【正文】 塊高速緩存 ? 因此，只要一部電影中的一個(gè)塊讀出后很快會(huì)再次需要，對(duì)其進(jìn)行高速緩存就是有意義的，當(dāng)然是否進(jìn)行高速緩存還取決于它要被高速緩存多長(zhǎng)時(shí)間以及內(nèi)存有多緊張。 塊高速緩存 ? 可以利用多媒體系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性，使高速緩存成為十分有益的技術(shù)。一個(gè)塊不太可能被使用兩次。后者稱為窄條帶，它將遭遇熱點(diǎn)（廣受歡迎的分區(qū)）的問題，但是損失一塊磁盤將只是葬送存放在其分區(qū)中的電影。例如，對(duì)于 2GB的電影和 1000塊磁盤，可以將 2MB的磁盤塊寫在每塊磁盤上，這樣就沒有電影兩次使用同一塊磁盤。在一個(gè)具有 1000個(gè)活躍用戶和 1MB緩沖區(qū)的系統(tǒng)上（例如，在 4塊磁盤中的每塊上使用 256KB的磁盤塊），將需要 1GB的 RAM作為緩沖區(qū)。這些請(qǐng)求可以并行處理。 ? 分條帶的另一種方法是按塊分條帶。下一幀存放在磁盤 2上，以此類推。還有一種試圖平衡負(fù)載的方法是對(duì)每一文件使用隨機(jī)的條帶模式，如圖 911 d）所示。然后，再次在第一塊磁盤處繼續(xù)分條帶操作，寫入 A4單元，這樣進(jìn)行下去直到整個(gè)文件被寫完。當(dāng)然，一旦知道了電影的使用頻率，那么手工移動(dòng)某些電影以平衡負(fù)載也是可能的。實(shí)際上，使用新式的磁盤，每個(gè)磁盤上可以存放若干部電影。此外，如果 RAID控制器有太多的磁盤要同時(shí)處理，那么 RAID控制器可能會(huì)成為一個(gè)瓶頸。 ? 該算法所做的是試圖將磁頭保持在磁盤的中央。研究已經(jīng)表明，最佳的策略令人驚奇地簡(jiǎn)單并且獨(dú)立于分布。盡管分布在開始時(shí)下降得相當(dāng)快，但是它有著一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的尾部，例如，排名 50的電影擁有C/50的流行性，排名 51的電影擁有 C/51的流行性，所以排名 51的電影的流行性是排名 50的電影的 50/51，只有大約 2％的差額。例如，對(duì)于 1000部電影，前 5部電影的概率分別是 、 、 、 。該定律說(shuō)的是，如果電影，圖書、 Web網(wǎng)頁(yè)或者單詞按其流行性進(jìn)行排名，那么下一個(gè)客戶選擇排行榜中排名為 k的項(xiàng)的概率是 C/k。如果它們隨機(jī)地散布在磁盤上，那么當(dāng)多部電影被不同的客戶同時(shí)觀看時(shí)，時(shí)間將浪費(fèi)在磁頭在電影之間來(lái)回移動(dòng)上。 ? 簡(jiǎn)單的緩沖策略是使用雙緩沖。通過(guò)將這些幀連續(xù)地存放在一個(gè)磁道上，視頻服務(wù)器只用一次尋道（到第 0幀）就可以以相反的順序滿足全部 24個(gè)數(shù)據(jù)流的需要。根據(jù)這些參數(shù)， 2小時(shí)長(zhǎng)的電影需要 24個(gè)當(dāng)前數(shù)據(jù)流。近似視頻點(diǎn)播將同一部電影作為多個(gè)交錯(cuò)的數(shù)據(jù)流送出。通過(guò)足夠的緩沖可以屏蔽在幀傳輸過(guò)程中的尋道，但是這需要額外的內(nèi)存并且可能還需要額外的復(fù)制操作。 – 3）塊索引（允許分裂幀跨越磁盤塊）： RAM用量低；無(wú)磁盤浪費(fèi)；需要額外尋道。對(duì)于 256KB的塊，如果幀的平均大小為 16KB，那么一個(gè)塊大約可以裝下 16個(gè)幀，所以一部由 216 000幀組成的電影在塊索引中只需要有13 500個(gè)索引項(xiàng)，與此相對(duì)比，對(duì)于幀索引則需要 216 000個(gè)索引項(xiàng)。 兩個(gè)替代的文件組織策略 ? 作為對(duì)比，圖 98 a）中小塊的使用也會(huì)浪費(fèi)某些磁盤空間，因?yàn)樵诿恳粠淖詈笠粔K可能有一小部分未被使用。這一浪費(fèi)的空間就是內(nèi)部碎片，與具有固定大小頁(yè)面的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中的內(nèi)部碎片相同。這里仍然需要一個(gè)索引，但是這次不是幀索引而是塊索引。每一幀本身是一連串連續(xù)的塊，包含該幀所有的視頻、音頻和文本軌跡，如圖 98中所示。第一個(gè)是小塊模型，如圖 98 a）所示。類似地，如果沒有額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性，快進(jìn)和快倒也是不可能的。此處，直接跟隨第 1幀視頻的是第 1幀的各種音頻軌跡，然后是第 1幀的各種文本軌跡，根據(jù)存在多少音頻和文本軌跡，最簡(jiǎn)單的可能是在一次磁盤讀操作中讀入每一幀的全部?jī)?nèi)容，然后只將需要的部分傳輸給用戶。在視頻服務(wù)器上消除文件內(nèi)尋道的一種方法是使用連續(xù)的文件。它們的回放還必須滿足嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。于是，播放最新大片可能吸引足夠的客戶，從而保證每 5分鐘開始一個(gè)新的數(shù)據(jù)流；但是對(duì)于傳統(tǒng)經(jīng)典影片，最好還是簡(jiǎn)單地在點(diǎn)播的基礎(chǔ)上播映。運(yùn)營(yíng)商必須判定人們?cè)敢獾却嚅L(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)槿藗冊(cè)敢獾却臅r(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)效率就越高，并且同時(shí)能夠被觀看的電影就越多。在 10:00，第一個(gè)數(shù)據(jù)流終止并且再一次從第 0幀開始。 近似視頻點(diǎn)播 ? 這樣做的收益是，不管存在多少客戶，對(duì)于一部 2小時(shí)的電影，只需要 24個(gè)數(shù)據(jù)流。然而，通過(guò)對(duì)模型做一個(gè)小小的修改，就可能獲得巨大的性能改進(jìn)。首先，需要某些額外的磁盤空間來(lái)存放額外的文件。 VCR控制功能 ? 當(dāng)用戶切換回到正常速度時(shí)，必須使用相反的技巧。要切換到快進(jìn)模式，服務(wù)器必須判定在快進(jìn)文件中用戶當(dāng)前所在的位置。 VCR控制功能 ? 總而言之，不存在容易的方法。此時(shí)，服務(wù)器可能試圖將幀解壓縮（這是正常情況下服務(wù)器不需要做的事情），判定需要哪一幀，然后每隔 10幀重新壓縮成一個(gè) I幀。沒有基本幀，只有從基本幀發(fā)生的增量變化（這正是 P 幀所包含的）是無(wú)用的。此外，音頻壓縮是獨(dú)立于視頻壓縮的，所以對(duì)于在高速模式中顯示的每一視頻幀，還必須找到正確的音頻幀（除非在高于正常速度播放時(shí)將聲音關(guān)閉）。這一方法在推送型服務(wù)器和拉取型服務(wù)器上工作得同樣好。如果沒有壓縮，那么以 10倍的速度前進(jìn)的一種方法是每 10幀只顯示一幀，以 20倍的速度前進(jìn)則要求每 20幀顯示一幀。當(dāng)然，在暫停的時(shí)候可以很容易地將資源釋放，但是這引入了風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)用戶試圖恢復(fù)播放的時(shí)候，有可能無(wú)法重新獲得這些資源。視頻服務(wù)器此時(shí)要做的全部事情是記住下一次要送出的是哪一幀。而在傳統(tǒng)的拉取型服務(wù)器中，用戶不得不通過(guò)重復(fù)地調(diào)用 read一塊接一塊地取得數(shù)據(jù)，每調(diào)用一次可以拉取出一塊數(shù)據(jù)。為了讀取一個(gè)多媒體文件，用戶進(jìn)程發(fā)出 start系統(tǒng)調(diào)用，指定要讀的文件（如哪些音頻和字幕軌跡）和各種其他參數(shù)。 多媒體文件系統(tǒng) ? 由于實(shí)時(shí)行為的需要，這一模型對(duì)于多媒體并不能很好地工作，尤其是在顯示來(lái)自遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器的多媒體文件時(shí)，該模型的工作效果更差。這時(shí)，進(jìn)程可以發(fā)出read系統(tǒng)調(diào)用，提供令牌、緩沖區(qū)地址和字節(jié)計(jì)數(shù)作為參數(shù)。因而，在一個(gè)實(shí)際的視頻服務(wù)器中，如果CPU利用率低于 RMS限度，可以使用 RMS，否則，應(yīng)該選擇 EDF。在第一個(gè)例子中， CPU利用率為 RMS工作正常，但那只不過(guò)是幸運(yùn)罷了。 最早最終時(shí)限優(yōu)先調(diào)度 ? 根本上，使用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)只有在 CPU的利用率不太高的時(shí)候才能工作。 最早最終時(shí)限優(yōu)先調(diào)度 ? 在圖 94所示的例子中，直到 t = 150， CPU都是 100％被占用的。這就不同于 RMS，在 RMS中 A由于較高的優(yōu)先級(jí)而成為贏家。 RMS失敗。 CPU只留下了 25%，但是在理論上 CPU并沒有被超額預(yù)定，找到一個(gè)合理的調(diào)度應(yīng)該是可能的。調(diào)度程序可以合理地選擇其中任何一個(gè)運(yùn)行，但是由于搶占 B具有某些非零的代價(jià)與之相聯(lián)系，所以最好是讓 B繼續(xù)運(yùn)行，而不去承擔(dān)切換的代價(jià)。最初所有三個(gè)進(jìn)程都是就緒的，它們按其最終時(shí)限的次序運(yùn)行。 EDF算法運(yùn)行列表中的第一個(gè)進(jìn)程，也就是具有最近最終時(shí)限的進(jìn)程。 EDF是一個(gè)動(dòng)態(tài)算法，它不像速率單調(diào)算法那樣要求進(jìn)程是周期性的。 ? 在 t = 80時(shí)，進(jìn)程 B就緒并開始運(yùn)行。 2023114 27 圖 93 RMS和 EDF實(shí)時(shí)調(diào)度的一個(gè)例子 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0CBAC 1B 1A 1C 2 C 3B 2 B 3 B 4A 2 A 3 A 4 A 5時(shí) 間 （ m s ）A 1 B 1R M SA 1 B 1 C 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 C 3 A 5 B 4E D FC 1 A 2 B 2 C 2 A 3 B 3 A 4 C 3 A 5 B 4C 2 速率單調(diào)調(diào)度 ? 在圖 93中，最初所有三個(gè)進(jìn)程都就緒要運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程 A被選中，并準(zhǔn)許它運(yùn)行直到它在 10ms時(shí)完成，如圖 93中的 RMS一行所示。 速率單調(diào)調(diào)度 ? 圖 93演示了圖 92所示例子中速率單調(diào)調(diào)度是如何工作的。例如，必須每 30ms運(yùn)行一次（每秒33次）的進(jìn)程獲得的優(yōu)先級(jí)為 33，必須每 40ms運(yùn)行一次（每秒 25次）的進(jìn)程獲得的優(yōu)先級(jí)為 25，必須每 50ms運(yùn)行一次（每秒 20次）的進(jìn)程獲得的優(yōu)先級(jí)為 20。 – 5）進(jìn)程搶占即刻發(fā)生而沒有系統(tǒng)開銷。 速率單調(diào)調(diào)度 ? 適用于可搶占的周期性進(jìn)程的經(jīng)典靜態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度算法是速率單調(diào)調(diào)度（ Rate Monotonic Scheduling， RMS），它可以用于滿足下列條件的進(jìn)程： – 1）每個(gè)周期性進(jìn)程必須在其周期內(nèi)完成。唯一要關(guān)心的是如果傳輸緩沖區(qū)在很少的幾個(gè)突發(fā)中被填充，那么在最終時(shí)限到來(lái)之前該緩沖區(qū)應(yīng)該是完全滿的，這樣它就可以在一次操作中傳遞給用戶，否則就會(huì)引起顫動(dòng)。 一般實(shí)時(shí)調(diào)度 ? 在某些實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，進(jìn)程是可搶占的，在其他的系統(tǒng)中，進(jìn)程是不可搶占的。 一般實(shí)時(shí)調(diào)度 ? 到目前為止我們假設(shè)每個(gè)影片流有一個(gè)進(jìn)程，實(shí)際上，每個(gè)影片流可能有兩個(gè)甚至更多個(gè)進(jìn)程，例如一個(gè)用于音頻一個(gè)用于視頻。每個(gè) CPU突發(fā)處理一幀并且具有一個(gè)最終時(shí)限：它必須在下一個(gè)突發(fā)開始之前完成。多個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)程，其中若干進(jìn)程或全部進(jìn)程具有必須滿足的最終時(shí)限的調(diào)度就是實(shí)時(shí)調(diào)度。 一般實(shí)時(shí)調(diào)度 ? 隨著用戶的數(shù)目不斷變化，由于視頻壓縮的本性（ I幀比 P幀或 B幀大得多），幀的大小劇烈變化，并且不同的電影可能有不同的分辨率。在時(shí)鐘的每一滴答，所有的進(jìn)程以相同的次序相繼運(yùn)行。對(duì)每一部電影，存在一個(gè)進(jìn)程（或線程），其工作是每次從磁盤中讀取電影的一幀然后將該幀傳送給用戶。因此，多媒體服務(wù)器需要有資源預(yù)留方案和進(jìn)入控制算法，以判定什么時(shí)候能夠處理更多的任務(wù)。如果圖 91中的分布式網(wǎng)絡(luò)均勻地將所有的位淮確地延遲 5s，電影將開始得稍稍晚一些，但是看起來(lái)卻不錯(cuò)。幀必須分別以 40ms的精確時(shí)間間隔傳輸，否則電影看起來(lái)將會(huì)有起伏。還需要注意的是，沒有數(shù)據(jù)壓縮，目前的硬件不可能跟上這樣的數(shù)據(jù)率。表 91列舉了幾種數(shù)字多媒體源和某些常見硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)率。對(duì)于桌面視頻編輯系統(tǒng)而言，所有的進(jìn)程都運(yùn)行在相同的計(jì)算機(jī)上，分別發(fā)揮著服務(wù)器和客戶的作用。 視頻剪輯與點(diǎn)播 ? 用戶也可以使用現(xiàn)有的 PC機(jī)并且在顯示器上顯示電影。不過(guò)，為了與有線電視競(jìng)爭(zhēng)，電話公司正在為住戶鋪設(shè)光纜，這樣，光纜上的 ADSL將比電視電纜有更大的帶寬。 ADSL系統(tǒng)是由電話公司經(jīng)營(yíng)的，在ADSL系統(tǒng)中，現(xiàn)有的雙絞電話線提供了最后一公里的數(shù)據(jù)傳輸。 2023114 4 圖 91 視頻點(diǎn)播使用不同的本地分布技術(shù) ∞ 分 布 式 網(wǎng) 絡(luò)光 纖視 頻 服 務(wù) 器同 軸 電 纜匯 接 盒 分 布 式 網(wǎng) 絡(luò)光 纖視 頻 服 務(wù) 器匯 接 盒∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞住 房銅 雙 絞 線a ） A D S Lb ） 有 線 電 視 視頻剪輯與點(diǎn)播 ? 視頻服務(wù)器是一臺(tái)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在其文件系統(tǒng)中存放著許多電影，并且可以按照點(diǎn)播請(qǐng)求回放這些電影。不僅如此，保存與回放音頻和視頻同樣給操作系統(tǒng)及其調(diào)度程序提出了新的和更高的要求。多媒體技術(shù)與應(yīng)用 ? 第 3章 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) ? 第 4章 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù) ? 第 5章 數(shù)字音頻技術(shù) ? 第 6章 數(shù)字圖形圖像技術(shù) ? 第 7章 數(shù)字視頻技術(shù) ? 第 8章 網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù) ? 第 9章 多媒體操作系統(tǒng) 第 9章 多媒體操作系統(tǒng) ? 數(shù)字電影、視頻剪輯和音樂正在日益成為用計(jì)算機(jī)表示信息和進(jìn)行消遣娛樂的常用方式。因此，需要設(shè)計(jì)新的文件系統(tǒng)來(lái)處理音頻和視頻文件。視頻點(diǎn)播要求基于特殊的基礎(chǔ)設(shè)施，圖 91所示為兩種可能的視頻點(diǎn)播基礎(chǔ)設(shè)施，每種都包含三個(gè)基本的組件：一個(gè)或多個(gè)視頻服務(wù)器、一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)以及一個(gè)在每個(gè)房間中用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼的機(jī)頂盒。分布式網(wǎng)絡(luò)總是使用光纖從視頻服務(wù)器連接到客戶居住點(diǎn)的匯接盒。 視頻剪