关于机顶盒硬盘接口设计及其文件实现要点

硬盘接口及驱动

    本文简要地介绍了机顶盒硬盘接口技术以及文件系统的实现要点，并通过两个例子(PVR和NVOD)说明了具有硬盘接口的机顶盒的用途。

    文/姚春光国防科技大学

    文/陶雄飞华中科技大学

文件系统

   (1)通过ATAIdentifyDevice()来探测是否有硬盘存在；

    (2)通过ATASetTransferMode()配置硬盘的传输方式；

    (3)通过ATAExecuteDeviceDiagnostic()该函数来获取硬盘的信息，执行该函数后硬盘会返回512个字节的数据，其中就包括硬盘的相关信息，例如硬盘容量，生产商，序列号，柱面数，磁头数，扇区数等；如果没有返回这512个字节的数据，那么就说明硬件上的电路或者程序存在问题；这个步骤必须通过，否则之后的工作无法进行；

    (4)在完成以上3步后，就基本上可以对硬盘进行直接的读写操作了，采用

    ATARead(UINT32start_sector,UINT32sector_count,UINT8*sector_data),

    ATAWrite(UINT32start_sector,UINT32sector_count,UINT8*sector_data)

    这两个函数对硬盘进行读写，在测试时必须注意，硬盘属于块设备，以扇区为单位，每个扇区512个字节，所以读写的数据量都是512的整数倍，也就是说，即使写一个字节的数据，对硬盘来说就是写一个扇区，读亦然。

    2文件系统

    为了增强应用程序的可移植性，同时为了方便对硬盘中的文件进行读写，必须对这些文件进行管理，对文件进行管理的软件以及被管理的文件被称为文件系统。从系统的角度看，文件系统是对存放文件的存储空间进行组织、分配，负责文件的读写，并对存入的文件进行保护和检索的系统，而从用户的角度看，文件系统为用户提供了按“名字”存取的机制。文件系统设计直接关系到对硬盘访问的性能，文件系统在PVR机顶盒中占有非常重要的作用。

    在机顶盒的硬盘中进行文件的存取具有以下的特点。

    (1)目前的机顶盒大多数是在嵌入式系统上实现，嵌入式系统的资源有限；

    (2)机顶盒的硬盘中存放的大多都是音、视频文件，而音、视频文件一般来说都比较大；

    (3)机顶盒存放的音、视频文件、数据文件是从有线电视网络中接收的，音、视频数据在网络中传输的速度较快。

    因此其文件系统的设计应从以下几方面进行考虑。

    2.1硬盘空间的管理

    目前的硬盘可以容纳几十GB的数据，要把一个文件存放到硬盘，首先要考虑的是把这些数据存放到硬盘的什么地方，这就需要建立一个管理磁盘空间的登记表，它记录在硬盘中，那些地方已存数据，哪些地方未存数据。

    其次，文件系统存放数据一般都是以簇为单位的，簇的大小一般为扇区大小的整数倍，因此，文件都是以簇为单位来分配磁盘空间的，簇大小的确定对于文件系统的性能有重要的影响，簇太大，那么一个文件即使只有一个字节，也要占据一个簇的空间，簇太小，一个文件有很多块组成，每读写一个磁盘块，都有寻道延迟和旋转延迟，从而导致文件的读写速度变慢。

硬盘空间的管理

   在机顶盒的硬盘中存放的大多都是音、视频等比较大的文件，另外，由于机顶盒对文件系统的存取速度的要求比较高，因此，机顶盒文件系统的簇可以相对大些。

    2.2磁盘调度算法

    对硬盘中的某一磁盘块进行读写时，要控制磁盘臂的伸缩，将磁盘臂上的磁头移到相应的磁道，通过磁盘的转动，对准相应扇区，这样才能读写该扇区的数据，因此，读写磁盘块所需要的时间取决于下面3个因素。

    (1)寻道时间，即将磁头移到相应柱面的时间；

    (2)寻扇区时间，即将相应扇区旋转到磁头下面的时间；

    (3)数据传输的时间。

    对于大多数硬盘而言，寻道时间大约为ms级，寻道时间远大于寻扇区时间和数据传输时间的开销。对磁盘的调度，主要考虑的是如何缩短寻道时间，这就涉及到磁盘调度算法。

    对磁盘进行调度的算法有很多种，如先来先服务算法、按优先级高优先服务的算法、最短寻道算法以及电梯算法等等。根据所设计系统的目标的不同，可以采用不同的算法来设计文件系统。

    2.3磁盘缓冲算法

    由于访问内存的速度要远远高于访问硬盘的速度，因此，可以采用内存缓冲的来提高系统的系统。

    应用程序在读取一个磁盘块的数据时，有可能还需要下一磁盘块的数据；在向一个磁盘块写入数据时，可能还要向下一磁盘块写入数据。这样的话，在请求读取数据时，系统就多读取一块或几块的数据，如果应用程序下一次真的需要这一块数据时，数据已经缓冲到内存中了。同样，应用程序在向硬盘写入数据时，系统并不把这些数据写入到硬盘中，而是将数据保存到内存的缓冲区中，等缓冲到一定的程度才将数据写入磁盘。

    上面的对数据进行缓冲的方法对PVR机顶盒的文件系统是十分适用的，PVR机顶盒读写的文件一般都是比较大的音、视频文件，而且，在录/放的过程中，本次读写完成后，一般还会对随后下一块数据进行读写，对数据进行缓冲的算法可以提高系统的响应速度。

    另外，一个完整、健壮的文件系统还需要有数据保护、错误恢复等功能，在此不赘述。

    3应用

    具有硬盘接口的机顶盒的应用十分广泛，如音乐下载欣赏，个人数字录像机(PVR)，准视频点播(NVOD)等等，下面将简单的介绍它在PVR和NVOD中的应用。

    3.1PVR

    PVR机顶盒接收来自有线电视网络的数字信号，经过解调、解复用等处理后得到的音、视频PES(PacketedElementaryStream)数据被存放到硬盘中，以供用户在以后的任何时刻观看。由于硬盘容量大，能存储的节目量相当可观的，另外，硬盘还有定位快的特点，因此，PVR机顶盒能轻松实现快进、快退、暂停等操作，还可以迅速的跳跃到任何时段进行播放，让用户尽情享受数字电视带来的乐趣。

应用

    PVR机顶盒接收的数据在硬盘中是以PES数据包的格式存储于硬盘的。机顶盒接收CABEL的射频信号，经过解调模块后输出TS流到解复用模块，通过解复用模块对音、视频PID过滤后形成音、视频的PES分组数据送到音、视频的接收缓冲区中，然后存储到硬盘中，回放时，从硬盘中读取PES数据，送到播放缓冲区，经DMA送入AV解码模块，数据处理流程如图2所示。工作在PIO4方式下的硬盘完全满足PVR机顶盒数据存取的需要。

    图2PVR机顶盒的数据处理流程

    在图2中，虚线框①表示数字电视播放的数据流程，虚线框②表示的是录制节目的数据流程，虚线框③表示的是节目回放的数据流程。

    以上3个数据流程经过一定的组合可以组成不同的工作方式，如图2的边录边放方式由①、②完成，图3中的Time-Shift播放方式由②、③完成。

    建立在EPG(ElectronicProgramGuide)的基础之上的预约录制的功能是PVR机顶盒的一大特色，根据EPG信息中的节目预告，选择喜爱的节目，一旦该节目播放的时间到，即对节目进行录制，预约录制如果能结合定时开机，效果会更好。

    3.2NVOD

    伴随计算机宽带网络技术及数字视频技术的发展，视频点播(VOD)服务成为现实。真视频点播(TVOD，TrueVideoonDemand)可为每个客户提供一个信道，满足客户随时点播、随时响应的需求，TVOD提高了系统的交互性能，却以牺牲系统带宽为代价。准视频点播(NVOD，NearVideoonDemand)是将同一音视频文件在相隔一定时间段的几个信道播放，如图3所示，NVOD实现了利用有限带宽为众多用户提供服务的功能。

    图3传统NVOD示意图

    在图3中，阴影部分表示播放的音视频数据，在t0时刻开始在信道1广播这些数据，在t1(=t0+Δt)时刻开始在信道2广播，以此类推。

    Δt=L/n，其中L是播放整个音视频数据所需的时间，n为信道数，Δt是最大等待时间(即用户等待此音视频数据从头播放所需最长的时间)。如果L=120min，4个信道用来传送数据，那么最大等待时间为30min。

    为了缩小等待时间，而不占用更多的带宽资源，一个普遍的方法是将音视频数据分割成固定长度的分段，然后将这些分段在按照一定的规律在几个信道中广播，这些方法中比较有代表性的有快速广播(FB)算法，PAGODA算法等，但是这些算法都是建立在接收终端具有一定的缓冲能力的基础上的。

    图4FB算法示意图

    图4为k＋1个信道的FB算法示意图，长度为L的音视频数据被分成了N=2k+1-1个分段，每个分段长度为Δt＝L/N，各个分段在各自的信道上按以下的原则播发：

    在信道k上按顺序广播分段组{S2k-1…S2k-1}。

    按照以上播发的机制，在机顶盒没有缓冲能力的情况下，只有在t=t1时刻才能无间断的收看完所有的音视频数据。

结束语

    如果机顶盒有硬盘接口，那么硬盘就可以用来缓冲数据，由于硬盘在PIO4方式下的最高传输速率为16.6Mbit/s，在传输流的码率为4Mbit/s时只能缓冲4个信道的数据，即通过5个通道传输NVOD数据，本文以k=4个信道为例，音视频数据被分割为N=15个分段，机顶盒在t=t0时刻开始接收并播放音视频数据分段S1，同时，将S2、S4、S8数据分段缓冲到硬盘中，在t=t1时刻，分段S1播放完毕后，从硬盘中读取S2分段并播放，与此同时，将S3、S5、S9数据缓冲到硬盘中，按照这样的方法，就可以无间断的播放完所有的音视频数据。在其它的t=t0+i*Δt时刻都可以通过缓冲的方式播放完所有的数据。如果L=120min，则用户的等待时间最大为Δt=L/N=120/15=8min，大大小于传统NVOD的等待时间，表2是一些有代表性的NVOD算法和传统的NVOD在信道个数k=4，音视频数据长度L=120min时，视频可分割的最大分段数和最大等待时间。

作者简介

    姚春光：博士生，研究范围包括卫星通信信道编码、调制解调技术，数字信号处理及其FPGA实现等。

    陶雄飞：博士生，研究方向为多媒体与通信系统等。

    张健：高级工程师，主要研究方向为卫星通信和光通信等。

    葛新：工程师，主要研究方向为卫星通信和无线电频谱管理等。