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基于PowerPC的高速图像存储系统技术研究
作者: 王仕明
学位类别: 博士
答辩日期: 2015-04
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 付承毓 ; 徐智勇
关键词: PowerPC,PCIe,Linux,内核多线程,高速存储,驱动,DMA
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 随着光电跟踪测量技术以及遥感的飞速发展,为 提高系统的测量精度, 提高系统的测量精度, 提高系统的测量精度, 提高系统的测量精度, 高分辨率、帧频图像传感器 高分辨率、帧频图像传感器 被广泛采用, 以提高空间和时分辨力。另外,为 以提高空间和时分辨力。另外,为 以提高空间和时分辨力。另外,为 了提高对特定 波段 的探测能力,常 的探测能力,常 会将多个不同波段的图像传感器部署 在同一 设备上。高速 设备上。高速 、海量 的图像数据实时 传输和 存储成为一个急需解决的问题。 在恶 劣应用 环境 中,系统需要耐高低温、抗强震。在航空天以及快速机动应用还 中,系统需要耐高低温、抗强震。在航空天以及快速机动应用还 中,系统需要耐高低温、抗强震。在航空天以及快速机动应用还 中,系统需要耐高低温、抗强震。在航空天以及快速机动应用还 必须 实现 设备的小型化 ,轻量化和模块。因此在 ,轻量化和模块。因此在 ,轻量化和模块。因此在 满足性能要求的前提下,设计 满足性能要求的前提下,设计 出体积小、重量轻标准化环境特性好容大并且速度快的数据存储系统是 出体积小、重量轻标准化环境特性好容大并且速度快的数据存储系统是 出体积小、重量轻标准化环境特性好容大并且速度快的数据存储系统是 出体积小、重量轻标准化环境特性好容大并且速度快的数据存储系统是 出体积小、重量轻标准化环境特性好容大并且速度快的数据存储系统是 当前的研究热点之一,也是本文重。
对现阶段常用高速存储系统 现阶段常用高速存储系统 现阶段常用高速存储系统 现阶段常用高速存储系统 现阶段常用高速存储系统 实现 原理及 原理及 其优缺点 进行了 进行了 深入 的分析和 研究。 工控机中实现 的高速存储系统 的高速存储系统 的高速存储系统 的高速存储系统 的高速存储系统 的高速存储系统 的高速存储系统 ,它的 速度 较快 、容量 大、但 体积大、较沉重 。 DDR 实现 的存储 系统 ,它的 ,它的 速度 达到 1000 MB/s MB/s 以上, 但容量过小, 但容量过小掉电数据 丢 失。FPGAFPGAFPGA 外挂 SSD 或 NAND FLASH NAND FLASH NAND FLASHNAND FLASHNAND FLASHNAND FLASH 控制芯片 实现的 存储 系统, 它的速度一般、 使用不 便。 FPGAFPGAFPGA 直接控制的 接控制的 NAND FLASH NAND FLASH NAND FLASHNAND FLASHNAND FLASHNAND FLASH 阵列存储系统,开发难度较大 ,任 何 FLASHFLASHFLASH 芯片的 改变 都需要 重新开发 ,速度 较快,使 较快,使 用自定义的简单文件系统, 导出速度较慢 ,简 单串口通信 ,操控较 麻烦,易用 性差。
针对上述问题 本文提出并实现了 基于 PowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSD PowerPC+FPGA+SSD PowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSD PowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSDPowerPC+FPGA+SSD的小型化的高速 小型化的高速 图像存储系统。 完成 了高速存储 系统 硬件 平台 的设计, 建立 了交叉编译环境, 搭 建了 LinuxLinux 系统 平台。 在 FPGAFPGAFPGAFPGA中实现 了基于 了基于 PCIePCIePCIePCIe的高速数据 传输 DMA 控制 器, 在 LinuxLinux 下开 发的驱动 完成了对高速数据 DMA 传输的 控制,配合 控制,配合 应用 程序 将 图像数据以 ext3ext3ext3ext3格 式存入 mSATA mSATAmSATAmSATA接口 的 SSD 中 。系统 大小为 22CM*10.9CM*4.1CM 22CM*10.9CM*4.1CM 22CM*10.9CM*4.1CM 22CM*10.9CM*4.1CM,重量仅为 ,重量仅为 303 克, 实现了高速图像存储系统小型化、 轻 量化、标准化和模块,各技术可快速复用到其它工程中。而且本系统抗震 标准化和模块,各技术可快速复用到其它工程中。而且本系统抗震 标准化和模块,各技术可快速复用到其它工程中。而且本系统抗震 性好,非常适用于运动载体图像采集存储应。
Micro SD Micro SD Micro SD相对于 NAND FLASH NAND FLASHNAND FLASH NAND FLASH 和 NOR FLASH NOR FLASHNOR FLASHNOR FLASHNOR FLASHNOR FLASHNOR FLASHNOR FLASH容量 大、写入速度 大、写入速度 快、操作 系统 和应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 应用程序更新方便。 因此研究 Micro SD Micro SD Micro SDMicro SD卡的启动 有重 在意义,针 对 PowerPC Micro SDPowerPC Micro SD PowerPC Micro SD PowerPC Micro SDPowerPC Micro SD PowerPC Micro SD PowerPC Micro SDPowerPC Micro SD卡启动问题,深入分析和研究了 Micro SD MBR Micro SD MBR Micro SD MBRMicro SD MBR Micro SD MBR Micro SD MBR数据结构、 启动原理和过程,提出了由 shell shell 直接读写 Micro Micro SD 卡 MBR MBR的方法,提高了可 的方法,提高了可 启动 Micro SD Micro SD Micro SD卡格式化的可靠性和效率。
PCIePCIePCIePCIe接口 DMA 驱动 实现了 实现了 对高 速图像数据 DMADMA 传输的 控制和数据存控制 。针对传统驱动方法需将大量数据从内核空间 拷贝到用户。针对传统驱动方法需将大量数据从内核空间 拷贝到用户导致 速度 较低、 波动大 的问题 ,提出了内核多 线程级双缓存的驱动实现方法中开辟,提出了内核多 线程级双缓存的驱动实现方法中开辟,提出了内核多 线程级双缓存的驱动实现方法中开辟线程直接完成数据乒乓缓存和文件读写,所有操作均在内核空间中提 线程直接完成数据乒乓缓存和文件读写,所有操作均在内核空间中提 线程直接完成数据乒乓缓存和文件读写,所有操作均在内核空间中提 高了硬盘写入速度和稳定性,存储由 60MB/s 60MB/s ,提高到 100MB/s 100MB/s , 接近硬盘的最大 写速度。
图像的实时 显示和快 速导 出都 非常 有利于现 场的调试和实验数据确认。 针对 此需求, 使用 跨平台 的 QT 实现 了用户 操控 程序 的设计,只需重新编译即可运行 的设计,只需重新编译即可运行 在 WindowsWindows 和 LinuxLinux 下。 所有数 据均通过千兆 网进行传输, 在同 一操控平台上 实现 控制、状态读取显示和 控制、状态读取显示和 控制、状态读取显示和 FTPFTP 快速导出等功能 。通过提出的子类化 QObject QObject QObject方法,将耗时的通信线程 ,将耗时的通信线程 运行 在独立 线程中,提高了 线程中,提高了 响应 的实时性 。经 测试,控 制程序 响应及时 ,FTPFTP 速度达到 75MB/s 75MB/s 以上,显示能稳定达到 30 帧每秒。
有的应用 场合,高速相机 输出的图像 码率较高。为提高 。为提高 系统 的最 大记录 速度 , 可在 FPGAFPGAFPGA 内集成 基于改进 JPEG2000 JPEG2000 JPEG2000 的高速实时图像压缩专利 IP 核,当压缩 比为 10 时的图像 PSNRPSNRPSNRPSNR仍可达 35dB 以上, 能够 满足高精度定位的压缩要求 。 系统 最大记录速度 可达 1000MB/s 1000MB/s 以
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/3052
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作者单位: 中国科学院光电所

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王仕明. 基于PowerPC的高速图像存储系统技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015.
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