数字硬盘录像机存储技术的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.29MB 55 页 15积分
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摘要
近年来，随着数字技术、多媒体技术的迅猛发展，数字化视频系统以其性能
稳定、数据检索方便、便于网络传输、成本低廉等优点逐渐取代了模拟技术的视
频监控系统，成为现代化管理、检测、控制的重要手段之一，并在金融机构、居
民住宅、工业场所、道路交通监控等安防领域得到越来越广泛的应用。数字硬盘
录像机(DVR)就是数字化视频监控系统的产品之一。而在 DVR 的许多功能中，存
储模块是其最为重要的一部分，它在很大程度上影响了用户读取所需数据文件的
正确性、效率及实际检测过程中所需附加功能(如快进、快退等)的实现。
本课题研究了基于嵌入式 Linux 操作系统和 ARM9 处理器的嵌入式数字录像
机存储模块的设计。实现对 IDE 硬盘接口的硬件设计及 IDE 控制模块底层驱动程
序的设计、移植以及测试。同时，通过对 dosFs 文件系统的深入研究和分析，设计
出了特殊的存储机制，即对簇链表进行连续分配，实现连续存储，并完善对索引
文件的管理，从而提高硬盘数据的读写效率，加强数字硬盘录像机存储设备的功
能。
经过测试，数字硬盘录像机的工作状态符合有关数字硬盘录像机通用技术要
求中的相关标准。同时，通过对文件分配表(FAT)的观察，也符合项目所要求的结
果。
关键词：Linux IDE 硬盘 存储机制 文件分配表(FAT)
ABSTRACT
Recently，digital and multimedia technology has been developed rapidly. Digital
video system has stable performance ，advantageous index ，advanced network
transmission and low cost. It is one of the most important methods of management. It
has been applied widely in the financial institutions，habitual residence，factory，traffic
monitoring ，etc. Digital video recorder (DVR) is the product of the digital video
surveillance system. Storage module is the most important part of digital video recorder.
It affects the accuracy and efficiency of file data reading and other additional features
(such as fast forward，fast backward，etc.).
This paper introduces the storage of digital video recorder design base on Linux
which is applied on ARM9 processor. We realize the driver of the IDE controller
hardware and software design. Through comprehensive and deep research about dosFs
file system，we developed new storage methodology for improved efficiency of saving
and reading the file data. It enhanced digital video recorder storage devices function.
Through test，Digital video recorder is convinced that this solution satisfies the
actual requirements nicely. At the same time，the file allocation table we observed also
satisfies the requirement.
Key Words：Linux，IDE disk，storage methodology，file allocation
table(FAT)
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 引言...................................................................................................................1
§1.2 数字硬盘录像机的发展现状...........................................................................2
§1.3 嵌入式系统发展现状.......................................................................................3
§1.4 嵌入式系统软件的特征...................................................................................4
§1.5 本文的主要内容...............................................................................................5
第二章 数字硬盘录像机系统的总体设计.....................................................................7
§2.1 系统整体框架结构设计...................................................................................7
§2.2 系统软件设计的主要特点...............................................................................8
§2.2.1 采用消息机制.........................................................................................8
§2.2.2 应用程序运行安全保证.........................................................................9
§2.2.3 应用软件启动流程.................................................................................9
§2.3 系统的主要功能模块.....................................................................................10
§2.3.1 XBUS 模块 ...........................................................................................10
§2.3.2 视频采集模块.......................................................................................11
§2.3.3 视频编码模块.......................................................................................14
§2.3.4 视频存储模块.......................................................................................14
第三章 IDE 硬盘控制器驱动的设计............................................................................19
§3.1 IDE 控制、接口硬件原理与设计............................................................... 19
§3.1.1 IDE 简介............................................................................................. 19
§3.1.2 IDE 控制器......................................................................................... 20
§3.1.3 IDE 硬盘接口硬件设计..................................................................... 20
§3.2 IDE 接口驱动程序的设计........................................................................... 23
§3.2.1 IDE 接口驱动程序的框架................................................................. 23
§3.2.2 IDE 接口驱动程序的移植................................................................. 24
§3.2.3 IDE 接口驱动程序的测试................................................................. 26
第四章 存储机制的基础...............................................................................................27
§4.1 硬盘数据的存储原理...................................................................................27
§4.2 FAT32 文件系统...........................................................................................28
§4.2.1 FAT32 的主要结构功能.....................................................................29
§4.2.2 FAT32 存储原理.................................................................................30
§4.3 检测工具 Acronis Disk Director Suite 简介 ................................................31
第五章 数字硬盘录像机存储模块设计.......................................................................33
§5.1 几个关键实验.................................................................................................33
§5.1.1 建立空文件...........................................................................................33
§5.1.2 写入文件...............................................................................................35
§5.2 特殊存储机制的软件实现.............................................................................35
§5.2.1 文件系统建立.......................................................................................35
§5.2.2 预分配存储空间，连续文件存储.......................................................36
§5.2.3 采用帧与文件索引方式.......................................................................36
§5.3 存储模块软件中相关功能的设计.................................................................39
§5.3.1 初始化设置...........................................................................................39
§5.3.2 数据存储...............................................................................................42
§5.3.3 数据检索...............................................................................................43
§5.3.4 数据读取...............................................................................................43
§5.3.5 存储的挂载与卸载...............................................................................43
第六章 实验与结论.......................................................................................................45
§6.1 课题现状与结论.............................................................................................45
§6.2 总结与展望.....................................................................................................50
参考文献.........................................................................................................................51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................55
一、发表论文..........................................................................................................55
二、科研项目..........................................................................................................55
致 谢...............................................................................................................................57
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
随着现代科学技术的日新月异，数字计算机技术、多媒体技术及网络传输技
术都有了飞速的发展。基于计算机的数字技术已经应用于各个领域，从航空航天、
国防科技，到工厂医院、商场超市，再到和日常生活息息相关的每个细节。在数
字技术应用如此广泛的领域中，数字化视频监控存储系统以其快速的发展成为先
进数字技术发展的一项极具代表性的技术。数字化视频监控系统以其性能稳定、
便于应用于网络、网络检索方便、成本低廉等优点逐渐取代了传统的模拟存储监
控技术，并已经广泛应用到金融机构、居民住宅、公共设施、无人看守的公共场
所及公共交通设施等领域。
数字硬盘录像机便是数字视频监控存储技术系列产品之一。通常所用的数字
硬盘录像机具有多路监控、录像存储、报警检测、网络传输和控制等功能。目前
在市场上，主流的数字硬盘录像机主要分为两类：一类是基于 PC 架构以及视频压
缩/解压缩板卡实现的，另一种则是以嵌入式处理器及平台为核心的嵌入式数字硬
盘录像机。相比前者，嵌入式数字硬盘录像机具有低功耗、高稳定性、可靠性及
低成本等优点，从而在市场上具有较强的竞争力，逐渐在市场上占据主导地位。
在音视频编解码实现方面，数字硬盘录像机主流的编解码方案有 ASIC 和DSP
两大类。ASIC 编解码采用硬件对音视频数据压缩/解压缩，而 DSP 则运行软件对
音视频数据压缩/解压缩。前者软件工作量小但不够灵活，后者软件工作量大但更
灵活易升级，方便更新编解码算法。
本课题研究设计了一种嵌入式数字硬盘录像机存储技术的解决方案。该技术
基于嵌入式 ARM 处理器的硬件平台，具有低成本、低功耗、高稳定性等特点。本
系统采用嵌入式 Linux 操作系统，针对 DSP 优化过的视频流进行存储。系统主要
采取无缝存储的理念，对于所要存储的文件进行强制的连续存储，减少或尽量避
免硬盘碎片的出现，这样大大提高了存储、检索及读取数据的效率，在减少存储
空间浪费的同时有效的提高了系统的响应速度，具有良好的工程前景。
数字硬盘录像机存储技术的研究
2
§1.2 数字硬盘录像机的发展现状
数字硬盘录像机的提出是因为传统模拟存储设备已经无法满足日益发展的应
用需求。随着计算机技术的发展、计算机平台价格的下调、宽带互联网的普及以
及数字视频编解码算法相关技术和软件的成熟，使得数字硬盘录像机呼之欲出，
逐渐走向实用化。
数字硬盘录像机的发展经历了两个阶段，即基于 PC 的硬盘录像机和嵌入式硬
盘录像机。
90 年代中后期，计算机网络得到普及并开始迅猛发展，多媒体技术也日新月
异，尤其是数字视频的压缩编码技术得到了一定的发展，使得数字视频的传输和
存储有了得以实现的可能。同时 PC 机的普及化也对基于 PC 的数字硬盘录像机创
造了良好的条件。基于 PC 的监控系统是将摄像头采集的模拟视频信号转化为数字
信号，利用压缩卡将视频信号进行压缩，然后进行本地存储，通过互联网可以传
输给远程终端 PC，终端 PC 通过解压缩最终实现视频的接收。基于 PC 的数字硬盘
录像机具有性能高、开发周期短等特点，但是，对于这种监控系统也存在很多缺
点：
(1) 体积大、功耗高。对于 PC 所进行的视频信号压缩需要采用专门的压缩卡，
这就导致整体所有体积较大，功耗较高；
(2) 稳定性差。包括 PC 机、通用操作系统及应用软件都存在稳定性差的特点；
(3) 成本高。对于 PC 机所采用的压缩卡及终端 PC 所采用的解压缩卡，都具
有兼容性差的特点，这就要求投入的成本和维护的成本较高。
图1-1 基于 PC 的数字硬盘录像机工作原理框图
针对基于 PC 数字硬盘录像机的一些不足之处，随着嵌入式处理器的性能提高
及嵌入式操作系统的逐渐成熟，嵌入式数字硬盘录像机应运而生。嵌入式数字硬
盘录像机是采用专用的嵌入式平台，扩展相应的外围硬件，配合相应的嵌入式操
作系统，通过专用编码芯片或 DSP 处理器对视频信号进行处理、存储及传输，并
通过专业解码芯片或 DSP 处理器进行解码回放。
摄像头
模 数
压缩卡
本地存储
Internet
终端 PC
解压
视频接收
摘要：

摘要近年来，随着数字技术、多媒体技术的迅猛发展，数字化视频系统以其性能稳定、数据检索方便、便于网络传输、成本低廉等优点逐渐取代了模拟技术的视频监控系统，成为现代化管理、检测、控制的重要手段之一，并在金融机构、居民住宅、工业场所、道路交通监控等安防领域得到越来越广泛的应用。数字硬盘录像机(DVR)就是数字化视频监控系统的产品之一。而在DVR的许多功能中，存储模块是其最为重要的一部分，它在很大程度上影响了用户读取所需数据文件的正确性、效率及实际检测过程中所需附加功能(如快进、快退等)的实现。本课题研究了基于嵌入式Linux操作系统和ARM9处理器的嵌入式数字录像机存储模块的设计。实现对IDE硬盘接...

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