（通信与信息系统专业论文）传输流实时录制仪的设计.pdf

中文摘要 数字高清晰度电视( h d t v ) 以其潜在的广阔市场和巨大的经济效益，已经成 为国际高科技领域研究开发的热点之一，而我国在该领域的研究也已经开展多 年。目前如何将研究成果产业化，开发出更多h d t v 相关产品，形成完整的产品 系列，开拓国际国内市场，是各电视机厂商广泛关注的问题。为此我们将研究工 作的重点放在了h d t v 产品的检测仪器的研究和开发上。 本文的目的是设计一种便携的符合d v b 接口标准的m p e g 一2 传输流实时录制 仪器，提供l d p e g 传输流的高容量存储、高数据率记录和存储，可以创建、保存 大容量的本地测试码流库。传输流输入接口采用同步并行接口s p i 和异步串行接 口a s i ，控制芯片选用s i lic o nl a b o r a t o r ie s 的高性能8 位m c u 。码流数据采用 f a t 3 2 文件系统存储，方便地对采集的码流进行回放还原播出，进行分析。论文 详细分析了各个功能模块的具体设计方法以及实现时应注意的问题。 关键词：传输流a t a 硬盘文件系统 a bs t r a c t d u et ot h eg r e a tm a r k e t - p o t e n t i a la n dp r o s p e c t i v ep r o f i t s ，h d t va l r e a d yb e c o m e o n eo ft h em o s ta c t i v ef i e l d so ft h ei n t e r n a t i o n a lh i g h - t e c ha n dh a v eb e e ns t u d i e df o r m a n yy e a r st o oi no u rc o u n t r y a tt h ep r e s e n tt i m eh o wt oc o n v e r tt h er e s e a r c hr e s u l t s i n t o p r o d u c t s a n d d e v e l o p m o r eh d t v - r e l a t i v e p r o d u c t s t of o r maw h o l e p r o d u c t - c h a i na n dh o wt oc u l t i v a t et h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e ta r et h ep r o b l e m sw h i c h c o n c e me v e r yt vm a n u f a c t u r e r s s ow ep u to u rf o c u so nr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h ei n s t r u m e n t su s e dt ot e s tt h eli d t v t h i sp a p e ra i m sa tt h ed e s i g no fap o r t a b l em p e g - 2r e c o r d i n gi n s t r u m e n ta c c o r d w i t ht h ed v bs t a n d a r d s i tc a np r o v i d et h eh i g hs t o r a g ec a p a c i t ya n dh i g hb i tr a t e r e c o r df o rt h em p e g t r a n s p o r ts t r e a ma n di t a l s oc a nc r e a t ea n ds t o r eh i g hc a p a c i t y l o c a lt e s t - d a t a f l o wl i b r a r i e s t h et r a n s p o r ts t r e a mi n p u t - i n t e r f a c ea d o p t ss p ia n da s i a n dw ea d o p tt h eh i g hp e r f o r m a n c e8 b i t m c up r o d u c e db ys i l i c o nl a b o r a t o r i e sa s t h em i c r o - c o n t r o l l e r t h ed e s i g np r o c e d u r ea n dm e t h o do fe v e r ym o d u l ea n dt h e p r o b l e m sp e r h a p se n c o u n t e r e di nr e a l i z a t i o na r eb o t ha n a l y s e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：t r a n s p o r ts t r e a m ，a t ah a r dd i s k ，f a t 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位沦文作者签名：俐钰 签字日期：砸年五月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名坳i 红 l 导师签名 彳掰 签字目期：弦西年2 月店e l 签字日期：如州，车& 月炒日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 9 3 年欧洲多家公司签署了数字电视广播d v b 备忘录，之后形成了d v b 组织，负责并协调d v b 各项标准的制定。d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ) 标 准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。d v b 选定 i s o i e cm p e g 2 标准作为视频及音频的编码压缩方式，对信源解码进行了统一， 随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流，进行多个传输流复用，最后通过卫星、 有线电视网及地面广播等不同媒介传输方式，将最终的节目流传输给用户。 d v b 技术因可以清除传输过程中产生的重影和“雪花”干扰，所以它大大 提高了电视节目的传输效率、品质和收看效果。d v b 又可以将图像、语音、文 字及各种数据信息综合到一起播出，适用于无线广播、有线广播和卫星电视，是 当前最为实用的一种数字视频广播。 终端用户接收设备包括合适的信号接收机，如数字卫星综合接收解码器、有 线电视数字机项盒等。典型的机顶盒包括一个用于控制的微处理器、存储器、网 络接口，用于接收传输的调谐器、解调器、传输流勰复用器，以及m p e g 音频 和视频解码器。 本文的目的是设计一种符合便携的d v b 接口标准的m p e g 一2 传输流实时录制 仪器，轻松采集到符合实际应用环境的码流，提供m p e g 传输流的高容量存储、 高数据率记录和存储，可以创建、保存大容量的本地测试码流库。码流数据采用 f a t 3 2 文件系统存储，方便地对采集的码流进行回放还原播出，进行分析。 1 2m p e g - 2 传输流语法结构 1 2 1 m p e g 2 简介 m p e g 为m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p 的缩写，可译为活动图象专家组。 m p e g - 2 标准是由国际标准化组织i s o 和国际电工委员会i e c 共同制定的。 m p e g - 2 标准是为了满足对诸如素质存储媒体，电视传播以及通信等应用中对运 动图像以及相关音频的编码方法的日益增长的需求而制定的，是针对大范围码率 定义的编码标准。 天津大学硕士学位论文第章绪论 m p e g 2 标准主要包括：i s o ，i e c1 3 8 1 8 - 1 系统、i s o i e c l 3 8 1 8 2 视频和 i s o h e c1 3 8 1 8 - 3 音频等部分内容。其中i s o f l e c1 3 8 1 8 - l 系统部分解决多个视频、 音频和数据基本码流的组合问题。 i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 视频部分按清晰度将图像分为4 个等级，按使用的工具和 方法不同分为5 种处理类型。i s o d e c1 3 8 1 8 - 3 音频部分与m p e g 一1 音频标准反 向兼容，并支持多通道音频编码。m p e g 2 标准克服并解决了m p e g - i 不能满足 日益增长的多媒体技术、数字电视技术对分辨率和传输率等方面的技术要求的缺 陷。 m p e g 2 标准的系统功能是将一个或更多的音频、视频或其它的基本数据流 合成单个或多个数据流，以适应存储和传送。符合m p e o - 2 标准的编码数据流， 可以在一个很宽的恢复和接收条件下进行同步编码。m p e g 一2 标准的压缩编码系 统是将视频和音频编码算法结合起来而开发的。系统编码可有两种方法，其编码 输出包括节目流p s ( p r o g r a ms t r e a m ) 和传输流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 两种定 义流，分别适用于不同的应用。节目码流主要为本地应用设计，数据帧长度不固 定，用在误码较低的场合( 如d v d ) ；传输码流是为广播应用而设计的，由于信道 环境不可预测，传输流由固定的包长构成，有利于在出现错误的情况下能够迅速 同步。 程序流和m p e g 1 系统定义的流相似，它是对完整的视频和音频p e s 包( 打 包的基本信息流：p a c k e t i z e de l e m e m a r ys t r e a m ) 进行复接形成的。由于视频、 音频解码器本身的特性，p e s 包的长度是可变的，因此p s 包的长度也是可变的。 而传输流是一种用来传送和保存程序的编码数据或其它数据的数据流，它是将视 频和音频p e s 包作为固定长度的t s 包的净荷，然后对t s 包进行复接形成的。 传送包长1 8 8 b y t e s 。p s 包和t s 包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码 具有不同的抵抗能力，因而应用的环境也有所不同。t s 流由于采用了固定长度 的包结构，当传输误码破坏了某一t s 包的同步信息时，接收机可在固定的位置 检测它后面包中的同步信息，从而恢复同步，避免了信息丢失。而p s 包由于长 度是变化的，一旦某一p s 包的同步信息丢失，接收机无法确定下一包的同步位 置，就会造成失步，导致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为恶劣，传输误 码较高时，一般采用t s 码流：而在信道环境较好，传输误码较低时，一般采用 p s 码流。 1 2 2 传输流分组层 m p e g 2 传输流是针对非可靠信道的传输定义的。传输流可将多道具有独立 时间基准的节日符合成一个单独的流进行传输。图l 一1 明了传输流的形成过程。 天津大学硕士学位论文第章绪论 m p e g - 2 标准主要包括：i s o s e c1 3 8 1 8 - 1 系统、i s o f l e c l 3 8 1 8 - 2 视频和 i s o i e cl3 8 1 8 - 3 音频等部分内容。其中i s o i e c1 3 8 1 8 - l 系统部分解决多个视额、 音频和数据基本码流的组合问题。 i s o i e c1 3 8 1 8 - 2 视频部分按清晰度将图像分为4 个等级，按使用的工具和 方法不同分为5 种处理类型。i s o ，i e c1 3 8 1 8 - 3 音频部分与m p e g 1 音频标准反 向兼容，并支持多通道音频编码。m p e g 一2 标准克服并解决了m p e g - i 不能满足 日益增长的多媒体技术、数字电视技术对分辨率和传输率等方面的技术要求的缺 陷； m p e g - 2 标准的系统功能是将一个或更多的音频、视频或其它的基本数据流 合成单个或多个数据流，以适应存储和传送。符合m p e g - 2 标准的编码数据流， 可以在一个很宽的恢复和接收条件下进行同步编码。m p e g - 2 标准的压缩编码系 统是将视频和音频编码算法结合起来而开发的。系统编码可有两种方法，其编码 输出包括节目流p s ( p r o g r a ms t r e a m ) 和传输流t s ( t r a n s p o r ts ”e a m ) 两种定 义流，分别适用于不同的应用。节目码流主要为本地应用设计，数据帧长度不固 定，用在误码较低的场合f 如d v d ) ：传输码流是为广播应用而设计的，由于信道 环境不可预测。传输流由同定的包长构成，有利于在出现错误的情况下能够迅速 同步。 程序流和m p e g 1 系统定义的流相似，它是对完整的视频和音频p e s 包( 打 包的基本信息流：p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ) 进行复接形成的。由于视频、 音频解码器本身的特性，p e s 包的长度是可变的，因此p s 包的长腰也是可变的。 而传输流是一种用来传送和保存程序的编码数据或其它数据的数据流，它是将视 频和音频p e s 包作为固定长度的1 s 包的净荷，然后对t s 包进行复接形成的。 传送包长1 8 8 b y t e s 。p s 包和t s 包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码 具有不同的抵抗能力，因而应用的环境也有所不同。t s 流由于采用了固定长度 的包结构，当传输误码破坏了某一 i s 包的同步信息时，接收机可在固定的位置 检测它后面包中的同步信息，从而恢复同步，避免了信息丢失。而p s 包由于长 度是变化的，一旦某一p s 包的同步信息丢失，接收机无法确定下一包的同步位 置，就会造成失步，导致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为恶劣，传输误 码较高时，一般采用t s 码流；而在信道环境较好，传输误码较低时，一般采用 p s 码流。 1 上2 传输流分组层 m p e g 2 传输流是针对非可靠信道的传输定义的。传输流可将多道具有独立 时间基准的节目符合成一个单独的流进行传输。图卜1 明r 传输流的形成过程。 时间基准的节目符合成一个单独的流进行传输。图卜1 明了传输流的形成过程。 天滓大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1 传输流系统框图 由于t s 流具有较强的抵抗传输误码的能力，因此目前在传输媒体中进行传 输的m p e g 一2 码流基本上都采用了t s 码流的包格式。 t s 包是固定长度的，其包长为1 8 8 字节。一个t s 包由4 字节的包头、可变 长字节的自适应字头以及有效数据载荷组成其分组头首部结构见图1 - 2 。 4 e1 8 4 b 首部有效负载首部有效负载首部有效负载 、 佶送错误有效负载起传送优传送排调整字连续计 同步字节 p i d 调整宇段 指示器始指示器先级密控制段控制数嚣 8 b】t1 b1 b1 3 b2 b2 b4 b 图i - 2 传输流分组头首部结构 包头包括同步字节与一些标志信息。这些标志信息都是用于对传输流进行分 析和解码的。例如： 同步字节( s y n c _ b y t e ) ：8 b i t 字段。其值为o x 4 7 h ，s y n c _ b y t e 与象p i d 那样的 按规律产生的字段的值的选择应避免竞争的发牛。 传输错误指示器( t r a n s p o r te r r o ri n d i c a t o r ) ：l b i t 标志位。当该位被置1 时表 明在相关的传输流分组中至少有一个不可纠正的错误。此标志位应由传输层之外 的实体置1 。一旦被置1 后，在错误被纠正之前不能重置为0 。 有效负载起始指示器( p a y l o a du n i ts t a r ti n d i c a t o r ) ：l b i t 标志位。用来指示传 输流分组带有p e s 分组或p s i 数据时的情况。 传送优先级( t r a n s p o r t标志位。当被置为 时表明相关的分组_ p r i o r i t y ) ：l b i t 1 比其它具有相同p 1 d 但此位没有被置为1 的分组具有更高的优先级。传送机制可 根据此衍确定在一个原始数据流中数据的优先级。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 分组标号( p i d ) ：13 b i t 字段。指示存储于分组有效负载中数据类型，p 1 d 值 0 x d 0 0 0 为节目关联袁保留，而o x 0 0 0 1 为条件访问表保留。p i d 值o ) 【0 0 0 0 一 0 x 0 0 0 f 保留o x l f f f 为空分组。 传送加密控制( t r 柚s p o 吐_ s c r a m b l i n 艮c o n 们1 ) ：2 b i t 字段。用来指示传输流分 组有效负载的加密模式。传输流首部包括调整字段，不应被加密。空分组时该字 段的值应置为0 0 。 调整字段控锖t j ( a d a p t a f i o nf i e l dc o n t r 0 1 ) ：2 b i t 字段。用来指示本传输流分组 首部是否跟随有调整字段或有效负载。解码器丢弃该字段为o o 的传输流分组。 空分组此字段为0 1 。 连续计数器( c o n t i n u i t yc o u n t e r ) ：4 h i t 字段。随着每一个具有相同p i d 的传 输流分组而增加，当它达到最大值后又回到0 。如果a d a p t a t i o nf i e l dc o n t r o l 孚段 为0 0 ，0 1 ，则该字段不应增加。 m p e g 2 传输流中包含各科不同的相关信息，其中较为重要的基本要素主望 有以下三个： l 、分组基本流p e s 分组基本流是由压缩后的视频数据、音频数据或其它相关数据经过打包形成 的。每个p e s 分组由分组首部或其它负载组成。p e s 流中除了包含有效数据外 还包含供解码使用的显示时间标签，解码器通过该时间标签来实现音频与视频显 示的同步。 根据p e s 分组中负载内容的不同，p e s 分组可以分为视频分组、音频分组 和包含其它附加数据的分组。p e s 分组足形成节目流和传输流的基础。一个节目 流通常只是简单的将各个不同编码器输出的p e s 分组和一些包含附加信息的 p e s 分组串接起来形成的。一个传输流是将p e s 分组再进行一次打包处理，使 p e s 分组数据作为传输流数据包的负载部分形成的。 2 、节目参考时钟p c r 节目参考时钟主要用来实现解码器与编码器系统工作始终的同步。在实际 中，要建立众多解码器与编码器之间精确的时钟同步是不太可能的，解码器的时 钟可能会慢慢的超前或之后于编码器的时钟，从而导致解码器的缓冲区发生上溢 或下溢。在传输流中加入一个精确的系统级节目时间参考值p c r ，使解码器可 以根据此值来调整本身的时钟，从而避免了缓冲区的溢出。保证了解码器的正常 工作。 节目参考时钟p c r 是以2 7 m h z 为单位的。在传输流中，节目参考时钟应至 少每隔l o o m s 被加入一次。但解码器端检测到本地系统时钟与接收到的p c r 值 不一致时，解码器就通过锁相环对本地系统时钟进行调整，从而保证了解码端与 天津大学硕上学位论文第一章绪论 编码端时钟的同步。 p c r 的值通常放在t s 包的调整字段内。在包含有多个节目的佳输流中，每 个节目都有自己独立的p c r 值。因此，各个不同的节目可以采用不同的比特率， 甚至可以是不同的编码器进行解码。 3 、节目特定信息p s i m p e g 2 传输流是一种包技术，在一个传输流中通常包含了几个相对独立的 节目。为了能从传输流中正确取出一个特定节目的数据，解码系统应该知道传输 流中节目的组成及分配情况等必要信息。为此，m _ p e g 2 标准定义了一个用来描 述传输流所携带内容的节e l 特定信息表( p s i ) ，该表用特定的传输流包来传送。 节目特定信息表包含了组成各节日的基本流的描述和对节目本身的描述。标 准定义了四种不同作用的表结构，即：节目关联表p a t 、节目映射表p m t 、网 络信息表n i t 和条件访问表c a t 。其中，p a t 表和p m t 表示确定当前传输流中 各节目内容的最关键的两个表。各信息表都是通过不同的传输流p s i 号来标识 的。 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 在本设计中，t s 码流的存储媒介是a t a 硬盘，存储格式为f a t 3 2 文件系统。 2 1a t a 标准介绍 a s cx 3 t 1 0 是美国a s c ( a c e r e d i t e ds t a n d a r dc o m m i t t e e ) 协会的技术分协会， 由一些著名的计算机及硬盘制造商组成，如i b m ，s u n ，m a x t o r ，s e a g a t e 等。该协会专门负责硬盘接口标准的制定，1 9 9 4 年首次制定了a t a 。1 标准，到 目前为止已制定了a t a 2 ，a t a 3 ，a t a 一4 ，a t a 5 ，a t a 6 等标准。这些标准己 被收录进a n s i ，作为美国国家标准的一部分。a t a 定义了块存储设各( 硬盘) 的物理、电气、传输、命令协议。 2 1 1a t a 物理接口 a t a 接口采用单一的插头，使用一根4 0 芯的扁平电缆。其接口信号包括： 两根片选信号线c s ( i ：0 ) 、地址线d a ( 2 ：0 ) 、驱动器有效指示信号d a s p 、读写控 制信县s d i o r 、d i o w 、d m a 请求和响应信号d m a q 、d m a c k ，中断请求信 号n 阿t r q ，硬件流控制信号i o r d y 、驱动器复位信号r e s e t 、线缆选择信号 c s e l 。 表2 - 1 硬盘驱动器接口信号列表 信号管脚主机双向设备缩写 c a b l es e l e c t2 8c s e l c h i ps e l e c t0 3 7 c s o c h i ps e l e c t1 3 8c s l 、 d a t a b u s b i t 01 7d d o d a t ab u sb i t11 5d d l d a t a b u s b i t21 3d d 2 d a t ab u s b i t3 l ld d 3 d a t a b u s b i t 49d d 4 d a t ab u s b i t57d d 5 d a t ab u s b i t65d d 6 d a t ab u sb i t73d d 7 天津大学硕士学位论文 第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 d a t ab u s b i t84d d 8 d a t ab u s b i t 96d d 9 d a t a b u sb k1 08d d l o d a t a b u s b i t1 l1 0d d l l d a t a b u s b i t1 2】2d d l 2 d a t a b u s b i t1 31 4d d l 3 d a t a b u s b i t1 41 6d d l 4 d a t a b u s b i t1 51 8d d l 5 d e v i e ea d d r e s sb i t03 5一d a o d e v i e ea d d r e s sb i t13 3一d a l d e v i e ea d d r e s sb i t23 6一d a 2 d m a a c k n o w l e d g e 2 9一d m 【a c k d m a r e q u e s t 2 1 r e s e t g r o u n d 为2 ，1 9 ，2 2 ，2 4 ，2 6 ，3 0 ，4 0 。在缩写符号后加“一”表示低屯平有效， 其他为高电平有效。 a t a 接口的信号定义列于表2 - 1 中，以下是对主要接口信号的说明。 1 ) c s ( i ：0 1 片选 这是从主机发出的芯片选择信号，用来选择命令和控制寄存器组。命令寄存 器用来接受命令和传送数据，控制寄存器用于磁盘控制。当c s 0 有效时，命令 寄存器组的地址对主a 1 a 通道为l f o h 1 f 7 h 对于第二觚a 通道为1 7 0 h 1 7 7 h 。 2 ) d a ( 2 ：0 ) 设各地址 这是主机发出的3 位二进制编码地址，用来存取设备内部的寄存器和数据端 口。 3 ) d d ( 1 5 ：o ) 设备数据线 这是一个在主机和设备之间的8 位或1 6 位双向数据接口，d d ( 7 ：0 ) 用作8 位 寄存器传输。数据传输宽度为1 6 位。 4 ) d i o r - 主机用来读设备寄存器或者数据端口的选通脉冲信号。当这个数 据有效时传输数据。 5 ) d i o w - 主机用来写设备寄存器或者数据端口的选通脉冲信号。但这个信 7 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a r 3 2 文件系统 号有效时传输数据。 6 ) i n t r q 设备中断 这个信号被置中断位的选通设备用来中断主机系统。但n l e n 位被置为0 ， 并且设备选通时，i n t r q 将被一个具有高阻输出的驱动器使能。当n l e n 位被置 为1 或者设备未被选通时，i n t r q 必须被释放。 7 ) i o r d y 当设备没有响应数据传输请求时，i o r d y 被置为无效用来延长任 意的主机寄存器存取的主机传送周期。如果设备要求主机为p i o 模式3 或者更高 的模式延长传送周期，设备必须使用i o r d y 。 8 1r e s e t - 硬件复位 这个硬件复位信号用于由主机来复位设备。 2 1 2a t a 寄存器及传输模式 a 1 队接口是一种任务寄存器结构的接口，主机m o s t ) 通过访问端口寄存器来 读写硬盘。a t a 寄存器可分为两组：控制寄存器组和命令寄存器组。控制寄存器 组用来控制磁盘驱动器和表明其辅助状态，包括驱动器控制寄存器和辅助状态寄 存器；命令寄存器组用于主机向驱动器发送命令、设定参数和查询状态。各寄存 器的寻址由c s ( i ：0 ) ，d a ( 2 ：0 ) 来区分。其地址分配见表2 - 2 。 表2 - 2a t a 寄存器地址分配 地址描述 c s lc s od a 2d a ld a 0读操作写操作 i1xxx数据总线处于高阻态无效地址 命令寄存器组 l 0 oo0数据寄存器数据寄存器 100o1错误信息寄存器特性寄存器 10o1o读扇区的数目写扇区的数目 looll扇区号( c h s 模式)扇区号( c h s 模式) 1o0 11l b a 地址的0 7 位l b a 地址的o 7 位 1o1oo柱面号的低位地址柱面号的低位地址 lo1o0l b a 地址的8 1 5 位l b a 地址的8 1 5 位 10l01柱面号的高位地址柱面号的高位地址 101o1l b a 地址的1 6 2 3 位l b a 地址的1 6 2 3 位 1011o驱动器号磁头号驱动器号磁头号 l01lol b a 地自l 的2 4 2 7 伉l b a 地址的2 4 - 2 7 位 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 i 10111主状态寄存器命令寄存器 i控制寄存器组 1 01ilo辅助状态寄存器控制寄存器 a t a 接口提供了两种数据传输模式：p o 模式和d m a 模式。p i o 模式按照 传输速率可分为p 1 0 0 ，p 1 0 1 ，p 1 0 2 ，p 1 0 3 ，p 1 0 4 。目前硬盘大都支持p 1 0 4 模 式，接口传输速率可达1 6 6 m b s ；d m a 模式包括单字d m a 和多字d m a 模式， 前者每次d m a 请求只传输】个1 6 位的字，目前基本上很少采用；而在多字d m a 模式中只要d m a 请求保持有效，就可连续不断的传输1 6 位的字。其中d m a 2 模式传输速率可达1 6 6 m b s ，u | t r ad m a 3 3 模式速率为3 3 3 m e i s ，此外还有 u l t r ad m a 6 6 ，u l t r a d m a l 0 0 等高速d m a 方式。相对来讲，d m a 方式硬件实 现较为复杂，并且u l t r a 模式还需要主控端作c r c 校验。而p 1 0 4 模式的时序比 较简单，并且就本设计而言，其传输速率已足以满足需要，因此在本设计中采用 p 1 0 4 模式进行。 a t a a t a p i 接口标准规定了p i o 模式下信号的时序要求，如图2 - 1 所示。从 图中可以看出，寄存器地址信号在读i 写锁存信号d i o r - d i o w 下跳沿后要有一 个保持时间t 9 。数据读写时，在读，写锁存信号d i o r - d i o w 下跳沿之前要有数 据建立时间t 5 和t 3 ，在读，写锁存信号d i o r - i ) i o n v 下跳沿之后要有数据保持时 间t 6 和t 4 。根据不同的p i o 模式这些时间的要求也不同，速度越快对时间要求越 严格。表2 3 列出了p i o 模式的时间参数要求。 r e a d d d ( t 5 ：o ) f ” 1 ：+ ，。 。r 一 、厂 1 a 一 l _ 上s k k _ 一 y ) ( ) i 。l i l6 _ i h t 叫 图2 - 1p i o 模式下的时序 删 琵锄= 唧 天津大学硕士学位论文 第= 章a i a 标准及f a t 3 2 文件系统 表2 - 3p i o 传输模式时间参数表 时间参数模式0模式1模式2模式3模式4 ( n s )( n s )( n s )( n s ) ( n s ) t 0周期时间( 最小) 6 0 03 8 3 3 3 01 8 0 1 2 0 t 1地址有效到d i o r - d 1 0 w - 建立 7 05 03 03 02 5 时间( 最小) t 2d i o r d i o w - 脉冲宽度( 最小)2 9 0 2 9 02 9 08 07 0 t 2 id i o r - d i o w - 恢复时间( 最小) 7 02 5 t 3d i o w - 数据建立时间( 最小) 6 0 4 5 3 03 0 2 0 hd i o w - 数据保持时间( 虽小)3 02 01 51 01 0 t sd i o r - 数据建立时间( 最小) 5 03 52 02 02 0 t 6d i o r 一数据保持时间( 最小) 55555 t 5 zd i o r 一数据三态时间( 最大) 3 0 3 0 3 03 03 0 t 9d i o r - d i o w - 至1 地址有效保持 2 01 51 01 01 0 时间( 最小) 硬盘扇区有两种寻址方式：物理寻址( c h s ) 和逻辑块寻址( l b a ) 。 c h s ( c y l i n d e r - h e a d s e c t o r )定义了设各的柱面、磁头、扇区的寻址方式。 c h s 寻址方式中规定磁盘扇区开始于0 柱面0 磁头1 扇区，每柱面包含固定数 量的磁头数( 2 5 5 ) ，每磁头包含固定数量的扇区( = 8 0 b sr e s e r v e d 】4 1 h1保留 b sb o o t s i g4 2 hl扩展引导记录标志 b s 、，0 1 i d4 3 h4分区序列号。( 各机器不一致) b s 、b l l a b4 7 h 1 1卷标 b sf i l s y s t y p e5 2 h8分区文件系统标志 1 6 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 从0 b h 到3 4 h 即为b p b 参数块，记录着本分区的起始扇区、结束扇区等重 要参数。f a t 3 2 文件系统在b p b 中增加了一项根目录起始簇号( 2 c h ) ，这样根目 录的大小就不再受到限制，大大增加了根目录的自由度。2 8 h 处的第8 位为0 时 表示同时使用每个f a t 表，当其为1 时表示只使用其中的一个f a t 表。f a t 表 的序号由低4 位给出。这样既可以使用多个r 盯表，也可以只使用其中的某一 个f a t 表。对于f a t 3 2 文件系统，引导记录区信息存了两份，另一份的位置保 存在3 2 h 所指的地址处，这样如果引导记录区损坏就很容易恢复。 在b p b 的后面是b i o s 参数区( 4 0 h 到5 9 h 1 。分区序列号是格式化后生成的。 文件系统标志指示了文件系统的类型，如“f a t l 6 ”、f a t 3 2 ”。 2 。文件系统信息 在引导记录信息后的一。个扇区是文件系统信息扇区，见表2 1 0 。 表2 1 0 文件系统信息 字段名位置字节数内容 f s c l e a d s i g 0 0 h4 标志字节( 5 25 26 14 1 h ) f g i _ r e s e r v e d l i n h4 8 0o f s i s t r u c s i g l e 4 h 4 标志字节( 7 27 24 16 1 f s i 、f r o e c o u n t 1 e 8 h 4 空闲簇数( 如果未知则为f ff ff ff f h ) f s ln x tf r e e 最近使用的簇号 1 e c h4 f s lr e s e r v e d 2 1 f o h 1 2保留 f s i - t r a i l s i g l f c h2 0 1 f e h2 引导记录标志字节( 5 5a a l a ) 文件系统信息扇区后的一个扇区为保留扇区，之后还有若干保留扇区及备份 扇区。紧跟着就是f a t 表了。 2 2 3f a t 3 2 表 f a t ( f i l ea l l o c a t i o nt a b l o 即文件分配表，它不用于表示引导区、文件目录表 的信息，也不真正存储文件内容，只反映磁盘当前空间的使用情况，是整个文件 系统的核心。 簇是磁盘上的最小存储分配单位，文件保存在硬盘上的基本单位不是字节而 是簇。每一个簇包台一个或以上扇区，每簇包含的扇区数必须是2 的整数幂，通 常根据硬盘容量的大小，取值范围为1 1 2 8 。 簇在f a t 文件系统中有重要的作用：f a t 表实际上是一个以簇号为下标的 一维素注，数组记录的内容是下一簇的簇号。在f a t 表中采用簇号来管理磁盘 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 有效的达到了以下两个目的： 1 ) 规格化目录结构。由于有f a t 专门记录文件的分配情况，在目录项中只 用记录文件的首簇号，即使很大的文件也只需一个目录项。 2 ) 文件的易扩充性。列以在磁盘的任意位置存储文件的任意部分而不用考 虑物理存放位置的连续性，文件的司存放长度只受磁盘容量的限制。 一个文件占用的存储空间链映现在f p i 、中。根据簇号与逻辑扇区的关系， 可以使用f a t 查找文件。 知道了簇号，就可以通过下面公式计算出逻辑扇区，进行扇区定位： 扇区号= 每簇扇区数x ( 簇号- - 2 ) 十数据区开始的扇区号 存储新文件时，系统顺序查找f a t ，跳过所有己分配的簇，找到第一个可用 簇，把它作为文件的起始簇，然后继续查找第二个可用簇，如此直到找到满足新 文件字节数的最后一个簇空间，在该簇中作“最后一簇”的标记。只有找到足够 的空间才开始分配。 响应删除文件的系统调用时，先在该文件的目录项的第一个字节中写入一个 “e 5 ”作为删除标志，然后沿f a t 提供的链路，将各个簇号的内容清0 ，使之成 为可重新分配的空闲项。 响应删除子目录的系统调用时，除了要先判断子目录是否为空以外，其余细 节和删除文件相同。 个文件并不一定存放在硬盘的一个连续的区域内，往往会分成若干段( 每 段至少是1 簇) ，这些段之间象个链子一样，称为文件的链式存储。硬盘上的文 件常常要进行创建、删除、增加、裁减等操作，文件存储的位置就会零碎。因此， 通过f a t 表保存文件段与段之间的连接信息，可使操作系统读写文件时，能够 准确地找到各段的正确位置。但这样的存储方式也会带来硬盘空间的浪费。由于 每个文件的最后一簇有可能未被用完，当文件数量比较多时就会有很多空白的空 间。从统计学角度平均每个文件要浪费半个簇，簇越大，浪费的空间就越多。但 簇太小，分区的总容量又受限制。因此，通常系统会选择一个适合的簇大小。 文件分配表存放着分区内以簇为单位的存储空间的使用情况。个簇只能被 一个文件所占用，而不可能同时属于两个以卜的文件。分区有多少个簇，f a t 表 中就应该有对应的多少项。f a t 表的每一项就对应了分区内的每个簇。当物理格 式化后产生的f a t 表中所有项都标明为“未用”。如果硬盘有物理坏扇区，那么 格式化程序会检测出坏簇，并在相应的f a t 表项中标为“坏簇”，以后就不会使用 这个簇了。当存储文件时，f a t 表就准确地记录下哪些簇已经被文件占用；司时 在对应已使用的簇号处指明后续内容所在的f 一个簇的簇号；对文件的最后一 簇，则指明本簇无后继簇。由于f a t 表对于文件管理极其重要，所以系统备份 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 了一个同样的f m l 表，紧跟在第一f a t 表后。 文件在磁盘的分布情况，是以簇链的方式记录在f a t 中。每个文件都有自 己的存储簇，可以是连续的也可以不是连续的，通过f a t 表来实现其完整性。 f a t 记录丁除文件首簇以外文件使用的所有簇的情况( 文件的首簇的使用情况记 录在文件所在的目录项中) 。f a t 项的序号与文件所使用的簇号有一一对应的关 系。 f a t 由f a t 表项组成，每个f a t 表项记录了一个特定簇的使用情况，文件 区的起始簇号为0 x 0 0 0 2 。 表2 1 1f a t 3 2 表项的含义 f a t 表项内容描述 0 0 0 0 0 0 0 0 h末占用 0 0 0 0 0 0 0 2 h - o f f f f f f l 5 h已占用，且其值为存储文件后续内窑的下一个簇的编 号 0 0 0 0 0 0 0 1 h保留 0 f f f f f f s h 0 f f f f f f f h已占用，而且是文件结束簇 根据f a t 表项在簇中的表项值可以知道该簇是未用的、坏的、还是属于某 一文件或属于某一子目录的。 文件分配表的表项依据分区上簇的序号，依次顺序存放在f a t 区中。f a t 表的表项号和分区的簇号相同。查找表项电就是在查找簇号。 在记录文件的簇中，f a t 表项值还包含了指向该文件下一个簇的簇号。在进 行文件操作时，就是根据当前目录项查出该文件在f a t 表中的首簇地址，再在 f a t 表中查出链接簇号，转换为逻辑扇区，定位磁头进行读写操作的。 2 2 4 根目录和数据区 f a t 3 2 的根目录区是不固定大小的，在b o o t s e c t o r 中提供了根目录区的 第一个簇的簇号。可看作是数据区的一部分。因为根目录已改为根目录文件，采 用与子目录文件相同的管理方式，一般情况下从第二簇开始使用，大小视需要增 加，因此根目录下的文件数目不再受最多5 1 2 个文件的限制。 f a t 3 2 的一个目录项占3 2 字节，见表2 - 1 1 。 表2 - 1 1f a t 3 2 目录项定义 f 字段名位置字节数 内容i ld i r n a m e o o h1 1 短文件名 天津大学硕士学位论文第二章a t a 标准及f a t 3 2 文件系统 d i ra t t r1 l h l文什属性 d i rn t r e s1 2 hl保留 d i r _ c r t t i m e 1 3 h3文件建立时间 d i r c r t d a t e 1 6 h2 文件建立日期 d i rl s t a c e d a t e】8 h 2 文件最新访问日期 d i r f s t c l u s h i 2 0 h2文件起始簇号的高1 6 位 d i rw r t t i m e2 2 h2 文件最新修改时间 d i rw r t d a t e2 4 h2 文件最新修改日期 d i r - f s t c l u s l o 2 6 h 2 文件起始簇号的低1 6 位 d i r i l e s i z e 2 8 h43 2 位的文件