研究生多媒体07_多媒体操作系统.

多媒体技术多媒体技术第七章多媒体操作系统1.概述2.计算机操作系统3.操作系统对连续媒体的支持4.支持连续媒体的文件系统第七章多媒体操作系统1.概述操作系统控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，方便用户程序的执行。操作系统提供与计算机关键资源相关的各种服务。目前普通操作系统的不足：1）缺乏操作系统实时的支持。2）缺乏基于QoS的资源管理。QoS管理应能够使系统对活动的应用具有服务质量的保证。在这种模式下，并不是仅仅需要在会话开始的时候指定一个服务质量，并在整个会话生命周期中都维持这个服务质量。而是需要一种能够适应不同的环境和应用的动态QoS控制模式。第七章多媒体操作系统1.概述目前普通操作系统的不足：3）对系统的输入输出缺乏有效的管理和控制。计算机的设计强调处理器性能，而对多媒体系统来说，I/O系统必须支持视频、音频等连续媒体。这些媒体对系统的要求不同于文本之类的数据媒体。4）缺乏适合连续媒体的文件系统。连续的媒体文件因为受到严格的时间限制，对文件的布局、缓冲器的分配、许可控制及客户调度具有很高的要求。第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统操作系统是计算机系统软件资源和硬件资源的管理中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享计算机的各种资源。这个定义应用到多媒体系统中也是合适的，对多媒体系统来说，多媒体操作系统将负责管理系统中的各类资源，包括网络资源，提高资源的可用性和利用率，为用户提供与系统交互的人机界面。2.1操作系统的基本概念2.1.1操作系统定义第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统计算机的操作系统分为：单用户系统、分时系统、实时系统等多种形式。分时系统：为了使一台机器可以同时为多个用户和多个任务服务。为了做到这一点，系统将CPU时间分成多个时间片，提供给多个用户或进程使用。这样，由于系统可以为多个用户或进程使用，提高系统的吞吐量，系统的利用率也大大提高。分时系统：以提高系统的整体利用率为目标。对某些特殊的应用，在时间响应上就难以满足要求。为解决这个问题，产生了实时操作系统。2.1操作系统的基本概念2.1.2操作系统分类第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统实时操作系统的目标：对实时的应用提供及时的响应，同样可以支持多个用户和多个任务，但不是把吞吐率放在第一位。而是把在一定时间范围内对事件的响应放在第一位。对多媒体系统来说，由于在系统中大量使用基于时间的连续媒体，所以对时间的要求就非常严格。很显然，使用分时系统难以满足时间的要求，实时系统为多媒体操作系统提供了对基于时间媒体进行管理的一条途径。2.1操作系统的基本概念2.1.2操作系统分类第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统实时进程：是指在给定时间段内给出处理结果的进程。实时系统：实时系统的一个永久任务是从环境中接收信息（信息可能是自发的或周期性发生的），在给定的时间限制内把处理结果返回给环境。一个重要特征：系统工作的正确性不仅依赖于计算结果的逻辑正确性，而且还依赖于得出结果的时间。也就是说，实时系统中的任务是具有时间约束的。2.1操作系统的基本概念2.1.3实时系统的有关概念第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统任务的时间约束多种多样。最普遍的时间约束是周期性（periodic）和非周期性（aperiodic）。周期性：任务必须在每个周期内完成一次，可以在周期开始时启动，也可以在周期开始后启动，但都必须在周期结束前完成。非周期性任务没有规定的时间要求，但必须有一个启动时间或结束时间，或二者兼而有之。2.1操作系统的基本概念2.1.3实时系统的有关概念第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统最后期限(deadline)：最后期限是指表现处理结果的最迟可以接受时间。用它可以判断处理动作的正确与否。其他的时间约束还包括：任务执行时间：从任务启动到结束花费的时间。任务余量：完成任务后离时限的时间余量。紧时间约束：任务余量少；松时间约束：任务余量大。2.1操作系统的基本概念2.1.3实时系统的有关概念第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统时限粒度：任务从启动到时限之间的时间。强实时：时限前必须完成，否则结果失去可用性。弱实时：超过时限仍然可用，但可用性下降。关键任务：重要性高，完不成会引起灾难性后果的任务。2.1操作系统的基本概念2.1.3实时系统的有关概念第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统实时系统必须满足逻辑正确和时间约束两个条件。总的看来：在时间约束内完成进程。实时系统具有如下的特征：能对限时事件进行预期的快速响应，并且有精确的时序信息；高度的可调度性；短暂超负荷情况下的稳定性。如果出现短暂的超负荷，系统应不会失败，并能保证一些重要的任务完成；2.1操作系统的基本概念2.1.4实时系统的特征第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统实时系统的性能的好坏主要从以下几个方面进行衡量：响应时间吞吐率可靠性2.1操作系统的基本概念2.1.5实时系统的性能第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统调度的内容包括：CPU调度，资源分配，I/O调度，实时通信调度、分布式调度及关键任务调度等。几种不同的调度方法：基于优先级的抢占调度算法：任务具有静态或动态的优先级，当一个低优先级的任务正在运行时，如果高优先级任务到来，系统将抢占正在运行的任务的资源，让新到达的任务开始运行。2.1操作系统的基本概念2.1.5实时系统中的调度第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统不精确调度算法（ImpreciseComputing，IC）：把任务分成两个部分，关键部分和可选部分。关键部分必须完成，但得到的结果只保证可用，不精确；可选部分的作用是使结果更加精确。系统保证关键部分满足时限要求，在允许的情况下尽可能地运行可选部分，在系统过载时不运行可选部分。最早时限优先（EarliestDeadlineFirst，EDF）：动态优先级调度算法，时限最早的任务优先级最高。由于没有任务的优先级会有变化，系统要经常计算每个用户的优先级。2.1操作系统的基本概念2.1.5实时系统中的调度第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统最关键任务优先（MostCriticalFirst，MCF）算法：按照任务的重要性分配优先级。关键性和时限优先（CriticalnessandDeadlineFirst，CDF）算法，同时考虑任务的重要性和时限。最小余量优先（MinimumLaxityFirst，MLF）算法，按照任务的余量分配优先级。2.1操作系统的基本概念2.1.5实时系统中的调度第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统实时系统性能好坏的衡量：响应时间：包括中断响应时间、关联转换时间和任务等待时间等吞吐率可靠性2.1操作系统的基本概念2.1.5实时系统中的调度第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统多媒体系统中存在大量基于时间的连续媒体：要求操作系统具有对时间的复杂控制和维护特定QoS的机制，提供在系统短暂过载时进行保护和管理的模式。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.1实时服务与时间要求第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统在一些多媒体应用中，会产生比较频繁的中断请求，产生中断延时，对连续媒体来说，延时会影响它的使用，需要采取一些方法来改进。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.2中断等待第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统当一个实时程序在系统中与一个非实时程序共享一个资源时，可能会出现实时程序不得不等待非实时程序运行完成的情况。Server(){While(1){Receive_mag();Do_service();Reply();}}引入优先权继承（PriorityInheritance）和优先权交出（PriorityHand_off）机制。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.3优先权倒置管理第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统引入优先权继承（PriorityInheritance）和优先权交出（PriorityHand_off）机制。当高优先权的线程被封锁时，就把它的优先级传给对它进行封锁而优先权更低的线程；若低优先权的线程停止封锁高优先权的线程时，低优先权的线程就恢复到它原来的优先权；2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.3优先权倒置管理第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统连续媒体为了传输和表现需要周期性的服务活动。最简单的操纵周期性数据流的方法：使用循环结构。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.4周期性活动第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统与传统的实时系统不同，很多连续媒体应用程序具有内在的“软”时限，也就是“弱实时”。例如，在进行视频会议时，即使大多数的视频图形都没有能够按时处理完毕，我们还是可以把会议继续进行下去。因此，当程序由于过载、硬件或软件错误而错过时限时，用户程序应能够决定相应的应对措施。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.5时限和恢复管理第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统两种管理模式：静态的和动态的。静态的，会话开始之前，由用户指定一个QoS的级别。并在整个会话存在期间都维持这个级别。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.6QoS管理和许可控制第七章多媒体操作系统2.计算机操作系统动态控制模式则允许用户或系统在会话存在期间改变QoS的初始值。可以用两种方法来改变，也就是分别由系统和用户来发起这种改变。系统根据系统可用的资源来进行调整。用户根据任务的需要而降低或改善QoS的级别。2.2多媒体的引入与操作系统的限制2.2.6QoS管理和许可控制第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持对连续媒体应用的支持可以分为三个方面：体系结构的支持；资源管理的支持；程序设计的支持。第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持操作系统的基本结构一般是内核体系。进程管理、文件系统服务、网络管理、虚拟内存管理、设备管理等服务都建立在内核之中。最终导致了一个庞大的、笨重的、不灵活的内核。很难将它进行增强。体系结构改变：微内核。微内核的基本思想：尽量减少内核中的东西，把它们搬到高层，使得内核只留下很少的一部分。Mach操作系统：卡内基梅隆大学的Mach项目组研究开发的具有实时内核的操作系统。3.1体系结构的支持第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持微内核中一般包括线程和任务管理、IPC（InterProcessCommunication，进程间通讯）管理、存储对象管理、虚拟内存服务、I/O和中断服务等。将其他功能如文件管理、进程管理等移出内核，作为操作系统的服务器在用户空间运行。传统的设备驱动，也可作为用户级的任务在内核外实现。内核中的服务通过微内核接口函数提供给用户级的进程或任务，或由用户要求某种服务，由内核中服务器完成并发回应答消息。P200，在微内核上安排新操作系统的实现方法3.1体系结构的支持第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持微内核的优势：提供了一种简单的、高度模块化的可扩充体系结构。在这种体系结构下，对连续媒体的特殊功能可以根据需要进行添加和改造。微内核结构易于移植，而且效率高。3.1体系结构的支持第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持采取新的资源管理模式来提供必需的系统资源。这样，用户就能够对所请求得到的QoS级别进行维护，从而在再现媒体时避免出现不可预见的延迟和抖动。对连续媒体应用进行资源管理的技术主要有如下一些：基于QoS的资源控制实时调度基于QoS的内存管理基于时间的I/O管理3.2资源管理的支持第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持基于QoS的资源控制：本地和分布式多媒体应用程序的传输和处理需求可以用如下一组QoS参数来说明：1）吞吐量：满足应用程序所需连接的数据位率；2）局部和全局的延迟，包括资源延迟和端到端延迟。“资源延迟”是指该资源完成某一任务所需要的最大时间跨度。“端－端延迟”是指一个数据单元从源传输到目标的总延迟。3.2资源管理的支持第七章多媒体操作系统3.操作系统对连续媒体的支持基于QoS的资源控制本地和分布式多媒体应用程序的传输和处理需