视频压缩系统中大容量存储器的应用设计

随着航空航天航海等技术的发展，无论是星载还是舰载方面的技术要求，都迫切希望有一种能够在恶劣环境(高温、低温、振动)下正常工作，并且易于保存的大容量视频记录设备，以满足数据管理系统方面的要求。

早期的海量数据记录主要是使用磁带机，但存放在磁带机中的数据保存条件较高，它容易受到天气和湿度等环境的影响。而使用半导体存储芯片作为存储介质则具有存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、重量轻等特点，因此，半导体存储芯片逐渐成为高可靠性数据记录器的主流方案。

基于半导体存储芯片K9WBG08UlM的大容量存储器，可以很好的满足工业控制或军事领域等恶劣环境下的使用要求。

1 大容量存储器的应用设计

1．1 系统组成

整个视频压缩与大容量数据存储系统一般由多路视频服务终端、中心控制分系统、大容量电子存储阵列等组成。其中，多路视频服务终端用于视频信号的采集和压缩，压缩后的视频数据通过网络送入存储阵列保存，也可以通过以太网送到指定的用户进行浏览；中心控制分系统以高性能嵌入式处理器BF537为核心，可完成视频服务终端的控制，存储阵列数据的读出。它通过百兆以太网与上位机进行高速数据交换；存储阵列可提供高达4T的存储深度，它由10块400MByte容量的独立存储板组成，可为多路视频服务终端提供同时存储服务，存储介质采用大容量非易失NAND-Flash芯片K9WBG08U1M，单片存储容量为32Gbit，每块存储板都可由视频服务终端写入，并由中心控制分系统读出。

1．2 系统工作原理

摄像机输出的视频信号进入视频采集压缩卡后，首先通过A／D变换器进行视频信号采集，采样后输出的数字视频信号经FPGA整理后进入数字信号处理器DSP，然后对视频数据在DSP中按照MPEG4协议进行视频压缩，形成MPEG4格式的视频数据流；每块采集压缩板的视频数据流可实时保存到存储阵列中。如果有用户需要访问，则将该数据流打包后发送给指定的用户。

压缩和存储过程受主控计算机的控制。如果有用户需要浏览保存的视频数据，则需要向主控计算机发出浏览请求，主控计算机接受后，即可通过读数据逻辑选择存储阵列中的数据块，然后读出后打包并发送给指定的用户。主控计算机可以同时响应多个用户的请求。

2 大容量电子存储阵列设计

2．1 数据收发接口

存储板的数据收发可通过DSP实现。考虑到与前端芯片选择的一致性，本方案选择ADI公司的ADSP-BF533为数据收发处理器。执行存储操作时，BF533将从输入／输出总线并行外设接口(PPI)接收中心控制板发送的存储数据，并将其缓存到SDRAM，同时按照K9WBG08U1M的编程时序要求形成存储器的编程指令，再通过FPGA发送到K9WBG08U1M存储芯片；而在执行读操作时，BF533则通过FPGA向K9WBG08U1M发送读操作指令，以读取指定区域的数据并缓存到SDRAM存储器中，然后通过输入／输出总线(PPI)发送到中心控制分系统并将其回送给上位机进行浏览。

2．2 存储器访问控制接口

每块存储板的访问控制接口均可由两片FPGA实现。 由于板上有100片存储芯片K9WBG08U1M，而输入／输出总线只有一套，所以，对芯片的访问需要通过总线驱动和译码逻辑来实现。该逻辑可由ALTERA公司的Cyclong系列FPGA实现，具体型号为EP2C35F67218，它同时可通过EBIU总线与DSP进行数据交换。存储芯片写入或读出的数据需通过EP2C35。由于板上有100片存储芯片都连接到EP2C35的一套I／O引脚上，故会导致负载过大而无法工作，所以，可将存储芯片4个一组，共用一套EP2C35的I／O引脚驱动，以保证足够的驱动能力。来自总线的地址信号输入到地址译码器，用于选择存储芯片。输入为7位地址线，输出存储芯片选择信号csl～csl00其具体接口连接如图2所示。

3 文件管理

由于存储阵列的存储深度达4TB，而拍摄的文件时长和压缩后的文件大小是不固定的，因此，根据Flash器件的固有特性，可构建一个适合管理NAND Flash存储器的FAT文件系统，并通过改进FAT表的存储方式来延长存储器的使用寿命，提高系统存储的稳定性。但这因此需要对每次任务拍摄的视频文件进行管理，为此，可在本系统中设计一个简单的文件记录系统，包括文件名、存储地址、文件大小、对应摄像机号、拍摄时间和时长，记录下来的信息可保存在FLASH中的FAT表项区域中，用于满足基本的文件管理操作，如删除、拷贝、剪切、下载、阵列格式化等。

3．1 文件写入

当中心控制分系统接收到开始拍摄命令后，可通过网络发送开始命令给前端视频采集系统，同时依照摄像机号和存储阵列的对应关系发送开始命令给存储阵列，存储阵列创建文件索引表项后，即开始等待接收视频数据，直到中心控制分系统接收到上位机发送的结束命令，再写入文件名、文件长度等有关信息，从而完成一次文件写入过程。

3．2 文件下载

当有用户需要浏览存储在存储阵列当中的文件信息时，上位机可发送浏览命令给中心控制分系统。由中心控制分系统按照与存储阵列之间的协议发送浏览命令，存储阵列从存储器当[FS:Page]中取得保存的视频文件记录信息并生成文件列表，然后打包回送给中心控制分系统后，按照FIP下载格式回送给上位机显示，用户可以依据回送的信息列表选择文件进行下载操作。为了使下载速度和网络传输速度匹配，本文设计了带流量控制的下载模式，以使下载速度可以完全由中心控制分系统控制。

3. 3 文件管理

事实上，NAND Flash存储器有时也会出现位反转现象，同时在使用中也可能会有坏损单元。因此，数据写入必须在空白的区块或者擦除后的区块中进行，其底层技术要求以块为单位进行擦除，再按页写入。如果在存储阵列当中有无用的视频数据，用户可以按照需要选中相应的文件，提取出文件存放的地址参数后再进行文件删除操作。考虑到存储阵列的寿命问题，要使每个芯片的使用概率大概相等，本设计采用顺序存储的格式来存放文件。但是，当删除文件之后，就会在存储阵列中留下大量的未用空白区域，使得存储阵列的使用率大为降低，为此可在存储阵列当中设计存储阵列文件整理功能和格式化功能，当空白区域所占用的比例较高时，由上位机发送文件整理命令给中心控制分系统，以便中心控制分系统控制存储阵列进行文件整理操作，整理完成后回送状态给上位机。对于存放的比较重要的文件。可用文件拷贝命令在几个存储阵列之间进行文件备份，以提高系统的可靠性。而在存储阵列当中，当有用文件占有率很少但是文件又很多的情况下，可以拷贝出有效文件，然后对存储阵列进行格式化。

4 结束语

这种设计方便灵活，可以借鉴，以用来设计高速、大容量、高可靠性的电子存储设备。事实上，针对本系统中要求容量大、可靠性高、使用环境恶劣等特点，本文所设计的系统能够很好地满足初始的预期效果，现在已经在某型系统上得到了应用。