Bölüm 14: Çoklu Ortam Sistemleri

İşletim Sistemleri

Çoklu ortamın özellikleri ve veri hızları Ses sayısallaştırma ve Nyquist Psikoakustik ve ses sıkıştırma Video: tarama, renk uzayı, 4:2:0 JPEG: DCT, niceleme, zikzak MPEG: I/P/B kareleri, hareket dengeleme H.264, HEVC, AV1 ve donanım kod çözücüler Gerçek zamanlı çizelgeleme: RMS ve EDF İtme/çekme sunucular, NVOD, VCR Dosya yerleşimi, Zipf ve organ borusu Önbellekleme ve disk çizelgeleme HLS/DASH, CDN ve bit hızı merdiveni

Sercan KÜLCÜ · Giresun Üniversitesi · Bilgisayar Mühendisliği

Giriş

Öğrenme Çıktıları

Özellikler ve hesap

Sıkıştırmasız ses ve video veri hızlarını hesaplamak; gerçek zaman, titreşim ve QoS kavramlarını açıklamak.

Ses

Örnekleme, niceleme ve Nyquist ölçütünü uygulamak; psikoakustik maskelemenin sıkıştırmadaki rolünü anlatmak.

Görüntü ve video

YCbCr ve 4:2:0, JPEG boru hattı (DCT, niceleme, zikzak, Huffman) ve I/P/B kareli MPEG kodlamayı izlemek.

Süreç çizelgeleme

Periyodik görevlerde RMS ve EDF zaman çizelgesini çıkarmak; kullanım sınırıyla çizelgelenebilirliği sınamak.

Dosya sistemi

İtme/çekme sunucuları, NVOD, blok boyutu ve indeks seçimleri, Zipf ve organ borusu yerleşimini değerlendirmek.

Disk ve akış

Statik turlar ile SCAN-EDF'yi; HLS/DASH, CDN ve uyarlanabilir bit hızı merdivenini açıklamak.

Giriş

Çoklu Ortam Nedir?

Metin, grafik, ses, video ve animasyonun birlikte sunulması. İşletim sistemi açısından asıl zorluk sürekli ortam (ses ve video): veri, belirli bir hızda ve zamanında akmalıdır.

Yüksek veri hızı

Sıkıştırmasız 1080p ≈ 1,5 Gbit/s; sıkıştırma zorunlu. 2 saatlik 4K film 16 Mbit/s ile bile ≈ 14 GB.

Gerçek zaman

Kareler sabit aralıkla (25 fps → 40 ms) gösterilmeli; geç gelen veri işe yaramaz. Titreşim tamponla emilir.

Hizmet kalitesi (QoS)

Bant genişliği, gecikme, titreşim ve kayıp için garanti ya da öngörülebilirlik; kaynak ayırma ve kabul denetimi.

Eşzamanlama

Dudak eşzamanı: ses ≈ 45 ms önde ya da ≈ 125 ms geride kalırsa fark edilir (ITU-R BT.1359).

Etkileşim

Duraklat, geri/ileri sar, atla (VCR işlevleri); sunucu ve dosya sistemi tasarımını etkiler.

Uyumluluk

Farklı kodek, kapsayıcı (MP4, MKV), ekran (HDR/SDR) ve ağ; oynatıcı uygun sürümü seçer.

Giriş

Veri Hızları

Akış hızları 2026 için tipik değerlerdir (Netflix HD için ≈ 5, 4K için ≈ 15 Mbit/s önerir). Kayıpsız FLAC, CD kalitesinde ≈ 0,7–1 Mbit/s; 24 bit/96 kHz ≈ 2–3 Mbit/s. Arada ≈ 3 basamak fark: sıkıştırma olmadan video akışı yoktur.

Giriş

Sıkıştırmasız Veri Hızlarını Hesaplama

CD sesi: 44,1 kHz örnekleme × 16 bit × 2 kanal = 1,41 Mbit/s; bir saatlik albüm ≈ 635 MB.

1080p, piksel başına 24 bit RGB, 30 kare/s: 1,49 Gbit/s. İki saatlik film sıkıştırmasız 1,34 TB tutar.

Renk bilgisini yarı yarıya azaltan 4:2:0 alt örnekleme piksel başına ortalama 12 bit verir: 746 Mbit/s. Bu henüz kayıplı sıkıştırma değildir.

4K, 60 kare/s, 10 bit HDR, 4:2:0 (10 + 10/4 + 10/4 = 15 bit/piksel): 7,46 Gbit/s; tek bir 10 GbE bağlantıyı neredeyse doldurur.

Sonuç: modern kodekler videoyu 150–500 kat küçültür; ses için gereken oran çok daha düşüktür. İşletim sistemi yine de sürekli, zamanında veri akışı sağlamalıdır.

Giriş

Video Dağıtım Ağları

Erişim	Eski sunumdaki değer	Güncel tipik değer (2026)
ADSL2+	—	≤ 24 Mbit/s indirme, ≤ 1–3 Mbit/s yükleme (asimetrik)
VDSL2 (vektörleme)	VDSL: 52 / 16 Mbit/s	100 Mbit/s; 35b profili kısa hatta ≈ 250–300 Mbit/s
Kablo (DOCSIS 3.1 / 4.0)	10–100 Mbit/s	1–10 Gbit/s indirme (paylaşımlı ortam)
FTTH (GPON / XGS-PON)	—	2,5 / 1,25 Gbit/s ve 10 / 10 Gbit/s, ayırıcıdaki kullanıcılar paylaşır

SDSL ve HDSL simetrik eski DSL türleridir. Erişim hızından çok sunucu ile kullanıcı arasındaki yol (CDN) ve titreşim belirleyicidir.

Giriş

Gerçek Zaman ve Titreşim

Kaynak kareleri 40 ms aralıkla (25 fps) gönderir; ağ gecikmesi 60 ile 115 ms arasında değişir. Varış aralıkları düzensizdir: titreşim.

Oynatma, gönderimden D = 80 ms sonra planlanırsa gecikmesi 80 ms'yi aşan 5 kare (2, 4, 5, 6, 8) zamanında yetişmez: takılma ya da atlama.

D = 120 ms (en büyük gecikme 115 ms) seçilirse tüm kareler yetişir. Bedel: 120 ms ek gecikme ve en çok 3 karelik tampon. Akış hizmetleri saniyeler, görüntülü görüşme onlarca ms tampon kullanır.

Giriş

Bir Film Birkaç Dosyadan Oluşabilir

Oynatıcı yalnız seçilen dilin ses ve altyazı izini okur. Eski VOD sistemleri izleri ayrı dosyalarda tutardı; bugün kapsayıcı içindeki izler ya da DASH/HLS'te ayrı “uyarlama kümeleri” olarak ayrı ayrı indirilen bölütler kullanılır.

Ses

Ses Sayısallaştırma: Örnekleme ve Niceleme

(a) Analog ses: sürekli zamanda sürekli genlikli bir dalga (burada tek periyotluk sinüs).

(b) Örnekleme: her ΔT saniyede bir genlik ölçülür. Örnekleme hızı f_s = 1/ΔT (CD: 44.100 örnek/s).

(c) Niceleme: her örnek en yakın düzeye yuvarlanır. 4 bit → 2⁴ = 16 düzey (−8 … 7). CD 16 bit, yani 65.536 düzey kullanır.

(d) Gerçek değer ile kodlanan düzey arasındaki fark niceleme gürültüsüdür. Her ek bit gürültüyü yarıya indirir: SNR ≈ 6,02·n + 1,76 dB (4 bit ≈ 26 dB, 16 bit ≈ 98 dB).

Ses

Nyquist Ölçütü ve Örtüşme

Nyquist–Shannon

En yüksek frekansı f_max olan sinyal f_s > 2·f_max ile örneklenirse tam geri çatılır. Aksi hâlde yüksek frekanslar alçak frekans gibi görünür (örtüşme); kodlayıcı önce alçak geçiren süzgeç uygular.

Tipik hızlar

Telefon: 8 kHz (≤ 3,4 kHz konuşma). CD: 44,1 kHz (insan kulağı ≈ 20 kHz). Video/yayın: 48 kHz. Stüdyo: 96–192 kHz. Bit derinliği 16 bit ≈ 98 dB, 24 bit ≈ 146 dB dinamik aralık.

Ses

Ses Kodlama Türleri

Biçim	Tür	Tipik bit hızı	Kullanım
PCM (WAV, CD)	sıkıştırmasız, doğrusal	1,41 Mbit/s (44,1 kHz/16 bit/stereo)	kayıt, düzenleme, CD
MP3 (MPEG-1 Audio Layer III)	kayıplı, psikoakustik	128–320 kbit/s	eski müzik arşivleri
AAC (LC, HE-AAC)	kayıplı, MDCT	64–256 kbit/s	Apple Music, YouTube, HLS/DASH, yayın
Opus (IETF RFC 6716)	kayıplı, düşük gecikme	6–510 kbit/s (konuşma ≈ 16–32)	WebRTC, Discord, VoIP, YouTube
E-AC-3 / Dolby Atmos	kayıplı, çok kanallı / nesne	384–768 kbit/s	film, 5.1/7.1, uzamsal ses
FLAC, ALAC	kayıpsız (doğrusal öngörü)	≈ 0,7–1 Mbit/s (CD); hi-res 2–3	arşiv, kayıpsız akış

Eski sunumdaki “FLAC 1–5 Mbit/s” yalnız yüksek çözünürlüklü (24 bit/96–192 kHz) dosyalar için geçerlidir; CD kalitesinde FLAC, PCM'nin ≈ %50–70'i kadardır. Opus, 2012'den beri konuşma ve müzik için tek kodektir ve gerçek zamanlı uygulamaların varsayılanıdır.

Ses

Fourier Ayrışımı ve Ardışık Yaklaşımlar

8 bitlik ASCII “b” (01100010) kare dalgası. Her periyodik sinyal, sabit + sinüs/kosinüs harmonikleri toplamı olarak yazılabilir (sağda genlikler).

Yalnız 1. harmonik: sinyalin kaba biçimi. İletim kanalı ya da kodlayıcı yüksek frekansları atarsa elde kalan budur.

2 harmonik: geçişler belirginleşiyor. Genliklerin çoğu ilk birkaç harmonikte toplanmıştır.

4 harmonik: bitler artık ayırt edilebilir.

8 harmonik: orijinale çok yakın. Dönüşüm kodlama fikri buradan gelir: frekans uzayına geçip küçük bileşenleri kaba nicelemek ya da atmak. MP3/AAC (MDCT) ve JPEG (DCT) bunu yapar.

Ses

Psikoakustik: Eşik ve Maskeleme

İşitme eşiği frekansa bağlıdır: kulak 2–5 kHz'te en duyarlıdır, çok alçak ve çok yüksek frekanslarda eşik yükselir. Eşiğin altındaki B tonu hiç kodlanmayabilir.

Frekans maskelemesi: 1 kHz, 70 dB'lik güçlü ton yakınındaki eşiği yükseltir (kesikli eğri). 1,4 kHz'teki 40 dB'lik D tonu artık duyulmaz; kodlayıcı ona bit harcamaz.

Zamansal maskeleme: güçlü bir sesten hemen sonra (≈ 50–200 ms) ve az da olsa önce, zayıf sesler duyulmaz. MP3, AAC ve Opus her iki etkiyi psikoakustik modelde kullanır.

Ses

Algısal Ses Kodlayıcı ve Kanal Yapılandırmaları

Mono

Tek giriş akışı.

Çift mono

İki bağımsız akış (ör. Türkçe ve İngilizce anlatım).

Ayrık stereo

Sol ve sağ kanal ayrı ayrı sıkıştırılır.

Ortak (joint) stereo

Kanallar arası artıklık kullanılır: orta/yan (M/S) ya da yoğunluk stereo.

Bugün ayrıca 5.1/7.1 çok kanallı ve nesne tabanlı (Dolby Atmos, MPEG-H) ses yaygındır; kanal yerine konumu olan ses nesneleri kodlanır.

Görüntü ve Video

Görüntü Tarama: Geçmeli ve Aşamalı

Analog TV, enerji ve bant genişliğinden tasarruf için geçmeli tarar: önce tek numaralı satırlar (1. alan) çizilir.

Sonra çift satırlar (2. alan) araya girer. Alan hızı 50/59,94 Hz olduğundan titreme azalır ama kare hızı 25/29,97'dir.

Bilgisayar ekranları ve modern video (720p, 1080p, 2160p) aşamalıdır: her karede tüm satırlar sırayla. Akış hizmetlerinde geçmeli içerik kodlamadan önce ayrıştırılır.

Görüntü ve Video

Analog Standartlardan Dijital Video'ya

Standart	Yıl / bölge	Satır, kare hızı	Dijital örnekleme (BT.601)
NTSC	1941 (s/b), 1953 (renkli); K. Amerika, Japonya	525 satır, 29,97 kare/s (59,94 alan/s)	720 × 480
PAL	1967; Avrupa, Türkiye, Asya'nın çoğu	625 satır, 25 kare/s (50 alan/s)	720 × 576
SECAM	1967; Fransa, eski SSCB	625 satır, 25 kare/s	720 × 576
HD (BT.709)	1990'lar–2000'ler	720p, 1080i/1080p; 24–60 kare/s	1280 × 720, 1920 × 1080
UHD (BT.2020/2100)	2012 →	2160p (4K), 4320p (8K); 50–120 kare/s, HDR	3840 × 2160, 7680 × 4320

Düzeltmeler: SECAM, PAL'in bir sürümü değil ayrı bir renk sistemidir (PAL-M ve PAL-N ise PAL türevleridir). 720 × 480 / 720 × 576, analog yayının değil onun dijital örneklemesinin çözünürlüğüdür. Analog karasal yayın çoğu ülkede kapandı; yerini DVB-T2, ATSC 3.0, IPTV ve internet akışı aldı.

Görüntü ve Video

Renk Uzayları ve HDR

Neden YCbCr?

Göz parlaklık ayrıntısına renkten çok daha duyarlıdır. Y tam çözünürlükte, Cb/Cr düşük çözünürlükte saklanabilir. Katsayılar BT.709 (HD) içindir; SD BT.601, UHD BT.2020 katsayılarını kullanır.

HDR ve geniş renk gamı

10 bit örnek, BT.2020 renk gamı ve PQ (SMPTE ST 2084, 10.000 nit'e kadar) ya da HLG (yayın) aktarım eğrisi. Biçimler: HDR10, HDR10+, Dolby Vision. SDR genelde 8 bit, ≈ 100 nit.

Baskı ve görüntü dosyaları

CMYK baskı içindir, video kodlamada kullanılmaz. Fotoğrafta sRGB, Display P3 yaygındır; JPEG kodlamadan önce YCbCr'ye çevirir.

Görüntü ve Video

Renk Alt Örnekleme: 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0

4:4:4: her piksel Y, Cb ve Cr taşır (8 bit için 24 bit/piksel). Bir 1080p kare 6,2 MB. Ekran görüntüsü ve kurgu ara biçimlerinde kullanılır.

4:2:2: yatayda iki piksel bir renk örneğini paylaşır: 16 bit/piksel, kare 4,1 MB. Profesyonel yayın ve kamera kayıtları.

4:2:0: 2 × 2 piksel bir Cb ve bir Cr paylaşır: 12 bit/piksel, kare 3,1 MB (yarı boyut). JPEG, H.264, HEVC, AV1 akışlarının neredeyse tamamı 4:2:0'dır.

Sıkıştırma

Sıkıştırmanın Temelleri

Kayıpsız ve kayıplı

Kayıpsız (PNG, FLAC, GIF'in LZW'si): bit bit geri çatılır, oran ≈ 2:1. Kayıplı (JPEG, MP3, H.264): algıda önemsiz bilgi atılır, oran 10:1 – 500:1.

Asimetri

Kodlama bir kez ve yavaş yapılabilir (ör. film için saatler), kod çözme her izleyicide gerçek zamanlı olmalıdır. Canlı yayın ve görüntülü görüşmede kodlama da gerçek zamanlıdır.

Tekrar boyu kodlama (RLE)

AAAABBBCC → 4A3B2C: aynı simgenin art arda tekrarları (sayı, simge) çiftiyle yazılır. JPEG'de sıfır dizilerini kısaltır.

Biçimler

Raster: JPEG, PNG, GIF, WebP, AVIF, HEIC, TIFF, BMP. Vektör: SVG, PDF, EPS, AI. Üst veri: EXIF (kamera, konum), IPTC, XMP. Çözünürlük piksel boyutudur; PPI yalnız baskı ölçeğidir.

Eski sunumdaki RLE örneği girdi ile çıktıyı bitiştirmişti (“AAAABBBCC4A3B2C”); doğrusu yukarıdaki dönüşümdür.

Sıkıştırma

RLE Kodlayıcıyı İzleme

public class RLE {
  static String encode(String s) {
    StringBuilder out = new StringBuilder();
    int i = 0;
    while (i < s.length()) {
      char c = s.charAt(i);
      int n = 1;
      while (i + n < s.length()
             && s.charAt(i + n) == c) n++;
      out.append(n).append(c);
      i += n;
    }
    return out.toString();
  }
  public static void main(String[] a) {
    System.out.println(encode("AAAABBBCC"));
  }
}

encode("AAAABBBCC") çağrıldı; boş bir StringBuilder oluşturulur, i = 0.

Döngü: c = s.charAt(0) = 'A', n = 1 ile başlanır.

İç döngü sonraki karakterler 'A' oldukça n'yi artırır: n = 4 (s[4] = 'B' farklı).

“4A” eklenir; i += 4 → i = 4.

c = 'B', üç tekrar: n = 3; “3B” eklenir, i = 7.

c = 'C': i + n = 9 dizinin sonu, n = 2; “2C” eklenir, i = 9.

i = 9 = s.length(): döngü biter, sonuç döndürülür ve yazdırılır. 9 karakter → 6 karakter.

Sıkıştırma

JPEG Sıkıştırma Boru Hattı

Görüntü RGB'den YCbCr'ye çevrilir: parlaklık ve renk ayrılır.

Renk bileşenleri 4:2:0 ile alt örneklenir: veri, görsel kayıp neredeyse olmadan yarıya iner.

Her bileşen 8 × 8 piksellik bloklara bölünür; bloklar birbirinden bağımsız işlenir (yüksek oranda “bloklanma” bu yüzden görülür).

DCT her bloğu 64 frekans katsayısına dönüştürür. Enerji sol üstteki düşük frekanslarda toplanır. Bu adım tersinirdir.

Niceleme: her katsayı tablo değerine bölünüp yuvarlanır. Yüksek frekanslar sıfırlanır. JPEG'in tek kayıplı adımı budur; kalite ayarı tabloyu ölçekler.

Zikzak sıra katsayıları düşükten yükseğe dizer, sondaki sıfırlar art arda gelir.

DC katsayısı önceki bloğun DC'sine göre fark (DPCM) olarak, AC katsayıları (sıfır sayısı, değer) çiftleri olarak RLE ile kodlanır; kalan sıfırlar tek EOB simgesidir.

Huffman kodlama sık simgelere kısa kodlar verir. Kod çözme bu adımların tersidir; tipik oran 10:1 – 20:1.

Sonuç: başlıklar, tablolar ve entropi kodlu veri içeren .jpg. Modern ardılları (WebP, AVIF, JPEG XL) aynı dönüşüm-niceleme-entropi fikrini daha gelişmiş araçlarla kullanır.

Sıkıştırma

DCT ve Niceleme: Sayısal Örnek

Bir 8 × 8 parlaklık bloğu (değerler 0–255). DCT'den önce her değerden 128 çıkarılır; değerler −128 … 127 aralığına gelir.

DCT sonucu: sol üst DC katsayısı (−415) bloğun ortalama parlaklığıdır; sağa ve aşağı gidildikçe frekans artar, katsayılar küçülür.

Standart parlaklık niceleme tablosu: yüksek frekanslar (sağ alt) büyük bölenlerle cezalandırılır, çünkü göz ince ayrıntıdaki hatayı zor fark eder.

Nicelenmiş blok: 64 katsayıdan yalnız 20'si sıfırdan farklı; DC = yuvarla(−415,4 / 16) = −26. Bilgi kaybı tam bu adımda oluşur.

Sıkıştırma

Zikzak, RLE ve Huffman

Nicelenmiş katsayılar zikzak sırayla okunur: düşük frekanslar önce, yüksek frekanslar (çoğu sıfır) sonra.

DC farkla kodlanır. AC katsayıları (önceki sıfır sayısı, değer) çiftlerine dönüşür; son sıfırdan farklı katsayıdan sonrası tek bir EOB simgesidir.

Simgeler Huffman ile kodlanır. Standart tablolarla örnek blok 512 bitten (64 × 8) ≈ 93 bite iner (DC 8 + AC 85 bit); oran ≈ 5,5:1 yalnız bu blokta, düz alanlarda çok daha yüksektir.

Sıkıştırma

MPEG: I, P ve B Kareleri

I (iç kodlu): kendi başına, JPEG benzeri. P (öngörülü): önceki I/P referansına göre hareket dengelemeli fark. B (çift yönlü): önceki ve sonraki referansa göre.

B kareleri gelecekteki referansa ihtiyaç duyduğundan kodlayıcı sırayı değiştirir: I1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 … Kod çözücü en az bir referans kareyi tamponda tutar; bu gecikme ekler.

I kareleri en büyüktür; P ve özellikle B kareleri çok daha küçüktür. GOP (I'den I'ye) akışta genelde 2 s'dir; atlama ve bölüt sınırları I karelerinde yapılır.

Sıkıştırma

Hareket Dengeleme

Ardışık karelerde sahnenin çoğu aynıdır (ağaç); yalnız top sağa kayar. Kareleri bağımsız kodlamak bu zamansal artıklığı boşa harcar.

Hareket dengeleme: kodlayıcı n karesindeki her blok için n − 1'de en iyi eşleşen bloğu arar; hareket vektörünü ve farkı (artık) DCT ile kodlar. Değişmeyen bloklar yalnız “atla” bayrağıyla geçer.

MPEG-2 16 × 16 makro blok ve yarım piksel doğruluk kullanır; H.264 4 × 4 – 16 × 16 bölmeli ve çeyrek piksel, HEVC 64 × 64'e, AV1 128 × 128'e kadar esnek bloklar ve çok sayıda referans kare kullanır.

Sıkıştırma

MPEG Standartları ve Modern Kodekler

Kodek	Yıl	Tipik kullanım	1080p için kabaca
MPEG-1	1993	Video CD; MP3 bu standardın ses katmanıdır	—
MPEG-2 (H.262)	1995	DVD, DVB yayın; geçmeli video desteği	≈ 12–15 Mbit/s
MPEG-4 Part 2	1999	DivX/Xvid; bugün eskimiş	≈ 8–10 Mbit/s
H.264 / AVC	2003	en yaygın uyumluluk: web, Blu-ray, görüntülü görüşme	≈ 5–8 Mbit/s
H.265 / HEVC	2013	UHD Blu-ray, 4K HDR yayın ve akış, iPhone kaydı	≈ 3–4 Mbit/s
VP9	2013	YouTube, WebRTC (Google, telifsiz)	≈ 3–4 Mbit/s
AV1	2018	Netflix, YouTube, Twitch; AOMedia, telifsiz	≈ 2,5–3 Mbit/s
H.266 / VVC	2020	8K, yayın; donanım desteği henüz sınırlı	≈ 2 Mbit/s

Düzeltme: “MPEG-3” hiç yayımlanmadı; HDTV için planlanmış, 1992'de MPEG-2'ye katılmıştır (MP3 ≠ MPEG-3). Bit hızları aynı algısal kalite için yaklaşıktır ve içeriğe göre değişir.

Sıkıştırma

Kodek Verimliliği ve Donanım Kod Çözücüler

Her kuşak aynı kalite için bit hızını kabaca %30–50 düşürür; bedeli kodlayıcıda 5–10 kat, kod çözücüde 2–3 kat daha fazla işlemdir.
4K/8K, HDR ve 60–120 fps kod çözme CPU yerine sabit işlevli donanımda yapılır: NVIDIA NVDEC/NVENC, Intel Quick Sync, AMD VCN, Apple VideoToolbox, telefon SoC'leri.
İşletim sistemi arayüzleri: Linux VA-API / V4L2, Windows Media Foundation ve D3D11/12 Video, Android MediaCodec. Kareler GPU belleğinde kalır (dmabuf, sıfır kopya).
Donanım yoksa yazılım kod çözme (ör. AV1 için dav1d) çok çekirdekli CPU'yu ve pili zorlar; oynatıcı desteklenen kodeği seçer.

Süreç Çizelgeleme

Homojen Çoklu Ortam Süreçleri

Varsayım

Video sunucusundaki tüm akışlar aynı kare hızında ve kare başına aynı işlem süresiyle çalışır (ör. hepsi 30 fps).

Çizelge

Basit döngüsel (round-robin): her periyotta her süreç bir kare üretir ve bloklanır; zamanlayıcı kesmesi 33,3 ms'de bir yeni turu başlatır.

Kabul denetimi

Yeni akış ancak N · c ≤ T ise kabul edilir (c: kare başına süre, T: periyot). Aksi hâlde tüm akışlar bozulur.

Gerçekte akışların hızları ve kare maliyetleri farklıdır (I/P/B, farklı çözünürlük); bu yüzden genel gerçek zamanlı çizelgeleme gerekir.

Süreç Çizelgeleme

Genel Gerçek Zamanlı Çizelgeleme

Süreç	Film	Periyot P	CPU / kare C	C / P
A	33,3 fps → 30 ms (örnek)	30 ms	10 ms	0,333
B	25 fps	40 ms	15 ms	0,375
C	20 fps	50 ms	5 ms	0,100
			Toplam U	0,808

Çizelgelenebilirlik için gerekli koşul: U = Σ Cᵢ / Pᵢ ≤ 1. Her karenin, bir sonraki kare gelmeden (periyot sonunda) bitmesi gerekir.

Süreç Çizelgeleme

Hız Monoton Çizelgeleme (RMS)

Statik öncelik: öncelik ∝ 1 / periyot (sık çalışan süreç önceliklidir); kesmeli (preemptive).
Varsayımlar: her süreç periyodu içinde bitmeli; süreçler birbirine bağımlı değil; her işlem patlaması aynı CPU süresini ister; periyodik olmayan işlerin son teslim zamanı yok; kesme ek maliyetsiz.
Liu ve Layland (1973): U ≤ m (2^1/m − 1) ise RMS kesin başarılıdır. Bu yeterli koşuldur, gerekli değildir.
Statik öncelikli süreçler arasında en iyisidir; uygulaması kolay (sabit öncelikli zamanlayıcı, ör. SCHED_FIFO).

m	sınır m(2^1/m − 1)
1	1,000
2	0,828
3	0,780
4	0,757
5	0,743
10	0,718
∞	ln 2 ≈ 0,693

Örneğimizde U = 0,808 > 0,780 (m = 3): sınır bir şey garanti etmez; çizelgeyi çizip bakmak gerekir. Sonraki slayt RMS'nin bu örnekte yine de başardığını gösterir.

Süreç Çizelgeleme

RMS ve EDF Örneği 1 (U = 0,808)

t = 0: üç süreç birden hazır. RMS önceliği periyoda göre A > B > C; EDF teslim zamanlarına (30, 40, 50) bakar: ikisi de A1, B1, C1 sırasını seçer.

t = 30–60: A2 (teslim 60) gelir, A2 çalışır; t = 40'ta B2 hazır olur (teslim 80), t = 50'de C2 (teslim 100). İki çizelge hâlâ aynı.

t = 60–90: A3 çalışır; ardından B3 hazır olmayana kadar (t = 80) işlemci boştur; B3 t = 80'de başlar.

t = 90: A4 hazır. RMS B3'ü keser (A daha öncelikli). EDF B3'ün teslimi (120) A4'ünkinden (120) geç değil; eşitlikte çalışanı sürdürür, A4 bekler.

t = 150'ye kadar iki algoritma da hiçbir teslim zamanını kaçırmaz. U = 0,808 > 0,780 olmasına rağmen RMS başardı: sınır yalnızca yeterli koşuldur.

Süreç Çizelgeleme

En Erken Teslim Zamanı Önce (EDF)

Kural

Dinamik öncelik: hazır işler arasında son teslim zamanı en yakın olan çalışır. Yeni iş geldiğinde öncelikler yeniden değerlendirilir; kesmelidir.

Optimallik

Tek işlemcide, bağımsız ve kesilebilir işler için U ≤ 1 ise EDF her zaman başarılıdır: %100 kullanım mümkündür (RMS'de ≈ %69–78).

Bedel

Her olayda sıralama gerekir (öncelik kuyruğu, O(log n)). Aşırı yükte (U > 1) hangi işin kaçıracağı öngörülemez; “domino etkisi”.

Bugün

Linux SCHED_DEADLINE (EDF + sabit bant sunucusu, çalışma/periyot ile kabul denetimi); ses için JACK/PipeWire SCHED_FIFO; Windows MMCSS; RTOS'larda RMS yaygın.

Eski sunumdaki “EDF, süreçlerin birbirine karışmadığını varsayar” ifadesi RMS için de geçerlidir: iki analiz de bağımsız, kaynak paylaşmayan işler varsayar; paylaşımda öncelik tavanı/kalıtımı gerekir.

Süreç Çizelgeleme

RMS Başarısız, EDF Başarılı (U = 0,975)

A'nın kare başına süresi 15 ms'ye çıktı: U = 0,5 + 0,375 + 0,1 = 0,975. t = 0–30 aralığında iki çizelge aynı: A1, B1.

t = 30: RMS A2'yi C1'e tercih eder (A daha öncelikli). C1 hiç çalışamadan t = 50'de teslim zamanını kaçırır. EDF ise C1'i (teslim 50) A2'den (teslim 60) önce çalıştırır.

t = 50–100: EDF teslim zamanlarına göre B2 (80), A3 (90), C2 (100), B3 (120) sırasıyla devam eder; hiçbir iş geç kalmaz.

t = 150'ye kadar EDF hiçbir teslim zamanını kaçırmaz (U ≤ 1). RMS ise ilk 50 ms içinde başarısız oldu: statik öncelik bu yükü taşıyamaz.

Dosya Sistemleri

Çoklu Ortam Dosya Sistemi Paradigmaları

Klasik video sunucuları (ve RTP/çoklu yayın) itme modelini kullanır. İlginç biçimde günümüzün HLS/DASH akışı çekme modelidir: oynatıcı bölütleri sıradan HTTP GET ile ister; durum ve hız kararı istemcidedir, sunucu durumsuz ve önbelleklenebilir kalır.

Dosya Sistemleri

VCR Kontrol İşlevleri

Duraklat

İtme sunucusunda sunucu akışı durdurmalı ve nerede kaldığını hatırlamalıdır; ayrılan disk ve ağ kaynakları boşta kalır, kabul denetimi bunu hesaba katmalı.

Geri sar / ileri sar

Ham olarak 4× hızda okumak 4× bant genişliği ister. P/B kareleri atlamak mümkün değildir (referanslara bağlılar); çözüm yalnız I kareleri göstermek ya da ayrı bir hızlı sarma sürümü tutmaktır.

Atlama (seek)

Rasgele konuma gitmek en yakın I kareye (GOP başına) inmeyi gerektirir; dosya bu yüzden kare/blok indeksi tutar.

Bugünkü çözüm

HLS/DASH'te sarma, istemcinin başka bölütü istemesidir. Önizleme için yalnız I karelik oynatma listeleri (EXT-X-I-FRAMES-ONLY) ve küçük resim (thumbnail) dosyaları kullanılır.

Dosya Sistemleri

Yakın İsteğe Bağlı Video (NVOD)

Kademeli başlangıç

Film sabit aralıkla (Δ = 5 dk) yeniden başlatılır. 30 fps'de 5 dk = 9.000 kare: her akış bir öncekinin 9.000 kare gerisindedir.

Akış ve bant genişliği

120 dk'lık film → 120 / 5 = 24 akış, çoklu yayınla (multicast) sınırsız izleyiciye: 24 × 8 Mbit/s = 192 Mbit/s. Gerçek VOD'da 1.000 izleyici = 8 Gbit/s.

Bekleme

Ortalama Δ / 2 = 2,5 dk, en kötü 5 dk. Kablo TV'deki “her çeyrek saatte başlayan film” bu modeldi.

Dosya Sistemleri

NVOD ile VCR İşlevleri

(a) İzleyici 15. dakikada. İstemci 5 dk geriyi ve 5 dk ileriyi tamponda tutar (10–20); ileri kısmı, 5 dk önce başlamış akışı kaydederek doldurur. İki akışı birden alır.

(b) 12. dakikaya geri sarma: tampon içinde, anında. Sunucunun haberi bile olmaz.

(d) 22. dakikaya ileri sarma: yine tampon içinde, anında. Ancak ileri pay 1 dk'ya düştü; istemci daha önde bir akışı kaydetmeye başlar.

(e) 40. dakikaya atlama tamponun dışında: istemci o an 38. dakikada olan akışa geçer (2 dk sapma). NVOD'da VCR işlevleri bu yüzden yaklaşıktır.

Dosya Sistemleri

Dosyayı Tek Diske Yerleştirme

Avantaj

Bir kare için tek arama (seek): video, ses ve metin birlikte okunur; sıralı akış en verimli disk erişimidir.

Dezavantaj

Dosya büyür ve birleştirmesi zordur; kullanılmayan izler okunur; değişken boyutlu kareler (I > P > B) yer ayırmayı karmaşıklaştırır.

Bugünkü MP4/MKV kapsayıcıları da izleri parçalar hâlinde iç içe (interleaved) saklar; uyarlanabilir akışta ise her iz ve kalite ayrı bölüt dosyalarıdır.

Dosya Sistemleri

Küçük ve Büyük Disk Blokları

Küçük bloklar + kare indeksi: kare art arda küçük bloklara yazılır, her kare için bir indeks girdisi. Disk israfı az, ama indeks büyük: 2 saatlik film, 30 fps, 8 B/girdi → 216.000 girdi = 1,73 MB RAM.

Büyük bloklar + blok indeksi: bir blokta birçok kare. İndeks küçük: 1 MB blok ve 8 Mbit/s ile 7.200 blok × 8 B = 57,6 KB. Kare bloklara bölünmezse israf, bölünürse ek arama.

Strateji	Bellek (indeks)	Disk israfı	Arama
Kare indeksi, küçük blok	yüksek (1,73 MB/film)	az	kare başına ≥ 1
Blok indeksi, kareler bölünmez	düşük (57,6 KB/film)	blok sonunda ≈ ½ kare	blok başına 1
Blok indeksi, kareler bölünür	düşük	yok	bölünen karede ek arama

Dosya Sistemleri

Zipf Yasası: Film Popülerliği

k. sıradaki film P(k) = C / k olasılıkla seçilir; C = 1 / H_N. N = 20 için H₂₀ = 3,598, C = 0,278: ilk film isteklerin %27,8'i, ilk 5 film %63,5'i. Gerçek video kataloglarında üs genelde 0,6–1 arasında ölçülür.

Dosya Sistemleri

Organ Borusu Yerleşimi

Fikir

Kafa çoğu zaman popüler filmlerin üzerinde olacağından onları ortaya koymak ortalama arama mesafesini en aza indirir (Grossman ve Silverman). Histogram org borularına benzer.

Bugün

SSD'de arama yoktur, yerleşim önemsizleşir; ama aynı fikir katmanlara taşınır: popüler içerik RAM'de ve kenar SSD'lerinde, uzun kuyruk ucuz HDD/nesne deposunda.

Dosya Sistemleri

Birden Çok Dosyayı Çoklu Diske Yerleştirme

(a) Her film tek diskte: basit, ama popüler film A'nın diski darboğaz olur, diğerleri boşta bekler.

(b) Her filmin k. bloğu k. diske: yük dağılır. Ancak tüm filmler disk 1'den başladığından film başlangıçlarında disk 1 yığılır.

(d) Rasgele: bloklar rasgele disklere; uzun vadede yük dengeli, yerleşim tablosu gerekir. Bugünkü dağıtık depolar (Ceph, nesne depoları) karma tabanlı rasgele yerleşim kullanır.

Dosya Sistemleri

Blok Önbellekleme ve Akış Birleştirme

(a) İki kullanıcı aynı filmi 10 s arayla başlattı. Sunucu birinci kullanıcı için okuduğu blokları 10 s tutarsa, ikinci kullanıcı aynı blokları önbellekten alır.

(b) Önbellek yoksa akışları birleştirme: önde olan biraz yavaşlatılır, arkadaki biraz hızlandırılır (fark edilmez). 300 karelik fark 150 s'de kapanır; sonra tek akış iki kullanıcıya gider.

Dosya önbellekleme: popüler filmler bütün olarak hızlı katmanda (eskiden teyp → disk, bugün HDD → SSD/RAM ve CDN kenarı) tutulur; az izlenenler yavaş katmandan istendiğinde getirilir.

Disk Çizelgeleme

Statik Disk Çizelgeleme

Neden büyük blok? HDD'de ortalama arama + dönme ≈ 8 ms, aktarım 200 MB/s. Kare başına (33 KB) okuma ≈ 8,2 ms → 33,3 ms'lik turda yalnız 4 akış. Turda 1 MB (1 s) okunursa istek ≈ 13 ms → saniyede ≈ 76 akış. SCAN sıralaması arama süresini daha da kısaltır. NVMe SSD'de arama yoktur; tur fikri IOPS ve kuyruk derinliği planlamasına dönüşür.

Disk Çizelgeleme

Dinamik Disk Çizelgeleme: SCAN-EDF

Kafa 50. silindirde, yukarı yönde. Sekiz istek, dört farklı son teslim zamanında (5, 20, 40, 60 ms). Salt SCAN teslim zamanlarını kaçırabilir; salt EDF kafayı zikzak çizdirir.

Önce teslimi en yakın grup: yalnız A (silindir 30). Kafa 50 → 30 iner; yön artık aşağı.

Teslim 20 ms grubu {B 70, C 20, D 95}: grup içinde SCAN, mevcut yönde (aşağı) önce C, sonra yukarı B, D: C(20) → B(70) → D(95).

Teslim 40 ms grubu: kafa 95'te, yukarıda istek yok; aşağı doğru G(85) → E(60) → F(10).

Son olarak H (40). Toplam hareket 220 silindir; aynı istekler salt EDF ile (grup içinde geliş sırası) 390 silindir. Gerçek sistemler “yakın” teslim zamanlarını da aynı gruba alarak daha fazla toplu tarama yapar.

Modern Akış

Modern Akış Mimarisi: HLS, DASH ve CDN

HLS (Apple) ve MPEG-DASH aynı CMAF bölütlerini paylaşabilir. Gecikme: klasik HLS/DASH 10–30 s, düşük gecikmeli LL-HLS/LL-DASH 2–5 s, etkileşimli WebRTC < 0,5 s. Video bugün internet trafiğinin yaklaşık üçte ikisini oluşturur.

Modern Akış

Uyarlanabilir Bit Hızı (ABR) Merdiveni

Başlangıç: ağ hızı bilinmiyor, oynatıcı güvenli seçer (480p). İlk ölçüm 25 Mbit/s → kural: ölçülen hızın %80'ine sığan en yüksek basamak → 2160p (16 Mbit/s).

Ağ hızı 9, sonra 3,5 Mbit/s'ye düşer. Kural bir önceki ölçüme baktığı için 2160p bölütü 7,1 s sürer: tampon boşalır, 0,6 s takılma; ardından 1080p de yetişmez (1,7 s).

Oynatıcı 720p ve 480p'ye iner; indirme süresi bölüt süresinin altına düşünce tampon yeniden dolar ve kalite 720p, 1080p'ye çıkar.

Hız toparlanınca kalite kademeli olarak 1440p ve 2160p'ye çıkar, tampon ≈ 17 s. Gerçek oynatıcılar (BOLA, hibrit kurallar) tampon düzeyine de bakarak bu takılmaları önler.

Modern Akış

CDN Önbelleği ve Zipf

Katalogun en popüler %1'i (100 başlık) isteklerin %53'ünü, %10'u %76,5'ini karşılar (Zipf, üs 1, H₁₀₀ / H_10.000).
Üs 0,8 ise kuyruk daha kalındır: %1 → %30, %10 → %57. Bu yüzden kenar önbellekleri büyük SSD'ler kullanır.
Katmanlar: oynatıcı tamponu → ISS içindeki kenar sunucu (ör. Netflix Open Connect) → bölgesel önbellek → köken. Gece boş saatte popüler içerik önceden doldurulur.
Değiştirme: LRU basit ama tek seferlik isteklerle kirlenir; LFU/ARC türevleri ve “ikinci istekte önbelleğe al” kuralları tercih edilir.

Özet

Özellikler

Sürekli ortam: yüksek veri hızı, gerçek zaman, titreşim, QoS ve eşzamanlama. Sıkıştırmasız 4K60 HDR 7,46 Gbit/s, akışı 16 Mbit/s.

Kodlama

Örnekleme (Nyquist), niceleme, psikoakustik maskeleme; YCbCr, 4:2:0, DCT + niceleme + entropi kodlama; I/P/B kareler ve hareket dengeleme.

Kodekler

MPEG-2 → H.264 → HEVC/VP9 → AV1/VVC: her kuşak ≈ %30–50 tasarruf; çözme donanımda. Ses: AAC, Opus, FLAC.

Süreç çizelgeleme

Homojen akışlarda döngü; genelde RMS (statik, U ≤ m(2^1/m − 1) yeterli) ve EDF (dinamik, U ≤ 1 yeterli ve gerekli).

Dosya sistemi

İtme/çekme, NVOD ve VCR, iç içe yerleşim, blok boyutu ve indeks, Zipf + organ borusu, şeritleme, blok ve dosya önbelleği.

Disk ve akış

Statik turlar + SCAN, SCAN-EDF; bugün HLS/DASH bölütleri, CDN katmanları ve uyarlanabilir bit hızı merdiveni.

Özet

Kontrol Soruları

48 kHz, 24 bit, 6 kanallı (5.1) PCM sesin veri hızı nedir?
1280 × 720, 60 fps, 8 bit 4:2:0 sıkıştırmasız videonun veri hızı nedir?
12 kHz bileşen içeren bir sinyal 16 kHz ile örneklenirse ne olur?
JPEG'de hangi adımlar kayıplı, hangileri tersinirdir?
Görüntüleme sırası I1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 olan karelerin kod çözme sırası nedir? Neden?
(P, C) = (20, 5), (50, 10), (100, 30) ms görevleri RMS ile kesin çizelgelenebilir mi?
90 dk'lık film her 10 dk'da bir başlatılırsa NVOD kaç akış ister, ortalama bekleme nedir?
Zipf (N = 20) ile ilk 3 filmin istek payı nedir? Organ borusunda nereye konurlar?
Kare indeksi ile blok indeksi arasındaki bellek–disk israfı ödünleşimi nedir?
Ölçülen hız 6 Mbit/s, kural “hızın %80'ine sığan en yüksek basamak”: slayttaki merdivenden hangisi seçilir?

Cevaplar

48.000 × 24 × 6 = 6.912.000 bit/s ≈ 6,9 Mbit/s.
1280 × 720 × 12 × 60 = 663.552.000 bit/s ≈ 664 Mbit/s.
Nyquist sınırı 8 kHz; 12 kHz bileşen 16 − 12 = 4 kHz olarak örtüşür. Önce alçak geçiren süzgeç gerekir.
Renk alt örnekleme ve niceleme kayıplıdır; renk dönüşümü (yuvarlama dışında), DCT, zikzak, RLE ve Huffman tersinirdir.
I1 P4 B2 B3 P7 B5 B6: B kareleri sonraki referansa (P4, P7) ihtiyaç duyar.
U = 0,25 + 0,2 + 0,3 = 0,75 ≤ 0,780 (m = 3): evet, Liu–Layland sınırı garanti eder; EDF de başarır.
90 / 10 = 9 akış; ortalama bekleme 5 dk, en kötü 10 dk.
(1 + 1/2 + 1/3) / 3,598 ≈ %51. En popüler ortadaki silindirlere, 2. ve 3. onun iki yanına.
Kare indeksi büyük RAM ister (2 saatte 1,73 MB) ama israf azdır; blok indeksi küçüktür (57,6 KB) ama kareler bölünmezse blok sonunda boşluk kalır, bölünürse ek arama gerekir.
0,8 × 6 = 4,8 Mbit/s → 720p (2,8 Mbit/s); 1080p (5 Mbit/s) sığmaz.

Özet

Kaynaklar

A. S. Tanenbaum, Modern Operating Systems, 3. baskı, Pearson, 2008 — Bölüm 7: Multimedia Operating Systems (bu sunumun temel kaynağı).
A. Silberschatz, P. B. Galvin, G. Gagne, Operating System Concepts, 8. baskı, Wiley, 2009 — Bölüm 20: Multimedia Systems (9. baskıda, 2012, bu bölüm çıkarılmış; gerçek zamanlı çizelgeleme Bölüm 6.6’dadır).
C. L. Liu, J. W. Layland, “Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment”, JACM, 1973; A. L. N. Reddy, J. Wyllie, “Disk Scheduling in a Multimedia I/O System” (SCAN-EDF), ACM Multimedia, 1993.
ITU-T T.81 (JPEG); ITU-T H.264, H.265, H.266; AOMedia AV1 Bitstream Specification; IETF RFC 6716 (Opus); ISO/IEC 23000-19 (CMAF).
IETF RFC 8216 ve draft-pantos-hls-rfc8216bis (HLS, LL-HLS); ISO/IEC 23009-1 (MPEG-DASH); ITU-R BT.601, BT.709, BT.2020, BT.2100 (HDR, PQ/HLG).
Linux çekirdek belgeleri: “Deadline Task Scheduling” (SCHED_DEADLINE), VA-API ve V4L2 kodek arayüzleri.

Son

Bölüm 14: Çoklu Ortam Sistemleri

Sonraki bölüm: İşletim Sistemi Tasarımı