關于機頂盒硬盤接口設計及其文件實現(xiàn)要點

硬盤接口及驅(qū)動

    本文簡要地介紹了機頂盒硬盤接口技術以及文件系統(tǒng)的實現(xiàn)要點，并通過兩個例子(PVR和NVOD)說明了具有硬盤接口的機頂盒的用途。

    文/姚春光國防科技大學

    文/陶雄飛華中科技大學

文件系統(tǒng)

   (1)通過ATAIdentifyDevice()來探測是否有硬盤存在；

    (2)通過ATASetTransferMode()配置硬盤的傳輸方式；

    (3)通過ATAExecuteDeviceDiagnostic()該函數(shù)來獲取硬盤的信息，執(zhí)行該函數(shù)后硬盤會返回512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中就包括硬盤的相關信息，例如硬盤容量，生產(chǎn)商，序列號，柱面數(shù)，磁頭數(shù)，扇區(qū)數(shù)等；如果沒有返回這512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么就說明硬件上的電路或者程序存在問題；這個步驟必須通過，否則之后的工作無法進行；

    (4)在完成以上3步后，就基本上可以對硬盤進行直接的讀寫操作了，采用

    ATARead(UINT32start_sector,UINT32sector_count,UINT8*sector_data),

    ATAWrite(UINT32start_sector,UINT32sector_count,UINT8*sector_data)

    這兩個函數(shù)對硬盤進行讀寫，在測試時必須注意，硬盤屬于塊設備，以扇區(qū)為單位，每個扇區(qū)512個字節(jié)，所以讀寫的數(shù)據(jù)量都是512的整數(shù)倍，也就是說，即使寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，對硬盤來說就是寫一個扇區(qū)，讀亦然。

    2文件系統(tǒng)

    為了增強應用程序的可移植性，同時為了方便對硬盤中的文件進行讀寫，必須對這些文件進行管理，對文件進行管理的軟件以及被管理的文件被稱為文件系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度看，文件系統(tǒng)是對存放文件的存儲空間進行組織、分配，負責文件的讀寫，并對存入的文件進行保護和檢索的系統(tǒng)，而從用戶的角度看，文件系統(tǒng)為用戶提供了按“名字”存取的機制。文件系統(tǒng)設計直接關系到對硬盤訪問的性能，文件系統(tǒng)在PVR機頂盒中占有非常重要的作用。

    在機頂盒的硬盤中進行文件的存取具有以下的特點。

    (1)目前的機頂盒大多數(shù)是在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的資源有限；

    (2)機頂盒的硬盤中存放的大多都是音、視頻文件，而音、視頻文件一般來說都比較大；

    (3)機頂盒存放的音、視頻文件、數(shù)據(jù)文件是從有線電視網(wǎng)絡中接收的，音、視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)乃俣容^快。

    因此其文件系統(tǒng)的設計應從以下幾方面進行考慮。

    2.1硬盤空間的管理

    目前的硬盤可以容納幾十GB的數(shù)據(jù)，要把一個文件存放到硬盤，首先要考慮的是把這些數(shù)據(jù)存放到硬盤的什么地方，這就需要建立一個管理磁盤空間的登記表，它記錄在硬盤中，那些地方已存數(shù)據(jù)，哪些地方未存數(shù)據(jù)。

    其次，文件系統(tǒng)存放數(shù)據(jù)一般都是以簇為單位的，簇的大小一般為扇區(qū)大小的整數(shù)倍，因此，文件都是以簇為單位來分配磁盤空間的，簇大小的確定對于文件系統(tǒng)的性能有重要的影響，簇太大，那么一個文件即使只有一個字節(jié)，也要占據(jù)一個簇的空間，簇太小，一個文件有很多塊組成，每讀寫一個磁盤塊，都有尋道延遲和旋轉(zhuǎn)延遲，從而導致文件的讀寫速度變慢。

硬盤空間的管理

   在機頂盒的硬盤中存放的大多都是音、視頻等比較大的文件，另外，由于機頂盒對文件系統(tǒng)的存取速度的要求比較高，因此，機頂盒文件系統(tǒng)的簇可以相對大些。

    2.2磁盤調(diào)度算法

    對硬盤中的某一磁盤塊進行讀寫時，要控制磁盤臂的伸縮，將磁盤臂上的磁頭移到相應的磁道，通過磁盤的轉(zhuǎn)動，對準相應扇區(qū)，這樣才能讀寫該扇區(qū)的數(shù)據(jù)，因此，讀寫磁盤塊所需要的時間取決于下面3個因素。

    (1)尋道時間，即將磁頭移到相應柱面的時間；

    (2)尋扇區(qū)時間，即將相應扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面的時間；

    (3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。

    對于大多數(shù)硬盤而言，尋道時間大約為ms級，尋道時間遠大于尋扇區(qū)時間和數(shù)據(jù)傳輸時間的開銷。對磁盤的調(diào)度，主要考慮的是如何縮短尋道時間，這就涉及到磁盤調(diào)度算法。

    對磁盤進行調(diào)度的算法有很多種，如先來先服務算法、按優(yōu)先級高優(yōu)先服務的算法、最短尋道算法以及電梯算法等等。根據(jù)所設計系統(tǒng)的目標的不同，可以采用不同的算法來設計文件系統(tǒng)。

    2.3磁盤緩沖算法

    由于訪問內(nèi)存的速度要遠遠高于訪問硬盤的速度，因此，可以采用內(nèi)存緩沖的來提高系統(tǒng)的系統(tǒng)。

    應用程序在讀取一個磁盤塊的數(shù)據(jù)時，有可能還需要下一磁盤塊的數(shù)據(jù)；在向一個磁盤塊寫入數(shù)據(jù)時，可能還要向下一磁盤塊寫入數(shù)據(jù)。這樣的話，在請求讀取數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)就多讀取一塊或幾塊的數(shù)據(jù)，如果應用程序下一次真的需要這一塊數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)已經(jīng)緩沖到內(nèi)存中了。同樣，應用程序在向硬盤寫入數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)并不把這些數(shù)據(jù)寫入到硬盤中，而是將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存的緩沖區(qū)中，等緩沖到一定的程度才將數(shù)據(jù)寫入磁盤。

    上面的對數(shù)據(jù)進行緩沖的方法對PVR機頂盒的文件系統(tǒng)是十分適用的，PVR機頂盒讀寫的文件一般都是比較大的音、視頻文件，而且，在錄/放的過程中，本次讀寫完成后，一般還會對隨后下一塊數(shù)據(jù)進行讀寫，對數(shù)據(jù)進行緩沖的算法可以提高系統(tǒng)的響應速度。

    另外，一個完整、健壯的文件系統(tǒng)還需要有數(shù)據(jù)保護、錯誤恢復等功能，在此不贅述。

    3應用

    具有硬盤接口的機頂盒的應用十分廣泛，如音樂下載欣賞，個人數(shù)字錄像機(PVR)，準視頻點播(NVOD)等等，下面將簡單的介紹它在PVR和NVOD中的應用。

    3.1PVR

    PVR機頂盒接收來自有線電視網(wǎng)絡的數(shù)字信號，經(jīng)過解調(diào)、解復用等處理后得到的音、視頻PES(PacketedElementaryStream)數(shù)據(jù)被存放到硬盤中，以供用戶在以后的任何時刻觀看。由于硬盤容量大，能存儲的節(jié)目量相當可觀的，另外，硬盤還有定位快的特點，因此，PVR機頂盒能輕松實現(xiàn)快進、快退、暫停等操作，還可以迅速的跳躍到任何時段進行播放，讓用戶盡情享受數(shù)字電視帶來的樂趣。

應用

    PVR機頂盒接收的數(shù)據(jù)在硬盤中是以PES數(shù)據(jù)包的格式存儲于硬盤的。機頂盒接收CABEL的射頻信號，經(jīng)過解調(diào)模塊后輸出TS流到解復用模塊，通過解復用模塊對音、視頻PID過濾后形成音、視頻的PES分組數(shù)據(jù)送到音、視頻的接收緩沖區(qū)中，然后存儲到硬盤中，回放時，從硬盤中讀取PES數(shù)據(jù)，送到播放緩沖區(qū)，經(jīng)DMA送入AV解碼模塊，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。工作在PIO4方式下的硬盤完全滿足PVR機頂盒數(shù)據(jù)存取的需要。

    圖2PVR機頂盒的數(shù)據(jù)處理流程

    在圖2中，虛線框①表示數(shù)字電視播放的數(shù)據(jù)流程，虛線框②表示的是錄制節(jié)目的數(shù)據(jù)流程，虛線框③表示的是節(jié)目回放的數(shù)據(jù)流程。

    以上3個數(shù)據(jù)流程經(jīng)過一定的組合可以組成不同的工作方式，如圖2的邊錄邊放方式由①、②完成，圖3中的Time-Shift播放方式由②、③完成。

    建立在EPG(ElectronicProgramGuide)的基礎之上的預約錄制的功能是PVR機頂盒的一大特色，根據(jù)EPG信息中的節(jié)目預告，選擇喜愛的節(jié)目，一旦該節(jié)目播放的時間到，即對節(jié)目進行錄制，預約錄制如果能結合定時開機，效果會更好。

    3.2NVOD

    伴隨計算機寬帶網(wǎng)絡技術及數(shù)字視頻技術的發(fā)展，視頻點播(VOD)服務成為現(xiàn)實。真視頻點播(TVOD，TrueVideoonDemand)可為每個客戶提供一個信道，滿足客戶隨時點播、隨時響應的需求，TVOD提高了系統(tǒng)的交互性能，卻以犧牲系統(tǒng)帶寬為代價。準視頻點播(NVOD，NearVideoonDemand)是將同一音視頻文件在相隔一定時間段的幾個信道播放，如圖3所示，NVOD實現(xiàn)了利用有限帶寬為眾多用戶提供服務的功能。

    圖3傳統(tǒng)NVOD示意圖

    在圖3中，陰影部分表示播放的音視頻數(shù)據(jù)，在t0時刻開始在信道1廣播這些數(shù)據(jù)，在t1(=t0+Δt)時刻開始在信道2廣播，以此類推。

    Δt=L/n，其中L是播放整個音視頻數(shù)據(jù)所需的時間，n為信道數(shù)，Δt是最大等待時間(即用戶等待此音視頻數(shù)據(jù)從頭播放所需最長的時間)。如果L=120min，4個信道用來傳送數(shù)據(jù)，那么最大等待時間為30min。

    為了縮小等待時間，而不占用更多的帶寬資源，一個普遍的方法是將音視頻數(shù)據(jù)分割成固定長度的分段，然后將這些分段在按照一定的規(guī)律在幾個信道中廣播，這些方法中比較有代表性的有快速廣播(FB)算法，PAGODA算法等，但是這些算法都是建立在接收終端具有一定的緩沖能力的基礎上的。

    圖4FB算法示意圖

    圖4為k＋1個信道的FB算法示意圖，長度為L的音視頻數(shù)據(jù)被分成了N=2k+1-1個分段，每個分段長度為Δt＝L/N，各個分段在各自的信道上按以下的原則播發(fā)：

    在信道k上按順序廣播分段組{S2k-1…S2k-1}。

    按照以上播發(fā)的機制，在機頂盒沒有緩沖能力的情況下，只有在t=t1時刻才能無間斷的收看完所有的音視頻數(shù)據(jù)。

結束語

    如果機頂盒有硬盤接口，那么硬盤就可以用來緩沖數(shù)據(jù)，由于硬盤在PIO4方式下的最高傳輸速率為16.6Mbit/s，在傳輸流的碼率為4Mbit/s時只能緩沖4個信道的數(shù)據(jù)，即通過5個通道傳輸NVOD數(shù)據(jù)，本文以k=4個信道為例，音視頻數(shù)據(jù)被分割為N=15個分段，機頂盒在t=t0時刻開始接收并播放音視頻數(shù)據(jù)分段S1，同時，將S2、S4、S8數(shù)據(jù)分段緩沖到硬盤中，在t=t1時刻，分段S1播放完畢后，從硬盤中讀取S2分段并播放，與此同時，將S3、S5、S9數(shù)據(jù)緩沖到硬盤中，按照這樣的方法，就可以無間斷的播放完所有的音視頻數(shù)據(jù)。在其它的t=t0+i*Δt時刻都可以通過緩沖的方式播放完所有的數(shù)據(jù)。如果L=120min，則用戶的等待時間最大為Δt=L/N=120/15=8min，大大小于傳統(tǒng)NVOD的等待時間，表2是一些有代表性的NVOD算法和傳統(tǒng)的NVOD在信道個數(shù)k=4，音視頻數(shù)據(jù)長度L=120min時，視頻可分割的最大分段數(shù)和最大等待時間。

作者簡介

    姚春光：博士生，研究范圍包括衛(wèi)星通信信道編碼、調(diào)制解調(diào)技術，數(shù)字信號處理及其FPGA實現(xiàn)等。

    陶雄飛：博士生，研究方向為多媒體與通信系統(tǒng)等。

    張�。焊呒壒こ處�，主要研究方向為衛(wèi)星通信和光通信等。

    葛新：工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信和無線電頻譜管理等。