CN100440171C - 一种嵌入式环境下音像录放装置的文件组织管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式环境下音像录放装置的文件系统，包括建立：超级块区，用于存储位图区、目录区、索引节点区和数据区在所述存储介质上的位置；位图区，用于存储位图，所述位图为一串二进制位，每个二进制位表示所述存储介质上一个块的占用状态；目录区，用于存储目录项，所述目录项包括文件的文件名、该文件在索引节点区的入口索引节点编号；索引节点区，用于存储索引节点，每一个索引节点具有一个编号；数据区，用于存放数字音视频文件数据。本文件系统高效简洁，所消耗的CPU运算能力、内存和硬盘I/O访问资源少，适合嵌入式环境下硬盘视频录象装置使用。

Description

一种嵌入式环境下音像录放装置的文件组织管理方法

技术领域

本发明涉及一种磁盘的文件系统，更具体地说，本发明涉及一种用于嵌入式环境下音像录放装置的文件系统。

背景技术

嵌入式环境下音像录放装置，如个人视频录像机(PVR，Personal VideoRecorder)和数字视频录象机(DVR，Digital Video Recorder)，是将大容量存储介质(硬盘或可擦写光盘)与机顶盒相结合而出现的产物，它既可以用于接收并观看节目也可以将节目以数字格式保存在本地存储介质中，它除了具有与传统模拟录像机相同的功能外还引入了时移播放等新的特性，极大地方便了使用者。时移播放，英文叫TIME-SHIFTING，是指收看电视节目时中途离开一会儿，将节目录入硬盘，回来后可从刚才离开时刻接着观看，此时观看到的内容相当于将电台播放内容在时间上后移，故称时移播放。随着技术和市场的发展，在机顶盒中加入数字录放功能已成为一种趋势。

PVR数字电视机顶盒作为一种非常有特色的数字电视终端，具有广阔的市场前景。目前一些国际性的大公司都加快了这种带大容量存储能力的PVR机顶盒的研究，芯片厂商和硬盘厂商也加强了对该类产品的投入，并且有专用于PVR机顶盒的芯片和硬盘投入生产。在国外，主要有以下厂商提供PVR产品：Tivo，SonicBlue公司的Replaytv、微软的UltimateTV、EchoStar/DishNetwork的DishPVR。

在个人视频录像机中，需要对存储介质上存储的文件和存储介质本身进行有效的管理，因而一个高效简洁的文件系统就必不可少了。目前与个人视频录像机的文件系统有关的信息相当少，设计并实现一个这样的文件系统就成了主要难点和任务之一。

在前述的产品中大都使用自己私有的文件系统。基于Linux的Tivo公司的产品采用一种称为MFS(Media File System)的文件系统，MFS是一种专为PVR环境设计的日志型文件系统，其显著特点就是意外掉电后能够快速恢复硬盘上数据的一致性。Replaytv则采用64位的文件系统，所有系统数据都采用64位的数据类型，这样可以存储高达2的64次方大小的文件。Echostar在其最新的卫星电视接收机DishPVR 721中采用SGI公司开源的XFS，它允许同时记录两路MPEG2流，并同时从硬盘播放一路MPEG2流。综合来看，大多数厂商的产品都在PVR产品中使用重新设计的私有的文件系统来管理硬盘上的数据，其他一些产品使用的文件系统则是通过对现有一些公开的文件系统的改造后形成的。

大容量的存储设备(如硬盘和光盘)在PC环境下已经使用很多年了，主要的文件系统有FAT(File Allocation Table)文件系统和Unix文件系统但要保证它在机顶盒等嵌入式环境下良好运行却并不容易。主要原因如下：

1)在嵌入式环境下，内存通常较小，另外芯片处理能力也不高，当运行的任务较多时，系统资源会变得紧张，这样就要求文件系统占用的资源越少越好。

2)相对于内存和CPU来说，硬盘的速率较低，如果花在硬盘读写上的时间太长，将严重影响系统的实时性，进而影响整个PVR的性能。硬盘读写时间主要花在寻道时间上，因此应集中措施降低这个时间。读文件时间太长是因为文件数据在硬盘上太分散，写时间太长是因为空闲区碎片太多。因此应该运用合理的磁盘空间分配算法来使文件尽量连续存放。

3)对于PVR这样一个特殊的应用来说，大容量存储介质中要保存的数据主要为高速的数字视频节目，在存储介质上就是一个大文件，以数字卫星电视为例，通常其速率为4Mbps(比特/秒)，如果要保存一部两个小时电影需要3.6G字节的空间。因此文件系统应能够对大文件进行有效的管理。

4)用户的操作具有随意性，同时不同节目的长度以及用户感兴趣的部分也不定，因而文件大小未知，文件系统必须支持动态文件大小分配和管理。

5)PVR属于家电产品，由于外界或用户操作不小心的原因而导致突然断电的情况时有发生，因此文件系统要有足够的健壮性，不能因此造成系统数据紊乱，即使不可避免地要丢失一些数据也应该使数据量降到最低限度，在断电后也应能够快速地恢复。

因此，要在机顶盒这样特殊的环境下实现PVR技术面临主要难点就是如何在存储设备上建立一个有效的、存储容易的文件系统。文件系统的存储效率不高将影响实时性，而文件系统本身所占内存太多则会导致资源紧张。

发明内容

本发明的目的在于针对嵌入式环境下音像录放装置设计一套高效简洁的文件系统，对存储介质本身和在存储介质上记录回放音视频数据文件进行有效的管理。

为了实现上述目的，本发明提供一种嵌入式环境下音像录放装置的文件组织管理方法，用于对所述音像录放装置中的存储介质上的数字音视频文件进行组织管理，所述文件组织管理方法包括：在所述存储介质上建立一个分区表区，用于存储分区表，所述分区表描述了所述存储介质的分区状态；其特征在于，所述文件组织管理方法还包括，在所述存储介质中的至少一个分区上建立：超级块区，位图区，目录区，索引节点区和数据区；在记录和访问数字音视频文件时，所述超级块区用于存储位图区、目录区、索引节点区和数据区在所述存储介质上的位置；所述位图区用于存储位图，所述位图为一串二进制位，每个二进制位表示所述存储介质上一个块的占用状态；

在记录数字音视频文件时，在所述目录区存储目录项，所述目录项包括当前文件的文件名、当前文件在索引节点区的索引节点编号；在所述索引节点区，存储索引节点，该索引节点的编号与所述目录区存储的索引节点编号一致；索引节点由索引节点头部和盘区表组成，所述索引节点头部包括当前文件的文件属性，所述盘区表描述当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块；在所述数据区，在所述盘区表中描述的当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块中，存放当前文件的数据；

在访问数字音视频文件时，在所述目录区读取目录项，找到当前文件的索引节点编号；在所述索引节点区，根据索引节点编号，找到当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块；在所述数据区，读取当前文件的数据。

所述分区表对一个分区的描述由分区类型、分区起始扇区和该分区的扇区数组成。

所述目录区的目录项还包括用于标志本目录项空闲或占用的忙标志。所述目录区的目录项还包括一文件类型标志，用于区分该目录项所对应的所述当前文件的数据类型。

所述索引节点头部包括一用于标志本索引节点空闲或占用的忙标志。所述索引节点区的索引节点还包括一个链表的下一个索引节点编号；当所述当前文件用多个索引节点形成的链表指示该当前文件在存储介质上的占用时，所述下一个索引节点编号用于指向该链表中的下一个索引节点。所述索引节点区的索引节点中的盘区表包括对至少一个盘区的描述，所述对至少一个盘区的描述由盘区起始块在所述当前文件中的逻辑起始位置、盘区起始块和盘区包含的块总数组成。

本发明的优点：

1)以单个比特来表示一个块的使用情况非常节省空间，以60G硬盘为例，当块大小定为512k时，所需的位图的大小为60G/512K/8＝15K，这样大小的位图完全可以放置在内存中，从而空闲块的查找和分配都可以在内存中进行。

2)由于PVR主要用来保存数字音视频节目，所以一个文件就会占用很多个块。如以4Mbps码流速率为例，一秒钟的节目就是512K字节。从未录制任何节目的时候考虑，当录入一定数目的节目后，用户开始删除节目，此时原被删节目的地方将出现一个很大的空闲空间，再录入新节目时，将从这一段很长的连续空间分配，由于用户主要用来录制大文件，在很长时期内都可以分配到很多连续的大块空间，因此在Inode中采用盘区来表示文件的物理存储状况比较合适。同时采用盘区的结构也可以减小索引节点(Inode)的尺寸。

3)使用索引节点(Inode)来表示文件属性的方法非常简洁，也便于操作。本发明的Inode被设计成不光包含文件属性信息还包括文件的物理存储信息。

4)本文件系统高效简洁，所消耗的CPU运算能力、内存和硬盘I/O访问资源少，适合嵌入式环境下硬盘视频录象装置如PVR使用。

附图说明

图1是本发明的文件系统在存储介质的分区的示意图；

图2是本发明的文件系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。虽然在下面的描述中以用硬盘作为存储介质的PVR为例来说明本发明的文件系统，但是应当理解，本发明也适用于其他如光盘等大容量存储介质的其他嵌入式环境下的音像录放装置。

如图1所示，可将PVR中的硬盘划分为多个分区。如现有技术那样，在硬盘上提供一个分区表来描述其分区信息，该分区表表示了硬盘的逻辑分区结构，指明物理硬盘分成几个逻辑盘和每个逻辑盘的开始扇区号和大小。分区表保存在硬盘的引导扇区(Boot Sector)内，通常是硬盘的第一个扇区。但是在嵌入式的PVR中，程序保存在ROM中，所以无需引导程序。没有引导程序后，引导扇区整个都可以用来存放分区表，如果要保留与PC机上的兼容性，则分区表可以从第467个字节开始存放，这样就只能保存四个分区信息。四个分区对于PVR应用已经够用了。

在图1中，本发明的文件系统10位于硬盘的一个分区中。但是本领域的技术人员可以理解，本发明的文件系统10可以分布在硬盘的多个分区上。

结合图1和图2，本发明的文件系统10包括系统区和数据区15，系统区包括超级块区11、位图区12、目录区13和索引节点区14。

位图区12用于磁盘空间管理，采用位图表示法。位图区12由多个比特位组成，用位图的比特与硬盘的硬盘块依序逐一对应，用比特位的状态来标识与其对应的硬盘块的占用情况。在这里，硬盘块是指硬盘上的一个物理分块的，每个物理块对应若干个连续物理硬盘扇区。位图区12的大小由文件系统10所在硬盘分区的大小和硬盘块的大小来决定，一旦数据区15硬盘块大小即确定下来，则位图区12的大小也就确定下来了。硬盘块的大小越大，则位图区12所占用的空间越小。相对于fat16和fat32文件分配表方式的文件系统，用位图表示法进行磁盘空间管理，占用空间少，可以一次将磁盘的空间描述调入内存，这适合于内存有限的嵌入式环境。

文件的属性信息保存在目录区13和索引节点区14中。目录区13保存了文件的文件名等信息，而索引节点区14保存了文件的数据所占用的硬盘空间分布等信息。

目录区13包含有若干目录项，每一个文件对应目录区中的一个目录项。每一个目录项除了包括本目录项对应的文件的文件名外，还可包括其他的信息。例如，在一个应用实例中，目录项的结构如表1所示：

表1

信息名称	占用空间(字节)	功能
			忙标志	1	用于标志本目录项空闲或占用
文件名实际长度	1	用于标志文件名称的长度
			文件名	48	用于文件的名称
文件标识	4	用于标志文件编号
			文件数据类型	4	用于区分文件的数据类型，例如音频或视频类型
入口索引节点编号	4	用于标志该文件对应的入口索引节点(Inode)编号
			填充字节	2	用于固定目录项的大小为64字节

目录项中的填充字节是为了便于将目录项大小控制为64字节，8个文件目录项占用512字节，便于与硬盘扇区大小512字节对齐。表1所示的目录项可通过定义一个数据结构来实现。

其中，目录项中的“入口索引节点编号”与索引节点区14中的索引节点相关联，这一点将在下面的对索引节点区14的描述中看得更清楚。

硬盘上一个文件的数据通常存放在若干不连续的硬盘的物理块中，在本发明中，用索引节点区14记录文件的数据所占用的硬盘空间分布信息。索引节点区14包含有若干索引节点(Inode)，每个Inode占用一个或多个扇区。

每一个Inode都包括两部分，一部分为固定大小的Inode头部，另一部分为盘区表。在一个实施例中，Inode头部的结构如表2所示。

表2

信息名称	占用空间(Byte)	功能
			忙标志	1	用于标志本Inode空闲或占用
类型	1	用于标志本Inode用于文件或者子目录
			Inode编号	4	用于标志本Inode编号
文件创建时间	8	用于标志本Inode所对应文件的创建时间
			文件最后访问时间	8	用于标志本Inode所对应文件的最后访问时间
文件大小	4	写完文件关闭时设置，读入文件时用于判断文件结束于哪个字节。
			链表的下一个Inode号	4	用于指示链表下一个Inode编号，本示例中为0表示索引节点链表结束。
文件写打开标志	1	置1表明本节点索引链表对应的文件正被写入数据，文件写操作完毕关闭后设为0。
			盘区数	4	用于指明本Inode所含的有效盘区描述符数N
填充字节	1	固定本Inode头的大小为36字节

其中，Inode头部中的填充字节是为了将Inode头部固定为36字节大小。表2所示的Inode头部可通过定义一个数据结构来实现。

在固定36字节大小的Inode头后，保存一个硬盘盘区表，用于描述文件物理存储的多个盘区信息。一实施例中，一个Inode大小一般取512字节的整数倍如4096字节。在这里，盘区是指硬盘上多个硬盘块的连续序列。盘区表中包括对多个盘区的描述，可通过定义一个数据结构来实现。盘区表的结构如表3所示。

表3

每一个文件在硬盘上的空间分布用索引节点区14中的至少一个Inode来描述。通过目录区13的目录项中的“入口索引节点编号”与索引节点区14的一个Inode中的“Inode编号”的对应，将一个文件指向索引节点区14的一个Inode，然后通过该Inode中的盘区表指向硬盘上实际的硬盘块。当一个文件需要用多个Inode来描述时，同样是通过该文件对应的目录项中的“入口索引节点编号”来指向索引节点区14的一个Inode，并通过该Inode中的“链表的下一个Inode号”来指向下一个Inode，依次可形成一个Inode链表，通过链表中的多个Inode来描述该文件在硬盘上的空间分布。在实施例中，每个Inode占8扇区即4096字节，每个Inode可容纳(4096-36)/12＝338个盘区描述符，其中36字节为Inode头大小，12字节为盘区描述符大小。

超级块11记录了：文件系统所在分区的扇区大小、该分区包含的扇区总数、硬盘块的大小、位图区大小、索引节点的大小、索引节点区的大小、目录区的大小、允许的最多文件数、数据区的起始位置、数据区扇区数、数据区的块数。通过超级块11可以找到位图区12、目录区13、索引节点区14和数据区在硬盘上的位置。上述超级块的结构中没有保存任何随着文件系统的使用而变化的信息，这样的设计是为了减少写盘的次数和减少随时可能掉电对系统数据的破坏。

数据区15以硬盘块为单位存储音视频数据文件。

本发明的文件系统的实现描述如下：

1.硬盘分区

首先对硬盘分区。分区表保存在引导扇区(Boot Sector)内，也就是硬盘的第一个扇区。

本文件系统只用“分区类型”、“分区起始扇区”和“该分区的扇区数”来表示一个分区。由于“分区起始扇区”和该“分区的扇区数”都是32位，所以可以表示2³²*512＝2KGB分区大小。在硬盘录象机一类的嵌入式系统中，程序保存在ROM中，不需要主引导记录MBR。

2.分区格式化

格式化(format)建立并初始化用于进行文件分配和外存空闲空间管理的管理数据。不同的文件系统由于结构不同所用的格式化程序也不同，格式化后的信息通常都保存在超级块中，超级块的大小可以是一个扇区也可以是多个扇区。本文件系统格式化需做的工作有：

1)获得用户指定的或系统缺省的参数。

2)根据获得的参数计算出系统数据结构的相关信息，这包括超级块区大小、位图区大小、目录区大小、Inode区大小、数据区开始扇区号。

3)将位图、目录区和Inode区填零。

4)将上述信息记入超级块结构，写入硬盘的固定位置。

位图紧跟在超级块的后面，在位图的后面还有目录区和索引节点区。

3.装载

在使用文件系统之前需要将该文件系统装载到嵌入式系统中，主要操作是将该文件系统的重要结构信息如超级块读入内存，在内存中建立超级块映象。在装载本文件系统时，主要进行以下几项操作：

1)读取超级块，获取系统数据在硬盘上的位置和大小信息。

2)读入位图，并统计已用空间和剩余空间大小。

3)读入目录区，统计已存在的文件数目。

4)读入Inode区并统计已占用Inode和空闲Inode。

读入这些信息后，整个文件系统的所有操作所依赖的数据结构就都已经在内存中建立了。

Claims (7)

1、一种嵌入式环境下音像录放装置的文件组织管理方法，用于对所述音像录放装置中的存储介质上的数字音视频文件进行组织管理，所述文件组织管理方法包括：在所述存储介质上建立一个分区表区，用于存储分区表，所述分区表描述了所述存储介质的分区状态；其特征在于，所述文件组织管理方法还包括，在所述存储介质中的至少一个分区上建立：超级块区，位图区，目录区，索引节点区和数据区；

在记录和访问数字音视频文件时，所述超级块区用于存储位图区、目录区、索引节点区和数据区在所述存储介质上的位置；

所述位图区用于存储位图，所述位图为一串二进制位，每个二进制位表示所述存储介质上一个块的占用状态；

在记录数字音视频文件时，在所述目录区存储目录项，所述目录项包括当前文件的文件名、当前文件在索引节点区的索引节点编号；

在所述索引节点区，存储索引节点，该索引节点的编号与所述目录区存储的索引节点编号一致；索引节点由索引节点头部和盘区表组成，所述索引节点头部包括当前文件的文件属性，所述盘区表描述当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块；

在所述数据区，在所述盘区表中描述的当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块中，存放当前文件的数据；

在访问数字音视频文件时，在所述目录区读取目录项，找到当前文件的索引节点编号；

在所述索引节点区，根据索引节点编号，找到当前文件的数据在存储介质中所占用的一组或多组的连续块；

在所述数据区，读取当前文件的数据。

2、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述分区表对一个分区的描述由分区类型、分区起始扇区和该分区的扇区数组成。

3、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述目录区的目录项还包括用于标志本目录项空闲或占用的忙标志。

4、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述目录区的目录项还包括一文件类型标志，用于区分该目录项所对应的所述当前文件的数据类型。

5、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述索引节点头部包括一用于标志本索引节点空闲或占用的忙标志。

6、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述索引节点区的索引节点还包括一个链表的下一个索引节点编号；当所述当前文件用多个索引节点形成的链表指示该当前文件在存储介质上的占用时，所述下一个索引节点编号用于指向该链表中的下一个索引节点。

7、根据权利要求1所述的文件组织管理方法，其特征在于，所述索引节点区的索引节点中的盘区表包括对至少一个盘区的描述，所述对至少一个盘区的描述由盘区起始块在所述当前文件中的逻辑起始位置、盘区起始块和盘区包含的块总数组成。

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