Немного о звуке на компьютере

Предлагаем вашему вниманию интересную статейку о звуке на компьютере.

Звуковые интерфейсы Windows.

Общие звуковые сведения об аудио подсистеме Windows.

Звуковые карты и устройство windows в последние несколько лет претерпели очень крупные изменения. Самым важным из них было то, что звуковые карты мигрировали от ISA на PCI шину. В связи с этим изменилась и модель звукового драйвера Windows, которая мигрировала с VxD (Virtual Device Driver) на WMD (Windows Driver Model). В связи с этим было полностью переработаны звуковой интерфейс Windows DirectSound, в частности указатели на звуковые данные и микширование данных.

Когда появился DirectSound все существующие звуковые карты .имели ISA интерфейс. Эта низкоскоростная шина предоставляла базовый доступ с звуковому устройству, но не позволяла передавать большие объемы данных. ISA позволяла передавать 16-ти битные стерео данные с частотой семплирования 22050 герц от процессора к звуковой карте без влияния на производительность. Передача больших объемов данных полностью занимало шину данных (на которой, кроме аудио устройства находились и другие переферийные устройства) и тем самым влияло на общую производительность компьютера.

Для ускорения микширования буферов данных в DirectSound чип, отвечающий за аппаратное микширование нуждался в быстром доступе и непосредственном доступе ко всем аудиоданным, которые должны были быть смикшированы. Звуковые карты, которые поддерживали ускорение посредством DirectSound, проектировались двумя путями: можно было «перепрыгнуть» через шину ISA и работать со звуковыми данными, которые должны бить смикшированы непосредственно в общей оперативной памяти или же при разработке звуковой карты к нее могла включаться специально выделенная «звуковая» память, в которую копировались данные из общей ОЗУ и только там уже производилось микширование данных. Так как ISA шина имела очень ограниченную ширину пропускания, не практиковалось чтение аудиоданных напрямую из памяти. Большинство ISA звуковых, которые поддерживали ускорение DirectSound в большинстве своем имели набортную выделенную память. Как пример таких звуковых карт, можно привести серию AWE звуковых карт SoundBlaster. Когда такая звуковая карта использовала ускорение DirectSound, звуковые данные должны были сначала быть скопированы из общего ОЗУ через медленную ISA шину в выделенную звуковую память на карте.

Такое ограничение существующего в то время основного интерфейса привело к тому, что стали появляться звуковые карты двух видов:

1. Звуковые карты, которые содержали в себе только ЦАП и АЦП, которые часто так же назывались звуковым картами, не поддерживающими ускорение. Эти звуковые карты предлагали простейшие функции, такие как конвертирование простейшего звукового стерео потока в аналоговый сигнал

2. Звуковые карты с поддержкой DirectSound акселерации. Эти звуковые карты имели выделенную ОЗУ и производили аппаратное микширование аудио потоков в этой ОЗУ. Эта выделенная ОЗУ являлась аналогом видеопамяти для размещения текстур в большинстве 3D видео акселераторов.

Переход звуковых карт на использование PCI шины.

Сегодня большинство звуковых карт номинально спроектировано для PCI интерфейса. Прежде всего, это поспособствовало огромному увеличению пропускной способности между системой и звуковой картой. Поэтому большинство звуковых карт может напрямую обращаться к общей ОЗУ для микширования данных. То есть все этих звуковые карты не имеют собственной выделенной памяти и используют прямой доступ к системному ОЗУ. В терминологии DirectSound это обозначает, что звуковые карты поддерживают буферы потоков (находящиеся в системном ОЗУ), но не поддерживают статические буферы (таким термином обозначались участки памяти в собственной выделенной звуковой памяти на борту звуковой карты). Примечание: потоковые буферы данных способны выполнять все те же операции, что и статические буферы. Но есть различие между реализацией этих технологий, так как при использовании потоковых буферов нет необходимости в дополнительном шаге – передачи данных в выделенное ОЗУ звуковой карты (статических буфер). Поэтому при считывании системной информации, звуковая карта, имеющая поддержку потоковых буферов так же рапортует о поддержке статических буферов, хотя на самом деле это не так.

Несмотря на огромное развитие звуковых карт, звуковые карты, работающие через интерфейсную шину PCI все так же делятся на два типа:

1. Звуковые карты, которые содержали в себе только ЦАП и АЦП (non-accelerated sound cards)

2. Звуковые карты с поддержкой DirectSound акселерации. Эти карты уже не содержат выделенной звуковой памяти. С другой стороны, они поддерживают прямой доступ к общей ОЗУ и буферам DirectSound, которые там были созданы.

USB колонки и USB наушники (USB speakers). Настоящие USB speakers (то есть те устройства, которые для свое подключения не требуют наличия звуковой карты в компьютере) вообще не имеют аналоговых входов и выходов и их подключение производится исключительно посредством цифрового интерфейса USB. Это позволяет располагать все аналоговые элементы вне корпуса компьютера с его электронным помехами. Так же USB устройства могут передавать системе свои основные параметры примерно тем же способом, как делает то монитор. Windows может использовать USB устройства как основное устройства ввода/вывода, но такие устройства не имеют поддержки аппаратного ускорения DirectSound. Все операции микширования звуковых потоков выполняются в помощью программной части WDM драйвера – kmixer.

Windows Audio Model (WDM) и DirectSound.

В старой модели драйверов VxD все операции микширования звука посредством DirectSound осуществлялись в Dsound.vxd, виртуальном драйвере устройства. Dsound.vxd так же обеспечивал прямой доступ к DMA буферу данных, которые звуковая карта использовала для получения данных от центрального процессора. Этот буфер получил название «первичного буфера» или “primary buffer”.

При переходе на драйверную модель WDM DirectSound уже не имело прямого доступа к аппаратной части звуковой карты. Вместо этого DirectSound обращается к kmixer (kernel mixer). Задача системного микшера – конветация форматов всех входящих звуковых потоков в текущий формат, соединение их воедино и, как результат, отсылка полученного потока звуковой карте. В этом и заключается основное отличие между VxD и WMD драйверными моделями – VxD микшировал только поступающие аудиоданные от DirectSound приложений, а kmixer – все аудиоданные, в том числе и данные, поступающие от приложение, использующие WaveOut API. То есть, при использовании драйверной модели VxD одновременно не могли воспроизводиться аудиоданные, полученные из WaveOut и DirectSound приложений. WDM же больше не накладывает этих ограничений.

kmixer является только подчастью звуковой системы компьютера, которая позволяет предопределить текущий формат аппаратного DMA буфера. Этот формат выбирается на основе входящих аудиоданных. kmixer выбирает текущий формат исходя из минимальных значений следующих требований: 1. минимально допустимый формат, который поддерживает железо; 2. наивысший из форматов, которые требуется смикшировать. Пересечением этих двух условий и будет являться текущий формат аудиоданных. То есть, другими словами, при воспроизведении одного потока с частотой семплирования 44100 герц, одного потока с частотой семплирования 11025 герц и одного потока с частотой семплирования 48000 герц, kmixer автоматически преобразует все данные в поток с частотой семплирования 48000.

Режимы «звуковой акселерации» DirectSound.

Операционная система Windows позволяет пользователю самому определить уровень «акселерации», то есть определить какие расширения звуковых API звуковая карта сможет использовать (при условии, если звуковая карта аппаратно полностью является DirectX совместимой). Уровни «акселерации» приведены ниже

1. Full. Предполагает использование всех видов акселерации DirectSound, включая EAX расширения.

2. Standard. Предполагает использования вторичного буфера DirectSound, но не поддерживает расширения DirectSound, в частности EAX.

3. Basic. Отключает двойную буферизацию аудиоданных, отключает акселерацию DirectSound.

4. Emulation. Форсирует эмуляционный режим работы DirectSound, в котором подсистема информирует, что в системе не существует DirectSound-совместимого звукового адаптера. В этом режиме работы все пользовательские аудиоданные микшируются посредством DirectSound, а потом посылаются на выход WaveOut. Этот режим работы характеризуется возможной задержкой в воспроизведении или записи аудиоданных.

Основные аудиоинтерфейсы операционной системы Windows.

WaveOut. Является самым старый аудиоинтерфейсом. Он характеризуется минимальными возможностями - проигрыванием одного потока аудиоданных в формате wave. При использовании этого звукового интерфейса (если звуковая карта не поддерживает никаких больше) возможен вывод звуковых данных только из одного приложения одновременно. Так как WaveOut интерфейс является чисто программным, то производительность оного очень сильно зависит от загрузки центрального процессора и шины обмена данных. К примеру, при загрузке процессора другими приложениями и одновременном проигрывании музыки возможны кратковременные пропадания звука («заикания»). В зависимости от общей загруженности компьютера такие паузы могут достигать и нескольких секунд.

DirectSound. Основные характеристики DirectSound интерфейса были изложены выше. Стоит лишь заметить, что DirectSound позволяет аппаратно реализовывать микширование (соединение воедино аудиоданных из нескольких приложений), что само по себе предполагает возможность вывода звука одновременно более чем из одного приложения. Так же при использовании DirectSound интерфейса многие манипуляции с аудиоданными выполняются аппаратно, что позволяет как снизить загрузку на центральный процессор, так и стать менее процессорозависимым интерфейсом (приведенные выше «заикания» звука при выводе через DirectSound интерфейс практически не встречается). DirectSound является основным аудиоинтерфейсом Windows. ASIO. В связи с тем, что существующие аудиоинтерфейсы не могли предложить простой и эффективный аппарат для манипулирования аудиоданными и не имели удобного интерфейса для работы с большим количеством входов и выходов, компанией Steinberg был создан интерфейс Audio Streaming Input Output (ASIO). Отличительной особенностью этого аудиоинтерфейса является очень гибкий механизм манипулирования аудиосигналом. Этот интерфейс не имеет ограничение на количество физических и виртуальных входов и выходов (на самом деле ограничение существует, но диктуется уже производительностью системы в целом), имеет возможность накладывать звуковые эффекты на аудиопоток после отсыла этого потока воспроизводящим приложением, и много других полезный новшеств. ASIO получил свое распространение в основном в профессиональных звуковых приложениях. Энтузиасты же используют его так же и для вывода звука в обычных программных аудиоплеерах. Стоит так же заметить, что ASIO интерфейс не является стандартным интерфейсом операционной системы Windows, поэтому вся ответственность за реализацию ASIO драйвера и его соответствия спецификации целиком и полностью лежит на производителях звуковых карт. Для мультимедийных звуковых карт может быть заявлена поддержка этого аудиоинтерфейса, но это не является обязательным требованием, поэтому нередко встречаются ошибки или неточности в реализации оного.

Если эта статья показалась вам интересной, то полный текст с картинками вы можете прочитать на нашем форуме в разделе "ЖЕЛЕЗО".