（通信与信息系统专业论文）基于linux的车载dvr系统的开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于l i l l u x 的车载d t 系统的开发 摘要 本文设计了一种基于l i i m x 的嵌入式多媒体存储系统，用于对某些领域的监控及其监 控数据的存储和管理。 首先，在了解国内外发展现状并明确该系统的实际应用意义后，分析了h 2 “标准的 技术特点，阐述交叉编译环境的概念和配置，建立本文所需的交叉编译环境，研究了主要 的文件系统及其优缺点和使用范围，为基于l i 舢x 的嵌入式多媒体存储系统的开发奠定了 理论基础。 其次，介绍该系统的整体架构、硬件平台( g m 8 1 8 0 ) 以及于存储数据的各类存储设 备；分析视频采集芯片t w 2 8 3 5 的驱动原理和驱动设计：设计该系统的视频采集、压缩模 块，实现对视频数据的前期处理。 接着，针对视频存储模块，对嵌入式多媒体存储系统中s d 卡的驱动程序做了详细的 分析并对其进行了相应的修改，研究了系统运行时对s d 卡所需做的检测和标准化操作， 给出了一种视频存储模块中视频文件的组织管理方法。 最后，根据嵌入式存储系统的实际应用场景，设计了一种基于s d 存储卡的视频数据 搜索方法，实现对历史视频数据的查找、回放。 关键词：d v r ，l i n u x ，h 2 “，s d 卡 浙江工业大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fv e m c l e d o u n t e d d v rs y s t e mb a s e do nl 呵u x a b s t r a c t a ne m b e d d e dm l l l t i i i l e d i a 咖豫g es ) r s t 锄b 舔e do nl i n u xi sd e s i 印e di i lt 1 1 i sp a p e r i tc a nb e 璐e di i lm o i l i t o r i n go fc e n a i nf i e l d s 嬲w e l l 弱咖r a g e 锄dm 觚a g e m e n to fm o m t 0 陀dd a ：t a f i i 砜t 1 1 ep a p e r 细的d u c e st l i 圮s ) r s t e m sp m c 6 c a la p p l i c 撕p m s p e c t 觚dd e v e l o p m e n t s t a t u sb o t l lh o m ea n d 炯a d i t 西v 懿ad e t a j l e d 觚a l y s i so nm et e c l l n i c a lf e a t m sa ：b o u t 1 e h 2 6 4a l o n g 、析t l li t sk e yt e c h i l o l o 阱a f t 盯t l 斌，廿l ec o n c e p t 锄dc o l l f i g u m t i o no fc r o s s c o m p i l a t i o ne n v i r 0 衄e n ti si i i 缸o d u c e dt 0s e tu pt l 圮c r 0 豁c o m p i l a t i o ne i l v i r o m n e n tm a tn e e d e d i i lt l l ep a p e r a i l dt h ea d v 觚t a g e s ，d i 础醐妇g e s 锄du s a g ec o v e m g eo ft l l em a i l lf i l es y s t e ma 陀 a l 鲰l d i e d 舢lt l l e l a y sam e o r e t i c a lf 0 啪d 撕o nf o rn 圮d e s i 弘o f 锄b e d d e dm u l t i n l e d i a 如r a g es y s t e m s e c o n d ，t h es y s t e mp l a t f o n n ( g m 818 0 ) u s e di nv e h i c l e - m o u n t e dd v rs y s t e m 锄di t s o v e 期1 l 鲫n j c t u 聆，龇d 谢o u ss t 0 瑚哆ed e v i c 髓f o rd a t a 咖r 戳；ea 陀i i l 仃o d u c e d t h e n 血e “v i i l g p r i n c i p l ea n dd e s i 驴a b o u tt l 砖v i d e oc o l l e c t i o nc h i p ”2 8 3 5a 糟锄a l y 辩d a n e r 地ad e t a j l e d v i d 强m p l i l l g ，c o m p r e s s i o nm o d m ea 聆d e s i g n e df o rm ep r e 访。鸺p r o c e 豁o fv i d 纰 a f t e i t l i a t a i m i n ga tv i d e os t o m g cm o d u l e ，i t 锄a l y st l l ee m b e d d e dm u l t i m e d i as t o r a g e s y s t e i ns dc 捌“v e r 锄dm a l ( 销r e l e v 锄tm o d i 矗c a t i o 玛a l o n g 谢t l l 锄如越y s i so fi l 即e c t i o n 觚d s d 引d i 跫do p e r a t i o nr e q u i r e db y 曲旧s dc a r di nm i s 夥s t e m a tt l l e 朝m et i m ci tg i v e s0 u tm e m e t h o dt 0 他a l i z eo 删z a t i o n 锄dm a n a g e m e n to fv i d e o 丘l e si r iv i d e os t o m g em o d u l e f i l l a l l y ，c o r d i n gt 0t l l ep i 冒c 6 c a lu o f 锄b e d d e d 咖豫g es y s t e m ，a a r c l l i n gs c h e m ef o r 血ev i d e od a t ai i ls dc a r di sd e s i 印e dt 0r e a l i 髓辩a r c h 锄dp l a y b 犹ko fp r e v i o 憾v i d e 0d a t a k 吖w o r d s ：d v rl m u kh 2 “，s dc a r d 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着汽车速度的不断提高以及人们对汽车安全性能的不懈追求，特别是上世纪末以 来，汽车已经从最初的完全机械，到后来的以机械设备为主电子液压为辅，发展成目前的 以电子液压为主机械为辅的“电器商品 。由于存在软件缺陷、控制器硬件故障和电子信 号干扰，以及液压机构失效和电机等众多因素，汽车的事故和伤亡责任，再也不能简单的 归咎于事故驾驶人员的人为失误。 为了更好地处理应接不暇的交通事故责任鉴定工作，分清事故是由汽车本身问题，还 是由驾驶员的人为操作失误引起，从上世纪末开始，美国和欧洲的汽车制造厂商们纷纷开 始汽车行驶状态记录器的开发和研制。汽车黑匣子【l 】( 即汽车行驶状态记录仪) 是用于监 测、记录汽车在行驶中各种状态和数据的智能装置，为再现事故现场为分析、判断汽车驾 驶状态和驾驶人员操作情况提供可靠准确的科学依据。由于汽车黑匣子能真实地再现事故 发生时汽车运行状态和驾驶员的实际操作情况，因而它不但可以为事故原因分析提供依 据，同时作为一种重要的监督手段，也可以有效地防止驾驶员随意地进行违规操作。由于 这种“监督器 的作用打消了驾驶员的侥幸心理，防止了很多违规操作，从而大大降低了 事故发生率，避免了巨大的经济损失和人员伤亡。据比利时w e s t b e l g l u m 、德国t t s 公司就使用汽车黑匣子前后车辆交通事故发生率统计情况表明，事故发生率比没装前降低 3 4 5 3 纠引。欧盟已经立法，规定商用车出厂前必须安装“黑匣子 才可以上路。这一做 法很快在美国、日本、澳大利亚等许多国家引起效仿，目前许多国外汽车生产厂家如通用、 丰田、本田等已开始为出厂的汽车安装黑匣子。 2 0 1 0 年我国汽车保有量超过七千万辆，汽车产量达到1 8 0 0 万辆，同比增长3 2 4 ， 保持着超高速增长。随着我国汽车保有量地不断增加，交通的现代化在为社会带来了极大 便利、创造了大量财富的同时，也带来了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。据统计，目 前我国道路交通事故发生率高居世界第一。上个世纪9 0 年代以来，我国由于交通事故造 成的死亡人数已高达1 0 8 万人，同时还造成巨大的经济损失。为了减少人民生命和财产的 损失，国家采取了各种加强交通监管的措施，其中推广安装汽车黑匣子便是重要的一项措 施。2 0 0 1 年1 0 月2 4 日，交通部、国家安全生产监管管理局、公安部i ：关于加强公路客 l 浙江工业大学硕士学位论文 运交通安全管理的通知中要求“长途客运车辆应当逐步安装、使用符合国家有关标准的 行车记录仪”【4 】。各省市根据此通知，规定各类公交营运车辆必须安装汽车黑匣子。例如： 湖南省运管局和交管局联合做出决定，凡未安装汽车黑匣子的跨省高速公路客运车辆、大 型长途客运车辆以及危险货物运输车辆一律不准参加春运或者正常营运；2 0 0 4 年1 月1 日起，凡未安装汽车黑匣子的客运车辆一律不准参加任何营运性旅客运输【3 l 。为了保证 2 0 0 8 年北京奥运会的顺利召开，北京也规定运营车辆上必须安装记录车辆行驶记录的相 关汽车行车记录设备。从全球推动汽车黑匣子的力度来看，在不久的将来，黑匣子必将在 汽车领域得到普及。 车辆行驶记录仪主要用于记录下事故发生时的真实情况，简化重构模型的过程，并大 大增强模型的准确性。美国、日本、澳大利亚等西方发达国家在这一方面起步较早，目前 已经有一些具有视频存储功能的汽车黑匣子上市。我国在这方面起步比较晚，目前国内几 家拥有自主产权的企业研制、生产的车辆行驶记录仪存在着视频压缩率小、不流畅等问题， 也有不少科研机构和高校提出了一系列的研究方案【4 】。 目前汽车工业、交通运输业已成为我国一个重要的经济增长点，作为其中一个重要组 成部分汽车电子是一项涉及嵌入式、汽车、计算机、电子等诸多工业的系统工程，是目前 嵌入式系统、汽车工业的主要发展方向之一，市场份额庞大、前景广阔，对我国的经济发 展具有重要意义。目前我国该领域基础薄弱，开发力度不够。随着国家政策法规的进一步 实施和对该领域研发的投入，车辆行驶视频记录系统作为汽车电子中的一个重要产品必定 将有广阔的市场前景。 1 2国内外研究现状和发展趋势 美国、日本、澳大利亚等发达国家在这一方面起步较早，目前已经有一些具有视频存 储功能的汽车黑匣子上市。 美国w s 公司研发、生产的v i p l i n k 是该领域的佼佼者，此产品能够同时处理四路高 分辨率( 6 4 0 4 8 0 ) 的彩色视频数据的编码压缩存储，其独有的w s 编码器生成的图像不 会产生像j p e g 编码器生成的那种运动模糊痕迹，内部可更换的4 g b 的c f 卡可支持数小时的 视频存储。并且该产品体积也比较小，只有2 3 3 1 0 4 3 6 衄。d r i v e c 锄公司生产的汽车黑 匣子可以记录碰撞前车辆的刹车、油门、转弯状态，也可以记录发生事故发生瞬间汽车内 部的声音和图像信息。 日本汽车研究所研制的汽车黑匣子“d r i v er e c o r d e r 体积只有普通饭盒大小，会把紧 2 浙江工业大学硕士学位论文 急打方向盘或紧急刹车等突发状况识别为事故，记录其后1 分钟内的方向盘角度、速度、 油门动作和刹车等各种数据。而且通过车内安装的微型摄像头，可以自动记录事故前l o 秒 和后l o 秒从驾驶位上看到的场面。2 0 0 6 年1 1 月，富士通面向普通消费者上市了一种用于记 录事故影像的汽车黑匣子“d r e c l 0 0 0 一嘲在车辆急减速或急加速等状态下，该系统可 以以1 0 帧秒的速度记录下车辆前后的环境、路面影像( 默认记录时间为2 0 秒，在事故触发 前1 2 秒，后8 秒) 。此外还可人为地按下附带的操作开关进行主动记录，一共可保存1 5 条 记录。 。 韩国h u d s 0 n t e c 的产品可以选择性地安装后方或者前方摄像机，存储速度、加速度、刹 车操作信息、发动机转速、方向指示灯等汽车状态、操作信息，并且支持加速度传感器识 别等功能【5 1 。该产品可以把事故发生前l o 秒和后5 秒的现场数据记录到f l 础m 锄o r ) r 中并提 供数据读取软件【5 1 。舢c h e 【6 】公司产品可以存储多频道图像数据，与上述其它产品相比，该 d v r ( d i g i t a lv i d e 0r e c o r d e r ) 的功能要更强。此产品通过高效的m j p e g 压缩方式，实时 存储分辨率高达8 0 0 6 0 0 的动画，并且可以存储多路视频图像数据。因此可以在汽车多个 地方安装摄像机，在发生事故时提供全面的现场视频资料。 我们国家在这个方面起步比较晚，目前国内只有几家企业具有生产汽车黑匣子的能 力，也有不少科研机构和高校提出了一系列的研究方案【7 】【8 】【9 】。嵌入式d v r 解决方案制造商 深圳锐明视讯公司提供一套无线车载视频监控解决方案【1 0 1 ，该方案采用基于海思 h i 3 5 1 0 s o c + 硬件加速的多核架构l 】，是一款功能丰富、外形小巧、适合多种网络接入的 视频监控解决方案【1 2 】。该方案具有独立的四路视频监控录像、车辆状态记录、g p s 定位、 惯量传感器、影视、音乐播放等功能，能支持宽带和窄带等不同条件下的各种应用，可根 据实际情况上传单路或多路视频的关联帧、关键数据，并支持c d 燃p r s i l 列的应用。西 安电子科技大学付少锋教授提出了基于s i t s a i l g 平台开发的汽车黑匣子【1 4 1 ，该产品采用了视 频图像采集、m p e g 4 编解码1 1 5 l 、g p s 定位、视频图像无线传输、移动侦测等多种高新技 术，具有视频存储、卫星防盗、车辆无线追踪【1 6 1 、语音留言等多项功斛1 7 1 。 目前市场上的大部分产品还存在着各种问题：由压缩算法导致的视频质量不高【博1 ；视 频采集、处理芯片的硬件限制导致的图像帧率低，在相对高速运动的环境使得采集到的视 频画面不够流畅、清晰【1 9 j ；由于使用专用的视频编解码芯片导致产品的可扩展性差，产品 性能单一，升级、开发困难【2 0 】f 2 i 】；并且种类产品成本较高，导致其无法大规模普及。 3 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容和结构安捧 本文设计了一种基于l i n 峨的嵌入式多媒体存储系统，该系统采用h 2 “压缩技术， 将视频数据以h 2 6 4 的格式存储于s d 卡上，并设计了一种能有效管理卡上视频数据的文 件管理模式，很好地实现了监控设备所必须具备的监控、回放、备份功能。 本文的主要安排如下： 第一章介绍了嵌入式多媒体存储系统的实际应用意义和应用前景后，分析了目前国内 外在该领域的发展现状以及其发展趋势，最后给出了本文的总体内容和结构安排。 第二章介绍了本文中会涉及到各种理论知识，包括交叉开发环境、网络文件系统、系 统文件系统以及h 2 “标准等基本知识，分析了各项技术的优缺点，为该系统奠定了理论 基础。 第三章开始进入本文的核心内容，首先介绍了本文中嵌入式多媒体系统所用到的主要 硬件设备和整体框架设计，然后分析了视频采集芯片的驱动原理及配置，最后给出了该系 统中的一个重点内容视频压缩模块的软件设计。 第四章是本文的另外一个核心内容，本章首先介绍了各种存储设备，重点介绍了本系 统中所用到的s d 卡设备，包括对s d 卡驱动的修改以及对其所需的各种操作和设置。最 后设计了一种用于管理s d 卡上视频数据的文件组织结构。 第五章对本文做了总结和展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章开发环境及相关理论知识 本章介绍了本文中所涉及到的相关理论知识，包括交叉开发环境、文件系统以及 h 2 “标准的基本知识。 2 1 开发环境介绍 由于嵌入式系统是一种专用的计算机系统，其中央处理器一般采用删公司设计的 嵌入式s c ( m u c e di 璐仰c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器。因此对于嵌入式软件的开发、 编译将有别于普通的p c 应用程序开发，采用交叉开发的方式。 2 1 1 交叉开发环境 交叉开发环境由开发主机、目标主机组成。开发主机是一台具有交叉编译环境的微机， 在其上进行嵌入式系统启动所需的b 0 0 u o a d 盯、内核以及文件系统和应用程序的开发，如 图2 1 所示。 程序代码 开发主机 图2 1 交叉开发环境 目标程序 目标主机 如上图所示，程序代码在开发主机中完成编写后，经过相应的交叉编译成目标主机所 需的目标程序后，将其下载到嵌入式系统即目标主机中运行、调试。在整个开发过程中， 5 浙江工业大学硕士学位论文 开发主机为开发人员提供目标程序开发所需的各种工具，目标主机也必须依赖于开发主机 才能正常地运行。当整个开发过程完成后，目标主机才脱离对开发主机的依赖独立运行。 但是对于目标主机来说，开发完成也就代表了该嵌入式系统已经定型，不能再独立地进行 其他的修改和升级。 本文中的开发主机选用u b u i 姗系统，主要基于以下四点原因： 系统安装人性化，和淅n d o w s 一样方便易懂，只需按照系统提示便可很方便的完成安 装； 对于硬件支持全面，作为一个对硬件支持最好的l i l l 憾发行版，u b 硼岫几乎支持别的 版本支持的所有硬件； 用户群庞大，可以获得更多的资源和技术支持； 软件安装、升级方便，拥有固定的版本更新周期。 在开发主机里安装好u b l m t i l 系统后，将交叉编译工具解压到0 p 讹s s t 0 0 l s ，目录下， 然后再修改相应的环境变量即可，只需在e t c 下的p f i l e s 文件里增加e x p o n p ：删= $ p 删：0 l 删c s 咖。忱m 1 i n u x g c c 一3 4 4 - g l i b _ 2 3 5 锄- l i n u 加i n 增加交叉编译工具 路径。 2 1 2 开发主机与目标主机的交互 开发主机和目标主机是两个独立的个体，因为在开发过程中要在他们之间交互就必须 要建立某种连接，以实现文件和数据的传输等功能。目前主要的交互方式包括使用串口、 以太网接口以及几a g 接口等方法，下面主要介绍下本文中所用的以太网接口方式。 以太网是目前最流行的局域网数据交互技术，是一种通过广播技术来进行数据包交换 的局域网。以太网中的设备通过c s 蝴d 协议来争夺局域网中的资源访问机会。设备通 过r j 一4 5 接头来连接，各p c 机和网络设备之间通过各自的l o o m 1 0 0 0 m 以太网卡进行数 据交互，实现n f s ( n e 似o r kf i l es y 妣m ) 文件共享和t 卸( t h v i a lf i l et r 锄s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输等功能。 本文采用n f s 即网络文件系统作为开发主机和目标主机之间的数据交互机制。网络 文件系统通过将远程主机上的某个磁盘( 分区) 经以太网挂载到本地系统的方法，使得用 户可以在本地系统上像操作本地磁盘文件一样对远程主机上的磁盘文件进行所需的操作。 使用n f s 网络文件系统需要同时对开发主机和目标主机进行配置。 对开发主机的配置： 6 浙江工业大学硕士学位论文 在u b 咖棚系统下要使用n f s 功能，需要安装曲m o 咖、n f s - k 啪c l - s e r v 盯、p o r n i l a p 三个软件包，鉴于u b 啪t u 的便捷性，只需以o t 权限输入a p t - g e ti n 刚ln f s - k 锄e l s e r v e r 即可以完成以上三个软件包的自动安装。在安装好n f s 软件包后，还不能即刻使用n f s 功能，需要配置其共享目录的路径和权限。屉t c 路径下的懿p o n s 文件即为n f s 的配置文 件，该文件内容非常简单，每一行由一个路径、客户机列表以及相应的权限所构成。 i l o me ”啊砌瞧l9 2 16 8 1 2l9 ( r w ，s y n c ，n or 0 0 ts q u a s ” h o m e y w 酬g f sl9 2 16 8 1 ( m s ) ，i l c ，n or o o t _ s q u 觞h ) 文件内容格式为“【共享的路径】【客户机名或m ( 访问参数) 】 ，其中当客户机名或者 m 为空时代表该路径可以共享给任何客户机或口。常用访问参数的见表2 1 。 表2 1n i ? s 的常用参数 参数说明 r o 只读 n 读写 s y n c 所有数据在请求时写入共享 嬲y i 嵋 m ? s 在写入数据前可以相应请求 s e c u l n f s 通过1 0 2 4 以下的安全t c p ，i p 端口发送 i n s e c u i n f s 通过1 0 2 4 以上的端口发送 w d e l a y 如果多个用户要写入，则归组写入 n 0 lw d e l a y 如果多个用户要写入，则立即写入 h i d e 在n f s 共享目录中不共享子目录 n oh i d e 共享子目录 r o l o ts q u 笛h删用户所有请求映射成如匿名用户一样的权限 n 0 l m o ts q 嶙h删用户具有根目录的完全管理访问权限 对目标主机的配置： 对目标主机的配置相对简单，只需在内核中增加对n f s 的支持即可。具体的做法为 在配置内核选项中选中“n e t 、) v o r k i n go p t i o 啮一i p ：k e m e l l e v e l 叭1 0 c o i l f i g u r a l i o n 和f i l e s y s t e m n e t v 旧r kf i l es y s t 锄一r o o tf i l es y s t e mo nn f s 一以及“f i l es y s t e m n e t w o r kf i l es y s t e m 7 浙江工业大学硕士学位论文 - n f sf i l es y s t t 釉s u p p o r t 一，再重新编译内核即可。 2 2 文件系统 文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法，主要作用体现在对文件和目录 的组织上，磁盘、分区和文件系统的关系如图2 2 【捌。目录提供了管理文件的一个方便而 有效的途径。对于l i l l 麟而言，本身l i i l 腿内核的运行是不依赖于文件系统的，但是文件 系统可以让嵌入式l i i l 憾操作系统拥有很多与p c 相似的强大功能。目前主流文件系统分 为f a t 3 2 、n t f s 、e x t 2 ，3 、c 洲f s 等。 图2 2 磁盘、分区和文件系统的关系 2 2 1f a t 3 2 文件系统 f a t 3 2 是由微软公司于1 9 9 6 年8 月发布的一种w m d o 粥系统硬盘分区格式，该格式 采用3 2 位的文件分配表，使其对磁盘的管理能力大大增强。汀3 2 的最大优点是在一 个不超过8 g b 的分区中，汀3 2 分区格式的每个簇容量都固定为4 k b ，与上一代 文件系统汀1 6 相比，可以大大地减少磁盘的浪费，提高磁盘利用率。但他也存在 着一个严重的缺点：当文件删除后写入新资料，f a t 不会将档案整理成完整片段再 写入，长期使用后会使档案资料变得逐渐分散，而减慢了读写速度【2 3 1 。硬盘碎片整 理是一种解决方法，但必须经常整理来保持f a t 文件系统的效率。f a t 3 2 文件系统 的结构，主要分为主引导记录m b r ( m 饿rb 0 0 tl 沁c o r d ) 、d o s 引导记录d b r ( d o sb o o t r c c o r d ) 、d b r 副本、文件分配表f a t ( f i l ea l l o c a t i o nt a b i e ) 、根目录区d i r ( d i r e c t o 秽) 和数据区等几个部分【2 4 】如图2 3 。 8 浙江工业大学硕士学位论文 d b r ld b r 副本l 保留扇区i f a t l l f j 气t 2 i ( d i r 数据区 物理0 柱面0 磁头l 扇区 从逻辑扇区 o 开始 从逻辑扇区 6 开始 从逻辑扇区 3 2 开始 图2 3f a t 3 2 文件系统的结构 其中m b r ( 主引导记录) 扇区位于硬盘的第一物理扇区，也即硬盘的o 磁头o 柱面 l 扇区，其作用是检查分区表是否正确以及判断哪个分区为可引导分区。它将引导具有激 活标志的分区上的操作系统，随后将系统控制权交给该程序【2 5 1 。 d b r ( 引导记录) 扇区通常位于硬盘的0 磁道l 柱面1 扇区，是操作系统可以访问的 第一个扇区闭。d b r 扇区共有5 1 2 个字节，由跳转指令、厂商标志、操作系统版本号、 b i o s 参数块b p b ( b i o sp a 均m e t e rb l o c k ) 、扩展b p b 、操作系统引导程序和结束标志 等几部分组成。 f a t ( 分配表) 表主要用于f a t 3 2 文件系统的文件寻址。为了防止意外损坏，f a t 一般为两个，第二个f a t 为第一个汀的备份。在f a t 3 2 文件系统中，同一文件的数 据往往会分开成若干段，存放在存储介质空间的多个不连续的区域内。通过f a t 表，就 能将这多个分散的区域，像链子一样联系起来，从而大大提高了存储介质的利用率【2 7 】。 d i r 目录区，又叫文件目录表f d t ( f i l ed i r e c t o 秽t a b l e ) 。由于目录在f a t 3 2 中也 按照文件的簇链管理方式进行管理，所以它也可以看成是数据区的一部分。 在f a t 3 2 文件系统中，单有f a t 表还不能确定文件在磁盘中的具体位置，只有f a t 表和d i r 区配合使用，才能准确定位文件的确切位置【2 3 】。 目录区的目录项变化较多，一个目录项占3 2 个字节，可以是已删除目录项、子目录 项、长文件名目录项、文件目录项和卷标项等。这些目录项，记录着每个文件或目录的文 件名、是否支持长文件名、起始单元( 这是最重要的) 、创建日期、修改日期、扩展名、 大小和文件的属性等内容【2 9 1 。操作系统在读写文件时，根据d i r 中的起始单元，结合f a t 表就可以获取文件在磁盘中的具体位置，然后依次读取每个簇的数据就可以了。 而真正意义上的有效数据存储区，即所谓的d a t a 区在d i r 区之后。尽管d a t a 区占据 9 浙江工业大学硕士学位论文 了整个硬盘绝大部分的存储空间，但若没有了前面的各文件信息部分，对于我们来说， d a 埝区所保存的只是枯燥的二进制代码而已，没有任何实际意义 在f a t 3 2 文件系统中，分区格式化程序仅仅只是重写了f a t 表而已，并没有真正地 把d a t a 数据区中的数据清除。而硬盘分区程序，也仅仅只是修改了m b r 和d b r 中的数 据，并没有改变d a t a 数据区中的数据【3 0 1 。因此，对于f a t 3 2 文件系统所存储的数据，在 大多数情况下，都可以部分甚至全部得到修复。 2 2 2e x r 3 文件系统 e x t 3 是目前l i n 峨操作系统上使用的一种高性能的磁盘文件系统。他可以支持4 t b 的硬盘分区和2 5 6 字节的长文件名，并且在文件读写速度和c p u 利用方面有突出表现， 是一种性能优异的文件系统。e x t 3 文件系统在l i i l 社区中相当成功，是当前l i i m x 的 主流基础文件系统之一。 与大多数文件系统一样，e x t 3 文件系统建立在文件数据存放在数据块中的前提下。 这些数据块都是相同长度的，虽然不同的e x r 3 文件系统的块长度可以不同，但是对于一 个特定的e x t 3 文件系统，他的块长度在创建的时候就已经确定p 。e x t 3 文件系统的结 构如图2 4 。 启动扇区块组o块组m 块组n i 超级块 文件系统组 块位图i n o d e 图 数据届动 数据块 l 描述符表 块表扇区 图2 _ 4e x l r 3 文件系统的结构 其中超级块包含了对文件系统基本大小和状态的描述，文件系统管理者可以利用这些 信息来使用和维护文件系统。当文件系统被安装之后，通常情况下只读取位于块组0 的超 级块。但每个块组都包含一份超级块的备份，当文件系统被破坏时能恢复。每个块组有一 个组描述符，组描述符用于描述每个块组的控制和统计信息。所有块组的组描述符在每个 块组中都有备份，以便在文件系统遭到破坏时能够恢复。但通常情况下文件系统只使用块 组0 内的组描述符1 3 羽。同时每个块组还有一个块位图，位于组描述符之后，用来描述本 块组中数据块的使用状况。块位图的每一位表示一个数据块的使用情况，为l 表示对应的 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 数据块已占用，为0 表示数据块空闲。各位的顺序和块组中的数据块的顺序一致，块位图 一般占用一个逻辑块。 e x ”中用一个i n o d e 的数据结构来描述文件系统中的每一个文件，该如d e 结构详细 地定义了系统的拓扑结构。他描述了位于系统中的每一个文件占用了磁盘等存储介质中哪 些块以及该文件的访问权限、修改时间以及类型等各种属性。其中每一个i n o d e 都由一个 独一无二的数字来标识，以此来对应系统中的每一个文件，所有的i n o d e 都放在一起存放 于在一张i n o d e 表中。e x t 3 文件系统中的目录是一个简单的特殊文件，包括他们目录条 目的m o d e 的指针。e x t 3 文件系统把被占用的逻辑分区划分成若干个块组( b 1 0 c k 觚u p ) 。 每一个块组除了用于存放真实的文件和目录之外，还保存着一些对于文件系统一致性至关 重要的信息【3 3 1 。这些信息在文件系统发生错误需要恢复、还原时是必要的，因而提高了 文件系统的安全性。 与f a t 3 2 不同e x l r 3 作为一种日志型文件系统具有很高的安全性。日志型文件系统思 想来源于o m c l e 、s y b a 等大型数据库的设计，由于数据库的操作往往涉及到多个相互关 联、相互依赖的子操作，其中任何一个操作的失败都会导致整个操作的失败，在此情况下 对数据库的所有操作都要撤消恢复到最初状态。e x t 3 系统根据该思想在文件系统中增加 了一个叫做操作日志的数据结构来解决在读写磁盘时由于各种中断所导致的问题。具体做 法为：在对任何数据元素做修改之前，文件系统首先向日志数据结构中写入一条信息，该 信息记录了要对该数据元素做的所有的操作，然后再实际操作该数据。这样做的好处在于： 文件系统在操作任何数据前，首先对该操作进行记录，若在整个操作过程发生各种意外( 如 断电、重启) 时，系统重新启动后会读取该日志数据结构，根据其记录来恢复各种未完成 的操作，以保证数据的完整性。 综上所述，e x t 3 文件系统具有稳定性、可靠性和健壮性的特点，同时几乎所有基于 l i i l u ) 【的系统( 包括台式机、服务器以及一些嵌入式设备) 都可以支持e x t 3 文件系统。 对于一个频繁读写数据的嵌入式多媒体系统来说，出现各种断电、系统重启等意外是必然 的，在这种情况下保障视频数据的完整性和安全性是其最基本的要求，因此e x t 3 文件系 统更适合该嵌入式系统。 2 2 3 其他文件系统 除了上述两种常见的文件系统外，嵌入式环境下还有多种不同特点的文件系统：压缩 式的c 眦s 文件系统、源代码公开的y a f f s 文件系统、利用删作为他们存储空间的 浙江工业大学硕士学位论文 胁n d s i k 文件系统等，因本文未涉及到，故不再赘述。 2 3h 2 “技术简介 2 3 1 概述 h 2 “和以往的标准一样，也是采用由d p c m 加变换编码的混合编码模式。作为改进 他采用“回归基本一的简洁设计方式，不用众多的选项的情况下就可以获得比h 2 6 3 标准 好得多的压缩性能；另外他加强了对不同信道的适应能力，由于使用了“网络友好 的结 构和语法，因此有利于其对误码和对包的处理【3 4 1 ：最后该标准应用目标范围较以往标准 更宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输场合中的各种需求。 技术上，他集中了以往各种标准的优点，并吸收了在标准制定中所累积的经验。与以 前的各种标准相比，h 2 6 4 标准在使用与上述编码方法所类似的最佳编码器编码时，在大 多数码率下h 2 6 4 标准最多可节省一半的码率。该标准在所有码率下均能提供较高的数据 压缩比。h 2 “标准能工作在低时延状态以适应实时通信的需求，同时又能很好地应用在 没有时延要求的环境中，如视频压缩存储和各种基于服务器的视频流应用。h 2 6 4 标准提 供了包传输网络中处理包丢失、错位所需要的各种工具，以及在容易发生误码的无线网络 中处理比特误码所需的工具。 从系统层面上讲，h 2 “标准提出了一个全新的概念：从概念上将视频编码层和网络 提取层进行分割，前者表述的是视频核心压缩内容，后者是表述数据通过特定网络进行的 递送，这样的分割有利于信息的封装以及对其进行更方便的优先级控制。 2 3 2h 2 6 4 关键技术 相比以往的编码标准，h 2 6 4 在系统结构上并没有太大的变化，只是在主要几个功能 模块的内部使用了部分更先进的技术，以获得更高的编码效率。同时该标准继承了h 2 6 3 标准和m p e g 标准中的各种优点，具体表现在： 1 ) 编码基本单位的改变：在4 4 大小块上进行残差的变换编码，而不是以往标准中 的基于8 8 大小的编码单元； 2 ) 编码方式的改变：采用一种整数变换编码，而不是以往的d c t 变换； 3 ) h 2 “标准采用了上下文自适应二进制算术编码( c o n t e n t b 弱e da d a p t i v eb i n a r y 丽t h m e t i lc o d i n g ，c a b a c ) ，该方法编码效率更高，同时与该编码方法相对应的量化 过程也和以往的标准有较大的区别。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 总的来说，h 2 “标准具有算法简单易于实现、运算精度高且不溢出、运算速度快、 占用内存小、削弱块效应等优点，是一种更为实用有效的图像编码标准【l 羽。该标准中用 到的关键技术如下： a 帧内预测编码 帧内编码可以用来减少图像的空间冗余。同时为了提高h 2 “标准的帧内编码效率， 利用相邻宏块间通常具有相似属性的特点，因此在对给定宏块编码时可以充分利用该特 性。具体做法为在对某一宏块进行编码时，首先可以预测周围的宏块值，然后对预测值与 该块实际值的差值进行差值编码。这样，相对于直接对该帧进行编码而言，大大降低了码 率。h 2 “标准提供6 种基于4 4 像素宏块的预测模式，包括一种直流预测和五种方向预 测3 5 1 。另外对于图像中含有较少空间信息的平坦区，h 2 6 4 标准也支持1 6 1 6 大小块的帧 内编码模式。 b 帧间预测编码 所谓帧间预测编码就是利用连续帧间的时间冗余来进行图像运动估计和补偿。h 2 “ 标准的运动补偿支持以往各种视频编码标准中的绝大部分关键技术，并且添加了更多其他 功能，除了支持传统的p 帧、b 帧外，h 2 “标准还支持一种全新的码流间传送帧一s p 帧。数据码流中包含s p 帧后，可以在有类似内容但具有不同码率的数据码流之间进行快 速切换，另外他还支持随机接入和视频快速回放两种模式。 i 不同形状和大小的宏块切割：对于每一个1 6 1 6 大小宏块的运动补偿，h 2 “标准 可以采用不同的大小和形状进行补偿，该标准同时支持7 种模式。其中小块模式的运动补 偿提高了运动细节信息处理的能力，在减少了方块效应的同时，提高了图像的编码质量。 i i 高精度的亚像素运动补偿：以往h 2 6 3 标准中采用的是基于半像素精度的运动补 偿、估计，而在h 2 6 4 标准中可以采用1 4 甚至1 8 像素的高精度运动估值。在相同精度 的情况下，h 2 “标准使用l 4 或者l 8 像素高精度运动估计后所得的残差要比h 2 6 3 标 准采用的半像素精度运动估计后所得的残差小。因此，在相同的精度下h 2 6 4 标准在帧间 编码中所得的码率更小。 i i i 多帧预测：h 2 6 4 标准提供了多帧预测功能：在进行帧间编码同时，可选择5 个不同 的参考帧，以提供更好的纠错性能，更好地改善视频图像质量。该特性主要应用于以下几 种场合：周期性的运动或者平移运动中，需要在两个或多个不同的场景之间不停地来回变 换摄像头的场景。 i v 去块滤波器：h 2 “标准中的自适应去块效应滤波器，能有效地处理预测环路中的 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 垂直和水平方向的块边缘，大幅度减少了方块效应。 现阶段，大多数视频会议系统都采用h 2 6 l 或h 2 6 3 标准，而h 2 6 4 标准的出现，使得在 同等视频质量下，h 2 “标准能够比h 2 6 3 节省最多达5 0 的码率。这样，用户只需h 2 6 3 标准下一半的带宽便可获得与其同样质量的视频流。h 2 “标准的诞生不但有助于节省庞大 的开支，还可以提高网络、设备资源的使用效率，节省资源、能源，同时大幅度促进商务 视频会议系统的发展。 2 4 本章小结 本章从嵌入式开发环境开始，依次介绍了交叉开发环境、文件系统和h 2 “标准等理 论知识。首先介绍了嵌入式系统的开发环境，包括交叉编译环境以及开发主机和目标主机 之间的文件交互方法 盯s 网络文件系统，以及在u b l m t i l 环境中配置交叉编译环境； 然后分析了常见的r 盯3 2 、e x t 3 文件系统以及其他的文件系统，从整体上研究了其各自 的文件组织结构和优缺点，给出了选择e x t 3 文件系统的理由；最后介绍了h 2 “标准， 给出了该标准中的关键技术。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章嵌入式d i 系统视频采集模块的设计 本章先给出嵌入式多媒体存储系统的总体设计方案，然后简单地介绍了该系统中所用 到的各种芯片，最后介绍了该系统中音视频采集模块的硬件和软件设计及其实现。至于系 统中的存储部分将放在下一章进行介绍。 3 1 d v r 系统的硬件介绍 3 1 1 系统框架设计 对于一个数字录像系统来说，一般可以将系统分为三个部分：音视频采集部分、音视 频数据处理部分和音视频数据存储部分。采集部分负责对输入数据的筛选和采集的控制， 数据处理部分则对采集的数据进行格式转换( 模拟转为数字) 、压缩编码等处理，存储部 分负责将所处理的数据进行封装、保存等操作。三部分一起构成一个具有完整独立功能的 嵌入式多媒体录像系统，系统框架如图3 1 。 图3 1 系统框架 模拟信号从摄像头采集进来之后，经过视频采集模块处理之后产生数字的b t 6 5 6 数 据。一方面加上时间、位置等o s d 信息后通过l e d 显示器显示出来实时监控；另一方面 将所采集的数据送往视频处理模块，叠加时间、位置等额外信息后经过h 2 6 4 编码、压缩 处理，将数据交由存储模块进行最后的存储处理。 3 1 2 芯片介绍 根据系统负载情况和功能要求，本文的d v r 系统采用了升迈科技( g r a j nm e d i a ) 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 g m 8 1 8 0 平台作为主处理平台，同时搭载了一块t w 2 8 3 5 视频采集芯片进行视频数据采 集。 a g m 8 1 8 0 平台 g m 8 1 8 0 平台是一个集成了处理器以及各种多媒体处理模块的嵌入式多媒体处理系统 如图3 2 。其核心采用智原科技( f a r a d a y 钕h n o l o g y ) 的高效能删- b 弱c dc p u ，最高 频率可达5 3 3 h z ，搭配h 2 “硬编解码器、i d e 控制器、网卡等外围设备，有效得满足其 在处理音视频数据的需要。 图3 2g m 8 l 平台结构图 g m 8 l8 0 作为一个高性能的嵌入式多媒体处理系统具有以下几个核心模块： f a 6 2 6 c p u f a 6 2 6 作为一块3 2 位的嵌入式刚s c 处理器，具有最高可达5 3 3 m h z 的处理频率。 他包含一个c p u 核、3 2 l 出的指令缓存和3 2 l ( b 的数据缓存，一个写缓存，一个内存管理 单元和一个i c e 仿真接口。 视频采集器 该平台拥有两个视频捕获端口，能独立的获取分辨率高达1 2 8 0 1 0 2 4 的视频数据流。 同时他具有自动降噪、保护细节和边缘信息的功能，另外该视频采集器还具有随意设定图 像分辨率、放大缩小图像的功能。其主要特点如下： 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 支持高达1 2 0 8 1 0 2 4 的分辨率 支持比