基于FAT32的音視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 鵬，馬洪兵，陳從華

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門361008）

基于FAT32的音視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 鵬1，2，馬洪兵1，陳從華2

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門361008）

提出了一種基于FAT32的音視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)通過(guò)初始化時(shí)進(jìn)行文件列表的預(yù)分配，保證存儲(chǔ)介質(zhì)的掛載；通過(guò)使用列表文件和索引文件，保證數(shù)據(jù)的快速的精確定位和已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的有效性；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的封裝寫入，保證數(shù)據(jù)在PC端上可以正常播放。該設(shè)計(jì)為解決嵌入式設(shè)備對(duì)音視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特殊需求提供了一種思考方向。

嵌入式設(shè)備；FAT32文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)安全；快速索引

隨著生活水平的提高，人們擁有汽車的比例較從前有了較大幅度的增加，特別是在一二線城市，上下班高峰期的車輛密度對(duì)于行車人員的技術(shù)及判斷有較高的要求。相應(yīng)的，因此產(chǎn)生的各種交通事故的發(fā)生頻率也越來(lái)越高。而對(duì)于交通事故的定責(zé)和定性，如果沒(méi)有事故發(fā)生時(shí)的影像資料作為有力的證據(jù)，則存在較大的辯解空間。在影像的錄制過(guò)程中，存儲(chǔ)、檢索和提取是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，以致當(dāng)前人們對(duì)于嵌入式設(shè)備音視頻存儲(chǔ)的需求日益增加。

當(dāng)前主流的文件系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的需求是針對(duì)日常操作中的多文件類型、多層次目錄和讀取多于寫入等特性而設(shè)計(jì)的。而這些特性在用于專門處理音視頻存儲(chǔ)的環(huán)境中，優(yōu)點(diǎn)反倒成了缺點(diǎn)。因?yàn)橐粢曨l存儲(chǔ)時(shí)存在其類型較單一、層次目錄簡(jiǎn)單并且寫入多于讀取等特性。

嵌入式終端的音視頻錄制有別于PC端的音視頻錄制，在PC端的音視頻錄制時(shí)，由于其場(chǎng)景的固定性及事件的單一性，所以可以進(jìn)行較簡(jiǎn)單的處理，而在處理嵌入式終端的音視頻存儲(chǔ)時(shí)，我們需要考慮到嵌入式終端的特殊性。由于嵌入式終端所處的環(huán)境處于惡劣的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，即在高低溫、顛簸、供電不穩(wěn)等條件下，對(duì)音視頻的錄制及保存產(chǎn)生了較大的影響。所以，我們需要對(duì)嵌入式設(shè)備的音視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行定制，以符合嵌入式終端的音視頻錄制需求。

1 嵌入式音視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特性

由于嵌入式終端使用場(chǎng)景的多樣性，導(dǎo)致其對(duì)于音視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特殊需求。

1）重復(fù)使用：在嵌入式設(shè)備上無(wú)法配備較大的存儲(chǔ)介質(zhì)，而音視頻的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大，且經(jīng)常需要連續(xù)不間斷的使用，需要對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行反復(fù)的利用以便使用較少的開(kāi)支達(dá)到所需的功能；

2）檢索：視頻的存儲(chǔ)是為了播放，需要通過(guò)較少的條件進(jìn)行快速而又精確地定位數(shù)據(jù)；

3）文件新建刪除操作頻繁：嵌入式終端經(jīng)常處于供電不穩(wěn)或者需要進(jìn)行頻繁的斷電及上電的操作；

4）災(zāi)難恢復(fù)能力：需要保證視頻數(shù)據(jù)的安全性，在異常斷電或者數(shù)據(jù)損壞后能夠進(jìn)行最大程度的還原；

5）壽命：降低存儲(chǔ)介質(zhì)的損壞幾率，以提升產(chǎn)品壽命。即使在部分存儲(chǔ)介質(zhì)損壞的情況下，也需要充分利用剩余的存儲(chǔ)空間[1]；

6）便捷性：由于嵌入式設(shè)備的多樣性，導(dǎo)致了其使用場(chǎng)景無(wú)法像PC端一樣具有固定的網(wǎng)絡(luò)及帶寬的連接，從而導(dǎo)致大部分嵌入式設(shè)備無(wú)法進(jìn)行云端存儲(chǔ)。

2 通用文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)方式及其缺點(diǎn)

當(dāng)前主流的操作系統(tǒng)有Linux和Windows，Linux下的文件系統(tǒng)有 EXT2、EXT3、EXT4，Windows下的文件系統(tǒng)有FAT32、NTFS。由于Windows系統(tǒng)的廣泛使用，使得FAT32文件系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備中有較高的使用率[2]。

在這我們以FAT32文件系統(tǒng)舉例：FAT32的文件系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的劃分為保留扇區(qū)、FAT表以及數(shù)據(jù)區(qū)，保留扇區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)被稱為BPB（boot parameter block），該扇區(qū)用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的相關(guān)配置信息，例如：每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)等[3]；FAT表與數(shù)據(jù)區(qū)的簇號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的，用于索引整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，整個(gè)FAT表采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)記錄方式，F(xiàn)AT表2是對(duì)FAT表1的備份[4]，在FAT表1損壞時(shí)啟用；數(shù)據(jù)區(qū)是用戶數(shù)據(jù)的存放區(qū)域。FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FAT32文件系統(tǒng)以簇為單位進(jìn)行文件的管理，并且其每次文件的創(chuàng)建、拷貝、刪除、重命名、移動(dòng)，都需要修改FAT表以進(jìn)行檢索的同步。這就使得系統(tǒng)對(duì)FAT表區(qū)域的存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行頻繁的讀寫操作，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間使用后FAT表?yè)p壞從而使得存儲(chǔ)介質(zhì)無(wú)法正常掛載，從而影響了整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)的使用。由于嵌入式終端的使用場(chǎng)景的特殊性，需要經(jīng)常地開(kāi)關(guān)錄制功能，從而需要進(jìn)行大量的文件創(chuàng)建和刪除，導(dǎo)致FAT表區(qū)域的訪問(wèn)頻率比它區(qū)域高將近100倍[5]。這就產(chǎn)生了上述的對(duì)較小區(qū)域存儲(chǔ)介質(zhì)的頻繁讀寫，導(dǎo)致該區(qū)域扇區(qū)損壞，進(jìn)而無(wú)法掛載，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取。

FAT32文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)是以文件為單位，如果在寫入某個(gè)文件時(shí)有異常斷電等突發(fā)情況，文件沒(méi)有完整的寫入，就會(huì)導(dǎo)致文件讀取異常從而使得該文件已寫入的數(shù)據(jù)丟失。

當(dāng)前FAT32文件系統(tǒng)的主流文件格式與嵌入式終端的視頻需求不同，例如：標(biāo)記音視頻文件錄制時(shí)的狀態(tài)、預(yù)錄等功能。

綜上所述，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)用于存儲(chǔ)嵌入式的音視頻文件時(shí)存在如下缺點(diǎn)：

1）長(zhǎng)期使用后容易導(dǎo)致FAT表?yè)p壞從而無(wú)法掛載；

2）不易準(zhǔn)確快速的定位所需數(shù)據(jù)；

3）異常關(guān)機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；

4）無(wú)法滿足嵌入式終端的一些特殊需求。

3 基于FAT32文件系統(tǒng)定制的理論分析

要讀取存儲(chǔ)介質(zhì)，首先要保證存儲(chǔ)介質(zhì)能夠進(jìn)行正常的掛載，而FAT32文件系統(tǒng)是否能夠正常掛載，取決于FAT表是否損壞。要解決使用時(shí)間久之后無(wú)法掛載這個(gè)問(wèn)題，就要減少對(duì)于FAT表的操作，以保證系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前存儲(chǔ)介質(zhì)的識(shí)別掛載。

嵌入式設(shè)備終端的文件操作與平常PC端的操作有一個(gè)本質(zhì)上的差別，就是PC上所要操作的文件類型多而雜，而嵌入式終端的文件操作只是單一的音視頻文件，多的話會(huì)加上照片或者數(shù)據(jù)庫(kù)文件。如果只是進(jìn)行單一的音視頻存儲(chǔ)，需要存儲(chǔ)的文件索引信息與主流的文件系統(tǒng)的差別在于其關(guān)心的重點(diǎn)不同，可以只是將FAT32文件系統(tǒng)的FAT表進(jìn)行固定格式的初始化，保證系統(tǒng)的掛載及基本的文件定位即可。

在格式化磁盤時(shí)預(yù)先對(duì)文件進(jìn)行分區(qū)及文件分配，可以根據(jù)需求進(jìn)行分區(qū)，例如將較大的區(qū)域劃于音視頻的存儲(chǔ)，然后再行劃分照片及其它文件的分區(qū)，除音視頻區(qū)外其它區(qū)域可以使用默認(rèn)系統(tǒng)或者定制系統(tǒng)，這邊暫時(shí)只考慮音視頻分區(qū)。

在分區(qū)后對(duì)當(dāng)前分區(qū)的索引進(jìn)行預(yù)分配，根據(jù)當(dāng)前分區(qū)的大小及需求進(jìn)行文件的初始化，并且對(duì)當(dāng)前的索引區(qū)進(jìn)行保護(hù)，從而保證對(duì)索引扇區(qū)最低限度的操作，保證掛載功能的成功率。為了解決原先索引起到的對(duì)文件進(jìn)行快速的分配空間及數(shù)據(jù)檢索功能，可以利用已分配的文件進(jìn)行索引的重定義，為了防止對(duì)小范圍扇區(qū)的多次讀寫導(dǎo)致該區(qū)域易損壞的問(wèn)題，對(duì)新定義的索引文件進(jìn)行多重備份及輪循讀寫，從而降低索引區(qū)的損壞概率。

4 總體設(shè)計(jì)

在存儲(chǔ)介質(zhì)掛載時(shí)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行文件列表的預(yù)分配，進(jìn)行分配的文件類型有五種，分別是：提示文件、信息文件、列表文件、索引文件、數(shù)據(jù)文件。其數(shù)量和作用簡(jiǎn)介如下：

1）1個(gè)提示文件，用以警示誤刪除，提示當(dāng)前分區(qū)作用，例如可以命名為“本文件夾內(nèi)所有文件為特殊文件，請(qǐng)勿修改或刪除，否則后果自負(fù)”。

2）N個(gè)數(shù)據(jù)文件，用于存放具體的音視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件的數(shù)量和大小根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，每個(gè)容量的存儲(chǔ)介質(zhì)分配后的數(shù)據(jù)文件的大小和數(shù)據(jù)一致。

3）N個(gè)相應(yīng)的索引文件，與數(shù)據(jù)文件一一對(duì)應(yīng)，用來(lái)精確定位視頻數(shù)據(jù)的位置，從而進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定位。

4）4個(gè)列表文件，這4個(gè)列表文件功能相同，大小相同，它們輪流進(jìn)行音視頻文件的檢索和管理，這樣能防止單一列表文件損壞從而導(dǎo)致檢索功能失效，亦能保證這塊磁盤的磨損平衡。例如可以設(shè)定每個(gè)列表文件使用期為30天，到期后使用下一個(gè)列表文件進(jìn)行替換，時(shí)間可以通過(guò)嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)間為判定標(biāo)準(zhǔn)。

5）2個(gè)信息文件，這2個(gè)信息文件功能相同，大小相同，用于指示各個(gè)列表文件的使用時(shí)間及使用狀態(tài)，信息文件2為信息文件1的備份。

信息文件與列表文件對(duì)應(yīng)如圖2所示。

信息文件保存了列表文件的啟用時(shí)間和當(dāng)前使用狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí)讀取當(dāng)前所使用列表文件的啟用時(shí)間，以判斷是否需要啟用下一列表文件。

列表文件與索引和數(shù)據(jù)文件對(duì)應(yīng)如圖3所示。

如圖3所示，列表文件用于記錄每個(gè)數(shù)據(jù)文件的時(shí)間片段及相應(yīng)標(biāo)志，從而可以通過(guò)列表文件快速定位到存有所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件。而索引文件則與數(shù)據(jù)文件的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，例如每?jī)擅脒M(jìn)行數(shù)據(jù)片段的存儲(chǔ)，索引文件記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)的具體情況。這樣通過(guò)兩級(jí)定位，能夠快速精確的定位到所要查找的數(shù)據(jù)。

圖2 信息文件與列表文件對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 列表文件與索引和數(shù)據(jù)文件對(duì)應(yīng)關(guān)系

5 方案特點(diǎn)

定義相關(guān)的讀寫接口和檢索接口，以方便操作者的使用。寫入數(shù)據(jù)時(shí)按順序?qū)懭?，可以有效消除調(diào)用系統(tǒng)接口時(shí)產(chǎn)生的磁盤碎片的問(wèn)題，減少對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)的尋道時(shí)間[6]，保證了數(shù)據(jù)的平衡寫入。

固定了FAT表，所以每個(gè)數(shù)據(jù)文件和磁盤位置是對(duì)應(yīng)的，在遭到快速格式化，或者部分?jǐn)?shù)據(jù)的覆蓋寫入后，只要再將存儲(chǔ)介質(zhì)放到嵌入式設(shè)備進(jìn)行文件預(yù)分配操作，就會(huì)定位出各個(gè)文件的相應(yīng)位置和數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的恢復(fù)。如果有人通過(guò)PC端對(duì)當(dāng)前存儲(chǔ)介質(zhì)的文件進(jìn)行操作，就會(huì)破壞當(dāng)前文件系統(tǒng)的統(tǒng)一格式而被發(fā)現(xiàn)，從而防止數(shù)據(jù)被偽造，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

使用自定義的讀寫接口，并且對(duì)數(shù)據(jù)以較小的片段為單位進(jìn)行存儲(chǔ)，可以在啟動(dòng)時(shí)判斷上次寫入是否正常結(jié)束，如果未正常結(jié)束就進(jìn)行數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志寫入。以保證異常斷電等情況下數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有效及讀取的正確?？梢詷?biāo)志壞塊、優(yōu)先級(jí)、類型等相關(guān)參數(shù)，以便充分利用存儲(chǔ)介質(zhì)的剩余空間及滿足需求的多樣化。

由于采用的是FAT32文件系統(tǒng)，兼容Linux、Android和Windows等操作系統(tǒng)，使用者可以方便的將存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行掛載、讀取和拷貝。在保存數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)文件時(shí)可進(jìn)行相應(yīng)的封裝，可封裝成主流的視頻格式，方便使用者進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接讀取，保證在沒(méi)有相應(yīng)工具時(shí)也能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的保存和查看。

通過(guò)上述分析，該定制系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）保證存儲(chǔ)介質(zhì)能夠正常掛載，使得系統(tǒng)能夠識(shí)別該存儲(chǔ)介質(zhì)；

2）平衡數(shù)據(jù)的寫入，保證磁盤的壽命，減少尋道時(shí)間；

3）提供便捷的數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，以便在低格或者少量覆蓋后能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；

4）最大程度的利用存儲(chǔ)介質(zhì)的有效空間，充分發(fā)揮存儲(chǔ)介質(zhì)的剩余價(jià)值；

5）提供快速的數(shù)據(jù)定位功能，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索查找；

6）使用自定義的接口，防止數(shù)據(jù)的偽造；

7）可以為數(shù)據(jù)添加標(biāo)簽，增加擴(kuò)展功能；

8）兼容主流文件系統(tǒng)，方便PC端的操作；

9）支持?jǐn)?shù)據(jù)封裝，保證了主流媒體工具的讀取播放。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中以嵌入式設(shè)備對(duì)于音視頻存儲(chǔ)功能的特殊需求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)FAT32文件系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合存儲(chǔ)介質(zhì)的特性進(jìn)行定制。通過(guò)固定文件位置、固定文件大小、固定文件個(gè)數(shù)和固定文件類型，來(lái)保證存儲(chǔ)介質(zhì)的正常掛載和數(shù)據(jù)的安全。通過(guò)自定義索引，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速和精確的定位。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的FAT32文件系統(tǒng)進(jìn)行定制并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，保證了PC端對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的識(shí)別并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的讀取播放。使用該文件系統(tǒng)可以解決在使用FAT32文件系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的掛載失敗、不易檢索、不易擴(kuò)展等問(wèn)題，為嵌入式設(shè)備的音視頻存儲(chǔ)提供了一種思考方向。

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Design and implementation of audio and video storage system based on FAT32

HUANG Peng1，2，MA Hong-bing1，CHEN Cong-hua2
（1.Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yaxon Network Co.，Ltd.，Xiamen 361008，China）

This paper proposes a design of audio and video storage system based on FAT32.The design is pre-assigned by the initialization file list，ensure mounted storage medium；by using the list of files and index files，ensure the effectiveness of fast and accurate positioning data that already stored；by writing the data package to ensure that the data can play on the PC side normally.This is designed to solve embedded devices provide a way of thinking about the direction of the special needs of audio and video data storage.

embedded devices；FAT32；data security；quick search

TN946.2

A

1674－6236（2016）18-0101-03

2015-09-29 稿件編號(hào)：201509188

黃 鵬（1987—），男，福建莆田人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。