基于嵌入式視頻存儲的專用文件系統(tǒng)設計

摘要: 基于嵌入式視頻存儲的特點，分析目前已有的文件系統(tǒng)在視頻應用上的不足，提出了適合硬盤錄像機的專用文件系統(tǒng)設計方案，并從數(shù)據(jù)存儲、檢索、讀取和恢復等方面闡述了設計思想及具體實現(xiàn)。經(jīng)過在相關產(chǎn)品上的應用，表明該文件系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效、安全的視頻存儲。

　　引言

　　目前的硬盤錄像機中，基于PC和采集卡的一般采用Windows系統(tǒng)，文件系統(tǒng)則多采用NTFS或FAT32；而嵌入式硬盤錄像機所采用的文件系統(tǒng)則與廠商選擇的嵌入式操作系統(tǒng)及其研發(fā)能力有密切的關系。目前嵌入式硬盤錄像機中所采用的嵌入式操作系統(tǒng)有RTOS、pSOS、嵌入式 Linux、VxWorks等，一般也都采用FAT文件系統(tǒng)。

　　隨著對硬盤錄像機需求的增長，傳統(tǒng)FAT格式的文件系統(tǒng)逐漸顯得有些力不從心，例如讀寫效率低，磁盤容量和分區(qū)大小有限制，有文件大小限制，沒有斷電保護功能，文件數(shù)據(jù)安全性低等。另外，長時間連續(xù)覆蓋使用后會存在大量文件碎片，降低磁盤使用率。據(jù)不完全統(tǒng)計，硬盤錄像機（DVR）的故障率60%是由硬盤引起的。這些問題在需要高安全性的安防行業(yè)顯得尤為重要，特別是當前嵌入式數(shù)字硬盤錄像機朝高清和高路數(shù)方向發(fā)展的趨勢下，需要存儲的數(shù)據(jù)量倍增，不解決數(shù)據(jù)存儲的問題就不能滿足相關設備的安全性和穩(wěn)定性要求。PC系統(tǒng)使用的FAT文件系統(tǒng)，對于長時間錄像產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)包無法管理，只能進行分包，將一段完整的錄像，分為若干個小的文件包，如5、10、30 min自動形成一個文件，或者150 MB、200 MB作為一個文件。這樣容易產(chǎn)生包與包之間丟幀現(xiàn)象。同時，硬盤磁頭需要頻繁地讀寫數(shù)據(jù)與文件索引，磁頭頻繁跳動，對于每天十幾～24小時連續(xù)讀寫硬盤的DVR系統(tǒng)，極易造成硬盤故障。硬盤錄滿后，需要刪除整段文件，但新錄制的文件與老的文件大小不同，由此會在硬盤上產(chǎn)生大量碎片空間，影響硬盤的使用和系統(tǒng)效率。此外，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)用做錄像機錄像資料管理還存在兩個風險：一是文件分配表如果損壞，則錄像資料大多會丟失；二是系統(tǒng)突然斷電或遭到人為破壞，當前的錄像數(shù)據(jù)不能保存和恢復。

　　錄像監(jiān)控行業(yè)的趨勢是高清晰度和高集成度。高清晰度必然產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量，原來一臺硬盤錄像機一般只有4路或8路，對文件系統(tǒng)的要求不是很高。現(xiàn)在16路以上的也已較為普遍，特別是網(wǎng)絡集中存儲方式出現(xiàn)，一臺設備可能需要存儲幾十路甚至上百路的視頻數(shù)據(jù)，如何可靠、安全、快捷地實現(xiàn)大量視頻數(shù)據(jù)的存儲和檢索就成為一個亟待解決的突出問題。

　　為彌補FAT文件系統(tǒng)在媒體數(shù)據(jù)流存儲領域中的不足之處，本文提出一種適合媒體數(shù)據(jù)流存儲方式的硬盤管理文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以高效率地管理整個硬盤，克服FAT文件系統(tǒng)的固有缺陷。

　　1 理論分析

　　本文提出的嵌入式視頻專用文件系統(tǒng)的基本原理是把硬盤所有扇區(qū)劃分為幾個數(shù)據(jù)區(qū)：文件信息區(qū)、索引信息區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)又劃分為若干個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的大小可以根據(jù)實際情況自由設置。通過文件信息和索引信息來管理數(shù)據(jù)塊，即相當于把硬盤模擬成傳統(tǒng)的模擬錄像帶，錄像文件長度可從幾s到幾十小時，數(shù)據(jù)可從幾KB到幾十TB。采用這種硬盤管理方式，克服了FAT系統(tǒng)對長時間錄像管理存在的缺陷。由于數(shù)據(jù)是連續(xù)存儲，因此不存在丟幀或丟數(shù)據(jù)的情況，并且每個扇區(qū)也能實現(xiàn)均衡讀寫，延長硬盤使用壽命；硬盤錄滿后，采用數(shù)據(jù)塊覆蓋技術，不存在硬盤碎片，也能最大限度保留磁盤的錄像資料。硬盤任何地方的錯誤，不會影響前面或后面的錄像。在突然斷電的情況下，也能保存斷電前瞬間的圖像。同時，原始錄像資料盤數(shù)據(jù)與PC不兼容，無法在PC上直接修改和查看，保證原始資料的保密性和安全性。

　　設計思想是把硬盤記錄數(shù)據(jù)的扇區(qū)劃分為一個一個的數(shù)據(jù)塊，并通過索引信息（索引塊）為每個數(shù)據(jù)塊建立索引，快速定位每個錄像文件或某個時間對應的數(shù)據(jù)塊；通過每個數(shù)據(jù)塊的鏈表又可以快速定位相關聯(lián)的前后數(shù)據(jù)塊的位置。由于同一個視頻源所產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)是嚴格按照時間來錄像的，所以同一個視頻源對應的文件信息、索引信息和數(shù)據(jù)塊在機制上就保證了嚴格按照時間順序來排序。但由于存在多路視頻和音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和存儲位置是隨機的，所以必須通過索引和鏈表來把這些隨機的數(shù)據(jù)塊組織成一個個獨立的錄像文件。

　　2 文件系統(tǒng)結構

　　對硬盤所有扇區(qū)進行了重新劃分，共劃分為5個區(qū)域，分別為磁盤信息區(qū)、保留信息區(qū)、文件信息區(qū)、索引信息區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)。

　　通過磁盤信息可以找到文件信息、索引信息、數(shù)據(jù)區(qū)及保留信息區(qū)。而通過文件信息又可得到索引信息，從而通過索引信息單元找到數(shù)據(jù)塊。這些磁盤區(qū)域的關聯(lián)關系如圖1所示。

圖1 文件系統(tǒng)關系圖