本文關(guān)鍵詞：基于PowerPC的高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著光電跟蹤測(cè)量技術(shù)以及遙感遙測(cè)的飛速發(fā)展,為提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,高分辨率、高幀頻圖像傳感器被廣泛采用,以提高空間和時(shí)間分辨力。另外,為了提高對(duì)特定波段的探測(cè)能力,常常會(huì)將多個(gè)不同波段的圖像傳感器部署在同一設(shè)備上。高速、海量的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)成為一個(gè)急需解決的問題。在惡劣應(yīng)用環(huán)境中,系統(tǒng)需要耐高低溫、抗強(qiáng)震。在航空航天以及快速機(jī)動(dòng)應(yīng)用中還必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化,輕量化和模塊化。因此在滿足性能要求的前提下,設(shè)計(jì)出體積小、重量輕、標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)境特性好、容量大并且速度快的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一,也是本文的研究重點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)階段常用高速存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析和研究。工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)的高速存儲(chǔ)系統(tǒng),它的速度較快、容量大、但體積大、較沉重。DDR實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng),它的速度達(dá)到1000MB/s以上,但容量過小,掉電數(shù)據(jù)丟失。FPGA外掛SSD或NAND FLASH控制芯片實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng),它的速度一般、使用不便。FPGA直接控制的NAND FLASH陣列存儲(chǔ)系統(tǒng),開發(fā)難度較大,任何FLASH芯片的改變都需要重新開發(fā),速度較快,使用自定義的簡(jiǎn)單文件系統(tǒng),導(dǎo)出速度較慢,簡(jiǎn)單串口通信,操控較麻煩,易用性差。針對(duì)上述問題本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于Power PC+FPGA+SSD的小型化的高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)。完成了高速存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì),建立了交叉編譯環(huán)境,搭建了Linux系統(tǒng)平臺(tái)。在FPGA中實(shí)現(xiàn)了基于PCIe的高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器,在Linux下開發(fā)的驅(qū)動(dòng)完成了對(duì)高速數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)目刂?配合應(yīng)用程序?qū)D像數(shù)據(jù)以ext3格式存入m SATA接口的SSD中。系統(tǒng)大小為22CM*10.9CM*4.1CM,重量?jī)H為303克,實(shí)現(xiàn)了高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)小型化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化,各模塊技術(shù)可快速?gòu)?fù)用到其它工程中。而且本系統(tǒng)抗震性好,非常適用于運(yùn)動(dòng)載體圖像采集存儲(chǔ)應(yīng)用。Micro SD相對(duì)于NAND FLASH和NOR FLASH容量大、寫入速度快、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序更新方便。因此研究Micro SD卡的啟動(dòng)有重在意義,針對(duì)Power PC Micro SD卡啟動(dòng)問題,深入分析和研究了Micro SD MBR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)原理和過程,提出了由shell直接讀寫Micro SD卡MBR的方法,提高了可啟動(dòng)Micro SD卡格式化的可靠性和效率。PCIe接口DMA驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速圖像數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)目刂坪蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)的控制。針對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方法需將大量數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間導(dǎo)致速度較低、波動(dòng)大的問題,提出了內(nèi)核多線程多級(jí)雙緩存的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法,驅(qū)動(dòng)中開辟的多線程直接完成數(shù)據(jù)乒乓緩存和文件讀寫,所有數(shù)據(jù)操作均在內(nèi)核空間中完成,提高了硬盤寫入速度和速度穩(wěn)定性,穩(wěn)定存儲(chǔ)速度由60MB/s,提高到100MB/s,接近硬盤的最大寫速度。圖像的實(shí)時(shí)顯示和快速導(dǎo)出都非常有利于現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)。針對(duì)此需求,使用跨平臺(tái)的QT實(shí)現(xiàn)了用戶操控程序的設(shè)計(jì),只需重新編譯即可運(yùn)行在Windows和Linux下。所有數(shù)據(jù)均通過千兆網(wǎng)進(jìn)行傳輸,在同一操控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制、狀態(tài)讀取、顯示和FTP快速導(dǎo)出等功能。通過提出的子類化QObject方法,將耗時(shí)的通信線程運(yùn)行在獨(dú)立線程中,提高了響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。經(jīng)測(cè)試,控制程序響應(yīng)及時(shí),FTP速度達(dá)到75MB/s以上,顯示能穩(wěn)定達(dá)到30幀每秒。有的應(yīng)用場(chǎng)合,高速相機(jī)輸出的圖像碼率較高。為提高系統(tǒng)的最大記錄速度,可在FPGA內(nèi)集成基于改進(jìn)JPEG2000的高速實(shí)時(shí)圖像壓縮專利IP核,當(dāng)壓縮比為10時(shí)的圖像PSNR仍可達(dá)35d B以上,能夠滿足高精度定位的壓縮要求。系統(tǒng)最大記錄速度可達(dá)1000MB/s以上,能夠滿足絕大多數(shù)高速存儲(chǔ)應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：PowerPC PCIe Linux 內(nèi)核多線程 高速存儲(chǔ) 驅(qū)動(dòng) DMA QT
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 致謝3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目錄8-12
• 第一章 緒論12-19
• 1.1 論文研究背景及意義12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀13-15
• 1.3 基于POWERPC的高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)15-17
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容及組織結(jié)構(gòu)17-19
• 第二章 高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 PCIE接口協(xié)議19-23
• 2.2.1 PCIe協(xié)議版本及特點(diǎn)19-20
• 2.2.2 PCIe的配置空間20-21
• 2.2.3 端到端的數(shù)據(jù)傳遞21-22
• 2.2.4 PCIe總線的層次結(jié)構(gòu)22-23
• 2.3 存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇23-26
• 2.4 記錄速度提升技術(shù)研究26-29
• 2.4.1 RAID技術(shù)26-28
• 2.4.2 FPGA內(nèi)建靜態(tài)圖像實(shí)時(shí)壓縮模塊28-29
• 2.5 本章總結(jié)29-30
• 第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)30-47
• 3.1 引言30
• 3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)30-31
• 3.3 高速圖像輸入接口31-34
• 3.4 POWERPC子卡34-38
• 3.5 系統(tǒng)主板硬件設(shè)計(jì)38-46
• 3.5.1 電源部分38-39
• 3.5.2 時(shí)鐘信號(hào)39-40
• 3.5.3 PSRAM、DDR3、FLASH40
• 3.5.4 PCIe差分信號(hào)40-41
• 3.5.5 布局布線要求41-45
• 3.5.6 系統(tǒng)實(shí)物圖45-46
• 3.6 本章總結(jié)46-47
• 第四章 嵌入式LINUX系統(tǒng)平臺(tái)搭建47-73
• 4.1 引言47
• 4.2 開發(fā)環(huán)境47-50
• 4.2.1 交叉編譯環(huán)境簡(jiǎn)介47-48
• 4.2.2 開啟系統(tǒng)服務(wù)48
• 4.2.3 開啟MINICOM服務(wù)48-49
• 4.2.4 開啟NFS服務(wù)49-50
• 4.3 LTIB開發(fā)環(huán)境50-55
• 4.3.1 LTIB開發(fā)環(huán)境的概述50-51
• 4.3.2 LTIB開發(fā)環(huán)境的安裝51-53
• 4.3.3 LTIB開發(fā)環(huán)境的使用53-55
• 4.4 U-BOOT移植55-59
• 4.4.1 U-Boot的概述55-56
• 4.4.2 U-Boot的移植56-59
• 4.5 LINUX操作系統(tǒng)的剪裁59-61
• 4.6 .MICRO SD卡啟動(dòng)61-72
• 4.6.1 SD卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)61-65
• 4.6.2 P1022 CPU啟動(dòng)解析65-68
• 4.6.3 SD卡配置步驟68-69
• 4.6.4 配置字對(duì)DDR的初始化69-72
• 4.6.5 本節(jié)小結(jié)72
• 4.7 本章小結(jié)72-73
• 第五章 高速圖像數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)73-100
• 5.1 引言73
• 5.2 高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器實(shí)現(xiàn)73-86
• 5.2.1 PCIE_core的生成74-77
• 5.2.2 PCIE_app的實(shí)現(xiàn)77-84
• 5.2.3 布局布線及綜合84-85
• 5.2.4 本節(jié)總結(jié)85-86
• 5.3 高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制驅(qū)動(dòng)研究與實(shí)現(xiàn)86-99
• 5.3.1 驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序之間的異步通知90-93
• 5.3.2 速度測(cè)試及分析93-94
• 5.3.3 內(nèi)核多線程多級(jí)緩沖直接存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)94-98
• 5.3.4 本節(jié)總結(jié)98-99
• 5.4 本章總結(jié)99-100
• 第六章 計(jì)算機(jī)對(duì)高速存儲(chǔ)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控100-110
• 6.1 引言100
• 6.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)100-101
• 6.3 圖形界面中文的正常顯示101-102
• 6.4 FTP圖像數(shù)據(jù)備份102-105
• 6.4.1 FTP協(xié)議簡(jiǎn)介102
• 6.4.2 實(shí)現(xiàn)FTP的數(shù)據(jù)備份102-105
• 6.5 遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)查詢和實(shí)時(shí)顯示105-108
• 6.5.1 遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)查詢的實(shí)現(xiàn)105-106
• 6.5.2 實(shí)時(shí)回顯的實(shí)現(xiàn)106
• 6.5.3 QThread多線程提高實(shí)時(shí)性106-108
• 6.6 本章總結(jié)108-110
• 第七章 總結(jié)與展望110-113
• 7.1 全文工作總結(jié)110-111
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)111-112
• 7.3 工作展望112-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果119-120

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