基于DSP視頻系統(tǒng)的CF卡FAT文件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了基于DSP視頻處理系統(tǒng)的CF卡FAT文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在DM642平臺上，以CF卡為存儲介質(zhì)對視頻數(shù)據(jù)進行實時存儲，存儲格式為FAT16文件系統(tǒng)；并與PC機兼容通過PC機對寫入CF卡的視頻文件進行各種基本操作。
關(guān)鍵詞：DSP視頻系統(tǒng)；CF卡；FAT16文件系統(tǒng)；實時存儲

0 引言
    隨著DSP系統(tǒng)在視頻處理領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用功能也在拓展。視頻存儲是DSP系統(tǒng)中不可或缺的功能，如何對經(jīng)過處理后的視頻數(shù)據(jù)進行靈活的存儲是目前DSP系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域面臨的問題之一。
    在存儲介質(zhì)的選擇中，CF卡以其容量大、功耗低、體積小等優(yōu)點成為目前主流的存儲介質(zhì)之一，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。為了能方便地在CF卡上進行數(shù)據(jù)存儲，需要在DSP系統(tǒng)中設(shè)計CF卡上的FAT文件系統(tǒng)。當(dāng)DSP系統(tǒng)應(yīng)用于視頻處理時，視頻處理是以幀為單位的，需要對每幀數(shù)據(jù)進行實時存儲。這就要求更復(fù)雜的FAT文件系統(tǒng)設(shè)計。
    本文在DM642視頻處理系統(tǒng)上，以CCS為開發(fā)平臺，對經(jīng)過壓縮后的視頻數(shù)據(jù)利用線程間SCOM通信，實時地存儲到CF卡中，存儲格式采用FAT16文件系統(tǒng)，并實現(xiàn)與PC機操作的兼容。

1 DSP視頻系統(tǒng)CF卡FAT文件系統(tǒng)設(shè)計
1．1 DSP系統(tǒng)模塊框架
    本文所涉及到的DSP視頻處理系統(tǒng)的框架示意圖如圖1所示。

    攝像頭采集視頻，通過DS進行各種處理，壓縮編碼后，存儲到CF卡中。系統(tǒng)軟件構(gòu)架包括視頻采集線程、視頻處理線程、視頻壓縮編碼線程、CF卡讀／寫線程、視頻壓縮解碼線程、視頻顯示線程。
1．2 FAT文件系統(tǒng)
    FAT16文件系統(tǒng)包括DBR(DOS BOOT RECORD)扇區(qū)、FAT表和FAT表備份、根目錄和數(shù)據(jù)區(qū)。DBK扇區(qū)是引導(dǎo)記錄區(qū)，占用分區(qū)的第0個扇區(qū)，512個字節(jié)。根目錄用于存儲文件的目錄項。FAT文件系統(tǒng)在存儲文件時將數(shù)據(jù)區(qū)以簇為單位劃分，簇大小由數(shù)據(jù)區(qū)大小決定。文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲情況都會在FAT表中體現(xiàn)出來。FAT表偏移位置對應(yīng)了數(shù)據(jù)區(qū)中的所有簇的序號，起始簇號是2。若一個文件占用了若干個簇，被占用的簇的序號對應(yīng)的FAT表的位置會做出相應(yīng)的標(biāo)識。
1．3 SCOM通信
    SCOM通信是RF5結(jié)構(gòu)中線程之間數(shù)據(jù)通信的方式。RF5結(jié)構(gòu)包含了四個處理部件：標(biāo)準(zhǔn)算法、單元、通道、和線程。這四個部件位于不同的層次，處理部件之間可以進行數(shù)據(jù)的通信。RF5中的數(shù)據(jù)通信包括線程級通信和單元級通信。其通信機理為使用結(jié)構(gòu)體進行信息傳遞。
    線程級通信中就利用SCOM通信來實現(xiàn)，即發(fā)送SCOM消息。SCOM消息是用戶定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于任務(wù)之間交換信息。為實現(xiàn)信息傳遞，某個任務(wù)申請一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以供其他任務(wù)讀／寫數(shù)據(jù)。
1．4 FAT16文件系統(tǒng)設(shè)計
    針對圖1中DSP視頻處理系統(tǒng)系統(tǒng)，本文設(shè)計了基本的文件操作：
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    格式化分為以下幾個步驟：
    (1)寫DBR扇區(qū)。將DBR扇區(qū)設(shè)在CF卡的起始位置。在DBR扇區(qū)中的內(nèi)容如表1所示。

    在BPB塊中，有兩個比較重要的字段，每簇扇區(qū)數(shù)m和每FAT扇區(qū)數(shù)n，偏移位置分別為0x0D和0x16。這兩個字段由CF卡的容量所決定的。本文中的CF卡容量為2G，m為128，n為128。
    (2)初始化FAT表和FAT2表。FAT表的起始標(biāo)識符是0xFFF8，在格式化后，其對應(yīng)各個簇號的有效內(nèi)容都為0，F(xiàn)AT2表作相同的處理。
    (3)初始化根目錄表。只需全部寫入0。
    初始化成功后，返回值為0，否則為-1。
    FAT_getfileinfo函數(shù)用于獲取文件的目錄項，參數(shù)是文件名和指向目錄項的指針。執(zhí)行此函數(shù)，第二個參數(shù)pfdt指向的結(jié)構(gòu)體存放文件對應(yīng)的目錄項。若文件名存在，函數(shù)返回目錄項在根目錄表的索引位置，若不存在或已刪除，返回-1。
    FAT_creat函數(shù)用于創(chuàng)建新文件，參數(shù)是文件名。首先調(diào)用FAT_getfileinfo函數(shù)，如果返回值不為-1，報錯返回0；申請目錄項空間，如果查找的范圍超出了根目錄表，報錯返回；申請成功后，對新建目錄項進行初始化。
    FAT_read函數(shù)用于讀取CF卡中的視頻文件，參數(shù)為文件名。讀取文件時系統(tǒng)的有效線程有CF卡讀線程、解碼線程、顯示線程。所以利用SCOM進行線程間通信時，不需要考慮CF卡的讀線程的上游線程同步，向壓縮編碼線程發(fā)送NULL消息即可。
    視頻數(shù)據(jù)在線程之間的傳遞是以幀為單位的，所以在進行讀文件時也是按幀讀取。而在FAT文件系統(tǒng)中，文件在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲又是按簇進行的，所以需要對視頻數(shù)據(jù)的存儲情況進行考慮。
    經(jīng)過壓縮的圖像幀包括幀頭信息和幀數(shù)據(jù)。幀頭信息包括幀大小和對應(yīng)的時間信息，占用一個扇區(qū)。圖像幀的存儲有圖2所示幾種情況。
    圖2(a)表示幀在簇內(nèi)存儲；圖2(b)表示幀在簇內(nèi)，但是幀尾也是簇尾；圖2(c)表示幀跨簇存儲，只有部分幀數(shù)據(jù)在下一簇；圖2(d)表示圖像幀跨簇存儲且只有幀頭在本簇。對這三種情況，要做不同的處理。

    FAT_read函數(shù)的具體操作步驟如下：
    (1)調(diào)用FAT_getfileinfo函數(shù)判斷文件是否存在，并獲取文件的目錄項信息。
    (2)讀取FAT表，并通過FAT表和目錄項中的起始簇號計算文件在數(shù)據(jù)區(qū)的偏移位置。
    (3)用剩余文件長度作為循環(huán)條件重復(fù)執(zhí)行以下操作。
    讀取幀頭信息，確定幀數(shù)據(jù)占的扇區(qū)數(shù)，并通過本簇已讀扇區(qū)判斷幀存儲情況。參照圖2，若是情況(a)，則在讀幀頭和幀數(shù)據(jù)時都不需要更新；若是情況(b)，則在讀完此幀數(shù)據(jù)后更新簇號；若是情況(c)，則在讀幀數(shù)據(jù)時更新簇號；如果是情況(d)，則在讀取幀頭后就立即更新簇號。保存幀頭的時間和長度信息，和幀數(shù)據(jù)信息利用SCOM通信一并發(fā)送至解碼線程。語句如下，
    MsgWork．bufChannel=FRAME_BUF；／／對SCOM消息賦值
    SCOM_putMsg(fromWorktoEnc,NULL)；／／向上游線程發(fā)送同步信息
    SCOM putMsg(fromWorktoDec,&MsgWork)；／／向下游線程發(fā)送SCOM消息
    SCOM_getMsg(fromDectoWork，SYS_FOREVER)；／／等待接受下游線程同步消息
    FAT_write為寫文件函數(shù)，參數(shù)為文件名和寫命令。寫命令為TRUE時，實現(xiàn)文件拼接，為FALSE時，實現(xiàn)文件覆蓋。寫文件時，系統(tǒng)中的線程全為有效線程，所以在線程通信和同步時需要同時考慮上下游線程。[!--empirenews.page--]
    (1)讀取文件的目錄項信息，獲得其長度，起始簇號等信息，通過簇鏈找到文件已寫到的最后一個簇號。并利用文件長度信息，計算出最后一簇已寫的扇區(qū)數(shù)。若writen_seetnum為0，則需要尋找下一個未占用的簇。
    (2)利用SCOM通信獲取編碼線程發(fā)送過來的幀頭信息和幀數(shù)據(jù)，將其寫入CF卡，按照圖2所示的4種情況進行處理。與讀文件不同的是，在更新簇號時需要尋找未占用簇。
    (3)寫完此幀數(shù)據(jù)后，通過SCOM通信向解碼線程發(fā)送數(shù)據(jù)消息，并更新目錄項和FAT表及FAT2表。
    (4)重復(fù)以上步驟。寫完所有的圖像幀后，將更新后的目錄項FAT表及FAT2表寫入CF卡相應(yīng)位置。
    若要實現(xiàn)文件覆蓋，在寫文件之前調(diào)用FAT_delete函數(shù)將文件刪除，然后再重新創(chuàng)建寫入即可。
    FAT_delete函數(shù)首先調(diào)用FAT_getfileinfo函數(shù)判斷文件是否存在，若存在則獲取文件的目錄項及其索引位置。將FAT表中的簇鏈清除，并將目錄項中文件名的第一個字符值置為0xe5，表示已刪除。

2 實驗結(jié)果與結(jié)論
    CF卡FAT文件系統(tǒng)的設(shè)計功能分別在DM642平臺和Windows操作系統(tǒng)中得到了驗證。在DM642視頻處理平臺上，可對文件進行各種操作，包括格式化CF卡，創(chuàng)建新的空文件，寫入視頻文件，包括以拼接方式寫文件和以覆蓋方式寫文件，刪除文件。
    在DM642平臺上寫入4個視頻文件到CF卡，視頻文件經(jīng)過H．264格式壓縮，每個文件寫入200幀。將CF卡通過讀卡器與PC機連接，可在PC機中查看到文件并進行各種操作，如刪除、移動、復(fù)制等。
    圖3是CF卡在Windows系統(tǒng)中視頻文件的查看。

    圖4為WinHex工具下查看的CF文件系統(tǒng)信息內(nèi)容，可以查看到CF卡中的內(nèi)容存放形式以及各個部分的起始位置以及占用空間大小。

    實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的FAT文件系統(tǒng)能成功地運用在DSP視頻處理平臺上。通過該系統(tǒng)，可對視頻數(shù)據(jù)進行FAT文件格式的實時存儲。此系統(tǒng)設(shè)計方案還可應(yīng)用于一相關(guān)存儲設(shè)備(如SD卡)和實時系統(tǒng)。