Sistemas Operacionais Multimídia Aula 11

Sistemas Operacionais Multimídia Introdução Processamento em tempo-real Comunicação Sincronização Gerência de memória Gerência de base de dados Gerência de arquivos Gerência de dispositivos

Introdução Um dos mais importantes aspectos de sistemas operacionais multimídia é o processamento em tempo-real de dados de mídias contínuas O gerenciamento de processos deve levar em conta os requisitos de tempo impostos pela manipulação de dados multimídia Métodos apropriados de escalonamento devem ser aplicados

Introdução (cont.) Para obedecer aos requisitos de tempo, componentes são concebidos como recursos que são reservados antes da execução Reserva de recursos cobre todos os recursos que lidam com mídias contínuas

Introdução (cont.) A comunicação e a sincronização entre processos devem atender as restrições dos requisitos de tempo-real e as relações temporais entre diferentes mídias Em sistemas multimídia, a gerência de memória tem que prover acesso a dados com atraso (máximo) garantido e funções de manipulação de dados eficientes Ex.: operações de gerência de buffer em vez de operações de cópia física de dados (menor desempenho)

Introdução (cont.) Gerência de base de dados é um componente importante em um sistema multimídia Abstração dos detalhes de armazenamento de dados em memória secundária Para melhor desempenho, a gerência de base de dados deve se basear em serviços de gerência de arquivos fornecido pelo sistema operacional multimídia

Introdução (cont.) Sistemas operacionais isolam as aplicações dos dispositivos Serviços de gerência de dispositivos são necessários Em sistemas multimídia, a integração de dispositivos de áudio e vídeo deve ser semelhante a qualquer outro dispositivo de entrada/saída

Tempo Real O sistema de tempo-real possui a tarefa permanente de receber informações do ambiente, espontaneamente ou em intervalos periódicos de tempo, e/ou de enviar informações ao ambiente dadas certas restrições de tempo A principal caraterística de sistemas de tempo-real é a corretude da computação Esta corretude não se aplica apenas a computação sem erro, mas também ao tempo em cujo resultado é apresentado

Tempo Real (cont.) Velocidade e eficiência não são as principais características de sistemas de tempo-real (mitos) Ex.: em uma apresentação de uma sequência de vídeo em um sistema multimídia, o único resultado aceitável é quando o vídeo é apresentado nem rápido demais nem devagar demais

Deadlines Um deadline representa o último tempo aceitável para a apresentação de um resultado É a fronteira entre o comportamento normal (correto) e anômalo (errado) Soft deadline Hard deadline

Características de Sistemas de Tempo Real Resposta rápida previsível a eventos críticos em relação a tempo e informações de tempo apuradas Alto grau de escalonabilidade (schedulability) Estabilidade na presença de sobrecarga

Tempo Real e Multimídia Streams de áudio e vídeo consistem de valores de dados de mídias contínuas que mudam periodicamente (amostras de áudio e quadros de vídeo) Cada LDU deve ser apresentada até um deadline bem determinado Jitter só é permitido antes da apresentação final ao usuário

T-R e Multimídia (cont.) Para satisfazer os requisitos de tempo de mídias contínuas, o S.O. deve usar técnicas de escalonamento de tempo-real Estas técnicas devem ser aplicadas a todos os recursos do sistema envolvidos no processamento de dados de mídias contínuas CPU, memória principal, armazenamento, dispositivos de E/S e redes

T-R e Multimídia (cont.) Sistemas multimídia que não são usados em cenários tradicionais de tempo-real têm requisitos de tempo-real diferentes (mais simples) Aplicações como automação industrial e pilotagem de aviões têm grande demanda por segurança e tolerância a falhas

Requisitos de Tempo-Real Tolerância a falha: menos estrita do que em sistemas de tempo-real que têm impacto físico direto Contra-ex.: suporte de cirurgia remota por vídeo e áudio tem grande demanda por corretude Para muitas aplicações de sistemas multimídia, perder um deadline não é uma falha severa requisitos de áudio são mais estritos, porque o ouvido humano é mais sensível a audio gaps do que o olho é a video jitter

Requisitos de Tempo-Real (cont.) Como alguns algoritmos de compressão são capazes de usar diferentes fatores de compressão (diferentes qualidades) a banda (bandwidth) pode ser negociada a qualidade pode ser ajustada dinamicamente à banda disponível (ex. através da mudança de parâmetros) - vídeo escalável

Gerência de Recursos Exemplo: uma imagem de vídeo não deveria ser apresentada com atraso porque o sistema de comunicação está ocupado com uma transação de um sistema de gerenciamento de banco de dados Em qualquer cenário realista encontramos várias aplicações multimídia que concorrentemente usam recursos compartilhados O gerenciamento do sistema deve usar algoritmos de escalonamento adequados para servir aos requisitos das aplicações

Recursos Um recurso pode ser ativo: fornece um serviço (ex.: CPU) passivo: denota alguma capacidade do sistema requisitada por um recurso ativo (exs.: memória principal, banda de comunicação, sistema de arquivo) usado exclusivamente por um processo a um tempo (recursos ativos) compartilhado por vários processos (recursos passivos)

Requisitos Os requisitos de transmissão e processamento de aplicações multimídia locais e distribuídas são especificados de acordo com as seguintes características: O throughput é determinado pela taxa de transferência de dados necessária para satisfazer os requisitos da aplicação Delay local: o tempo máximo para completar uma tarefa em um recurso

Requisitos - Características (cont.) Delay fim-a-fim: atraso total para uma unidade de dado ser transmitida da fonte ao destino Jitter: variância máxima permitida na chegada de dados no destino A confiabilidade define mecanismos de detecção e correção de erros erros podem ser ignorados, indicados e/ou corrigidos correção de erros através da retransmissão raramente é apropriada para dados de tempo crítico porque os dados retransmitidos normalmente chegam atrasados

Requisitos (cont.) Em sistemas de comunicação, estes requisitos são também conhecidos como parâmetros de Qualidade de Serviço (QoS): throughput (data rate) local delay (global) end-to-end delay jitter confiabilidade

Componentes e Fases Alocação e gerência de recurso pode ser baseada na interação entre clientes e seus respectivos gerentes de recursos o cliente seleciona o recurso e pede uma alocação através da especificação de requisitos (QoS specification) o gerente do recurso checa sua utilização e decide se o pedido de reserva pode ser atendido todas as reservas existentes são armazenadas para que os requisitos especificados sejam garantidos se necessário, o cliente negocia o pedido de reserva com outros gerentes de recursos

Um gerente de recursos fornece componentes para as diferentes fases do processo de gerência e alocação: teste de escalonabilidade: checa com os parâmetros de QoS (ex. throughput e confiabilidade) para determinar se a capacidade existente é suficiente para atender o novo pedido cálculo da QoS: o gerente de recurso calcula o melhor desempenho possível (ex. delay) que pode ser garantido para o novo pedido reserva de recurso: alocação da capacidade necessária para garantir a QoS de cada pedido escalonamento de recurso: mensagens são escalonadas de acordo com as garantias de QoS dadas

Esquema de Alocação Abordagem pessimista: faz reserva para o pior caso, evitando conflitos de recursos QoS garantido Sub-utilização potencial de recursos Abordagem otimista: reserva para uma carga de trabalho média QoS: “o melhor possível” Os recursos são altamente utilizados pode haver falha por sobrecarga

Modelo de Definição de Parâmetros de QoS Baseado no modelo Linear Bounded Arrival Processes (LBAP) Enxurrada (burst) de mensagens: mensagens chegadas a frente da escala LBAP é um processo de chegada de mensagens em um recurso definido por três parâmetros: M = tamanho máximo da mensagem (bytes/msg) R = taxa (rate) máxima de mensagens (msg/seg) B = enxurrada (burstiness) máxima (msgs)

Modelo - Exemplo WS WS CD LAN Amostra de sinal de áudio a uma frequência de 44,1 kHz Amostra de 16 bits Taxa de transferência resultante: 44100Hz x (16bits / 8bits/byte) = 88200bytes/s

Exemplo (cont.) As amostras são montadas em frames Resultados: 75 mensagens (frames) são transmitidas por segundo (R) de acordo com o padrão de CD Assim, o tamanho máximo da mensagem é: M = 88200bytes/s / 75mensagens/s = 1176bytes/msg Em um pacote de 12000 bytes, temos B = 12000bytes / 1176bytes/msg = 10 mensagens Resultados: M = 1176 bytes/msg R = 75 msgs/s B = 10 mensagens

Em um intervalo de tempo de duração t, o número máximo de mensagens que chegam em um recurso não deve exceder: B + R x t Exemplo: assumindo t = 1s, 10 mensagens + 75 mensagens/s x 1s = 85 mensagens A introdução de enxurrada (burstiness) permite pequenas violações (por curtos períodos) da taxa de transferência assumida

Máxima Taxa Média de Transferência de Dados M x R Exemplo: 1176bytes/msg x 75mensagens/s = 88200 bytes/s Máximo Tamanho de Buffer Mensagens que chegam “a frente da escala” devem ser enfileiradas M x (B + 1) 1176bytes/msg x 11msg = 1293 6bytes

Tempo de Chegada Lógico Backlog Lógico Número de mensagens que já chegaram “a frente da escala” quando da chegada da mensagem m Se uma mensagem é processada “a frente da escala” o backlog lógico é maior do que o backlog real Tempo de Chegada Lógico Define o tempo mais cedo que uma mensagem m pode chegar em um recurso quando todas as mensagens chegam de acordo com as suas taxas Uma mensagem é crítica se o seu tempo de chegada lógico já passou