Per molte applicazioni che vedono l'impiego di videocamere come apparati di sorveglianza, videocitofoni o sistemi di video conferenza, si sta sempre più affermando la tendenza verso l'alta risoluzione per quanto riguarda la cattura di immagini video e la relativa trasmissione dei dati su reti IP. Dal momento che molte di queste applicazioni sono alimentate a batteria o da altre fonti con ridotte capacità energetiche, si impone la necessità di microprocessori multimediali a basso consumo energetico. Ma non solo: gli attuali sistemi con videocamera non si fermano più alla semplice cattura e trasmissione dell'immagine. Ogni frame deve infatti essere elaborato al fine di poter compiere operazioni complesse quali il riconoscimento di oggetti, stabilizzazione dell'immagine e ripulitura da quant'altro affligge il materiale video originale. Tutto ciò richiede una grande potenza di calcolo per effettuare operazioni a virgola fissa o mobile. Un microprocessore embedded che soddisfa tutti questi requisiti è il nuovo SH7724 di Renesas.
Cpu superscalare e FPU ultrapotente
All'interno del SH7724 batte il cuore SH4A, una Cpu Risc superscalare a 32 bit. Il termine “superscalare” indica la capacità da parte della Cpu di eseguire 2 istruzioni ad ogni ciclo di clock, grazie alla presenza di due pipeline che lavorano in parallelo. Il compilatore Renesas supporta questa possibilità riordinando le istruzioni in modo tale da tenere occupate entrambe le pipeline. E se la Cpu, grazie alla superscalarità, è in grado di raggiungere lo stesso livello di prestazioni con una più bassa frequenza di clock, allora si riduce anche il consumo. Ma non finisce qui: altra particolarità del SH4A è una Fpu (Floating Point Unit) con prestazioni d'avanguardia, che consente di eseguire istruzioni in floating point per moltiplicazioni-accumulazioni, divisioni, estrazioni di radici quadrate e molto altro in singola (32 bit) o doppia (64 bit) precisione in conformità allo standard Ieee754. Le operazioni elencate fanno parte del set di istruzioni dell' SH4A, che vengono eseguite automaticamente quando il compilatore trova formati “float” o “double” nel codice in C. La Fpu del SH4A, con il suo set di registri, consente poi di operare direttamente senza bisogno di ricorrere alla copia da registri general purpose. Il core dell'SH7724 funziona a 500Mhz. La superscalarità permette alla Cpu di raggiungere i 920 Mips, mentre la Fpu arriva fino a 3.2 Gflops grazie all'operatività di tipo Simd (Single Instruction Multiple Date).
Periferiche speciali per applicazioni video
La Viu (Video Input Unit) permette la connessione di due camere digitali Cmos a 5 MPixel, o di due camere che usano lo standard ITU-R BT.656/601, come le Pal/Ntsc. La Vpu (Video Processing Unit) ha il compito di catturare i frame da ogni telecamera collegata e salvarli nella memoria, mentre la Veu (Video Engine Unit) è in grado di convertire automaticamente ogni singolo frame appena catturato. Operazioni possibili sono, per citarne alcune, il resize, la conversione da YCrCb a Rgb, la rotazione, il dithering e molte altre. Per la cattura di video ad alta definizione a 720p, ovvero 1280x720 pixel a 30 frame al secondo, si rende necessaria una potente compressione video. Per questo nell'SH7724 è stata incorporata una Vpu) Mpeg4/H.264 per la codifica e la decodifica hardware di flussi video a 720p@30fps. Tutto ciò si traduce ancora una volta in risparmio di consumi e di carico della Cpu. È proprio la pluridecennale esperienza di Renesas nella produzione di video codec hardware che garantisce la corrispondenza di tali codifiche e decodifiche hardware ai più alti livelli di qualità.
Connettività assicurata
L'SH7724 è dotato di una interfaccia Ethernet da 10/100 Mbit che lo rende particolarmente adatto per sistemi con videocamera basati su IP. Renesas fornisce il supporto per PoE (Power over Ethernet) con la sua piattaforma di riferimento MS7724. La connettività wireless come Bluetooth e in modo particolare WiFI può essere assicurata grazie all'integrazione di una interfaccia SDhost. Oltre alle card standard SD e Mmc è anche possibile usare dispositivi Sdio come Bluetooth e Wifi Adapters. Due interfacce indipendenti Usb possono essere configurate per funzionalità host o device in tutte le tre classi di velocità esistenti: alta, media e bassa. Nel caso che i dati relativi alle immagini non siano trasmessi a distanza ma vengano visualizzati localmente su un display Lcd o su uno schermo TV, l'SH7724 è provvisto di un controller Lcd con risoluzione SVGA . Con la Vou (Video Output Unit) è possibile instradare flussi di dati secondo lo standard Itu-R BT.656/601 per dispositivi Pal/Ntsc, come apparecchi Tv in risoluzione HD (1280*720). Una Beu (Blending Engine Unit) può essere usata in unione con la Vou o con il Controller Lcd. È anche possibile sovrapporre tre differenti livelli di sorgenti video: ad esempio, un ingresso da videocamera su una riproduzione video Mpeg4, il tutto sotto sistema operativo.
Supporto software
Fino ad ora si è discusso delle straordinarie prestazioni hardware dell'SH7724 per applicazioni di video over IP. Almeno di pari importanza è la disponibilità del software di supporto per consentire all'utente di sfruttare appieno, e nel più semplice modo possibile, tali prestazioni. In primo luogo l'uso di un sistema operativo come Linux che va per la maggiore su sistemi con videocamere intelligenti. Drivers e middleware danno poi accesso alle periferiche hardware come la Vpu. Questo middleware rende la vita molto più semplice a coloro che sviluppano applicazioni in ambiente Linux nell'accedere a periferiche molto complesse. Il kernel di Linux non solo fornisce importanti servizi tipici di un sistema operativo quali programmazione e gestione della memoria, ma anche contiene i driver per ciascuna periferica del SH7724. La qualità di un Bsp Linux per sistemi embedded acquistabile presso un qualsiasi fornitore hardware può essere misurata in disponibilità e corrispondenza agli standard in vigore. Per periferiche altamente complesse come la Vpu è spesso impossibile per un cliente realizzare un suo proprio driver perciò egli deve poter contare sulla disponibilità del driver appropriato presso i fornitori hardware. Inoltre un driver deve essere conforme a standard come la “Linux syscall convention” affinché l'applicazione standard Linux possa usufruire di comuni driver di interfaccia. A questo proposito si può affermare che Renesas è una azienda molto attiva e di primo piano nei confronti di Linux. Nel 2008 è stata infatti tra i 10 principali contributors mondiali, nonché uno specialista nella comunità Linux nell'incrementare la qualità dei driver di più alto livello. Renesas può contare sull'integrazione, all'interno del proprio Linux team, di esperti in architetture di Cpu, specialisti in toolchain e sviluppatori di software in ambiente Linux. Le SH4A Linux Kernel extensions sono parte della linea principale di Linux kernel e possono essere scaricate da www.kernel.org. Renesas fornisce inoltre un middleware per la Vpu, molto importante per lo sviluppo di applicazioni video. Il binary fornisce una Api (Application programming interface) che può essere utilizzata da chi sviluppa applicazioni per sfruttare tutte le funzioni della Vpu, come ad esempio iniziare un processo di decodifica di un flusso di dati Mpeg4 immagazzinato in memoria. Tutte le funzioni sono descritte in dettaglio nella abbondante documentazione fornita. Ciò che deve fare l'utente è solo includere il file header nel suo codice in C, dopo di che può iniziare lo sviluppo con il middleware, che molto velocemente supporterà codifica e decodifica. Ciò è di grande utilità ad esempio per sistemi di conferenza, in cui il middleware è in grado di codificare i video catturati per inviarli all'interlocutore e allo stesso tempo decodificare un video compresso in entrata. Un'applicazione assai utile per le soluzioni che fanno uso di videocamere IP è lo streaming server, col compito di instradare le informazioni A/V su una rete IP verso un Pc dotato di lettori multimediali come Mplayer o Vlc in grado di restituire il contenuto video in tempo reale: architettura, questa, tra l'altro, di cui possono avvalersi anche i centri di sorveglianza. Non è difficile trovare molti esempi di mediaplayer che girano su Pc, ciascuno alimentato da una propria sorgente A/V. Lo streaming server usato sul SH7724 è il sighttpd-stream ingress http server.
Necessità di basso consumo
Dal momento che molte applicazioni provviste di telecamera sono di tipo portatile e perciò alimentate da batteria, con 1 o 2 connessioni Usb o con Power over Ethernet, è fuori discussione la necessità di un dispositivo a basso consumo. Ed il SH7724 è un dispositivo a consumo estremamente basso. Nasce per il mondo della telefonia mobile; la diffusissima famiglia SH772x con il capostipite SH7721 è stata esportata tre anni fa dal mondo Mobile a quello dell'industrial. Da questo sono stati derivati altri dispositivi con range di temperatura e package industriali e disponibilità a lungo termine ma tutti con il comune denominatore del basso consumo, tipico della provenienza dal settore della telefonia mobile. Anche il processo 45nm impiegato per produrlo è stato determinante per garantire il basso assorbimento dell'SH; e come se non bastasse, questo dispositivo è in grado di funzionare con low power mobile Ddr-Sdram, come pure con DDR2-SDRAM a 333Mhz, cosa che contribuisce a far risparmiare potenza. Tra le altre caratteristiche apprezzabili sotto questo punto di vista, c'è per esempio la presenza di una Ram interna a basso consumo che consente un risveglio veloce dallo stato di stand-by, nel quale il processore consuma soltanto 50μA.
