1、第第1111章章 多媒体操作系统多媒体操作系统 多媒体的应用需求逐渐从单机延伸到互联网，从非实时方式多媒体的应用需求逐渐从单机延伸到互联网，从非实时方式发展到实时方式，因而操作系统也逐渐沿着适合这种应用的方向发展到实时方式，因而操作系统也逐渐沿着适合这种应用的方向发展。在不同的应用环境、应用方式下需要有相应的多媒体操作发展。在不同的应用环境、应用方式下需要有相应的多媒体操作系统的支持，因而多媒体操作系统是多媒体技术中的中流砥柱。系统的支持，因而多媒体操作系统是多媒体技术中的中流砥柱。在多媒体应用迅速火热的局面下，无论是桌面式、嵌入式、还是在多媒体应用迅速火热的局面下，无论是桌面式、嵌入式、还是
2、分布式的多媒体应用中，多媒体操作系统技术面临的新的核心问分布式的多媒体应用中，多媒体操作系统技术面临的新的核心问题是围绕着多流、同步、时限、以及基于题是围绕着多流、同步、时限、以及基于QoSQoS的管理，要研究如的管理，要研究如何采用适当的策略和算法去调度、去满足多媒体应用任务。何采用适当的策略和算法去调度、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的要求、多本章将针对这些概念介绍多媒体应用对操作系统的要求、多媒体操作系统应具备的核心功能、和支持连续媒体应用的有关策媒体操作系统应具备的核心功能、和支持连续媒体应用的有关策略。略。11.1 11.1 操作系统概述操作系统概述
3、操作系统是计算机软硬件资源的控制管理中心，它主要任务是合操作系统是计算机软硬件资源的控制管理中心，它主要任务是合理组织和调用软硬件资源，以完成用户提交的作业。随着市场需理组织和调用软硬件资源，以完成用户提交的作业。随着市场需求的不断提高以及计算机、网络、多媒体、通讯技术的不断发展，求的不断提高以及计算机、网络、多媒体、通讯技术的不断发展，操作系统经历了一系列开发和变革。操作系统经历了一系列开发和变革。11.1.1 11.1.1 操作系统的分类操作系统的分类操作系统有很多种类，并具有不同的特征。从不同的角度可以将操操作系统有很多种类，并具有不同的特征。从不同的角度可以将操作系统分成不同的类型。作
4、系统分成不同的类型。根据计算机体系结构根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。根据操作系统工作的角度根据操作系统工作的角度可分为单用户、可分为单用户、批处理、分时和实时系统。由于多媒体的引入，因而产生了多媒体批处理、分时和实时系统。由于多媒体的引入，因而产生了多媒体操作系统和多媒体网络操作系统。操作系统和多媒体网络操作系统。从操作系统工作的角度来看，单用户、批处理、分时操作系统的从操作系统工作的角度来看，单用户、批处理、分时操作系统的工作重点都是围绕着系统资源的利用率而展开的。工作重点都是围绕着系统资源的利用率而展开的。在单用户操作系统
5、下，用户必须初始化所有硬件设备，并将操作在单用户操作系统下，用户必须初始化所有硬件设备，并将操作系统的核心部分常驻留在系统的主存储器中，为运行应用程序提系统的核心部分常驻留在系统的主存储器中，为运行应用程序提供装入、解释和控制。供装入、解释和控制。为了减少用户作业建立和打断的时间，于是提出批处理系统的概为了减少用户作业建立和打断的时间，于是提出批处理系统的概念，由计算机按顺序自动批处理指令。批处理系统虽然提高了资念，由计算机按顺序自动批处理指令。批处理系统虽然提高了资源的利用率，但作业处理的平均周转时间较长，且用户交互能力源的利用率，但作业处理的平均周转时间较长，且用户交互能力较弱等。较弱等。
6、分时系统分时系统具有较好的交互式功能，同时可为多用户和多任务提供具有较好的交互式功能，同时可为多用户和多任务提供服务，它将服务，它将CPUCPU的运行时间分割成微小时间片，依次轮流为各个程的运行时间分割成微小时间片，依次轮流为各个程序提供服务，并能及时响应用户的输入请求。但是分时时间片的序提供服务，并能及时响应用户的输入请求。但是分时时间片的长短以及主机系统的配置将系统的性能有较大的影响，对时间响长短以及主机系统的配置将系统的性能有较大的影响，对时间响应上有特殊要求的应用是难以满足的。应上有特殊要求的应用是难以满足的。实时系统实时系统是因为多媒体应用在时间的特殊要求而形成的。由于在是因为多媒体
7、应用在时间的特殊要求而形成的。由于在多媒体系统中大量地使用了基于时间的连续性媒体，而连续性媒多媒体系统中大量地使用了基于时间的连续性媒体，而连续性媒体数据的组织和表现严格地受限于所规定的时间，这就需要有能体数据的组织和表现严格地受限于所规定的时间，这就需要有能够提供及时服务的实时系统。所以，实时系统首先要满足时间的够提供及时服务的实时系统。所以，实时系统首先要满足时间的响应，然后再考虑支持多个用户和多个任务。响应，然后再考虑支持多个用户和多个任务。目前，实时系统显目前，实时系统显得相当重要，下面我们将对进一步了解实时系统的系统特征。得相当重要，下面我们将对进一步了解实时系统的系统特征。11.1
8、.2 11.1.2 实时系统的特征实时系统的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的输出处理。是指系统能及时响应输入，并能按需提供无延迟的输出处理。实时系统可以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可以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的自动控制，也可以用于监测制导性控制。实时信息系于生产过程中的自动控制，也可以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。统通常指实时信息处理系统。实时系统继承了分时系统的交互性和多用户功能，并在满足任务时限实时系统继承了分时系统的交互性和多用户功能，并在满足任务时限的基础完成任务，
9、它主要包括如下的基础完成任务，它主要包括如下特征特征：1.1.及时与时限性及时与时限性。主要反映在对用户的响应时间要求上，以满足控制。主要反映在对用户的响应时间要求上，以满足控制对象所能接受的时间延迟，它可以是秒级、毫秒或微秒级。对象所能接受的时间延迟，它可以是秒级、毫秒或微秒级。2.2.交互性交互性。根据不同的应用对象和应用要求，实时系统能提供便捷的。根据不同的应用对象和应用要求，实时系统能提供便捷的交互方式。交互方式。3.3.安全可靠性。安全可靠性。实时控制系统必须考虑系统的容错机制，避免导致灾实时控制系统必须考虑系统的容错机制，避免导致灾难性后果。实时信息系统，应向用户提供及时、有效、完
10、整和可用的信难性后果。实时信息系统，应向用户提供及时、有效、完整和可用的信息。息。4.4.多路性多路性。实时控制系统应能提供多用户的服务。并具有现场多路采。实时控制系统应能提供多用户的服务。并具有现场多路采集、处理和控制执行机构的功能。集、处理和控制执行机构的功能。实时系统的调度包括实时系统的调度包括CPUCPU、资源、输入和输出、通信和任务各个方面，、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的调度问题就是实时系统所要解决的关键问题。正确把握基于时间上的调度问题就是实时系统所要解决的关键问题。由于实时任务具有时限性、抢占性、周期性、优先性、重要性、组合由于实时任务具有时限性、抢
11、占性、周期性、优先性、重要性、组合性等多种特征，因而在创建任务调度的算法时必须考虑这些因素。性等多种特征，因而在创建任务调度的算法时必须考虑这些因素。在任务与时限的关系中，涉及的概念包括：在任务与时限的关系中，涉及的概念包括：任务时限、任务执行时间、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、松任务时限、强实时（超时将无可用性）、弱实时（超时将影响可用性）、务时限、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（超时将引起严重后果）关键任务时限（超时将引起严重后果）等。等。其中任
12、务时限是指执行某任务时的可用时间，也称为时限粒度。任务其中任务时限是指执行某任务时的可用时间，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的关系，较小的任务时限必定导时限和任务时限余量之间存在着一定的关系，较小的任务时限必定导致较小的时限余量。但较大的任务时限也可能导致较小的时限余量，致较小的时限余量。但较大的任务时限也可能导致较小的时限余量，因为任务的执行时间取决于具体算法的复杂程度。也就是说，不同复因为任务的执行时间取决于具体算法的复杂程度。也就是说，不同复杂的算法决定了任务的时限余量。杂的算法决定了任务的时限余量。根据以上这些特性，实时调度中广泛采用了基于优先级的抢占调度算根据以
13、上这些特性，实时调度中广泛采用了基于优先级的抢占调度算法。该算法可以使正在执行的任务出让资源，去满足一个高优先级的法。该算法可以使正在执行的任务出让资源，去满足一个高优先级的任务的执行。同时对具有动态优先级的任务，可以根据任务的某些因任务的执行。同时对具有动态优先级的任务，可以根据任务的某些因素在运行时调整进程的优先权。素在运行时调整进程的优先权。常用的算法还有截止期最早最优先（常用的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 Fi
14、rstMost 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）、最低松弛度优先弛度优先(LLF)(LLF)算法等。算法等。当任务的某些特征模糊不确定或不可预测时，一些常用的调度算当任务的某些特征模糊不确定或不可预测时，一些常用的调度算法不再适用。可以使用不精确调度算法（法不再
15、适用。可以使用不精确调度算法（Imprecise ComputingImprecise Computing，ICIC）或模糊反馈控制实时调度算法。）或模糊反馈控制实时调度算法。实时系统的性能好坏主要从以下几个方面衡量实时系统的性能好坏主要从以下几个方面衡量：（1）响应时间）响应时间主要包括中断响应时间、关联转换时间和任务等待时间主要包括中断响应时间、关联转换时间和任务等待时间中断响应时间包括中断延迟时间，其大小取决于总线速度、中断屏蔽的时中断响应时间包括中断延迟时间，其大小取决于总线速度、中断屏蔽的时间长短、中断负载的大小、中断优先级等多种因素。任务等待时间是指从间长短、中断负载的大小、中断优
16、先级等多种因素。任务等待时间是指从发送消息的时刻到任务收到消息变为准备并投入运行之间的时间，包括消发送消息的时刻到任务收到消息变为准备并投入运行之间的时间，包括消息处理时间、核心不可抢占延迟、调度时间和关联转换时间，反映了系统息处理时间、核心不可抢占延迟、调度时间和关联转换时间，反映了系统的开销情况。关联转换时间即上下文切换时间，它取决与任务关联的数目、的开销情况。关联转换时间即上下文切换时间，它取决与任务关联的数目、任务调度算法、任务现场信息量的大小、任务调度算法、任务现场信息量的大小、CPU速度等诸多因素。速度等诸多因素。（2）吞吐率）吞吐率实时系统的吞吐率取决于系统的各个部位，不同的部位
17、具有不同的吞吐率实时系统的吞吐率取决于系统的各个部位，不同的部位具有不同的吞吐率概念，如概念，如CPU、系统总线、外围设备等。提高吞吐率的目的是减少任务、系统总线、外围设备等。提高吞吐率的目的是减少任务执行时间，增加任务余量。这样留给系统更多的时间，实现松时间约束，执行时间，增加任务余量。这样留给系统更多的时间，实现松时间约束，对相同的工作可以更好的完成；或在相同的时间内完成更多的任务。对相同的工作可以更好的完成；或在相同的时间内完成更多的任务。（3）可靠性）可靠性因为在一些重要的实时任务中，任何不可靠因素和故障都会引起难以预测因为在一些重要的实时任务中，任何不可靠因素和故障都会引起难以预测的
18、灾难性后果。的灾难性后果。11.1.3 11.1.3 多媒体操作系统的类型多媒体操作系统的类型多媒体操作系统多媒体操作系统支持多媒体的实时应用，其首要任务是调度一切支持多媒体的实时应用，其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次要提高计算机系统的使用可利用的资源完成实时控制任务，其次要提高计算机系统的使用效率。效率。多媒体实时任务主要包括多媒体实时任务主要包括：任务管理、任务间同步和通信、：任务管理、任务间同步和通信、存储器优化管理、实时时钟服务、中断管理服务。实时操作系统存储器优化管理、实时时钟服务、中断管理服务。实时操作系统具有规模小，中断被屏蔽的时间很短，中断处理时间短，任务
19、切具有规模小，中断被屏蔽的时间很短，中断处理时间短，任务切换很快等特点。换很快等特点。根据不同的使用规模，多媒体操作系统可分为单机、互联式和分根据不同的使用规模，多媒体操作系统可分为单机、互联式和分布式布式 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的是指支持非网络环境中的MPCMPC的操作系统，例的操作系统，例如，如，Windows95Windows95以后的操作系统就属于多媒体操作系统。以后的操作系统就属于多媒体操作系统。Windows Windows XPXP操作系统更是从系统级上支持多媒体功能，其操作系统更是从系统级上支持多媒体功能，其
20、DVDDVD支持技术、内支持技术、内置的置的DirectXDirectX多媒体驱动、与操作系统无缝连接的光盘刻录与擦写多媒体驱动、与操作系统无缝连接的光盘刻录与擦写技术等，给用户提供了更加丰富多彩的交互式多媒体环境。技术等，给用户提供了更加丰富多彩的交互式多媒体环境。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同的是，与单机操作系统不同的是，互联式多媒体操作系统互联式多媒体操作系统面对的是多台计面对的是多台计算机或多个局域网系统，它要支持多机之间的资源共享、用户操作算机或多个局域网系统，它要支持多机之间的资源共享、用户操作协调和与多机操作的交互。协调和与多机操作的交互。网络操作系统
21、网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上，也就是说它网络中可以构架于不同的操作系统之上，也就是说它网络中所连接的计算机可以被装有不同的操作系统，通过网络协议实现网所连接的计算机可以被装有不同的操作系统，通过网络协议实现网络资源的统一配置，在较大的范围内构成互联式网络操作系统。络资源的统一配置，在较大的范围内构成互联式网络操作系统。在互联式网络操作系统中，对网络资源的访问需要指明资源位置在互联式网络操作系统中，对网络资源的访问需要指明资源位置与资源类型。对于有实时要求的的任务，多媒体操作系统不仅要与资源类型。对于有实时要求的的任务，多媒体操作系统不仅要根据用户的请求准确地完成信息的发送、传递和接
22、收的全过程，根据用户的请求准确地完成信息的发送、传递和接收的全过程，而且要保证实时性多媒体信息处理的各种要求。而且要保证实时性多媒体信息处理的各种要求。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的计算机通过网络被连接在一起，可以获得是指有大量的计算机通过网络被连接在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。分布式操作系统有如下极高的运算能力及广泛的数据共享。分布式操作系统有如下特征特征：1 1、统一性统一性。它是一个统一的操作系统。它是一个统一的操作系统。2 2、共享性共享性。分布式系统中所有的资源是可共享的。分布式系统中所有的资源是可共享的。3 3、透
23、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。处于分布式系统的多个主机在物理上是独立的。处于分布式系统的多个主机在物理上是独立的。5 5、低成本低成本。分布式系统中的计算机不需要具备特别高的性能。分布式系统中的计算机不需要具备特别高的性能。6 6、可靠性可靠性。由于有多个独立的。由于有多个独立的CPUCPU系统，因此个别系统，因此个别CPUCPU的故障高不的故障高不影响系统性能。影响系统性能。与网络操作系统的主要区别是，分布式操作系统比较强调单一性，与网络操作系统的主要区别是，分布式操作系统
24、比较强调单一性，使用同一种操作系统，即使用同一种管理与访问方式。使用同一种操作系统，即使用同一种管理与访问方式。11.2 11.2 多媒体操作系统的核心和重要功能多媒体操作系统的核心和重要功能多媒体操作系统不仅要管理软、硬件资源，还需要满足多媒体数多媒体操作系统不仅要管理软、硬件资源，还需要满足多媒体数据处理的需要，提供一种高效、实时的运行环境。多媒体处理中据处理的需要，提供一种高效、实时的运行环境。多媒体处理中要解决的主要问题包括中断等待、实时调度、时限和恢复管理处要解决的主要问题包括中断等待、实时调度、时限和恢复管理处理和基于理和基于QoSQoS的资源管理。为了解决这些主要的问题，必须开发
25、新的资源管理。为了解决这些主要的问题，必须开发新的多媒体操作系统的体系结构。的多媒体操作系统的体系结构。11.2.1 11.2.1 操作系统的体系结构操作系统的体系结构传统的操作系统的工作是基于多个进程下的资源管理、设备控制等。传统的操作系统的工作是基于多个进程下的资源管理、设备控制等。这些系统并不具有对时间的复杂控制和维护特定的机制，也没有提供这些系统并不具有对时间的复杂控制和维护特定的机制，也没有提供系统短暂过载时进行保护和管理的模式。系统常常无法应对一些不可系统短暂过载时进行保护和管理的模式。系统常常无法应对一些不可预见的延迟和抖动，也不能保证对时间有严格要求的多媒体信息的同预见的延迟和
26、抖动，也不能保证对时间有严格要求的多媒体信息的同步，所以并不适合于连续媒体应用的实时服务。步，所以并不适合于连续媒体应用的实时服务。传统的操作系统主要在以下几个方面有所欠缺：（1）缺乏操作系统的实时支持这种实时支持应能够提供较好的时间驱动计算、最佳的时间调度策略、而不仅仅只具有时间分配的能力。（2）为了适合于实时多媒体的应用，有必要为了适合于实时多媒体的应用，有必要开发设计新的多媒体操作系统。目前，开发设计新的多媒体操作系统。目前，多媒体操作系统有两种开发模式，即扩多媒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的微内核体充传统操作系统和重新设计的微内核体系结构。无论采用哪种方式，多
27、媒体操系结构。无论采用哪种方式，多媒体操作系统都必须至少提供满足多媒体信息作系统都必须至少提供满足多媒体信息处理要求的处理要求的CPUCPU管理、存储器管理、管理、存储器管理、I/OI/O管理和文件系统管理功能。管理和文件系统管理功能。分层式操作系统分层式操作系统传统的操作系统是分层式的，传统的操作系统是分层式的，如图如图11-111-1（左）（左）所示，它的内核由若干层组成，所示，它的内核由若干层组成，内核集中提供各种功能，整个内核显得内核集中提供各种功能，整个内核显得非常庞大。多媒体的应用需要系统支持非常庞大。多媒体的应用需要系统支持请求、预定资源和同步处理，也就是要请求、预定资源和同步处
28、理，也就是要对内核进行适当的修改使得能提供可预对内核进行适当的修改使得能提供可预测的性能。测的性能。例如，例如，SUNSUN公司为了提供适当的多媒体公司为了提供适当的多媒体资源管理，开发了一种时间驱动资源管资源管理，开发了一种时间驱动资源管理理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的机制。应用的资向系统提出资源请求的机制。应用的资源请求可包括应用所需的资源、质量、源请求可包括应用所需的资源、质量、最后期限、优先级等参数，而系统
29、只是最后期限、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，并可按照申请尽可能地分配可用资源，并可告知必要的信息。告知必要的信息。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）微内核（微内核（micro-kernelmicro-kernel）操作系统）操作系统是新结构下的操作系统，它保留传统操是新结构下的操作系统，它保留传统操作系统界面，采用微内核为核心，为模作系统界面，采用微内核为核心，为模块化扩展提供基础。微内核的基本原理块化扩展提供基础。微内核的基本原理是，只有最基本的操作系统功能才能放是，只有最基本的操作系统功能才能放在内核中。不是最基本的服务
30、和应用程在内核中。不是最基本的服务和应用程序在微内核之上构造，并在用户模式下序在微内核之上构造，并在用户模式下执行。微内核中只包含线程和任务管理、执行。微内核中只包含线程和任务管理、IPCIPC管理、存储对象管理、虚拟内存服务、管理、存储对象管理、虚拟内存服务、I/OI/O管理和中断处理等内容。管理和中断处理等内容。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。用户可以通过微内口系统和安全服务。用户可以通过微内核接口函数提出服务申请，微内核的服核接口函数提出服务申请，微内核的服务器便可向
31、用户提供内核的功能服务。务器便可向用户提供内核的功能服务。内核体系结构内核体系结构如图如图11-111-1（右）（右）所示，微所示，微内核结构用一个水平分层的结构代替了内核结构用一个水平分层的结构代替了传统的纵向分层的结构。在微内核外部传统的纵向分层的结构。在微内核外部的操作系统部件被当作服务器进程实现。的操作系统部件被当作服务器进程实现。微内核体系结构的优点微内核体系结构的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：允许增加新的服务以及在同一个功：允许增加新的服务以及在同一个功能区域中提供多个服务。能区域中提供多个服务。灵活性
32、灵活性：与可扩展性相关，不仅可以在操作系：与可扩展性相关，不仅可以在操作系统中增加新功能，还可以删除现有的功能。统中增加新功能，还可以删除现有的功能。可移植性可移植性：所有或大部分处理器专用代码都：所有或大部分处理器专用代码都在微内核中，移植时只需很少的变化。在微内核中，移植时只需很少的变化。可靠性可靠性：少量的应用程序编程接口，为内核：少量的应用程序编程接口，为内核外部的操作系统服务产生高质量的代码。外部的操作系统服务产生高质量的代码。分布系统支持分布系统支持：微内核有助于分布式系统支：微内核有助于分布式系统支持，包括分布式操作系统控制的集群。持，包括分布式操作系统控制的集群。对面向对象操作
33、系统的支持对面向对象操作系统的支持:微内核结构也微内核结构也适用面向对象操作系统环境。适用面向对象操作系统环境。微内核上的操作系统的服微内核上的操作系统的服务模式务模式在微内核体系结构下，可以根据连在微内核体系结构下，可以根据连续媒体的特殊需要安排上层操作系续媒体的特殊需要安排上层操作系统，服务模式的实现有以下几种统，服务模式的实现有以下几种方方法法：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：上层操作系统作为实用库例程，当用户程序调用库例程时，由库例程例程，当用户程序调用库例程时，由库例程去调用微内核功能。实用库可以提供包括中去调用微内核功能。实用库可以提供包括中断处理、计时器、消
34、息登录、断处理、计时器、消息登录、内存分配、线内存分配、线缓冲等例程。缓冲等例程。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。微内核的功能模式微内核的功能模式：上层操作系统作为微内：上层操作系统作为微内核的一个功能，一般就是微内核的接口函数。核的一个功能，一般就是微内核的接口函数。11.2.2 11.2.2 中断等待中断等待在连续媒体应用中，常常由于多任务的同时执在连续媒体应用中，常常由于多任务的同时执行而引起中断等待。中断等待时间越短，系统行而引起中断等待。中断等待时间越短，系统的性能就越好。的性
35、能就越好。大量的中断等待将不能很好地支持实时活动。大量的中断等待将不能很好地支持实时活动。例如，处理一个连续的例如，处理一个连续的MIDIMIDI音乐媒体流，会产音乐媒体流，会产生十分频繁的中断请求发向操作系统内核，这生十分频繁的中断请求发向操作系统内核，这时将产生大量的上下文切换时间。如果操作系时将产生大量的上下文切换时间。如果操作系统内核难以应付这么高事件流的需求，将会产统内核难以应付这么高事件流的需求，将会产生许多中断延时，从而影响生许多中断延时，从而影响QoSQoS。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
36、占型实时操作系统中，其实时性取决于最长任务的执行时间。当前运行的任务拥于最长任务的执行时间。当前运行的任务拥有有CPUCPU的控制权，实时任务的到来必须通过某的控制权，实时任务的到来必须通过某种算法并等待当前任务交出种算法并等待当前任务交出CPUCPU的控制权，然的控制权，然后直到它主动归还后直到它主动归还CPUCPU控制权。中断由中断服控制权。中断由中断服务程序来处理，当激活一个休眠状态任务并务程序来处理，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的使之绪态时，该任务也必须等到当前运行的任务主动交出任务主动交出CPUCPU的控制权后才能运行。的控制权后才能运行。可抢占型实时
37、操作系统可抢占型实时操作系统是基于任务优先级的，是基于任务优先级的，内核可以抢占正在运行任务的内核可以抢占正在运行任务的CPUCPU使用权，并使用权，并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，也就是说，由于较高优先级任务的到来，正在也就是说，由于较高优先级任务的到来，正在运行中的其他任务都可被中断。可抢占型实时运行中的其他任务都可被中断。可抢占型实时操作系统的实时性好，但是，必须合理处理好操作系统的实时性好，但是，必须合理处理好抢占方式，否则也会导致系统崩溃。抢占方式，否则也会导致系统崩溃。降低操作系统中断等待的关键策略是可抢占性降低操作系统中断等待
38、的关键策略是可抢占性处理。对于目前现存的内核，可行的修改方案处理。对于目前现存的内核，可行的修改方案是增加一个安全抢占点的集合，也可以将现存是增加一个安全抢占点的集合，也可以将现存的内核转化为运行微内核上的一个用户程序。的内核转化为运行微内核上的一个用户程序。但最好的办法是重新设计内核的内部结构，使但最好的办法是重新设计内核的内部结构，使允许按任务的优先级抢占执行任务。允许按任务的优先级抢占执行任务。11.2.3 11.2.3 实时调度实时调度当多个实时的或非实时程序共享同一个当多个实时的或非实时程序共享同一个资源时，一般多线程操作系统使用同步资源时，一般多线程操作系统使用同步目标来作为强迫线
39、程同步的多线程核心。目标来作为强迫线程同步的多线程核心。但是可能会引起不可控制的优先权倒置。但是可能会引起不可控制的优先权倒置。这种优先权倒置现象是由服务器的非抢这种优先权倒置现象是由服务器的非抢占特性引起的，由此常导致不可预见的占特性引起的，由此常导致不可预见的延迟和抖动问题的发生。延迟和抖动问题的发生。CPU CPU 的实时处理的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的非实时处理，同时又要允许实时在处理之中的非实时处理，同时又要允许实时进程剥夺非实时进
40、程等低优先级实时进程。进程剥夺非实时进程等低优先级实时进程。CPUCPU可以通过高效实时调度进行实时处理，实可以通过高效实时调度进行实时处理，实时调度器以满足任务的最后期限来进行调度。时调度器以满足任务的最后期限来进行调度。对于连续媒体环境下的最后期限可以是可接受对于连续媒体环境下的最后期限可以是可接受的每帧回放时间。的每帧回放时间。各种实时操作系统的实时调度算法可以分为三各种实时操作系统的实时调度算法可以分为三种类别：基于优先级的调度算法（种类别：基于优先级的调度算法（Priority-Priority-driven scheduling-PDdriven scheduling-PD）、基于
41、）、基于CPUCPU使用比例使用比例的共享式的调度算法（的共享式的调度算法（Share-driven Share-driven scheduling-SDscheduling-SD）、以及基于时间的进程调度）、以及基于时间的进程调度算法（算法（Time-driven scheduling-TDTime-driven scheduling-TD）。）。基于优先级的调度算法基于优先级的调度算法基于优先级的调度算法给每个进程分基于优先级的调度算法给每个进程分配一个优先级，在每次进程调度时，配一个优先级，在每次进程调度时，调度器总是调度那个具有最高优先级调度器总是调度那个具有最高优先级的任务来执行。根
42、据不同的优先级分的任务来执行。根据不同的优先级分配方法，基于优先级的调度算法可以配方法，基于优先级的调度算法可以分为类型静态或动态两种：分为类型静态或动态两种：静态优先级调度静态优先级调度算法中，为所有进程都静态地算法中，为所有进程都静态地分配一个优先级。静态优先级的分配可以根据分配一个优先级。静态优先级的分配可以根据应用任务的的属性来进行。例如应用任务的的属性来进行。例如RMRM（Rate-Rate-MonotonicMonotonic）调度算法是根据任务的执行周期）调度算法是根据任务的执行周期的长短来决定调度优先级，那些具有小的执行的长短来决定调度优先级，那些具有小的执行周期的任务具有较高
43、的优先级。周期的任务具有较高的优先级。动态优先级调度动态优先级调度算法中，根据任务的资源需求算法中，根据任务的资源需求来动态地分配任务的优先级。在实时调度算法来动态地分配任务的优先级。在实时调度算法中，中，EDFEDF算法给就绪队列中的各个任务根据它算法给就绪队列中的各个任务根据它们的截止期限来分配优先级，具有最近的截止们的截止期限来分配优先级，具有最近的截止期限的任务具有最高的优先级。期限的任务具有最高的优先级。基于比例共享调度算法基于比例共享调度算法基于优先级的调度算法基于优先级的调度算法提供的是一种硬实时的提供的是一种硬实时的调度，对于软实时应用，使用比例共享式的资调度，对于软实时应用，
44、使用比例共享式的资源调度算法（源调度算法（SDSD算法）更为适合。比例共享调算法）更为适合。比例共享调度算法指基于度算法指基于CPUCPU使用比例的共享式的调度算使用比例的共享式的调度算法，它按照一定的权重对一组需要调度的任务法，它按照一定的权重对一组需要调度的任务进行调度，使它们的执行时间与它们的权重完进行调度，使它们的执行时间与它们的权重完全成正比。但是它没有优先级的概念，当系统全成正比。但是它没有优先级的概念，当系统处于过载状态时，所有的任务的执行都会按比处于过载状态时，所有的任务的执行都会按比例地变慢，这将影响实时进程。例地变慢，这将影响实时进程。实现比例共享调度的算法有两种：可以调节
45、各实现比例共享调度的算法有两种：可以调节各个就绪进程出现在调度队列队首的频率，并调个就绪进程出现在调度队列队首的频率，并调度队首的进程执行。或者逐次调度就绪队列中度队首的进程执行。或者逐次调度就绪队列中的各个进程投入运行，但根据分配的权重调节的各个进程投入运行，但根据分配的权重调节分配个每个进程的运行时间片。分配个每个进程的运行时间片。基于时间的进程调度算法基于时间的进程调度算法对于具有稳定、已知输入的简单系统，如很对于具有稳定、已知输入的简单系统，如很小的嵌入式系统、自控系统、传感器等应用小的嵌入式系统、自控系统、传感器等应用系统，可以使用时间驱动（系统，可以使用时间驱动（Time-driv
46、en:TDTime-driven:TD）的调度算法，它能够为数据处理提供很好的的调度算法，它能够为数据处理提供很好的预测性。实际上属于静态调度方法，在系统预测性。实际上属于静态调度方法，在系统的设计阶段，在明确系统中所有的处理情况的设计阶段，在明确系统中所有的处理情况下，对于各个任务的开始、切换、以及结束下，对于各个任务的开始、切换、以及结束时间等都事先做出明确的安排和设计。时间等都事先做出明确的安排和设计。11.2.4 11.2.4 时限和恢复管理时限和恢复管理许多具有强实时性的多媒体应用，要求许多具有强实时性的多媒体应用，要求在规定时间内完成其处理，同时，所处在规定时间内完成其处理，同时，
47、所处理的数据也往往是理的数据也往往是“短暂短暂”的，即有一的，即有一定的有效时间，过时则有新的数据产生。定的有效时间，过时则有新的数据产生。实时事务中有多种定时限制，其中最典实时事务中有多种定时限制，其中最典型的是事务截止期。型的是事务截止期。很多连续媒体应用程序具有内在的很多连续媒体应用程序具有内在的“软软”时限。时限。例如，在视频会议系统中，即使大多数视频图例如，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毕，也不影响会议继续像都没能够按时处理完毕，也不影响会议继续的进行。然而，错过时限的提示信号对应用来的进行。然而，错过时限的提示信号对应用来说是相当重要的信息。基于这些信息，应
48、用可说是相当重要的信息。基于这些信息，应用可以要求改变服务质量以要求改变服务质量QoSQoS的级别。的级别。由于实时事务难以接受时间的延迟及其不确定由于实时事务难以接受时间的延迟及其不确定性，因而多媒体操作系统的内存缓冲区的管理性，因而多媒体操作系统的内存缓冲区的管理就显得更为重要。如何及时分配所需缓冲区、就显得更为重要。如何及时分配所需缓冲区、如何让高优先级事务抢占缓冲区成为主要目标。如何让高优先级事务抢占缓冲区成为主要目标。各种因素都可能导致各种因素都可能导致QoSQoS的下降，当程序由于的下降，当程序由于过载、硬件或软件错误而错过时限时，用户过载、硬件或软件错误而错过时限时，用户程序应能
49、够决定相应的应付措施，也就是实程序应能够决定相应的应付措施，也就是实时恢复机制。但是数据的可恢复性也并非一时恢复机制。但是数据的可恢复性也并非一致的，有的事务可以在一定的时限内要求重致的，有的事务可以在一定的时限内要求重发，而有的事务则可能要用发，而有的事务则可能要用“补偿补偿”、“替替代代”事务。为了保证实时限制的满足，恢复事务。为了保证实时限制的满足，恢复也不一定是一致和绝对正确的。也不一定是一致和绝对正确的。同时，恢复过程也将影响处于活跃状态的事同时，恢复过程也将影响处于活跃状态的事务，使有的事务超过截止期，这对硬实时事务，使有的事务超过截止期，这对硬实时事务是不能接受的。因此，必须开发
50、新的恢复务是不能接受的。因此，必须开发新的恢复技术与机制，应考虑到时间与资源两者的可技术与机制，应考虑到时间与资源两者的可用性，以确定最佳恢复时机与策略，而不致用性，以确定最佳恢复时机与策略，而不致于影响事务实时性的满足。于影响事务实时性的满足。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的操作作为一个原子级操作，先权等事物外的操作作为一个原子级操作，这样可保证恢复任务不能被抢占。这样可保证恢复任务不能被抢占。10.2.5 QoS 10.2.5 QoS 管理管理随着数字视频、音频等连续媒体的网络随着数字视频、音频等连续媒体的网络应用，对实时服务质量应
