专利名称：提高带宽效率的方法
技术领域：
本发明一般涉及数字视频记录系统，尤其涉及数字录像机中的带宽管理的方法。
背景技术：
现存的数字录像机(DVR)系统仅能一次处理两条数字视频数据流。典型的是，这样的系统处理“一进一出”，也就是说，一条数据流从数字调谐器或从具有MPEG编码器的模拟调谐器进入系统，将其写入磁盘，而一条数据流从该系统中输出，从硬盘(HD)盘片读取该数据流，并将其馈送通过MPEG解码器和NTSC编码器，并在电视机上显示。
由于存在多个模拟或数字调谐器、多路电视机显示能力以及通过因特网下载的流媒体，要求新一代的DVR同时处理多路数字数据流。这些数字数据流中的一些是时限的。例如，必须精确地而不丢失或损坏地将进入记录系统的数字数据流记录到磁盘上。否则，在重放所记录的节目的任何时候，将出现永久的断续。类似地，必须及时地传递为显示而从磁盘读取并解码的数字数据流。否则，MPEG解码器将缺乏数据，并且将在屏幕上出现可见的断续。
流经单个数字数据流的数据量可在宽范围内变化。质量有限的视频可仅要求每秒1-2兆比特，而高质量的全速运动的视频可要求每秒10兆比特和15兆比特之间。新一代的电视系统可以每秒传递19兆比特或更多的数据流。将如此多的数据移入或移出硬盘是一种挑战。
现今的便宜的高价值IDE HD磁盘能够支持从每秒6至18兆比特间的任何量的数据传送速率。传送速率根据磁盘型号，并还根据所要将数据传送到的磁盘上的位置而变化。
HD磁盘的外部磁道具有比内部磁道高的线性数据密度(每磁道更多扇区)。由于HD磁盘以恒定速率旋转，从而外部磁道可接受比内部磁道每秒传递更多数据。典型的HD磁盘可在内部磁道上以每秒10兆比特的速率传送数据，而在外部磁道上以高达每秒18兆比特的速率传送数据。
传送速率仅示出了磁盘性能的一个方面。它们不能反映出磁盘对在磁盘的不同区域之间寻道的需要。取决于距离，一个操作典型地要求每次寻道10-25毫秒。此外，它们没有反映出驱动器对于由于磁盘上的错误而造成的不只一次地读取数据扇区或者对于碰撞和振动影响的偶然需要。
最后，常把DVR的HD磁盘用于不只是简单地存储视频内容的数据流。磁盘还可以保存有包含关于即将到来的节目、屏幕指南以及节目时间表的文件系统或数据库。它还可以保存有DVR所使用的可执行的软件。从而可能存在许多不同的客户程序要求存取所述磁盘。诸如数字视频写入和读取流之类的存取访问是及其时间敏感的。其它一些对延迟较不敏感。例如，减缓对可执行的代码或对节目指南数据库的存取访问，可引起DVR的用户接口表现呆滞，但不引起系统的差错或故障。其它一些完全不是时限的，并能将其延迟相当的时间量而不引起任何人的注意。例如，可以将寻找观众可能感兴趣的显示的后台任务延迟。
所希望的是这样一种机构，当同时处理多条数据流时，它将使数字记录系统能够动态地减缓竞争的带宽要求。
发明内容
本发明提供一种用于通过根据预定的策略而对系统的硬盘的数据流访问区分优先级，以及通过根据所正在记录的数据流的特性而分配HD磁盘空间，来改进数字记录系统的带宽效率的方法。策略模块和媒体数据管理模块一起实现所述策略，把两个模块都结合于所述记录系统的主控制程序中。所述策略考虑包括(1)把正写入HD磁盘的数据流列为优先级高于正从所述HD磁盘读取的数据流，以及(2)把正从HD磁盘读取的数据流列为优先级高于对所述HD磁盘的其它存取访问。通过将较低带宽数据流记录于较低带宽部分中，而将较高带宽数据流记录于HD磁盘的较高带宽部分中，可改进所述记录系统的带宽效率。从内径到外径向外地向磁盘记录数据流。可以把记录的数据流从较高带宽部分迁移到较低带宽部分。
图1是说明确定DVR是否正在用完带宽的处理的框图；以及图2是示出从较低带宽部分(即内径)向外向高带宽部分(即外径)而将媒体流记录到VCR的HD磁盘上的示例性图解图。
具体实施例方式
参考图1，所说明的是用于DVR的带宽管理的系统100，它包括存储媒体数据流和其它数据的硬盘(HD)磁盘160、控制DVR的内部操作的主控程序110、通过计算每个数据缓冲器的期限时间来确定DVR是否正在接近不能满足时间期限的媒体数据管理模块120、实现区分优先级策略的策略模块130、以及通过在指定的时间周期上对所有正在进行中的数据流的输入输出(I/O)请求测量磁盘的全部可用时间，来确定DVR是否正在接近不能满足时间期限的磁盘驱动器170。所述DVR同时处理多条输出媒体流(正从硬盘读取)140和多条输入媒体流150(正写到硬盘)。
为了平衡和管理对其HD磁盘160的竞争需求，DVR必须定义关于接收功能、具体带宽以及相关条件的策略。它还需要具有确定磁盘带宽可用率、带宽分配以及实现策略的机构。
第1策略考虑是正被记录的数据流150的极端时间敏感度。丢失正被写入磁盘的数据流的任一部分，将在记录中导致间隙。在记录后不能修复该间隙。因此，正被写入磁盘的数据流应该具有磁盘带宽的最高优先级。
第2策略考虑是正从硬盘读取的数据流140的相当的时间敏感度。不能及时地从HD磁盘中读取数据流的任一部分，将肯定导致屏幕上的可视断续，或音频中的可听见的断裂。它并没有丢失正写入的数据那么有害，因为用户总是能够倒带而再次观看内容，并且这可能是一次好机会来第2次适当地取回数据。然而，应当避免这个问题。
第3策略考虑是对HD磁盘的某些存取访问的较少的时间敏感度。如果当存在高磁盘带宽需求时，只要它不变得恼人的缓慢或冻结，那么用户接口(UI)减缓是可接受的。
对应于这些策略考虑，一当缓解了带宽短缺，就可恢复经延迟的、暂停的或终止的存取访问。为了优化带宽效率，可以用与所述策略考虑一致的预定顺序恢复这些存取访问。例如，正被写入的数据流150比正被读取的数据流140优先，而正被读取的数据流140比诸如可在后台中执行的任务之类的其它存取访问180优先。在同一类的数据流中，可采用“最接近期限的最先”的优先顺序。例如，在若干经延迟的数据流中，这些数据流在经延迟之前正被从磁盘读取，将首先恢复具有最接近的期限的数据流。
对正被处理的数据流的带宽要求上具有完全的控制是困难的。在一些情况下，如具有MPEG编码器的模拟调谐器，预先相当精确地预测带宽要求是可能的。在一些其它情况下，如通过卫星的数字数据，带宽要求是非常不可预测的，因为它们可以从非常低变化达到明确定义的理论最大值，并可从一个时刻到另一时刻贯穿整个范围而变化。
非常高带宽的数据流相对稀有。设计具有100％操作保证的系统是可能的，即对理论上最差情况的带宽预算所有的流。然而，在当今的硬盘和流条件下，这种解决办法将不能处理多于两条流。此外，该解决办法将不是节省成本的。
通过实现适当的带宽策略，数字记录系统可很好地用于具有高的但少于最大平均带宽的带宽的多条数据流，并且如果所要求的实际带宽超过可分发的带宽，则得体地后退。如果正被处理的数据流所要求的带宽量超过全部可用的量，该系统应迅速且自动地作出反应，以防止正被记录的数据的永久丢失。
从眼前的观点看，所述系统可通过停止一条或多条正被从磁盘读取的数据流，来释放磁盘带宽。实际上，这意味着推迟、暂停或终止正在播放的视频流，并在屏幕上表现出静态显示，告知用户已经超过了系统的带宽容量。
从长远观点看，所述系统可给予用户对过载起反应的若干方法的选择。为了响应所述过载问题，用户可希望做下述的任一件事(1)让视频暂停而等一会儿，并然后试图恢复重放。如果中断的原因是正被记录的高带宽视频的短突发段，则现在可有足够的磁盘带宽来处理所有流是可能的；(2)取消正被记录的一条或多条流；(3)迅速转到实况播送。如果用户正在观看正被记录的视频流之一，但以延迟的模式观看所述流时，该用户可以选择跳过该节目的剩余的经延迟的部分，并开始实时地观看节目流。实时观看不要求从磁盘读取流。相反，可以在把它写入磁盘的同时观看它。这有效地减少了竞争磁盘存取访问的流的数量；(4)停止观看当前的节目，并观看早先记录的以及具有较低流带宽从而对磁盘较少需求的一个节目。在某些方面可存在用户可用的其它选择。系统设计应该足够灵活以允许加入新的作用。
由于DVR必须处理的数据流的动态特性，流带宽的静态预测是没有用的。非常早地预先告知磁盘带宽是否要用完是困难的。用真正的精确性预测可能存储数据的磁盘上的位置的极端困难使这种不确定性更糟。从而，知道多快地将数据传送到磁盘或从磁盘传送是极度困难的。此外，预测诸如读或写重试、磁盘缺陷、振动和碰撞等之类的磁盘相关的性能问题，是极度困难的。
因此，必须采用动态流带宽管理。这样的管理将能够检测出系统正要超过HD磁盘的可用带宽的事实。它还将使系统足够迅速地响应，来避免丢失正被写入磁盘的数据。实际上，这种管理是基于负反馈机制。
可以集中关于实际带宽使用情况的信息，并将其供给一个或多个模块，以便实现上述的策略。可以在DVR的内部代码中包括这些模块。正被接收并被写入DVR的磁盘的或在从磁盘读回之后播放的流通过媒体数据管理模块120，即媒体对象模型(MOM)软件模块。该模块负责缓冲器管理以及照管和馈给提供和消耗数据的设备。MOM基本上知道诸如PES三元组之类的数据流的内部格式，并还知道用于保存和管理数据的各种缓冲器的状态。MOM包含代码来估计传入或传出磁盘的数据的每个缓冲器的期限时间。换句话说，MOM知道需要将数据的缓冲器已写入磁盘的时刻，使得可以重新使用该缓冲器来保存来自输入源的新数据，或者已从磁盘读取数据的时刻，使得可足够迅速地将数据馈给MPEG解码器，以避免可视的或可听见的断续。
可以增强MOM来向实现所述策略的策略模块130报告该信息。尤其是，如果MOM确定它在及时地读取或写入数据已满足其期限中有困难，或者换句话说如果看上去好像系统接近于不能满足MOM的期限，则它能够向策略模块130发送警告事件，以报告事实。如果实际上错过了期限，并且如果MOM确定已丢失数据或已出现可视断续，则MOM向策略模块130发送紧急差错警报，以报告事实。
磁盘驱动器170详细地知道每个硬盘的当前状态，所述磁盘驱动器可以是核心磁盘驱动器。当前的实现接受与每个媒体数据流I/O请求一起的期限定时信息。它优化了对磁盘的存取访问顺序，以便(1)保证在其期限之前完成每个到期的I/O请求，以及(2)使进行所述I/O请求而要求的寻道时间的总量最小。如果所述磁盘驱动器170确定它不能满足所有它的I/O请求上的期限要求，则它回复到“紧急模式”并以“最接近期限的最先”顺序执行所有到期的请求。
为了更有效地处理带宽和期限问题，可用至少两个方式增强所述磁盘驱动器170。首先，它可测量用于具有期限的媒体数据流I/O请求的磁盘带宽的总量。它在诸如1/2秒等之类的相对较短的时间周期内测量磁盘的全部可用时间的百分比，而不是试图以每秒兆比特来测量该带宽。如果全部媒体数据流I/O时间正要超过可编程的阈值(如90％)多于指定的时间量(如1秒)，则所述磁盘驱动器170将向策略模块130发送警告信号。
其次，在期限违反看上去是不可避免的情况下，所述磁盘驱动器170可实现不同的内部策略。它可以实现“写比读更重要”策略，而不是切换到严格的“最早的期限最先”策略。它可以首先调度任何待决的媒体写入请求，以便避免数据的丢失。它可以两种方式的任一种方式处理待决媒体读请求，所述两种方式是“尽力”，即在已完成写之后调度它们，并希望它们无论如何满足它们的期限，或“早期失败”，即一当期限违反看上去是不可避免时，尽早取消所述请求，使得MOM对该问题有较多的警报，并能警告策略模块本身。
所述策略模块130负责作出关于何时它需要停止数据流的播放以及向用户提供替换动作的选择的决定。还可以其它的方式使用策略模块，以在带宽用完之前降低记录系统上的I/O负载的总数。尤其是，在高媒体数据流I/O负载的持久周期其间，所述策略模块可确定延迟一些系统的后台任务，这些任务使用相当量的磁盘I/O带宽。对于这种延迟，存在几种明显的候选方法。例如如果系统的废物收集器和索引编制器早已在进行中，则可拖延或取消它们；可以延迟每日的“给服务提供者打电话，以下载更新的橱窗和/或节目指南数据”呼叫；以及如果建议优先器已经运行，则可拖延或取消它。一当采用适当的策略接口就可通过主控程序(MCP)110中现存的的后台任务管理程序执行这类控制。
参考图2，所说明的是典型圆形磁盘的示例性图解图，把所述磁盘分区成较低带宽部分220和较高带宽部分210。磁盘的快速传送数据的能力显著地取决于磁盘所使用的哪个部分。每张盘片的内部部分每磁道具有比外部部分少的扇区，并从而要求较多的时间来传送任何给定量的数据。因此，如果保证把高带宽流主要写入盘片的外部部分是可能的话，则可以提高记录系统传送高带宽流的能力。
不总是可能预先知道给定数据流的带宽将精确地是多高。换句话说，关于给定数据流的带宽的数据有时不是可供使用的。然而，在许多情况中，可采用“事后”方法来改进系统的带宽效率。
该方法包括下面的步骤1.将磁盘的媒体存储器分成一组用于不同目的的分区。例如，把所述存储器分成两个媒体分区较低带宽部分220和较高带宽部分210。较低带宽部分220从内径(ID)230开始，存储较低带宽流；而较高带宽部分210，终止于外径(OD)240，而存储较高带宽流。还需要把给定的分区标记为是较高带宽还是较低带宽。这可以通过数据库的分区表中的备用位之一而进行。当初始化文件系统时，将把带宽标记迁移到媒体文件系统(MFS)的区域数据结构中。
在一个实施例中，磁盘向MFS贡献了两个分区。在每个分区中，为指定给MFS处理事件的方式的目的，MFS存储一个或多个区域。在一个分区中，MFS存储“索引节点”(即每个文件或目录的基本描述)和数据文件的内容一这构成了两个区域。在另一分区中，MFS存储保存视频记录的单个区域。与每个区域相关联的是一组数据结构，这些数据结构存储于磁盘上(通常在区域的起始处)并且当启动系统时就将它们载入存储器。这些数据结构告知MFS软件区域有多大(即在其中有多少数据扇区)，区域的分配块大小的大小(如每次请求空间时，它所分配的扇区数)，以及识别所述分配块是自由的(可用的)还是在使用中(指定给文件或记录)的一组“位图”。所述带宽标记是1比特标记，它说出“该区域位于磁盘的较慢部分中”。把该标记加到存储器内区域数据结构。
2.扩展MFS空间分配API，以接受额外的参数，指示出是否知道数据流是低带宽的。如果设置了低带宽标记，将从任何可用的低带宽分区分250中优先分配空间，即从内径向外地向外径分配。如果没有设置低带宽标记，将从高带宽分区优先分配空间，即从外径向内地向内径分配。在任一种情况下，如果空间在任一分区中是可用的，则将分配用于数据流的空间，因为系统将不保证整个数据流都将落入任一类型的分区中。
3.当把已知低带宽的流记录到磁盘时，请求低带宽分配。这可以通过设置低带宽标记的MyWorld或e1e2pestriple或任何其它产生MFS流文件来进行。MFS流文件是一种在磁盘上以文件形式存储MPEG-2音频和视频数据的方法。每个流文件由一系列“记录”组成。一条记录由相当大量的磁盘数据扇区(典型的是每记录256个扇区，或128k字节)组成。，每个记录在其第1扇区中具有一些标头信息，它识别存储于记录中的音频或视频数据的每一段的位置、类型和大小。总是顺序地写所述MFS流，例如从第1记录到最后一个。在正常播放其间，顺序地读取MFS流。可以随机地读取，例如，在快进和倒带操作其间，可以向前或向后地急速改变。
4.当正把未知带宽的数据流记录在磁盘上时，MyWorld等将不设置低带宽标记。因此，在硬盘的高带宽部分上记录所述数据流。
5.在记录处理其间，监控数据流所要求的实际平均或峰值带宽。这可通过用于根据来自输入媒体或网络的实际数据到达速率将数据流写入硬盘的软件来进行，但可能通过跟踪嵌入于数据流本身中的时标来更好地进行。
6.如果在完成记录未知带宽的数据流之后，记录软件可检查并确定记录的峰值或平均带宽是否比预定值低。如果是的话，记录软件可选择将数据流迁移到磁盘的较低带宽部分。这可以通过在低带宽部分中建立数据流的新文件、播放数据流的内容以及将它记录到新文件中来进行。一当将数据流的内容复制到新文件中，就删除数据流的原始文件。可以在后台中进行该处理，而在读和写请求上没有期限时间限制。因此，它可以使用任何未使用的磁盘带宽，并且不显著地妨碍对正被记录或播放的其它数据流的到期的I/O请求。
这种方法有助于导致高带宽，位于磁盘的那些部分中的“渴望的”数据流能够在播放期间快速地传递数据。可以把每条记录的平均和/或峰值带宽信息存储于系统的数据库中。当实时带宽需求早已是过多的时候，如果用户试图播放高带宽记录，则这可能使系统能够给予用户早期警告。
虽然在此参考较佳实施例而描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解到可以使用其它应用来代替这里所提出的那些应用，而不背离本发明的要旨和范围。
因此，本发明应仅受下面所包括的权利要求限制。
权利要求
1.一种改进在存储设备中存储数据流的数字记录系统的带宽效率的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤将所述存储设备的空间分区成一组各部分，这些部分的一些用于存储较低带宽数据流，而一些用于存储较高带宽数据流；指示出是否知道数据流是低带宽的；当已知是低带宽的数据流将要记录时，请求低带宽分配；以及监控正被记录的所述数据流所要求的实际平均或峰值带宽；其中每个部分与一组数据结构相关联，把所述数据结构存储于所述存储设备中，并且当初始化媒体文件系统时将所述数据结构载入存储器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于由包含于所述媒体文件系统的空间分配应用编程接口中的参数来进行所述指示出是否知道数据流是低带宽的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括下面的步骤用标记将给定的磁盘区域标记为较低带宽部分或较高带宽部分。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于把所述标记结合入与所述存储设备的每个指定部分相关联的数据结构中。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述标记是1比特标记，示出指定区域位于所述存储设备的较低带宽部分中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括下面的步骤如果所述数据流为低带宽，则从任何可用的低带宽部分中优先分配空间。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于从所述存储设备的内径向外地分配所述空间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括下面的步骤如果所述数据流不是低带宽，则从任何可用的高带宽部分中优先分配空间。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于从所述存储设备的外径向内地分配空间。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据来自输入媒体或网络的实际到达速率来进行所述监控实际或峰值带宽的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过跟踪嵌入在所述数据流中的时标来进行所述监控实际平均或峰值带宽的步骤。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括下面的步骤在较高带宽部分中检查所记录的未知带宽的数据流，以确定其峰值或平均带宽是否低于预定值；以及如果所述所记录的未知带宽的数据流的峰值或平均带宽低于预定值，则将所述数据流迁移到较低带宽部分。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述迁移步骤包括下面的子步骤在所述低带宽部分中为所述数据流建立新文件；播放所述数据流的内容，并将所述内容记录到所述新文件中；以及一旦将所述内容记录到所述新文件中，就删除所述数据流的原始文件。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于在后台中，对于读和写请求没有时间期限而进行所述迁移步骤。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括下面的步骤在数据库中，为每个记录高速缓存平均或峰值带宽信息。
16.一种改进在存储设备中存储数据流的数字记录系统的带宽效率的设备，其特征在于所述设备包括分区模块，用于将所述存储设备的空间分区成一组各部分，这些部分的一些用于存储较低带宽数据流，而一些用于存储较高带宽数据流；指示模块，用于指示出是否知道数据流是低带宽的；请求模块，用于当已知是低带宽的数据流将要记录时，请求低带宽分配；以及监控模块，用于监控正被记录的所述数据流所要求的实际平均或峰值带宽；其中每个部分与一组数据结构相关联，把所述数据结构存储于所述存储设备中，并且当初始化媒体文件系统时将所述数据结构载入存储器。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于由包含于所述媒体文件系统的空间分配应用编程接口中的参数来实现所述指示出是否知道数据流是低带宽的指示模块。
18.如权利要求16所述的设备，其特征在于进一步包括标记模块，用于用标记将给定的磁盘区域标记为较低带宽部分或较高带宽部分。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于把所述标记结合入与所述存储设备的每个指定部分相关联的数据结构中。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于所述标记是1比特标记，示出指定区域位于所述存储设备的较低带宽部分中。
21.如权利要求16所述的设备，其特征在于进一步包括低带宽分配模块，用于如果所述数据流为低带宽，则从任何可用的低带宽部分中优先分配空间。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于从所述存储设备的内径向外地分配所述空间。
23.如权利要求16所述的设备，其特征在于进一步包括高带宽分配模块，用于如果所述数据流不是低带宽，则从任何可用的高带宽部分中优先分配空间。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于从所述存储设备的外径向内地分配空间。
25.如权利要求16所述的设备，其特征在于根据来自输入媒体或网络的实际到达速率来实现所述监控实际或峰值带宽的监控模块。
26.如权利要求16所述的设备，其特征在于通过跟踪嵌入在所述数据流中的时标来实现所述监控实际平均或峰值带宽的监控模块。
27.如权利要求16所述的设备，其特征在于进一步包括检查模块，用于在较高带宽部分中检查所记录的未知带宽的数据流，以确定其峰值或平均带宽是否低于预定值；以及迁移模块，用于如果所述所记录的未知带宽的数据流的峰值或平均带宽低于预定值，则将所述数据流迁移到较低带宽部分。
28.如权利要求27所述的设备，其特征在于所述迁移模块包括文件建立模块，用于在所述低带宽部分中为所述数据流建立新文件；播放模块，用于播放所述数据流的内容，并将所述内容记录到所述新文件中；以及删除模块，用于一旦将所述内容记录到所述新文件中，就删除所述数据流的原始文件。
29.如权利要求27所述的设备，其特征在于在后台中，对于读和写请求没有时间期限而实现所述迁移模块。
30.如权利要求16所述的设备，其特征在于进一步包括高速缓存模块，用于在数据库中，为每个记录高速缓存平均或峰值带宽信息。
全文摘要
在用于动态地管理数字记录系统的带宽要求的方法中，通过优化系统磁盘的存储空间的分配，改进了带宽效率，把所述磁盘存储空间分区成较低带宽部分和较高带宽部分，其中在较低带宽部分中存储较低带宽数据流，而在较高带宽部分中存储较高带宽数据流。所述磁盘的内部部分是较低带宽部分，从而从内径到外径向外地向所述磁盘记录数据流。可以把记录的数据流从较高带宽部分迁移到较低带宽部分。
文档编号H04N5/781GK1606343SQ20041008587
公开日2005年4月13日 申请日期2001年5月10日 优先权日2000年5月12日
发明者D·尚柏林, D·普莱特, E·瓦尼耶, D·赞切勒斯基 申请人:提维股份有限公司