發(fā)布時間：2017-04-23 20:13

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

【摘要】：隨著光電跟蹤測量技術以及遙感遙測的飛速發(fā)展,為提高系統(tǒng)的測量精度,高分辨率、高幀頻圖像傳感器被廣泛采用,以提高空間和時間分辨力。另外,為了提高對特定波段的探測能力,常常會將多個不同波段的圖像傳感器部署在同一設備上。高速、海量的圖像數(shù)據(jù)實時傳輸和存儲成為一個急需解決的問題。在惡劣應用環(huán)境中,系統(tǒng)需要耐高低溫、抗強震。在航空航天以及快速機動應用中還必須實現(xiàn)設備的小型化,輕量化和模塊化。因此在滿足性能要求的前提下,設計出體積小、重量輕、標準化、環(huán)境特性好、容量大并且速度快的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是當前的研究熱點之一,也是本文的研究重點。對現(xiàn)階段常用高速存儲系統(tǒng)實現(xiàn)原理及其優(yōu)缺點進行了深入的分析和研究。工控機中實現(xiàn)的高速存儲系統(tǒng),它的速度較快、容量大、但體積大、較沉重。DDR實現(xiàn)的存儲系統(tǒng),它的速度達到1000MB/s以上,但容量過小,掉電數(shù)據(jù)丟失。FPGA外掛SSD或NAND FLASH控制芯片實現(xiàn)的存儲系統(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,使用自定義的簡單文件系統(tǒng),導出速度較慢,簡單串口通信,操控較麻煩,易用性差。針對上述問題本文提出并實現(xiàn)了基于Power PC+FPGA+SSD的小型化的高速圖像存儲系統(tǒng)。完成了高速存儲系統(tǒng)硬件平臺的設計,建立了交叉編譯環(huán)境,搭建了Linux系統(tǒng)平臺。在FPGA中實現(xiàn)了基于PCIe的高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器,在Linux下開發(fā)的驅動完成了對高速數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)目刂?配合應用程序將圖像數(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,重量僅為303克,實現(xiàn)了高速圖像存儲系統(tǒng)小型化、輕量化、標準化和模塊化,各模塊技術可快速復用到其它工程中。而且本系統(tǒng)抗震性好,非常適用于運動載體圖像采集存儲應用。Micro SD相對于NAND FLASH和NOR FLASH容量大、寫入速度快、操作系統(tǒng)和應用程序更新方便。因此研究Micro SD卡的啟動有重在意義,針對Power PC Micro SD卡啟動問題,深入分析和研究了Micro SD MBR數(shù)據(jù)結構、啟動原理和過程,提出了由shell直接讀寫Micro SD卡MBR的方法,提高了可啟動Micro SD卡格式化的可靠性和效率。PCIe接口DMA驅動實現(xiàn)了對高速圖像數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)目刂坪蛿?shù)據(jù)存儲的控制。針對傳統(tǒng)驅動方法需將大量數(shù)據(jù)從內核空間拷貝到用戶空間導致速度較低、波動大的問題,提出了內核多線程多級雙緩存的驅動實現(xiàn)方法,驅動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)定存儲速度由60MB/s,提高到100MB/s,接近硬盤的最大寫速度。圖像的實時顯示和快速導出都非常有利于現(xiàn)場的調試和實驗數(shù)據(jù)確認。針對此需求,使用跨平臺的QT實現(xiàn)了用戶操控程序的設計,只需重新編譯即可運行在Windows和Linux下。所有數(shù)據(jù)均通過千兆網進行傳輸,在同一操控平臺上實現(xiàn)控制、狀態(tài)讀取、顯示和FTP快速導出等功能。通過提出的子類化QObject方法,將耗時的通信線程運行在獨立線程中,提高了響應的實時性。經測試,控制程序響應及時,FTP速度達到75MB/s以上,顯示能穩(wěn)定達到30幀每秒。有的應用場合,高速相機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內集成基于改進JPEG2000的高速實時圖像壓縮專利IP核,當壓縮比為10時的圖像PSNR仍可達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1000MB/s以上,能夠滿足絕大多數(shù)高速存儲應用。
【關鍵詞】：PowerPC PCIe Linux 內核多線程 高速存儲 驅動 DMA QT
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（光電技術研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 國內外現(xiàn)狀13-15
• 1.3 基于POWERPC的高速圖像存儲系統(tǒng)的技術難點15-17
• 1.4 本文研究內容及組織結構17-19
• 第二章 高速圖像存儲系統(tǒng)相關基礎技術研究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總線的層次結構22-23
• 2.3 存儲介質的選擇23-26
• 2.4 記錄速度提升技術研究26-29
• 2.4.1 RAID技術26-28
• 2.4.2 FPGA內建靜態(tài)圖像實時壓縮模塊28-29
• 2.5 本章總結29-30
• 第三章 系統(tǒng)結構及硬件平臺設計30-47
• 3.1 引言30
• 3.2 系統(tǒng)總體結構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)主板硬件設計38-46
• 3.5.1 電源部分38-39
• 3.5.2 時鐘信號39-40
• 3.5.3 PSRAM、DDR3、FLASH40
• 3.5.4 PCIe差分信號40-41
• 3.5.5 布局布線要求41-45
• 3.5.6 系統(tǒng)實物圖45-46
• 3.6 本章總結46-47
• 第四章 嵌入式LINUX系統(tǒng)平臺搭建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)境簡介47-48
• 4.2.2 開啟系統(tǒng)服務48
• 4.2.3 開啟MINICOM服務48-49
• 4.2.4 開啟NFS服務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61-72
• 4.6.1 SD卡數(shù)據(jù)結構61-65
• 4.6.2 P1022 CPU啟動解析65-68
• 4.6.3 SD卡配置步驟68-69
• 4.6.4 配置字對DDR的初始化69-72
• 4.6.5 本節(jié)小結72
• 4.7 本章小結72-73
• 第五章 高速圖像數(shù)據(jù)傳輸存儲技術研究與實現(xiàn)73-100
• 5.1 引言73
• 5.2 高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制器實現(xiàn)73-86
• 5.2.1 PCIE_core的生成74-77
• 5.2.2 PCIE_app的實現(xiàn)77-84
• 5.2.3 布局布線及綜合84-85
• 5.2.4 本節(jié)總結85-86
• 5.3 高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制驅動研究與實現(xiàn)86-99
• 5.3.1 驅動與應用程序之間的異步通知90-93
• 5.3.2 速度測試及分析93-94
• 5.3.3 內核多線程多級緩沖直接存儲的實現(xiàn)94-98
• 5.3.4 本節(jié)總結98-99
• 5.4 本章總結99-100
• 第六章 計算機對高速存儲系統(tǒng)的遠程操控100-110
• 6.1 引言100
• 6.2 系統(tǒng)總體結構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)議簡介102
• 6.4.2 實現(xiàn)FTP的數(shù)據(jù)備份102-105
• 6.5 遠程控制、狀態(tài)查詢和實時顯示105-108
• 6.5.1 遠程控制和狀態(tài)查詢的實現(xiàn)105-106
• 6.5.2 實時回顯的實現(xiàn)106
• 6.5.3 QThread多線程提高實時性106-108
• 6.6 本章總結108-110
• 第七章 總結與展望110-113
• 7.1 全文工作總結110-111
• 7.2 本文創(chuàng)新點111-112
• 7.3 工作展望112-113
• 參考文獻113-119
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果119-120

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本文編號：322970