado, muchas aplicaciones gráficas conllevan un alto grado de paralelismo inherente, al ser sus unidades fundamentales de cálculo (vértices y píxeles) completamente independientes. Por tanto, es una buena estrategia usar la fuerza bruta en las GPU para completar más cálculos en el mismo tiempo. Los modelos actuales de GPU suelen tener una media docena de procesadores de vértices, y hasta dos o tres veces más procesadores de fragmentos o píxeles. De este modo, una frecuencia de reloj de unos 500- 600MHz, muy baja en comparación con lo ofrecido por las CPU, se traduce en una potencia de cálculo mucho mayor gracias a su arquitectura en paralelo. Una de las mayores diferencias con la CPU estriba en su arquitectura. A diferencia del procesador central, que tiene una arquitectura de von Neumann, la GPU se basa en el Modelo Circulante. Este modelo facilita el procesamiento en paralelo, y la gran segmentación que posee la GPU para sus tareas.

20 Los algoritmos de procesado de señal de video se caracterizan por una complejidad computacional bastante elevada y un alto consumo de memoria, desde que las arquitecturas multicore pueden proporcionarnos una gran capacidad computacional y un gran rendimiento son perfectas para aplicaciones de procesado de video, sin embargo, es muy difícil sobrellevar el incremento de complejidad que tienen los sistemas últimamente y el costo de los sistemas multicore para las aplicaciones de procesado de video. Se necesita, por tanto, una plataforma apropiada, que sea capaz de satisfacer los requerimientos variantes de una diversidad de estándares de video. Una plataforma debe ser pensada como un diseño parcial para un sistema concreto, que puede requerir varios procesadores, software embebido, y suficiente flexibilidad para encajar en las necesidades del cliente y/o mercado, no solo las cuestiones técnicas. El punto clave es cómo identificar esos diseños parciales dentro de un sistema mayor y convertirlos en plataformas, o de otra manera, cómo identificar una parte del sistema que encaja en una plataforma existente.

21 Una plataforma sirve para propósito de reusabilidad, para que no se deba comenzar cada vez desde cero. Por lo tanto las plataformas se deben elaborar considerando principios sólidos y duraderos y no sólo consideraciones de mercado. Estos principios pueden ser entendidos como estándares actuales, ya que la elección de un buen estándar puede dar larga vida al producto y su familia. Además, los estándares proporcionan cierto nivel de seguridad y duración de los algoritmos, y el uso de componentes reales comunes por un largo periodo de tiempo, incluyendo actualizaciones. Como ejemplo de estándares constantes, que pueden usarse para extraer especificaciones están MP3 o MPEG4. Éstos pueden agruparse y estudiarse para encontrar el denominador común máximo dentro de su grupo, siendo así posible definir una arquitectura común que satisfaga los requisitos. Si consideramos, como ejemplo, audio como un grupo de aplicaciones, se puede usar MP3 como el caso de estudio y luego puede ser extendido a otros miembros del grupo, como AAC o WMA, con requisitos técnicos parecidos. Las mayores ventajas que ofrecen las plataformas son el corto time-to-market, que es posible, a priori, debido al dominio de la arquitectura: su comportamiento y su rendimiento, la viabilidad de implementación, optimización y personalización. Estimaciones de área, velocidad y consumo de energía se pueden obtener gracias a diseños previos realizados en la misma plataforma, dando así un gran nivel de conocimiento del producto final.

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23 Hoy en día tenemos una amplia gama de reproductores en el mercado, desde los grandes gigantes como Appel hasta las variadísimas imitaciones procedentes de China o Taiwan. Nosotros nos centraremos en los 3 más importantes: Ipod Zen Zune

24 Ipod El reproductor por excelencia, es el favorito de la mayor parte de los compradores, fue creado por Apple Inc. con pantalla a color y disco duro, o en el caso del iPod nano, el iPod shuffle y el iPod touch con memoria flash. Actualmente, la línea de productos iPod se compone de cuatro series:

25 iPod shuffle (segunda Generación), sin pantalla y con una memoria flash de 1 y 2 GB (en color plateado, azul, verde y rosa). Existe una edición especial con carcasa roja denominado iPod shuffle (PRODUCT) RED ).

26 iPod nano (cuarta generación), con posibilidad de reproducción de vídeo y fotos, y equipado con una memoria flash de 8 o 16 GB (en color plateado, negro, púrpura, azul, verde, amarillo, naranja y rosa). También existe una edición especial con carcasa roja denominada iPod nano (PRODUCT) RED, disponible con las mismas capacidades que los demás colores, 8 o 16 GB.

27 iPod classic (sexta generación), con posibilidad de reproducción de vídeo y fotos, y equipado con un disco duro de 120 GB.

28 iPod touch (segunda generación) equipado con memoria de 8GB, 16GB ó 32GB, con pantalla multi-táctil, Wi- Fi y Safari (en color negro). Puede ser equiparable a un iPhone de primera generación (EDGE) sin acceso a las redes GSM y EDGE.

29 Zen El reproductor Zen, perteneciente a la compañía creative tiene una amplia gama de productos en donde su última puesta al mercado la realizo con el Zen X-Fi en sus versiones de 16 y 32 GB, con la tecnología de redes inalámbricas que hace posible la trasferencia de música y vídeos desde el PC al reproductor desde cualquier lugar de la casa, descargar contenido y chatear. Disfruta de tus vídeos y fotos con su gran pantalla a color, y comparte tu música con su altavoz integrado. Con radio FM, grabadora de voz y ranura para tarjetas SD, almacenamiento y una pantalla de 2,5 pulgadas con 16,7 millones de colores

30 Zune El principal objetivo de Microsoft con este reproductor es arañar mercado al principal líder del sector, el iPod de Apple: desde que Apple lanzó su reproductor de música digital, la empresa ha vendido 100 millones de reproductores, así como centenares de millones de canciones a través de su servicio de Internet iTunes. Mientras que la primera versión del Zune, de 30 GB, vendió 1,2 millones de unidades. El Zune está disponible en tres versiones. El modelo de más capacidad es el de 80 gigabytes (80 GB), que utiliza un disco duro para almacenar archivos, ya sean de música, fotografía o vídeo. Este modelo es capaz de reproducir formatos MP3, WMA, WMA Lossless, WMA DRM (Digital Rights Management), la versión DRM de Zune Pass, así como vídeos codificados con WMV, h.264 y MPEG-4.

31 La pantalla LCD es de 3,2 pulgadas y con una resolución de 320x240 píxeles. Además, todas las versiones de Zune (4, 8, 30 y 80 GB) cuentan con sintonizador de radio FM con RDS y la capacidad de sincronizarse con un ordenador de forma inalámbrica para transferir archivos a través de WiFi. Los modelos de 4 y 8 Gb utilizan memoria "flash" para almacenar los archivos, lo que les permite tener unas dimensiones más reducidas que el de 80 Gb. Con una pantalla de 1,8 pulgadas y una resolución de 320x240 píxeles, pueden reproducir los mismos formatos de audio y vídeo que la versión mayor.

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