用FPGA的直写硬盘图像记录技术.doc

用FPGA的直写硬盘图像记录技术 三旦生苎二三王一第卷第期光电工程丝?！翌！堡?！塑?！（）用的直写硬盘图像记录技术栾志超，欧阳益民，李红川，杨涛（中国科学院光电技术研究所，四川成都）摘要根据硬盘的工作原?，结合标准，在分析现有图像记录系统的基础上，提出了一种由直接控制硬盘实现实时图像无损记录的存储技术。 该技术最大限度地保存了原始图像信息，同时具有受计算机干预小、?于扩展升级、性价比高等优点。 目前采用两块硬盘时记录速度达到，。 关键词图像记录；直写硬盘传输?，对，珂，蚴。 打廿，硒虹嘶锄，石，也毗，；甚引言高帧频、大阵列图像传感器的出现，为获取?多的图像信息，尤其是捕获快速运动目标在特定时间段内的瞬间变化提供了先决条件。 为了对目标的实时图像进?精确的事后处?需要将图像无损的保存下来，然而现有的图像记录方法?能满足高速实时图像无损记录的要求，通过研究硬盘存储技术，采用直写硬盘的记录方法，可以很好的实现高速实时图像的无损记录。 在计算机应用与社会信息化飞速发展的今天，硬盘记录可以快速实现图像再现、进?计算机判读处?、方?的数据保存与共享，具有广阔的应用和发展前景。 现有图像记录技术的分析现有的图像记录方法有多种，比如胶片记录或基于计算机的图像记录。 对于胶片记录方法，虽然可以实现高速无损记录，但是胶片冲洗时间长无法达到快速再现记录图像的目的。 使得整个事后处?周期加长，而且需要专门的冲洗设备，高质?的冲洗设备成本较高，还需要专门的事后处?设备。 在实现快速计算机处?、数据保存共享等方面胶片记录有很多的?足。 基于计算机的图像记录，虽然实现了图像记录的一；收到修改稿日期作者简介栾志超（一）男（汉族）吉?永吉硕士主要从事图像处?研究。 万方数据竺一垄皇三堡苎！兰苎！塑数字化、在事后处?、数据共享等方面有了飞跃。 但是仍有以下几点?足第一，存在图像数据在系统总线与内存问的周转；第二，操作系统的多任务性存在任务调度的问题；第三，在写图像数据到硬盘上的时候还要写其它规定的区域；第四，磁盘上碎片的存在会造成在读写数据时出现磁头的大幅度移动。 这四点?足?仅存在数据周转耗时，而且使硬盘的工作速度没有完全发挥。 随着图像压缩算法的出现，采用图像压缩的方法，虽然在一定程度上可以提高记录速度，但是，大多图像压缩算法会造成图像信息的丢失，而且实现压缩算法，必然存在耗时问题，以及在些特定的应用中，要求进?高精度的事后处?，因此必须最大限度地保留原始图像信息。 硬盘的数据传输率分为外部传输率和内部传输率。 般来说内部传输率是评价一个硬盘性能的最重要的指标，而外部数据传输率对硬盘性能的影响几乎是微乎其微的。 通过比较发现硬盘在外部传输率上要优于硬盘，但是在内部传输速率上与硬盘是相当的。 在单硬盘的操作场合，硬盘的占用率低、接口智能化程度高等优势无法体现，同时，在价格上硬盘高于硬盘。 综上，采用硬盘作为记录硬盘?仅在性能上满足要求而且降低了实现该技术的成本。 通过上述的分析，采用直写硬盘记录的方法，?仅可以完全发挥硬盘的工作速度，而且图像数据?经过过多环节的周转，减少了数据在传输中的耗时同时图像数据直接写入硬盘，实现了无损记录。 整个工作过程受计算机干预小，满足脱机运?的要求。 系统结构该技术实现框图如图所示，主要由逻辑设计与命令接口两部分组成。 设计与硬盘控制对硬盘实现控制，可以采用专用硬盘控制芯片，也可以用可编程逻辑器件来实现。 由于专用的控制芯片功能繁杂、?利于系统的升级优化难于应用，所以采用实现硬盘控制。 用实现硬盘控制必须按照颁布的标准来进?设计。 队标准中提供了两种数据传输模式卜出豳”宁甲图系统结构框图?蠹辜帅啪恤佗模式和模式。 模式是最基本的编程控制的数据输入输出方法；模式是直接存储器访问数据传输，速度高，但是实现起来较模式复杂。 从标准中可以发现，硬盘接口实际上是一种任务寄存器结构的接口，所有的输入，输出操作均通过对相应寄存器的读，写来完成。 通过对命令寄存器组的写命令及命令参数，实现命令的执?，进而实现数据传输；通过对控制寄存器组的操作可以实现硬盘状态控制及得到硬盘的交换状态信息。 在写命令、读状态、数据传输的循环操作中，实现了对硬盘的操作过程。 图为设计中的功能框图。 命令接口实现接收外部的命令；读，写模块是实现对硬盘进?具体操作的模块，也是整个设计中最为重要的模块；硬盘接口模块实现与硬盘的直接接口，在本模块同时还要实现多?开关的功能实现与读模块和写模块的选择连通。 图为读，写模块的实现框图。 在命令译码模块中接收命令接口模块的命令并译码后传递给命令及参数模块；命令及参数模块通过判断读状态模块的状态，进?相应的命令及参数的设置；寄存器地址产生模块产生相应寄存器地址；读状态模块读取硬开图设计功能框图击耶“图读写模块框图髓，【】万方数据?月一，一盘的交换状态寄存器的状态信息；数据口同图像传感器的数据线连接并与硬盘的数据总线及缓存的数据线相连；协调各模块间的工作是由状态机控制模块实现的。 需要强调的是，各模块有相应的状态信息输出到外部供监测及其他应用。 整个设计采用描述语言，模块化设计方法及完全的同步设计。 缓存从图像传感器输出的数据是无间断的，但是要将数据写入硬盘存在寻道、磁头移动等问题，这就要花费时间，而这个时间又是?固定的，所以，为了协调图像传感器输出数据与硬盘写数据到盘片上之间的速度差异，需要进?数据缓存。 采用的是双组存储器交替缓存，这样可以保证?丢失数据。 对于硬盘来说，在大部分时阃内写数据到盘片上的速度要快于图像传感器输出数据的速度，所以，从原?上来说，选择大容?、高速度的缓冲存储器可以弥补在极短时间内写数据到盘片上的速度慢于图像传感器输出数据的速度的缺陷，这对于提高记录速度是有帮助的。 命令接口命令接口主要完成命令的接收，这?采用的是局部总线接口来实现命令的传送。 可以采用的接口形式有多种，可以是基于计算机的也可以是脱离计算机的，比如接口、接口、双口等。 栾志超等用的直写硬盘图像记录技术实验结果与讨论通过实际验证，在模式的工作下，单硬盘记录速度可以达到，。 如果采用双硬盘录，记录速度可以达到，双硬盘工作原?与单硬盘的基本相同，?于扩充及提高记录速度。 实际应用中，对相机工作在、分辨?为的情况下，采用两块公司的”噙硬盘实现了分钟的无压缩图象记录。 该方法?仅结构简单紧凑、成本低、满足高速图像无损记录的要求，实现了脱机记录模式；在?改变系统硬件结构的情况下，相应改变的设计，比如采用模式，?可以升级改进；相应提高时钟频率、增大缓存容?、或者采用性能?优良的硬盘，还可以提高记录速度。 参考文献?【血【】“，李广军，孟宪元可编程设计及应用】成都电子科技大学出版社，【】陈利学，孙彪，赵玉连微机总线与接口设计【】成都电子科技大学出版社。 电峙喈，憎峙嘈崎憎嘈由嘈憎嘈憎憎嘈嘈憎嘈畸憎嘈崎嘈嘈喈嘈峙增删时畸喈喈喈喈喈喈喈峙憎嘈（上接第页）工具?径补偿模型进?补偿磨削，可以显著的提高非球面的面形精度，这种补偿方法是有效的。 参考文献【，【】，西眦鲥“眦埘圳，叫耐，（）一】，【】，【）【】陈明君，张飞虎，董中光学非球面元件的超精密磨柙加工技术研究叨光学技术，（）【】哟，荫腊】皿把鹊嚣，?（）【】，田，婚绷肿【】?（）】郭隐彪，杨继东，粱锡昌，等轴对称非球面磨具加工中的补偿技术【】中国机械工程，（）【潘君骅光学非球面的设计、加工与检测【】?京科学出版社，万方数据用FPGA的直写硬盘图像记录技术作者刊名英文刊名年，卷(期)被引用次数栾志超，欧阳益民，李红川，杨涛中国科学院光电技术研究所,四川,成都,610209光电工程OPTO-ELECTRONIC ENGINEERINGxx，30 (6)9次参考文献(3条)1.MCLEAN PeterT Informationtechnology-at attachmentwith packetinterface-7volume2xx2.李广军.孟宪元可编程ASIc设计及应用20003.陈利学.孙彪.赵玉连微机总线与接口设计1998相似文献(1条)1.学位论文张定国高速波前传感器图像记录技术研究xx随着高帧频CCD图像传感器在自适应光学系统中的快速发展，我们能够获取更多的波前传感器图像，这些图像数据包含大量的重要信息，对自适应光学系统的分析具有重要意义。 而目前的图像记录系统，记录的数据量少，实时性不高占用系统总线。 因此，需要研究一种脱机工作方式下，长时间，实时无损的图像记录系统。 本文在分析了多种数据存储技术和IDE硬盘技术的基础上，针对高速传感器的数据流特点，提出了采用FPGA直写硬盘的方法，实现波前传感器图像的实时记录，并对该方法进行了可行性分析。 设计并建立了基于FPGA控制的直写硬盘图像记录实验平台。 在该平台上，设计了PIO4控制器，实现对硬盘的读写和控制；为了将图像数据高速写入硬盘，设计了UDMA5写控制器，实现图像数据以100MB/s的接口速度写入硬盘缓存区；利用PCI接口实现监控计算机与实验平台的通信以及事后图像数据的读取。 实验结果表明，在单硬盘的情况下，实验平台能以24MB/s的平均速度稳定运行，可以满足速率不高于24MB/s的波前传感器图像的实时记录。 此外该平台具有结构紧凑，存储容量大，可以脱机工作，易于扩展升级，性价比高等优点。 关键字图像记录，直写硬盘，PIO4，UDMA5引证文献(9条)1.曾峦.赵忠文嵌入式高速实时图像存储系统期刊论文-测控技术xx(z1)2.李晓娟.刘学斌.胡炳樑.程海波基于FPGA的CCD相机高速数据记录系统期刊论文-科学技术与工程xx (19)3.张定国.李梅基于FPGA控制的高速图像实时存储期刊论文-现代电子技术xx (16)4.李晓娟.刘学斌.胡炳樑.程海波基于FPGA的Ultra DMA写控制器的实现期刊论文-科学技术与工程xx (15)5.盛翠霞.张涛.陈俊江.姚清华.袁红艳基于FAS466的高速CCD相机数字视频实时存储系统设计期刊论文-电子技术应用xx (6)6.刘斌兵船载雷达图像压缩记录系统研制学位论文硕士xx7.金涛多通道高速数据采集录取系统学位论文