17. 多媒體作業系統 (Multimedia Operating System)

一、前言:

作業系統是在應用程式以及硬體間的橋梁,它提供了程式執行的環境以及相關的服務。

例如:CPU

       Main memory

       File system

       IO Device

       Networking Device

      而一個多媒體作業系統即為可以提供多媒體應用程式執行環境的作業系統。

範例1: 一個視訊功能的應用程式將會牽涉到

A、       IO Device :麥克風、耳機、視訊鏡頭

B、       CPU :處理資料

C、       Memory:暫時存取資料

D、       Network:資料的即時轉換與傳送

 

早期系統架構:

現在系統架構:

 

二、多媒體是什麼?

多媒體的領域很廣,早已深入在我們的生活當中,在計算機系統中,指的是組合兩種或以上媒體的一種人機互動式訊息交流和傳播。包括聲音跟影片檔(如: MP3聲音檔)、DVD電影、視訊,以及在網路上下載的短片(如: 電視節目片段),而網路直播也屬於多媒體的應用,像是透過網路同步觀賞中華隊的精采賽事 ; 還有能在台灣線上同時觀看美國奧斯卡頒獎典禮等。

 

三、多媒體作業系統的簡介

相較於傳統的作業系統只提供compiler、web server這類的簡易服務,多媒體作業系統功能更為強大,它提供了像是影片播放、聲音錄製、線上遊戲等等多媒體應用程式的使用環境,而在多媒體作業系統當中最為重要的關鍵即為連續媒體資料的即時處理。什麼是連續媒體資料呢? 舉例來說影像就是一種連續性資料,那為什麼我們會感覺影像是連續的呢? 這是因為當我們將畫面以每秒24~30格的速度來快速播放時,我們的人眼因視覺暫留的特性,所以會感覺看到的影像是連續的。但若是畫面播放速度降到每秒24格以下,則會造成影像產生斷斷續續的結果。所以從檔案系統存取影像檔案的速度需要與播放的速度一致,而這種有速度要求的資料被稱為連續媒體資料。

 

以下有幾點定義了多媒體應用程式的服務品質:

1. 產量: 對多媒體的應用來說,產量是指所需要的資料速率。

2. 延遲: 是指從最先提出要求的時間到所需結果產生所經過的時間。

3. 不穩定: 是指串流重播時所產生的延遲,一般而言不穩定對連續媒體應用而言是不可接受的。

4. 真實性: 真實性是在談處理和傳送連續媒體要如何處理錯誤,錯誤通常發生在CPU處理延遲或是在網路上遺失封包,在這些跟其他情況下,因為封包太晚到達導致無法使用,造成無法修正錯誤。

 

而要妥善的讓多媒體應用程式在作業系統當中順利執行,則必須要達到以下幾項:

1.CPU管理:有效率的排程將會是即時處理能否順利的關鍵。

2.Memory 管理:Guaranteed timing delay 以及 buffer的控管

3.File System:確保連續即時的多媒體資料讀取

4.Real-time Processing:確保多媒體資料的完整性

 

系統資源的控制以及分配妥善,幾乎就是多媒體作業系統所需要具備的能力,才不易造成Deadlock、Starvation等等問題。而多媒體應用程式與一般程式不太一樣的地方在於,編譯器以及網頁瀏覽器的執行需求比較偏向於no absolute performance guarantees 不過多媒體應用程式的處理上則是需要有一定的穩定程度,不然下次與好友視訊的同時畫面總是斷斷續續,使用者經驗將會非常不友善。

 

四、多媒體系統的特性:

     1. 多媒體檔案很大

         例如: 一段100分鐘MPEG-1影像檔需要將近1.125GB的儲存空間。

     2. 可能需要非常高的資料處理速度來處理連續性媒體

      舉數位影像為例,某一格用解析度800 X 600放映的彩色影像,若使用24位元表示每一畫素的顏色, 一格需800 X 600 X 24 = 11,520,000位元的資料。假設放映速度為每秒30格,頻寬就超過345 Mbps了。

     3. 對重複撥放時的時間delay敏感

       當一個連續性媒體要傳送給用戶,在重播媒體檔案時必須用特定速度去連續傳送,不然在播放時使用者會感受到停頓感。

 

五、多媒體作業系統議題:

一個傳送連續性媒體資料的電腦系統必須能符合連續性媒體所需的特定速度跟時間,也就是服務品質( quality of service,QoS)。

而要提供QoS保證會涉及到以下:

  1.壓縮及解碼可能需要大量的CPU處理

  2.必須在排班上具有某些優先性去確保符合連續性媒體期限需求。

  3.檔案系統也必須很有效率去符合連續性媒體的速度需求。

  4.網路協定要能支援頻寬需求以去將delay和不穩定降到最低。

 

壓縮:

解壓縮,壓縮演算法被分類為耗損(lossy)及非耗損(lossless)二種。耗損壓縮表示在檔案解壓縮時會有一些原始資料遺失,而非耗損壓縮則可保證檔案會被解壓縮回原始形式。

 

核心需求:

速度需求和時限就是服務品質(QoS)的需求,有三種Qos的層級:
1.最佳效力服務 (best-effort services):系統提供最佳效力企圖滿足需求。但是卻不能提供保證。
2.軟式服務品質(soft QoS):本層級用不同方法應付不同形式的運輸,給予特定運輸串流較高於其它串流的優先權,但是這也像最佳效力服務一樣,不能提供保證。
3.硬性服務品質 (hard QoS):可保證系統品質服務需求。
 
 
CPU排班:
軟式即時系統(soft real-time system)和硬性即時系統 (hard real-time system)。
多媒體系統需要硬性即時排班確保臨界工作在保證的時期內被服務到。
 
另一種排班議題有關排班演算法的是靜態優先權 (static priority)或是動態優先權 (dynamic priority)。
當排班的即時工作,多數系統選定靜態優先權,因為排班器的設計比較不複雜。
 
磁碟排班:
連續媒體檔案有二種傳統資料通常不會有的約束:時間期限和速度需求。為維持 QoS保證,必須滿足道二種約束,而且對這些約束而言磁碟排班演算法必須完美。不幸的是這二種約束常互相牴觸。
 
網路管理:
當資料經由網路傳送,它就像傳輸,會遭遇壅塞、延遲和其它網路運輸話題,超出資料原創者控制的講題。對有時間需求的多媒體資料而言,任何時間議題必須在二個主機端同步化:伺服器傳送內容與用戶再播放。

 

六、多媒體作業系統的特色

 

因為多媒體系統相較於一般作業系統對於資料處理的不同需求,多媒體系統較注重對於資料處理的速度以及保持資料在盡量不失真的前提下能壓縮的最大可能。

  
也因此,多媒體系統在針對不同case(不同的對象如音樂、影片...等等)時,處理的效率通常是比一般作業系統來說較為優越的,同時,因為大部分儲存的資料類型不同,在資源管理的演算法上與一般作業系統的差異也是有著顯著的差別,通常而言,多媒體系統比較多的是在乎delay的部分,因為大部分的功用都是連續不中斷的(影片、音樂、電話...等等),因此在delay的避免上是極為重要的,舉例而言,多媒體系統如一台專業用的多音軌錄音機在同時錄製不同來源的音軌時,每條音軌之間的時間差會極微的小,相較之下,若是以一般的作業系統代為錄製,時間差可能會高達1秒甚至更高。
  
因此,多媒體作業系統的特色就是盡量讓資料不失真壓縮,減少delay,以及相較普通作業系統時,對資料的處理與儲存有著特別需求的演算法。
  

七、資源管理與需求

多媒體作業系統不僅要管理軟、硬件資源,還要滿足多媒體數據處理的需求,提供一種高效、實時的運行環境。在多媒體處理中,要解決的主要問題包括中斷等待、實時調度、時限和恢復管理處理和基於QoS的資源管理。
 
多媒體的應用需求逐漸從單機延伸到互聯網,從非實時方式發展到實時方式,因此作業系統也逐漸沿著適應這種應用的方向發展。在不同的應用環境、應用方式下需要有相應的多媒體作業系統,所以說多媒體作業系統是多媒體技術的中流砥柱。在多媒體應用迅速發展的局面下,無論是在桌面式、嵌入式還是分佈式的多媒體應用中,多媒體作業系統技術面臨著新的核心問題是圍繞著多流、同步、時限以及基於QoS的管理。
 
多媒體作業系統支持多媒體的實時應用,其首要任務是調度一切可利用的資源來完成實時控制任務,其次要提高計算機系統的使用效率。多媒體實時任務主要有:任務管理、任務間同步和通信、存儲器優化管理、實時時鐘服務、中斷管理服務。

八、相關延伸

 

   多媒體未來相關趨勢

    1.分散式、網路化、同步工作的多媒體系統。

 

在當前形式下,有線電視網、通信網和網際網路這三網正在日趨統一,各種多媒體系統尤其是基於網路的多媒體系統,如視訊電話系統、點播系統、電子商務、遠距教學和醫療等將會得到迅速發展。

    2. 3C產品通過多媒體技術將相互滲透融合。

 

多媒體技術的進一步發展將會充分地體現出多領域應用的特點,各種多媒體技術手段將不僅僅是研究的工具,而且還可以是生產管理的工具、生活娛樂的方式。如欣賞影音圖書館的各種資料、閱讀電子報、、電子購物等。另外,還可以採用多媒體信息形式的遠端通信,雖然相距遙遠,但其交談和合作的感受卻如同面對面一般。

    3.以用戶為中心,充分發展人工智慧。

 

對於未來的多媒體系統,人類可用日常的感知和表達技能與其進行自然的交互,系統本身不僅能主動感知用戶的交互意圖,而且還可以根據用戶的需求做出相應的反應,系統本身會具有越來越高的智能性(ex:Siri)。

 

(參考來源: Operating System Concepts eighth edition/作者: Abraham Silberschatz,Peter B.Galvin,Greg Gagne/譯者: 黃政治)