基于ide硬盘的数字图像存储技术研究

1、长春理工大学硕士学位论文基于IDE硬盘的数字图像存储技术研究姓名：李川申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：刘智20080401摘要近年来做为数据存储介质的硬盘，接口智能化程度越来越高，容量不断增大，体积不断变小，并可脱离系统主机，控制起来比较方便，已经受到人们的普遍重视。在许多以单片机为核心的持续数据采集存储应用系统中，利用嵌入式计算机实现数字相机输出图像在硬盘中的直接、快速，稳定、连续存储和读取，对于数字图像监控系统的小型化和大容量具有重要的意义，同时也可对其它以图像存储为目的的系统提供参考方案。本设计介绍了一种基于单片机（）控制的（集成驱动器电子设备）硬盘高速数字图像采集和存储系统

2、，提出了采用乒乓方式对硬盘进行读写控制以提高系统存储速度，并按照文件格式进行记录，缩短了系统数据处理周期，为系统快速分析、处理目标提供依据，这样从根本上解决了存储、速度、记录图像信息完整性三者之间的矛盾。此方案已经调试成功，实现了占用较少的单片机资源，却能比较方便的控制硬盘进行稳定实时存储功能，而存入硬盘内部的数据能以文件的格式在电脑中识别打开和做相应的处理。本设计有较大的扩展使用空问，在实验室研发和实际的生活当中都有很重要的现实意义。关键词：数字图像存储文件格式模式，：长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于硬盘的数字图像存储技术研究是本人在指导教师的指导下

3、，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：蕉！塑年三月望日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：刿指导导

4、师签名：鲨年三月互日年月型日第一章绪论§数字图像存储的意义随着数字技术的广泛应用，数码相机、图像扫描仪日渐普及，由此生成的图像文件容量不断增加，将文件，图像等数据信息孤立、永久的存储于数码相机等采集装置或某一台电脑中，显然是不可能，也不现实的；过量的图像文件需要备份以腾出硬盘空间，数据文件有的需要外传，有的资料需要共享，还有预防误操作和病毒攻击而必须备份等等。在做好大量图像数据文件安全、妥善存储的同时，如何方便快捷的在电脑之间、电脑与外设间传输数据文件也备受关注。因此，具备一两种以上适合自已需要的数据文件存储方式和传输途径非常重要。由于图像信息具有信息量丰富、直观生动等特点，所以对图

5、像信息进行深入分析和处理是进行科学研究和工程应用的有效手段。随着高帧频、大阵列图像传感器的出现，使我们有能力观察到快速运动目标的姿态、轨迹，尤其是特定阶段的瞬间变化，这为我们获取更多的图像信息，进行更深入精确的研究提供了先决条件。在当今的信息社会中，高速图像存储技术的应用将体现在国家发展中的军事、民用、医学、科研等各个领域，诸如：空间观测、海洋开发、气象分析、城市规划、医疗设备、军事侦察和目标测量等。但是，能否把这种大信息量的图像数据实时完整的保存下来，是现在图像存储任务面临的严峻问题，因此，实现高速图像数据存储具有很重要的现实意义。§数字图像存储技术的历史提到图像存储，人们自然想到

6、与生活息息相关的摄录像设备，比如录像机、照相机等，这类设备简单实用，被广泛应用于人们的日常生活和科技科研领域。但这类设备由于面向需求对象不同以及其工作原理和结构及材料的限制，仅仅能满足慢速图像的摄录，而无法捕获目标瞬间变化的特性，达不到高速摄录的要求。下面简单介绍一下图像存储发展的历史：电影的诞生开创了以胶片记录图像的纪元。以胶片这种形式记录，可以实现很好的图像质量要求，同时高速摄影机的出现，也使胶片记录在速度上取得了长足进展。但是，由于胶片记录是以感光材料的曝光来实现的，所以要想使影像再现，必须要经过胶片冲洗这一步骤，而胶片的冲洗不仅需要专门的设备，而且冲洗的周期也长。为了达到高质量的冲洗效

7、果，需要采用性能优良的冲洗设备，而这样的设备一般成本较高。因此，胶片记录虽然可以实现高速记录，同时也完整的保存了原始图像信息，但是胶片冲洗时间长，无法达到快速再现图像的目的，不能满足在事后快速看到记录的图像并迅速进行处理的时间要求，使得整个事后处理周期长，延缓了工作进程。在数据保存方面，胶片的保存时间、占用空间都无法同现在的磁盘记录或者光盘记录相媲美。所以这种图像存储技术已经远远不能满足包括科学研究、资源普查、军事技术、医疗卫生等领域的应用要求，人们为了用图像及时地传递各种信息，便开始了对图像处理技术的研究。然而，图像处理技术的真正发展还是在本世纪年代以后，一方面是由于受到航天技术发展的刺激：

8、另一方面，也是由于做为图像处理重要工具的数字计算机和不同类型的数字化仪器及显示器有了突飞猛进的发展。在各种图像处理技术中，图像的实时存储技术一直是大家都非常关注的技术，是国内外研究的热点之一。自从电脑在我们的生活和科技领域的应用普及之后，图像的存储方式发生了重大的变化，许多基于电脑而产生的存储设备应运而生：软盘，用传统的英寸软盘进行拷贝，是较早开始使用的、以软驱支持的数据存储方式。普通软盘的缺点是：存储容量太小，读写速度慢，磁盘易损坏，可靠性差。这种方式，适合暂时拷贝携带一点、文字文件和少量压缩格式、几百（千字节）大小的数字图像文件。存储盘，以为代表包括、等在内的各种大容量储存装置，都需要专用

9、的驱动器。是磁光盘，属于传统磁盘技术与光技术结合的产物，大小类似于传统的英寸软盘，可存储从几百至数千的数据文件。其优点是：小巧易带，读取快、耐擦写、寿命长、安全性好，对环境要求低。不过，由于设备接口不兼容，通用性差，加上沉重的电源盒、连接器显得繁琐麻烦，盘片成本价格高，所以不能普及，使用者较少，产品在市场上也不多见。这种方式，仅适合部分对存储有较高质量要求的专业用户。闪存，（）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位，区块大小一般为到。闪存是电子可擦除只读存储器（）的变种，与闪存不同的是，它能在字节水平上进行删

10、除和重写而不是整个芯片擦写，这样闪存就比的更新速度快。由于其断电时仍能保存数据，闽存通常被用来保存设置信息，如在电脑的（基本输入输出程序）、（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。另一方面，闪存不像（随机存取存储器）以字节为单位改写数据，因此不能取代。闪存卡（）是利用闪存（）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，等小型数码产品中做为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为洲存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有卡、卡、卡、卡、（记忆棒）、卡和微硬盘这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。硬盘：将圆形的磁性盘片装在一个方的密封盒子里，有了硬

11、盘之后，人们使用计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在硬盘中，还可以把很多输入到计算机中的数据存储到硬盘中，使得这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。移动硬盘，它也是以硬盘为存储介质，由笔记本硬盘和硬盘盒组成，强调便携性的存储产品。目前，主流移动硬盘是以英寸的台式机硬盘和英寸的笔记本硬盘为基础，只有很少部分用英寸的微型硬盘。其中英寸的硬盘尺寸宽、重量大，缺乏特殊防震设计，携带也不方便，但有价格和容量优势；英寸硬盘抗震性能好，尺寸、重量都较小，在移动硬盘中应用最多：英寸硬盘目前价格太高，无法普及。移动硬盘的数据读写模式与标准硬盘相同，采用或高效的串行接口标准，支持即插即用和热插拔，性能稳

12、定，能够以较高的速度与系统进行数据传输。移动硬盘提供的、等巨大的存储空间，基本上满足了需求。这种方式，合适大量数据文件的存储备份、在家用、办公电脑之间拷贝传输之用。光盘，现在普及的刻录机，能刻录和两种光盘。一张标称容量的空白盘片可以有效刻写，一张容量的盘片可以有效刻写。盘片价格稍责一些，虽然是可反复擦写，但有一定的使用次数和寿命，一旦用旧了，读和写都面临困难，此外盘片只能用于刻录机，普通光驱对此不认。盘片每张成本很低，用它刻录的最大优势在于存储容量永无限量，还能一份复制多份，能被普通光驱读认，不足是不能编辑修改，删除数据后腾不出有效空间，用于数据交换显得有些浪费。磁盘阵列自面世以来，应用非常广

13、泛，技术也很成熟，目前已经发展到第七代，但在图像采集系统中，现成的却难以应用，原因是现在产品化的都是基于总线的，不能脱离笨重的计算机，专门开发存在很大的难度【。§数字图像存储技术的现状近年来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，使得用摄像机开始大量的普及，许多数字图像采集设备和存储设备发展迅速。比较典型的产品如法国公司的系统：（）系统组成：一台使用的标准总线工控机（配备一块美国公司图像采集卡和一块卡）；一个标准工控磁盘阵列箱（容量最小，最大）；（）系统平台：操作系统；图像来源：可接标准黑白摄像机、彩色摄像机、数字摄像机和高帧频摄像机；图像规格：最高分辨率×（黑白），（帧秒）

14、；图像位数：；连续记录时间：最长小时。但是，基于计算机的图像记录系统仍有以下不足：第一，要想实现图像的记录则必须要经过图像采集这一过程，图像采集由专门的图像采集卡来实现；经过采集过后的图像数据由计算机读入到系统内存，然后计算机再将系统内存中的图像数据读出写到存储的硬盘上。整个过程经过了计算机的系统总线和系统的内存，二者将采集和最后的存储连接起来。由此可以看出，数据是两次经过系统总线和系统内存，即包括一次写入一次读出，耗时较多；第二，现代的计算机操作系统大多为多任务的。操作系统的多任务性就存在任务调度的问题，这样在任务调度的过程中，必然存在某一任务被暂时挂起的情况。硬盘直写技术也得到了越来越多的

15、应用。如北京伊甸公司推出的单片机控制直写移动硬盘的产品（，），它可实现对移动硬盘（格式）的读写操作，对移动硬盘的容量无限制，主要功能如下：，检测移动硬盘的状态（如接入，拔出）；，创建文件和目录；，打开一个已经创建的文件和目录；，从文件中读取指定长度和指定位置的数据；，写数据到指定文件的指定地址；，列举目录下的文件和目录；，删除文件和且录；，查询容量和剩余空间。但它的读写速度受到单片机速率等方面的限制，仅达到；每秒，已经不满足现在需要设计的需要。还有的采用压缩编码算法，减少数据量再进行记录。当今图像压缩技术的发展非常快，如对于局部图像可以实现无损压缩，还原后图像逼真如初，这对于某些应用方面（如图

16、像传输、影视视频、可视电话、医用影像处理等）已经可以满足需要，但是对于精密测量设备来说，采用压缩方法存储复杂背景下的目标图像，会损失一些细节和精度，并且带来算法上的复杂，不利于硬件实现。§数字图像存储技术的应用领域、可视对讲系统：可以将来客的图像记录存储，以备主人查看；可用于现有的可视对讲系统升级改造。高档可视门铃，当客人按下门铃按钮时，系统自动记录一幅客人的图像，当主人回家后可以随时调阅。主人发现门口有可疑人员时，可以手动录像，便于公安部门取证。、周界监控系统：可以在报警的同时记录下入侵者的图像，可以在一些场合替代录像机，节省成本。一般超市已经安装了视频监控系统，只要加入开发的存储

17、模块，当出现可疑人员时，收银员可以手动或者遥控进行拍照录像，使窃贼或违章偷吃者，在图象证据面前无话可说。、家用报警系统：可以与现有的家庭报警器配合使用，增加一个摄像头，就可在报警的同时记录现场图像，为用户提供图像资料。、停车场管理系统：可以与装设在停车场出入口的摄像机及地感线圈配合，一旦有汽车进入（或驶出）时，就可以将车牌和车型捕捉存储，以便保安辨认，有利于提高系统的性能，降低成本。、视频仪器设备：可与视频医疗仪器或生产线用视频检测仪器配合使用，用于存储所需的图像。、视频图像信号源：可做视频图像信号源，应用在生产线的每个工位，减轻企业购买仪器的费用。、监控拍照录放器：是中小型监控报警系统取代硬

18、盘录像机的理想换代产品，可用于防范出租车、中小巴士、私家车、长途汽车等机动车辆防盗防劫需要。、其它场合：需要暂时存储图像的应用场合。自动录像取证系统，在重要场合，配合防盗报警系统及人体红外探测器或者微波人体探测器、振动传感器，可实现出现警情时自动录像多幅，有效取证。§系统整体设计方案目前根据所查阅的文献资料，获得图像存储的相关研究工作成果，可以为本设计的具体工作提供明确的方向指导。利用来实现对数字图像的存储，其性价比很高，不仅存储的容量大，而且掉电后数据也不会丢失，还可以加上相应的文件系统，处理速度虽然不是很快，但是在音频和一般的数据记载应用还是比较广泛，但是一的数据总线是位的宽度，

19、而硬盘接口是位的宽度，这样就需要外扩一个来完成传输，无形中在硬件电路设计中就增加了一定的难度，且一旦出现新的存储要求，系统可扩展性不强。还有基于以及，的嵌入式系统等，一些目前比较先进的处理器，也实现了控制硬盘实现数字图像的存储，有些甚至做出了在操作系统下的硬盘驱动，这些设计的传输速率不容置疑，甚至可以达到，而且系统稳定，可扩展性很强，但是价格方面的确有些让人难以接受，少则上千，多则上万，与所对应的产品比较其性价比不高。因此，根据本设计是实现图像传感器输出的数字图像数据的硬盘存储。其主要需要满足的指标是下表中图像传感器的具体参数：表相机各项指标图像传感器图像传感器分辨率×标准图像取景方

20、式旁轴式光学取景存储器摄影范围厘米以上帧速帧秒电压重量及尺寸××系统配置，内存根据实际设计情况，图像传感器秒钟传输帧图像，其图像分辨率为像素，所以，在本设计中决定选用内部晶振为的做为控制器实现控制硬盘进行存储的功能。兼有和一些高级处理器，的优点，既可满足设计需要，价格还比较低廉。本次设计的主要任务是要完成对图像传感器所采集的图像迸行实时有效的硬盘存储功能，根据上表主要有三个技术指标需要着重考虑：第一，硬盘存储的速率足够快，且不能出现丢帧；第二，要有足够的存储容量，能满足所要求的存储时间：第三，不能丢失图像信息。从容量上看，目前硬盘的容量可以做的很大（如单块硬盘可以达到），故

21、存储容量上不存在问题。从不能丢失图像信息的角度来看，虽然现在出现了很多好的图像压缩算法，但是任何压缩算法的采用不仅存在运行算法的耗时，更重要的是压缩会造成图像信息的丢失。因此，综合分析，本设计采用无压缩的图像存储方式。从满足存储速度方面，需要考虑以下几点：首先，由于从图像传感器输出的图像数据是不问断的送给硬盘，但是硬盘要将数据写到盘片上，存在寻道所经历的磁头移动、读内部缓存等许多问题，硬盘本身的存储和传感器传输图像所经历的时间不是等间隔的，因此需要将图像传感器传输过来的图像数据先通过一个合适大小的存储器，用来将数据做缓存处理以便协调图像数据与存储速度之间的差异。为了实现采集数据的快速有效虽无丢

22、失的存储，缓冲存储器采用乒乓方式。乒乓方式的存储器组成方式多种多样可以采用两片进行交替的存储，也可以采用进行乒乓存储，考虑到本设计的设备要求以及难度，虽然在进行乒乓存储时会占用很多的管脚，硬件设计有些麻烦，但是在编程上却比较容易实现，所以采用了两片的乒乓存储结构。本系统采用的是两组存储器（型号）乒乓缓存，一组用于接收发送的数据，另外一组存储器与硬盘进行数据读取，这样交替工作，可以保证不丢失数据。对于硬盘来说，在大部分时间内写数据到盘片上的速度要快于图像传感器输出数据的速度，所以，在原理上来讲，选择大容量的缓冲存储器可以弥补在极短时间内写数据到盘片上的速度慢于图像传感器输出数据的速度的缺陷，这样

23、有助于提高存储速度。综上所述，本设计拟采用的图像采集装置是图像传感器，缓存采用两个的乒乓结构，存储设备为希捷公司生产的的硬盘，控制器为单片机，设计本系统的硬件电路，整个系统的硬件结构框图如图所示：图系统结构框图本系统的整体电路，主要由三个模块构成：图像传感器外围电路、存储电路、单片机控制及接口电路。复杂可编程逻辑器件能够以译码的方式产生各级控制信号，控制，两个信号来控制芯片的复位并选择工作方式，获得的图像传输给外部存储器；外部存储器，采用的是片，因为硬盘的数据宽度是位，的数据宽度是位，故我们需要将两个存储器按数据扩展的方式连接，将两个存储器的地址、读写控制和使能端都接在一起，就可以将它们作为一

24、个位数据宽度的存储器来用了。这样连接之后形成了两组存储器，这两组存储器用于对图像数据的乒乓读写；存储器和硬盘之间的数据通道通过分时选通，以避免数据总线冲突。§本设计主要研究目的及研究内容本设计是为实现直接控制硬盘，实现对不同帧频的数字图像，尤其是对高帧频数字图像进行快速有效的存储，这样可以以最简洁的数据传输路径，最大的硬盘工作速度实现数掘存储：再根据特定文件格式的要求，在存储时直接记录成操作系统能认知的文件格式，这样事后对图像的分析处理更加快捷、方便。如此以来，就可以较好的解决存储、速度、图像信息完整性和方便快捷之间的矛盾，为相关科学研究和工程应用的研究提供全面、详细的图像数据资料。

25、与此同时，能够把研究成果应用于有关的工程项目中，使之成为一个独立的、具有良好适应性的功能单元在工程中发挥作用。利用器件对硬盘进行直接脱机管理，利用硬盘大容量存储的有利条件对采集的数据进行实时的存储，可以使数据存储摆脱笨重的微机，而同时可以做到数据的高速度、大容量、实时存储。在此基础上，还可以研究开发相应的多领域的数据存储产品，如实现对遥感数据、地震数据的存储等等。基于以上目的，本研究的主要内容如下：硬盘的基本特性参数和接口方式的研究。针对硬盘的具体参数，比如磁头技术，接口技术等进行主要的研究。单片机对硬盘进行读写的控制方法和接口方式。主要是针对扇区的读写操作，以及用何种传输方式来进行数据的传输

26、，比较方式和方式的不同以及优缺点，最终确定用的传输模式。数字图像在硬盘中的存储读取技术。了解国内外对数字图像存储技术发展的现状，发掘硬盘存储的前景，掌握用何种技术可以有效的实现数字图像在硬盘中的存储，研制出有效的硬盘存储实体。分析文件系统，掌握在文件系统下文件的存放格式。数字相机的构建技术，对该项技术的发展趋势给予客观的预测。第二章硬盘结构和接口标准随着社会信息化程度的提高以及科研生产的不断发展，对数据存储提出了更高的要求，从而推动了存储技术的不断发展。随着盘片技术及相关领域技术的发展，目前硬盘的种类也是日新月异，在这种情况下出现了各种各样的硬盘存储方式。利用机普遍配置的硬盘构件的存储系统，它

27、的总线传输速率可达，持续数据传输有，价格便宜，容量很大，在数字相机图像存储的领域是可以满足要求的。采用的小型计算机系统接口（）硬盘，总线传输速率为，持续数据传输速率为。但是其价格相对较高，而且在市面上不易买到，开发时还需要专门的协议控制器。存储器具有不需要电池维护，掉电后数据仍然不会丢失的特点，目前已逐渐应用到各个领域。近年来生产的芯片不但容量增大了，而且数据写入和擦除仅需电压即可，最重要的是由于与普通硬盘相比它以“电子转动”取代了普通硬盘读写的机械转动方式，使硬盘的读写速度达到了前所未有的高度，但就目前而言其价格也随着读写速度在成倍的增长。卡容量大，体积小，读写速度快，可与多种电脑操作系统平

28、台兼容，结实耐用，可多次读写。另外，它支持和两种电源，耗电量小，在断电后数据依然能够保存，是一种很好的存储载体。从存储容量、读写速度和单位成本还有系统开发难度诸方面综合考虑，认为将硬盘做为存储介质有很大的优势，所以本设计选用希捷公司生产的的硬盘做为存储介质。下面将对硬盘本身及其接口特性做进一步的了解。§硬盘结构及性能参数一直以来，硬盘是计算机系统的主要的存储设备，在融合各种先进接口技术的同时，随着磁记录设备制造工艺的提高而飞速发展。通过在加快数据传输速率、缩短搜寻时间、增加缓存容量，以及提高系统处理器速度、不断提升操作系统的性能、提高接口速度、改进微码算法和更快的执行系统启动等需求方

29、面做出不懈的努力，硬盘无论是在存储容量还是存储速度上不断突破传统的理论极限。硬盘技术由公司首先发明的，这可以追溯到年，当时公司向世界展示了第一台容量只有的磁盘存储系统（），虽然容量只有，但是它却由个直径为英寸（约为）的磁盘组成，看起来笨重，而且速度很低，但是毕竟开创了磁盘存储的先河。经过多年的发展，硬盘技术已经朝着体积更小、速度更快、容量更大的方向不断发展着。硬盘技术的飞速发展，推动了整个社会信息化进程。一、组成从外观来看，硬盘由一个四方形密闭金属方形盒，即总成（，磁头磁盘总成）和在金属方形盒底部的电路板组成。用于提供读写磁头的定位（），让读写头的前进后退有固定的地方，并将磁盘表面杂乱无章的磁

30、场磁化，成为可以识别的数据磁场；电路板主要提供两个功能：第一，将计算机系统使用的数字信号转化为磁场信号，来改变磁盘表面的磁介质，使之磁化磁场表面的磁场，第二就是提供所有机械零件所需要的控制信号。从内部来看，硬盘主要由磁盘、盘片主轴、主轴马达、磁头、音圈马达、磁头驱动臂等组成。所有的磁盘都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴；数据存放在磁盘上，磁盘是以铝合金或者玻璃陶瓷为基片，并覆盖一层极薄磁介质而形成的。磁头是一个类似唱片播放机中唱针的设备，其操作原理是将电场转换成磁场。例如，写入操作的过程如下：磁头主要的信号产生方式，是利用电流信号通过读写线圈，将上面的磁介质磁化之后，就会有磁场从磁隙中流出

31、来，让磁盘上感应媒介质的磁性层产生磁场，从而将数据写入磁盘。主轴马达用来带动磁盘旋转，提供磁头飞行所需的空气浮力，同时将磁盘移到读取头的下方，让需要存取的扇区能被磁头读取，进行数据读写的操作。硬盘读取时，磁头只会进行往复式的移动，换句话说，磁头的移动只是一维空间的直线移动而已。要读取数据，还要靠着磁盘的移动，也就是主轴马达的移动。因此要负责将磁头移至磁盘上正确的磁道，就需要一个马达来做往复式的移动，这就是音圈马达的作用。二、低级格式化低级格式化的目的，是将磁盘划分为柱面、磁道和扇区。磁道（）：硬盘加电正常工作后，磁盘由主轴马达带动高速旋转，磁头在音圈马达的作用下沿磁盘径向运动。当磁头停在一个位

32、置时，磁盘旋转一周，磁头就在磁盘表面画出一个圆形轨迹，这个圆形轨迹称为磁道。随着磁头的径向移动，磁盘就被画出许多封闭的同心圆形磁道，磁道从磁盘外缘开始编号，起始号为。扇区（）：磁盘上的每个磁道被划分为许多弧段，弧段之间有间隔，这些弧段称为扇区。扇区也进行编号，起始号为，每个磁道分成扇区，每个扇区可存储的数据是字节。在对硬盘进行访问的过程中，扇区是最小的访问单元，即对硬盘的每一次数据操作，其数据块的大小必须是一个扇区容量的整数倍，最小为一个扇区，即字节。柱面（）：硬盘一般由多张重叠的磁盘组成，每个磁盘都被划分成数目相等的磁道，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，这就是硬盘的柱面。每个磁盘上有多少个磁

33、道，也就有多少个柱面，柱面的编号和磁道编号相同。磁头（）：一张磁盘有两个盘面，每个盘面都有一个读写磁头，将盘面进行编号，起始号为，磁头的编号和盘面的编号相同。三、寻址方式硬盘有两种寻址方式：一为物理寻址，即寻址，也是磁头，柱面，扇区寻址（寻址）。在此方式下对硬盘访问时，和硬盘控制器对参数不作任何转换。这是早期硬盘访问所采取的方式，现在已经很少采用；另外就是逻辑寻址方式，即（）寻址方式。在这种方式下，硬盘驱动器是以连续序列的通过逻辑块编号寻址的区段组成。在这种情况下，主机不必知道硬盘驱动器的物理几何结构。在逻辑寻址方式中，最大可以使用个数据位来表示逻辑区块的地址信息，这样就可以寻址个区段。在标准

34、中，从物理结构到逻辑块编号的映射是按照如下的方式进行的：（柱面编号磁头数磁头编号）扇区数扇区编号一这种映射方式假设从到的访问时间要比从到所用的少。换一种说法就是，逻辑扇区在访问时间上也是按顺序排列的。这一点对主机来说非常重要，因为这意味着对逻辑上连续存放的数据，其读写时间应该是最短的。现在的硬盘和主机都支持逻辑寻址方式“。硬盘逻辑结构事实上，完整硬盘的逻辑结构有好多种，但在计算机中，不管什么样子的操作系统或平台，用户在硬盘上的数据都是以文件的类型存在的。不同的操作系统或平台有不同的存放方法，但以文件为主的结构是完全一样的。文件在计算机中的存放是十分有学闯的，不好的存放方法会让整个系统读取的速度

35、大减，因此必须规划一个类似图书馆般的存放方法”。硬盘性能参数影响硬盘的性能参数主要有以下几个：单碟容量、内部数据传输率、外部数据传输率、转速、数据缓存。单碟容量：即每张碟片的最大容量，这是反映硬盘综合性能指标的一个重要的因素，单碟容量的提高意味着硬盘存储密度的提高。硬盘的数据存取方式都是通过盘片的旋转和磁头的移动来完成，这样的话，在磁盘转速和磁头的操作速度不变的情况下，密度的提高意味单位时间内能读取得的数据量也就提高。一句话来说，就是能够提高磁盘的内部数据传输率，但是这也不是绝对的，具体情况在对数据传输率的阐述中会有说明。数据传输率：硬盘的传输率分为两部分，内部数据传输率和外部数据传输率。内部

36、数据传输率（）指的是磁头在盘片与缓存间的读写数据的速度，现在主流硬盘的内部数据传输率一般都在到之间。外部数据传输率（），就是硬盘接口到主板控制芯片的传输率。目前主流硬盘采用的是，它的最大外部数据传输率即为。由于硬盘的内部数据传输率要小于外部数据传输率，因此内部数据传输率的高低才是衡量一块硬盘整体性能的决定性因素。一般说来，在硬盘的转速相同的情况下，单碟容量越大则其内部数据传输率也就越高；在单碟容量相同时，转速越高的硬盘其内部数据传输率也就越高。对硬盘实际传输率影响最大的应该是磁头的读取速度，磁头读取速度可由下面公式计算：速度磁道的线密度该磁道直径×硬盘的主轴转速从上面的公式可以看出，

37、对磁头读取数据速度影响最大的应该是磁道的线密度，但是不能单说盘片存储密度对性能有影响，因为相比之下磁道之间的距离比扇区间的距离大，所以提高道间密度比提高线密度容易。一些硬盘单碟容量增加了，但是它是靠增加磁道间的密度来实现的，而不是磁道的线密度，因此性能增加不明显。但是，在计算机系统中，这两个传输率对硬盘的实际传输速度的影响并不是其提升幅度所表现出来的那么高，很大一部分好处都在于速度的提高降低了硬盘工作时的占用率。数据缓存：硬盘的数据被磁头读取后先存到缓存中，因此如果缓存容量低于磁头一次连续读取数据的大小，必然会造成磁头重复读取同一磁道才能完成一次数据读取，因此缓存的容量大小很重要。对于高速缓存

38、，它的主要作用有：（）缓冲硬盘内部数据传输率与外部数据传输率之间的不一致性。（）在缓存中暂放少量数据。不过这里要注意的是，缓存越大并不一定代表产品性能就提高很快，由于缓存编程控制本身很复杂，磁头的单周期读取能力不能完全对应缓存的容量，因此不能以缓存的大小来判定一个硬盘性能的优劣。主轴转速转速是影响硬盘性能的重要因素之一，因为在盘片存储密度一定的情况下，更高的主轴转速，意味着在单位时间内，磁头对盘片访问的次数就多，因此所能读写的数据量也会提高，从而表现为硬盘内部数据传输率的提高。§硬盘存储接口硬盘的存储接口是决定访问硬盘速度的主要原因。接口的不同，在访问速度上有很大的差异。不同的硬盘存

39、储接口有着各自的特点，它们在各自的应用领域发挥着各自己的优势。接口种类（）接口（集成驱动器电子）本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，因此在概念上要大于。原则上所有硬盘驱动器集成控制器的设计都属于，当然，以指代已经形成很大的惯性。（高级技术附件规格）接口标准是由（美国国家标准协会）颁布的正式标准，这个标准中所规定的接口协议就是硬盘所采用的协议。因此，用接口定义硬盘接口更准确。由于控制器电路并入驱动器，所以从硬盘驱动器弓出的信号不再是控制器与驱动器之间的信号，而是简单的可以直接访问硬盘的芯（或芯）的扁平电缆。从颁布的衄一标准到现在成熟的版本，接口速度也从原来的提升到。由于接口的固有特点，

40、一般的控制器最多只能提供个通道，每个通道可以连接个设备，而且在一个通道上的两个设备不能同时占用总线，因此，接口更适合于单驱动器场合的应用。随着更多新技术的应用，在单碟容量、转速、缓存提高的情况下，接口以其接口简单，价格低廉的优点，仍然有着广阔的发展前景。另外，在接口中，（串行）接口正异军突起，发展迅速。串行以其少的引脚、更高的传输速度及更高的数据可靠性，有望成为接口的主流接口。（）接口（，小型计算机系统接口），主要面向服务器和工作站应用。它由控制器进行数据操作，控制器相当于一块小型，有自己的命令集和缓存，设备智能化程度高，卡自己可对指令进行排队，这样就提高了工作效率。在多任务时硬盘会在当前磁头

41、位置，将邻近的任务先完成，再逐一进行处理。除了在多任务性上有着自己的特点外，在速度上接口也不逊色，现在接口速度可以达到，同时由于接口可以连接更多的设备，因此在服务器和工作站应用上占据着主导地位【】。接口比较从上一节对接口技术的介绍可以得知，在接口速度上，硬盘速度最高，硬盘在速度上略逊色于硬盘，但是其具有接口简单以及价格上的优势；由于我们要处理的对象为实时无压缩图像记录，要求实时记录原始图像数据而不进行任何压缩算法的处理，因此在本系统中确定了采用硬盘直写技术来实现实时图像无压缩记录。直写硬盘记录技术具有记录的全程不需要的干预，除了命令的发送外，所有的操作都由一片直接对硬盘进行控制的单片机来完成。

42、根据这样的特点，在这种单硬盘的点对点的操作场合，硬盘的占用率低、接口智能化程度高等优势无法体现，同时，在价格上硬盘高于硬盘。由于接口是一种总线接口，为了降低的占用率，提高系统的智能化，满足多任务性的需要，其协议相对于接口来说，是复杂的。例如的操作分为八个阶段：总线空闲阶段、仲裁阶段、选择阶段、重新选择阶段、命令阶段、数据阶段、状态阶段和消息阶段。这个阶段必须按照规定的顺序进行阶段转移，而不允许出现阶段跃迁。而对于硬盘来说，操作只有读状态、写命令、数据传送这三个阶段；另一方面，从本设计的速度要求来看，所采用的图像传感器帧频要求是帧秒，分辨率为，而硬盘的内部写盘速率可达到以上，所以采用为存储图像数

43、据的媒介完全满足要求。综上，采用硬盘作为存储硬盘不仅在性能上满足要求，而且降低了实现该技术的成本，故本系统采用硬盘做为存储介质“”。§接口发展背景接口标准是由颁布的正式标准，这个标准中所规定的接口协议就是硬盘所采用的协议。本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，因此在概念上要大于，原则上所有硬盘驱动器集成控制器的设计都属于，用接口定义硬盘接口则更为准确，所以，现在硬盘制造商在标识硬盘时都使用来表示该硬盘采用的或者支持接口标准。但是在与硬盘区分时，硬盘这个命名更加普遍，所以在下面的描述中不论是采用命名还是命名，指的都是同一种接口标准，即颁布的标准。从颁布一标准到现在的御隗一标准，

44、接口已经得到了长足发展。每一次标准更新都是对旧标准的改进，包括传输速率的提高、增加一些新的命令、精确定义的程序等。电气特性通常我们使用的信号电缆有芯扁平电缆和芯扁平电缆两种。芯的扁平电缆中是在原来芯扁平电缆的基础上增加了根屏蔽地线，以保证在模式下信号的完整性。几乎所有的信号都采用电平，由于、和：几个信号的特殊用途，采用非标准电平。由于某些信号所驱动的负载不同，所以电流电压会有不同，但是对于不是设计硬盘驱动器的应用来说，可以不必关心信号的电流电压，但是某些信号需要接终端电阻，这是在设计中需要注意的叫。信号我们用设备（，简写为）来表示硬盘，用主机（）来表示对硬盘进行操作、控制硬盘的设备。表列出了芯

45、电缆的信号及各信号的含义参阅相关协议：表针带状电缆信号定义引符号名称引脚符号名称引脚符号名称引脚符号名称脚保留保留协议这里称为协议，更确切的说应该是标准协议。但是为了表意明确，表明是针对硬盘的协议，所以采用协议这一命名。表寄存器地址选择寄存器名及其功能读操作数据寄存器错误寄存器扇区记数器扇区号记数器柱面寄存器（低字节）柱面寄存器（高字节）驱动器磁头寄存器状态寄存器写操作数据寄存器特性寄存器扇区记数器扇区号记数器柱面寄存器（低字节）柱面寄存器（高字节）驱动器磁头寄存器命令寄存器通过对颁布的标准协议的理解，可以发现，协议的核心，也就是对硬盘操作的核心，其实就是对硬盘控制器的寄存器的操作，所以正确理

46、解协议中各寄存器的定义与用法，是正确控制硬盘的前提，由此就可以揭开硬盘工作的神秘面纱。（）寄存器控制器的寄存器描述了控制器是以何种形式出现在系统中，也就是系统是如何通过与寄存器的接口来实现对硬盘的控制。从的角度来看，整个控制器就像两个寄存器组，这两个寄存器组有各自独立的地址空间。这两个寄存器组分别是命令寄存器组和控制寄存器组。区分这两个寄存器组是由和这两个信号来实现的，而具体是寄存器组中的哪一个寄存器，则由、实现。在某些情况下，为了节省地址空间，常常使用相同的地址来标识不同的寄存器。虽然地址相同，但是通过进行不同的操作来实现对不同寄存器的操作。具体的实现就是在读操作时访问的是一个寄存器；而在写操作时访问的是另外一个寄存器，虽然两个操作针对的是同一个地址。表是对所有寄存器的一个概况“。（）定义的工作模式通过接口进行数据传输可以有两种方法：通过可编程的（）和直接内存访问（），这两种方法分别称为模式和模式。模式：之所以称为模式，是相对于模式而言的，因为模式的每一次访问操作必须要分别进行编程。即要进行数据传输，首先要把传输需要的地址信息发到地址线上，即，五个信号组成的地址线。对于读操作，将会产生。信号，而对于写操作将会产生信号。对