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第第1111章章 多媒体操作系统多媒体操作系统 多媒体应用需求逐步从单机延伸到互联网，从非实时方式发多媒体应用需求逐步从单机延伸到互联网，从非实时方式发展到实时方式，因而操作系统也逐步沿着适合这种应用方向发展。展到实时方式，因而操作系统也逐步沿着适合这种应用方向发展。在不一样应用环境、应用方式下需要有对应多媒体操作系统支持，在不一样应用环境、应用方式下需要有对应多媒体操作系统支持，因而多媒体操作系统是多媒体技术中中流砥柱。在多媒体应用快因而多媒体操作系统是多媒体技术中中流砥柱。在多媒体应用快速炽热局面下，不论是桌面式、嵌入式、还是分布式多媒体应用速炽热局面下，不论是桌面式、嵌入式、还是分布式多媒体应用中，多媒体操作系统技术面临新关键问题是围绕着多流、同时、中，多媒体操作系统技术面临新关键问题是围绕着多流、同时、时限、以及基于时限、以及基于QoSQoS管理，要研究怎样采取适当策略和算法去调管理，要研究怎样采取适当策略和算法去调度、去满足多媒体应用任务。度、去满足多媒体应用任务。本章将针对这些概念介绍多媒体应用对操作系统要求、多媒本章将针对这些概念介绍多媒体应用对操作系统要求、多媒体操作系统应具备关键功效、和支持连续媒体应用相关策略。体操作系统应具备关键功效、和支持连续媒体应用相关策略。第1页11.1 11.1 操作系统概述操作系统概述操作系统是计算机软硬件资源控制管理中心，它主要任务是合理组操作系统是计算机软硬件资源控制管理中心，它主要任务是合理组织和调用软硬件资源，以完成用户提交作业。伴随市场需求不停提织和调用软硬件资源，以完成用户提交作业。伴随市场需求不停提升以及计算机、网络、多媒体、通讯技术不停发展，操作系统经历升以及计算机、网络、多媒体、通讯技术不停发展，操作系统经历了一系列开发和变革。了一系列开发和变革。11.1.1 11.1.1 操作系统分类操作系统分类操作系统有很各种类，并含有不一样特征。从不一样角度能够将操操作系统有很各种类，并含有不一样特征。从不一样角度能够将操作系统分成不一样类型。作系统分成不一样类型。依据计算机体系结构依据计算机体系结构可分为单机、多机、可分为单机、多机、网络和分布式操作系统。网络和分布式操作系统。依据操作系统工作角度依据操作系统工作角度可分为单用户、批可分为单用户、批处理、分时和实时系统。因为多媒体引入，因而产生了多媒体操作处理、分时和实时系统。因为多媒体引入，因而产生了多媒体操作系统和多媒体网络操作系统。系统和多媒体网络操作系统。第2页从操作系统工作角度来看，单用户、批处理、分时操作系统工作从操作系统工作角度来看，单用户、批处理、分时操作系统工作重点都是围绕着系统资源利用率而展开。重点都是围绕着系统资源利用率而展开。在单用户操作系统下，用户必须初始化全部硬件设备，并将操作在单用户操作系统下，用户必须初始化全部硬件设备，并将操作系统关键部分常驻留在系统主存放器中，为运行应用程序提供装系统关键部分常驻留在系统主存放器中，为运行应用程序提供装入、解释和控制。入、解释和控制。为了降低用户作业建立和打断时间，于是提出批处理系统概念，为了降低用户作业建立和打断时间，于是提出批处理系统概念，由计算机按次序自动批处理指令。批处理系统即使提升了资源利由计算机按次序自动批处理指令。批处理系统即使提升了资源利用率，但作业处理平均周转时间较长，且用户交互能力较弱等。用率，但作业处理平均周转时间较长，且用户交互能力较弱等。分时系统分时系统含有很好交互式功效，同时可为多用户和多任务提供服含有很好交互式功效，同时可为多用户和多任务提供服务，它将务，它将CPUCPU运行时间分割成微小时间片，依次轮番为各个程序提运行时间分割成微小时间片，依次轮番为各个程序提供服务，并能及时响应用户输入请求。不过分时时间片长短以及供服务，并能及时响应用户输入请求。不过分时时间片长短以及主机系统配置将系统性能有较大影响，对时间响应上有特殊要求主机系统配置将系统性能有较大影响，对时间响应上有特殊要求应用是难以满足。应用是难以满足。第3页实时系统实时系统是因为多媒体应用在时间特殊要求而形成。因为在多媒是因为多媒体应用在时间特殊要求而形成。因为在多媒体系统中大量地使用了基于时间连续性媒体，而连续性媒体数据体系统中大量地使用了基于时间连续性媒体，而连续性媒体数据组织和表现严格地受限于所要求时间，这就需要有能够提供及时组织和表现严格地受限于所要求时间，这就需要有能够提供及时服务实时系统。所以，实时系统首先要满足时间响应，然后再考服务实时系统。所以，实时系统首先要满足时间响应，然后再考虑支持多个用户和多个任务。虑支持多个用户和多个任务。当前，实时系统显得相当主要，下当前，实时系统显得相当主要，下面我们将对深入了解实时系统系统特征。面我们将对深入了解实时系统系统特征。第4页11.1.2 11.1.2 实时系统特征实时系统特征实时系统实时系统是指系统能及时响应输入，并能按需提供无延迟输出处理。是指系统能及时响应输入，并能按需提供无延迟输出处理。实时系统能够分为实时控制系统和实时信息系统。实时控制系统可用实时系统能够分为实时控制系统和实时信息系统。实时控制系统可用于生产过程中自动控制，也能够用于监测制导性控制。实时信息系统于生产过程中自动控制，也能够用于监测制导性控制。实时信息系统通常指实时信息处理系统。通常指实时信息处理系统。实时系统继承了分时系统交互性和多用户功效，并在满足任务时限基实时系统继承了分时系统交互性和多用户功效，并在满足任务时限基础完成任务，它主要包含以下础完成任务，它主要包含以下特征特征：1.1.及时与时限性及时与时限性。主要反应在对用户响应时间要求上，以满足控制对。主要反应在对用户响应时间要求上，以满足控制对象所能接收时间延迟，它能够是秒级、毫秒或微秒级。象所能接收时间延迟，它能够是秒级、毫秒或微秒级。2.2.交互性交互性。依据不一样应用对象和应用要求，实时系统能提供便捷交。依据不一样应用对象和应用要求，实时系统能提供便捷交互方式。互方式。3.3.安全可靠性。安全可靠性。实时控制系统必须考虑系统容错机制，防止造成灾难性实时控制系统必须考虑系统容错机制，防止造成灾难性后果。实时信息系统，应向用户提供及时、有效、完整和可用信息。后果。实时信息系统，应向用户提供及时、有效、完整和可用信息。4.4.多路性多路性。实时控制系统应能提供多用户服务。并含有现场多路采集、。实时控制系统应能提供多用户服务。并含有现场多路采集、处理和控制执行机构功效。处理和控制执行机构功效。第5页实时系统调度包含实时系统调度包含CPUCPU、资源、输入和输出、通信和任务各个方面，正、资源、输入和输出、通信和任务各个方面，正确把握基于时间上调度问题就是实时系统所要处理关键问题。因为实确把握基于时间上调度问题就是实时系统所要处理关键问题。因为实时任务含有时限性、抢占性、周期性、优先性、主要性、组合性等各时任务含有时限性、抢占性、周期性、优先性、主要性、组合性等各种特征，因而在创建任务调度算法时必须考虑这些原因。种特征，因而在创建任务调度算法时必须考虑这些原因。在任务与时限关系中，包括概念包含：在任务与时限关系中，包括概念包含：任务时限、任务执行时间、任任务时限、任务执行时间、任务时限余量（任务执行时间与任务时限之差）、紧任务时限、松任务务时限余量（任务执行时间与任务时限之差）、紧任务时限、松任务时限、强实时（超时将无可用性）、弱实时（超时将影响可用性）、时限、强实时（超时将无可用性）、弱实时（超时将影响可用性）、关键任务时限（超时将引发严重后果）关键任务时限（超时将引发严重后果）等。等。其中任务时限是指执行某任务时可用时间，也称为时限粒度。任务时限其中任务时限是指执行某任务时可用时间，也称为时限粒度。任务时限和任务时限余量之间存在着一定关系，较小任务时限必定造成较小时限和任务时限余量之间存在着一定关系，较小任务时限必定造成较小时限余量。但较大任务时限也可能造成较小时限余量，因为任务执行时间取余量。但较大任务时限也可能造成较小时限余量，因为任务执行时间取决于详细算法复杂程度。也就是说，不一样复杂算法决定了任务时限余决于详细算法复杂程度。也就是说，不一样复杂算法决定了任务时限余量。量。依据以上这些特征，实时调度中广泛采取了基于优先级抢占调度算法。依据以上这些特征，实时调度中广泛采取了基于优先级抢占调度算法。该算法能够使正在执行任务出让资源，去满足一个高优先级任务执行。该算法能够使正在执行任务出让资源，去满足一个高优先级任务执行。同时对含有动态优先级任务，能够依据任务一些原因在运行时调整进程同时对含有动态优先级任务，能够依据任务一些原因在运行时调整进程优先权。优先权。第6页惯用算法还有截止期最早最优先（惯用算法还有截止期最早最优先（Earliest Deadline FirstEarliest Deadline First，EDFEDF），最关键任务优先算法（），最关键任务优先算法（Most Critical FirstMost Critical First，MCFMCF）、关）、关键性和时限优先算法（键性和时限优先算法（Criticalness and Deadline FirstCriticalness and Deadline First，CDFCDF）、）、最小余量优先算法（最小余量优先算法（Most Laxity FirstMost Laxity First，MLFMLF）、最低松弛度优先）、最低松弛度优先(LLF)(LLF)算法等。算法等。当任务一些特征含糊不确定或不可预测时，一些惯用调度算法不再当任务一些特征含糊不确定或不可预测时，一些惯用调度算法不再适用。能够使用不准确调度算法（适用。能够使用不准确调度算法（Imprecise ComputingImprecise Computing，ICIC）或）或含糊反馈控制实时调度算法。含糊反馈控制实时调度算法。第7页实时系统性能好坏主要从以下几个方面衡量实时系统性能好坏主要从以下几个方面衡量：（1）响应时间）响应时间主要包含中止响应时间、关联转换时间和任务等候时间主要包含中止响应时间、关联转换时间和任务等候时间中止响应时间包含中止延迟时间，其大小取决于总线速度、中止屏蔽时间中止响应时间包含中止延迟时间，其大小取决于总线速度、中止屏蔽时间长短、中止负载大小、中止优先级等各种原因。任务等候时间是指从发送长短、中止负载大小、中止优先级等各种原因。任务等候时间是指从发送消息时刻到任务收到消息变为准备并投入运行之间时间，包含消息处理时消息时刻到任务收到消息变为准备并投入运行之间时间，包含消息处理时间、关键不可抢占延迟、调度时间和关联转换时间，反应了系统开销情况。间、关键不可抢占延迟、调度时间和关联转换时间，反应了系统开销情况。关联转换时间即上下文切换时间，它取决与任务关联数目、任务调度算法、关联转换时间即上下文切换时间，它取决与任务关联数目、任务调度算法、任务现场信息量大小、任务现场信息量大小、CPU速度等很多原因。速度等很多原因。（2）吞吐率）吞吐率实时系统吞吐率取决于系统各个部位，不一样部位含有不一样吞吐率概念，实时系统吞吐率取决于系统各个部位，不一样部位含有不一样吞吐率概念，如如CPU、系统总线、外围设备等。提升吞吐率目标是降低任务执行时间，、系统总线、外围设备等。提升吞吐率目标是降低任务执行时间，增加任务余量。这么留给系统更多时间，实现松时间约束，对相同工作能增加任务余量。这么留给系统更多时间，实现松时间约束，对相同工作能够更加好完成；或在相同时间内完成更多任务。够更加好完成；或在相同时间内完成更多任务。（3）可靠性）可靠性因为在一些主要实时任务中，任何不可靠原因和故障都会引发难以预测灾因为在一些主要实时任务中，任何不可靠原因和故障都会引发难以预测灾难性后果。难性后果。第8页11.1.3 11.1.3 多媒体操作系统类型多媒体操作系统类型多媒体操作系统多媒体操作系统支持多媒体实时应用，其首要任务是调度一切可利支持多媒体实时应用，其首要任务是调度一切可利用资源完成实时控制任务，其次要提升计算机系统使用效率。用资源完成实时控制任务，其次要提升计算机系统使用效率。多媒多媒体实时任务主要包含体实时任务主要包含：任务管理、任务间同时和通信、存放器优化：任务管理、任务间同时和通信、存放器优化管理、实时时钟服务、中止管理服务。实时操作系统含有规模小，管理、实时时钟服务、中止管理服务。实时操作系统含有规模小，中止被屏蔽时间很短，中止处理时间短，任务切换很快等特点。中止被屏蔽时间很短，中止处理时间短，任务切换很快等特点。依据不一样使用规模，多媒体操作系统可分为单机、互联式和分布依据不一样使用规模，多媒体操作系统可分为单机、互联式和分布式式 单机多媒体操作系统单机多媒体操作系统单机多媒体操作系统单机多媒体操作系统是指支持非网络环境中是指支持非网络环境中MPCMPC操作系统，比如，操作系统，比如，Windows95Windows95以后操作系统就属于多媒体操作系统。以后操作系统就属于多媒体操作系统。Windows XPWindows XP操作操作系统更是从系统级上支持多媒体功效，其系统更是从系统级上支持多媒体功效，其DVDDVD支持技术、内置支持技术、内置DirectXDirectX多媒体驱动、与操作系统无缝连接光盘刻录与擦写技术等，多媒体驱动、与操作系统无缝连接光盘刻录与擦写技术等，给用户提供了愈加丰富多彩交互式多媒体环境。给用户提供了愈加丰富多彩交互式多媒体环境。第9页互联式多媒体操作系统互联式多媒体操作系统与单机操作系统不一样是，与单机操作系统不一样是，互联式多媒体操作系统互联式多媒体操作系统面正确是多台计面正确是多台计算机或多个局域网系统，它要支持多机之间资源共享、用户操作协算机或多个局域网系统，它要支持多机之间资源共享、用户操作协调和与多机操作交互。调和与多机操作交互。网络操作系统网络操作系统能够构架于不一样操作系统之上，也就是说它网络中能够构架于不一样操作系统之上，也就是说它网络中所连接计算机能够被装有不一样操作系统，经过网络协议实现网络所连接计算机能够被装有不一样操作系统，经过网络协议实现网络资源统一配置，在较大范围内组成互联式网络操作系统。资源统一配置，在较大范围内组成互联式网络操作系统。在互联式网络操作系统中，对网络资源访问需要指明资源位置与资在互联式网络操作系统中，对网络资源访问需要指明资源位置与资源类型。对于有实时要求任务，多媒体操作系统不但要依据用户请源类型。对于有实时要求任务，多媒体操作系统不但要依据用户请求准确地完成信息发送、传递和接收全过程，而且要确保实时性多求准确地完成信息发送、传递和接收全过程，而且要确保实时性多媒体信息处理各种要求。媒体信息处理各种要求。第10页分布式多媒体操作系统分布式多媒体操作系统分布式操作系统分布式操作系统是指有大量计算机经过网络被连接在一起，能够取得极是指有大量计算机经过网络被连接在一起，能够取得极高运算能力及广泛数据共享。分布式操作系统有以下高运算能力及广泛数据共享。分布式操作系统有以下特征特征：1 1、统一性统一性。它是一个统一操作系统。它是一个统一操作系统。2 2、共享性共享性。分布式系统中全部资源是可共享。分布式系统中全部资源是可共享。3 3、透明性透明性。透明性是指用户并没有感觉到分布式系统上有多台计算透明性是指用户并没有感觉到分布式系统上有多台计算机在运行。机在运行。4 4、独立性独立性。处于分布式系统多个主机在物理上是独立。处于分布式系统多个主机在物理上是独立。5 5、低成本低成本。分布式系统中计算机不需要具备尤其高性能。分布式系统中计算机不需要具备尤其高性能。6 6、可靠性可靠性。因为有多个独立。因为有多个独立CPUCPU系统，所以个别系统，所以个别CPUCPU故障高不影响系故障高不影响系统性能。统性能。与网络操作系统主要区分是，分布式操作系统比较强调单一性，使与网络操作系统主要区分是，分布式操作系统比较强调单一性，使用同一个操作系统，即使用同一个管理与访问方式。用同一个操作系统，即使用同一个管理与访问方式。第11页11.2 11.2 多媒体操作系统关键和主要功效多媒体操作系统关键和主要功效多媒体操作系统不但要管理软、硬件资源，还需要满足多媒体数据多媒体操作系统不但要管理软、硬件资源，还需要满足多媒体数据处理需要，提供一个高效、实时运行环境。多媒体处理中要处理主处理需要，提供一个高效、实时运行环境。多媒体处理中要处理主要问题包含中止等候、实时调度、时限和恢复管理处理和基于要问题包含中止等候、实时调度、时限和恢复管理处理和基于QoSQoS资源管理。为了处理这些主要问题，必须开发新多媒体操作系统体资源管理。为了处理这些主要问题，必须开发新多媒体操作系统体系结构。系结构。11.2.1 11.2.1 操作系统体系结构操作系统体系结构传统操作系统工作是基于多个进程下资源管理、设备控制等。这些系传统操作系统工作是基于多个进程下资源管理、设备控制等。这些系统并不含有对时间复杂控制和维护特定机制，也没有提供系统短暂过统并不含有对时间复杂控制和维护特定机制，也没有提供系统短暂过载时进行保护和管理模式。系统经常无法应对一些不可预见延迟和抖载时进行保护和管理模式。系统经常无法应对一些不可预见延迟和抖动，也不能确保对时间有严格要求多媒体信息同时，所以并不适合于动，也不能确保对时间有严格要求多媒体信息同时，所以并不适合于连续媒体应用实时服务。连续媒体应用实时服务。第12页传统操作系统主要在以下几个方面有所欠缺：（1）缺乏操作系统实时支持这种实时支持应能够提供很好时间驱动计算、最正确时间调度策略、而不但仅只含有时间分配能力。（2）第13页为了适合于实时多媒体应用，有必要开为了适合于实时多媒体应用，有必要开发设计新多媒体操作系统。当前，多媒发设计新多媒体操作系统。当前，多媒体操作系统有两种开发模式，即扩充传体操作系统有两种开发模式，即扩充传统操作系统和重新设计微内核体系结构。统操作系统和重新设计微内核体系结构。不论采取哪种方式，多媒体操作系统都不论采取哪种方式，多媒体操作系统都必须最少提供满足多媒体信息处理要求必须最少提供满足多媒体信息处理要求CPUCPU管理、存放器管理、管理、存放器管理、I/OI/O管理和文件管理和文件系统管理功效。系统管理功效。第14页分层式操作系统分层式操作系统传统操作系统是分层式，传统操作系统是分层式，如图如图11-111-1（左）（左）所表示，它内核由若干层组成，内核集所表示，它内核由若干层组成，内核集中提供各种功效，整个内核显得非常庞中提供各种功效，整个内核显得非常庞大。多媒体应用需要系统支持请求、预大。多媒体应用需要系统支持请求、预定资源和同时处理，也就是要对内核进定资源和同时处理，也就是要对内核进行适当修改使得能提供可预测性能。行适当修改使得能提供可预测性能。第15页比如，比如，SUNSUN企业为了提供适当多媒体资企业为了提供适当多媒体资源管理，开发了一个时间驱动资源管理源管理，开发了一个时间驱动资源管理TDRMTDRM（Time Driven Resource Time Driven Resource ManagementManagement）机制，就是允许一个应用）机制，就是允许一个应用向系统提出资源请求机制。应用资源请向系统提出资源请求机制。应用资源请求可包含应用所需资源、质量、最终期求可包含应用所需资源、质量、最终期限、优先级等参数，而系统只是按照申限、优先级等参数，而系统只是按照申请尽可能地分配可用资源，并可通知必请尽可能地分配可用资源，并可通知必要信息。要信息。第16页图图11-1 11-1 分层内核（左）和微内核（右）分层内核（左）和微内核（右）第17页微内核（微内核（micro-kernelmicro-kernel）操作系统）操作系统是新结构下操作系统，它保留传统操作是新结构下操作系统，它保留传统操作系统界面，采取微内核为关键，为模块系统界面，采取微内核为关键，为模块化扩展提供基础。微内核基本原理是，化扩展提供基础。微内核基本原理是，只有最基本操作系统功效才能放在内核只有最基本操作系统功效才能放在内核中。不是最基本服务和应用程序在微内中。不是最基本服务和应用程序在微内核之上结构，并在用户模式下执行。微核之上结构，并在用户模式下执行。微内核中只包含线程和任务管理、内核中只包含线程和任务管理、IPCIPC管理、管理、存放对象管理、虚拟内存服务、存放对象管理、虚拟内存服务、I/OI/O管理管理和中止处理等内容。和中止处理等内容。第18页而在微内核外去完成文件管理、进程管而在微内核外去完成文件管理、进程管理、设备驱动程序、虚存管理程序、窗理、设备驱动程序、虚存管理程序、窗口系统和安全服务。用户能够经过微内口系统和安全服务。用户能够经过微内核接口函数提出服务申请，微内核服务核接口函数提出服务申请，微内核服务器便可向用户提供内核功效服务。器便可向用户提供内核功效服务。内核体系结构内核体系结构如图如图11-111-1（右）（右）所表示，所表示，微内核结构用一个水平分层结构代替了微内核结构用一个水平分层结构代替了传统纵向分层结构。在微内核外部操作传统纵向分层结构。在微内核外部操作系统部件被看成服务器进程实现。系统部件被看成服务器进程实现。第19页微内核体系结构优点微内核体系结构优点一致接口一致接口：微内核设计为进程请求提供一致接：微内核设计为进程请求提供一致接口。口。可扩展性可扩展性：允许增加新服务以及在同一个功效：允许增加新服务以及在同一个功效区域中提供多个服务。区域中提供多个服务。灵活性灵活性：与可扩展性相关，不但能够在操作系：与可扩展性相关，不但能够在操作系统中增加新功效，还能够删除现有功效。统中增加新功效，还能够删除现有功效。第20页可移植性可移植性：全部或大部分处理器专用代码都在：全部或大部分处理器专用代码都在微内核中，移植时只需极少改变。微内核中，移植时只需极少改变。可靠性可靠性：少许应用程序编程接口，为内核外部：少许应用程序编程接口，为内核外部操作系统服务产生高质量代码。操作系统服务产生高质量代码。分布系统支持分布系统支持：微内核有利于分布式系统支持：微内核有利于分布式系统支持，包含分布式操作系统控制集群。，包含分布式操作系统控制集群。对面向对象操作系统支持对面向对象操作系统支持:微内核结构也适用微内核结构也适用面向对象操作系统环境。面向对象操作系统环境。第21页微内核上操作系统服务模微内核上操作系统服务模式式在微内核体系结构下，能够依据连在微内核体系结构下，能够依据连续媒体特殊需要安排上层操作系统，续媒体特殊需要安排上层操作系统，服务模式实现有以下几个服务模式实现有以下几个方法方法：第22页库例程服务模式库例程服务模式：上层操作系统作为实用库例：上层操作系统作为实用库例程，当用户程序调用库例程时，由库例程去调程，当用户程序调用库例程时，由库例程去调用微内核功效。实用库能够提供包含中止处理用微内核功效。实用库能够提供包含中止处理、计时器、消息登录、计时器、消息登录、内存分配、线缓冲等内存分配、线缓冲等例程。例程。服务器服务模式服务器服务模式：上层操作系统作为服务器，：上层操作系统作为服务器，用户程序直接向服务器提出申请。用户程序直接向服务器提出申请。微内核功效模式微内核功效模式：上层操作系统作为微内核一：上层操作系统作为微内核一个功效，普通就是微内核接口函数。个功效，普通就是微内核接口函数。第23页11.2.2 11.2.2 中止等候中止等候在连续媒体应用中，经常因为多任务同时执行在连续媒体应用中，经常因为多任务同时执行而引发中止等候。中止等候时间越短，系统性而引发中止等候。中止等候时间越短，系统性能就越好。能就越好。大量中止等候将不能很好地支持实时活动。比大量中止等候将不能很好地支持实时活动。比如，处理一个连续如，处理一个连续MIDIMIDI音乐媒体流，会产生十音乐媒体流，会产生十分频繁中止请求发向操作系统内核，这时将产分频繁中止请求发向操作系统内核，这时将产生大量上下文切换时间。假如操作系统内核难生大量上下文切换时间。假如操作系统内核难以应付这么高事件流需求，将会产生许多中止以应付这么高事件流需求，将会产生许多中止延时，从而影响延时，从而影响QoSQoS。第24页实时操作系统实时操作系统分为可抢占性和不可抢占性。分为可抢占性和不可抢占性。不可抢占型实时操作系统中，其实时性取决不可抢占型实时操作系统中，其实时性取决于最长任务执行时间。当前运行任务拥有于最长任务执行时间。当前运行任务拥有CPUCPU控制权，实时任务到来必须经过某种算法并控制权，实时任务到来必须经过某种算法并等候当前任务交出等候当前任务交出CPUCPU控制权，然后直到它主控制权，然后直到它主动偿还动偿还CPUCPU控制权。中止由中止服务程序来处控制权。中止由中止服务程序来处理，当激活一个休眠状态任务并使之绪态时，理，当激活一个休眠状态任务并使之绪态时，该任务也必须等到当前运行任务主动交出该任务也必须等到当前运行任务主动交出CPUCPU控制权后才能运行。控制权后才能运行。第25页可抢占型实时操作系统可抢占型实时操作系统是基于任务优先级，内是基于任务优先级，内核能够抢占正在运行任务核能够抢占正在运行任务CPUCPU使用权，并将使使用权，并将使用权交给进入就绪态优先级更高任务，也就是用权交给进入就绪态优先级更高任务，也就是说，因为较高优先级任务到来，正在运行中其说，因为较高优先级任务到来，正在运行中其它任务都可被中止。可抢占型实时操作系统实它任务都可被中止。可抢占型实时操作系统实时性好，不过，必须合理处理好抢占方式，不时性好，不过，必须合理处理好抢占方式，不然也会造成系统瓦解。然也会造成系统瓦解。降低操作系统中止等候关键策略是可抢占性处降低操作系统中止等候关键策略是可抢占性处理。对于当前现存内核，可行修改方案是增加理。对于当前现存内核，可行修改方案是增加一个安全抢占点集合，也能够将现存内核转化一个安全抢占点集合，也能够将现存内核转化为运行微内核上一个用户程序。但最好方法是为运行微内核上一个用户程序。但最好方法是重新设计内核内部结构，使允许按任务优先级重新设计内核内部结构，使允许按任务优先级抢占执行任务。抢占执行任务。第26页11.2.3 11.2.3 实时调度实时调度当多个实时或非实时程序共享同一个资当多个实时或非实时程序共享同一个资源时，普通多线程操作系统使用同时目源时，普通多线程操作系统使用同时目标来作为强迫线程同时多线程关键。不标来作为强迫线程同时多线程关键。不过可能会引发不可控制优先权倒置。这过可能会引发不可控制优先权倒置。这种优先权倒置现象是由服务器非抢占特种优先权倒置现象是由服务器非抢占特征引发，由此常造成不可预见延迟和抖征引发，由此常造成不可预见延迟和抖动问题发生。动问题发生。第27页CPU CPU 实时处理实时处理多媒体调度同时要面向非实时处理和实时处理多媒体调度同时要面向非实时处理和实时处理两个方面，当有实时进程出现时，不能影响正两个方面，当有实时进程出现时，不能影响正在处理之中非实时处理，同时又要允许实时进在处理之中非实时处理，同时又要允许实时进程剥夺非实时进程等低优先级实时进程。程剥夺非实时进程等低优先级实时进程。CPUCPU能能够经过高效实时调度进行实时处理，实时调度够经过高效实时调度进行实时处理，实时调度器以满足任务最终期限来进行调度。对于连续器以满足任务最终期限来进行调度。对于连续媒体环境下最终期限能够是可接收每帧回放时媒体环境下最终期限能够是可接收每帧回放时间。间。第28页各种实时操作系统实时调度算法能够分为三种各种实时操作系统实时调度算法能够分为三种类别：基于优先级调度算法（类别：基于优先级调度算法（Priority-Priority-driven scheduling-PDdriven scheduling-PD）、基于）、基于CPUCPU使用百分使用百分比共享式调度算法（比共享式调度算法（Share-driven Share-driven scheduling-SDscheduling-SD）、以及基于时间进程调度算）、以及基于时间进程调度算法（法（Time-driven scheduling-TDTime-driven scheduling-TD）。）。第29页基于优先级调度算法基于优先级调度算法基于优先级调度算法给每个进程分配基于优先级调度算法给每个进程分配一个优先级，在每次进程调度时，调一个优先级，在每次进程调度时，调度器总是调度那个含有最高优先级任度器总是调度那个含有最高优先级任务来执行。依据不一样优先级分配方务来执行。依据不一样优先级分配方法，基于优先级调度算法能够分为类法，基于优先级调度算法能够分为类型静态或动态两种：型静态或动态两种：第30页静态优先级调度静态优先级调度算法中，为全部进程都静态地算法中，为全部进程都静态地分配一个优先级。静态优先级分配能够依据应分配一个优先级。静态优先级分配能够依据应用任务属性来进行。比如用任务属性来进行。比如RMRM（Rate-Rate-MonotonicMonotonic）调度算法是依据任务执行周期长）调度算法是依据任务执行周期长短来决定调度优先级，那些含有小执行周期任短来决定调度优先级，那些含有小执行周期任务含有较高优先级。务含有较高优先级。动态优先级调度动态优先级调度算法中，依据任务资源需求来算法中，依据任务资源需求来动态地分配任务优先级。在实时调度算法中，动态地分配任务优先级。在实时调度算法中，EDFEDF算法给就绪队列中各个任务依据它们截止算法给就绪队列中各个任务依据它们截止期限来分配优先级，含有最近截止期限任务含期限来分配优先级，含有最近截止期限任务含有最高优先级。有最高优先级。第31页基于百分比共享调度算基于百分比共享调度算法法基于优先级调度算法基于优先级调度算法提供是一个硬实时调度，提供是一个硬实时调度，对于软实时应用，使用百分比共享式资源调度对于软实时应用，使用百分比共享式资源调度算法（算法（SDSD算法）更为适合。百分比共享调度算算法）更为适合。百分比共享调度算法指基于法指基于CPUCPU使用百分比共享式调度算法，它使用百分比共享式调度算法，它按照一定权重对一组需要调度任务进行调度，按照一定权重对一组需要调度任务进行调度，使它们执行时间与它们权重完全成正比。不过使它们执行时间与它们权重完全成正比。不过它没有优先级概念，当系统处于过载状态时，它没有优先级概念，当系统处于过载状态时，全部任务执行都会按百分比地变慢，这将影响全部任务执行都会按百分比地变慢，这将影响实时进程。实时进程。第32页实现百分比共享调度算法有两种：能够调整各实现百分比共享调度算法有两种：能够调整各个就绪进程出现在调度队列队首频率，并调度个就绪进程出现在调度队列队首频率，并调度队首进程执行。或者逐次调度就绪队列中各个队首进程执行。或者逐次调度就绪队列中各个进程投入运行，但依据分配权重调整分配个每进程投入运行，但依据分配权重调整分配个每个进程运行时间片。个进程运行时间片。第33页基于时间进程调度算法基于时间进程调度算法对于含有稳定、已知输入简单系统，如很小对于含有稳定、已知输入简单系统，如很小嵌入式系统、自控系统、传感器等应用系统，嵌入式系统、自控系统、传感器等应用系统，能够使用时间驱动（能够使用时间驱动（Time-driven:TDTime-driven:TD）调度）调度算法，它能够为数据处理提供很好预测性。算法，它能够为数据处理提供很好预测性。实际上属于静态调度方法，在系统设计阶段，实际上属于静态调度方法，在系统设计阶段，在明确系统中全部处理情况下，对于各个任在明确系统中全部处理情况下，对于各个任务开始、切换、以及结束时间等都事先做出务开始、切换、以及结束时间等都事先做出明确安排和设计。明确安排和设计。第34页11.2.4 11.2.4 时限和恢复管理时限和恢复管理许多含有强实时性多媒体应用，要求在许多含有强实时性多媒体应用，要求在要求时间内完成其处理，同时，所处理要求时间内完成其处理，同时，所处理数据也往往是数据也往往是“短暂短暂”，即有一定有效，即有一定有效时间，过时则有新数据产生。实时事务时间，过时则有新数据产生。实时事务中有各种定时限制，其中最经典是事务中有各种定时限制，其中最经典是事务截止期。截止期。第35页很多连续媒体应用程序含有内在很多连续媒体应用程序含有内在“软软”时限。时限。比如，在视频会议系统中，即使大多数视频图比如，在视频会议系统中，即使大多数视频图像都没能够按时处理完成，也不影响会议继续像都没能够按时处理完成，也不影响会议继续进行。然而，错过时限提醒信号对应用来说是进行。然而，错过时限提醒信号对应用来说是相当主要信息。基于这些信息，应用能够要求相当主要信息。基于这些信息，应用能够要求改变服务质量改变服务质量QoSQoS级别。级别。因为实时事务难以接收时间延迟及其不确定性，因为实时事务难以接收时间延迟及其不确定性，因而多媒体操作系统内存缓冲区管理就显得更因而多媒体操作系统内存缓冲区管理就显得更为主要。怎样及时分配所需缓冲区、怎样让高为主要。怎样及时分配所需缓冲区、怎样让高优先级事务抢占缓冲区成为主要目标。优先级事务抢占缓冲区成为主要目标。第36页各种原因都可能造成各种原因都可能造成QoSQoS下降，当程序因为过下降，当程序因为过载、硬件或软件错误而错过时限时，用户程载、硬件或软件错误而错过时限时，用户程序应能够决定对应应付办法，也就是实时恢序应能够决定对应应付办法，也就是实时恢复机制。不过数据可恢复性也并非一致，有复机制。不过数据可恢复性也并非一致，有事务能够在一定时限内要求重发，而有事务事务能够在一定时限内要求重发，而有事务则可能要用则可能要用“赔偿赔偿”、“替换替换”事务。为了事务。为了确保实时限制满足，恢复也不一定是一致和确保实时限制满足，恢复也不一定是一致和绝对正确。绝对正确。第37页同时，恢复过程也将影响处于活跃状态事务，同时，恢复过程也将影响处于活跃状态事务，使有事务超出截止期，这对硬实时事务是不使有事务超出截止期，这对硬实时事务是不能接收。所以，必须开发新恢复技术与机制，能接收。所以，必须开发新恢复技术与机制，应考虑到时间与资源二者可用性，以确定最应考虑到时间与资源二者可用性，以确定最正确恢复时机与策略，而不致于影响事务实正确恢复时机与策略，而不致于影响事务实时性满足。时性满足。然而在多道程序设计环境中，必须把调整优然而在多道程序设计环境中，必须把调整优先权等事物外操作作为一个原子级操作，这先权等事物外操作作为一个原子级操作，这么可确保恢复任务不能被抢占。么可确保恢复任务不能被抢占。第38页10.2.5 QoS 10.2.5 QoS 管理管理伴随数字视频、音频等连续媒体网络应伴随数字视频、音频等连续媒体网络应用，对实时服务质量用，对实时服务质量QoSQoS支持要求也不停支持要求也不停提升。在不一样应用中，用户对提升。在不一样应用中，用户对QoSQoS要求要求也不完全相同。多媒体网络操作系统必也不完全相同。多媒体网络操作系统必须含有增强管理功效，使得能够支持更须含有增强管理功效，使得能够支持更为灵活、更为动态为灵活、更为动态QoSQoS选择，从而使用户选择，从而使用户能够对传送连接进行适当剪裁以满足自能够对传送连接进行适当剪裁以满足自己特定需要。己特定需要。第39页在建立端到端连接时，用户应能量化和表示对在建立端到端连接时，用户应能量化和表示对相关相关QoSQoS参数希望值、可接收值和不可接收值。参数希望值、可接收值和不可接收值。通信双方必须就这些参数进行协商，以确保这通信双方必须就这些参数进行协商，以确保这些些QoSQoS参数值在连接连续期内得到满足。通信过参数值在连接连续期内得到满足。通信过程中，即使违反了事先协商程中，即使违反了事先协商QoSQoS值时，操作系统值时，操作系统应能提供一定指示信息。应能提供一定指示信息。对对连续媒体应用连续媒体应用QoSQoS管理管理能够分成能够分成