光盤的存儲原理與組成

光盤的存儲原理與組成1第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五只讀光盤（CD-ROM）1980年，飛利浦和索尼一起推出了光盤（CD，CompactDisc），并很快取代了每分鐘331/3轉(zhuǎn)的乙烯基唱片。CD的詳盡技術(shù)細(xì)節(jié)以正式的國際標(biāo)準(zhǔn)

（IS10149）公布，并因?yàn)榉饷娴念伾煌ǚQ為紅皮書。2第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五光盤的存儲原理CD是通過在涂有玻璃表層的主盤上，用高能紅外激光束燒出0.8毫米直徑的小孔制成的。用這種主盤做成模子，上面帶有燒好的激光孔，然后往模子上注入熔化的多種碳酸鹽脂，使激光孔的形狀和玻璃主盤的形狀一樣，就基本上完成了CD的主體。接著，在碳酸鹽脂上沉淀上一薄層的反射鋁，再覆蓋上一層起保護(hù)作用的表層，最后再打上標(biāo)簽，整個(gè)CD就完成了。碳酸鹽脂底基的凹陷部分叫作凹區(qū)，凹區(qū)兩邊未經(jīng)過燒制的部分叫作凸區(qū)。3第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五光盤的讀出原理將CD進(jìn)行回放時(shí)，用一個(gè)低能激光二極管發(fā)出的波長為0.78毫米的紅外光照射在二極管下“流過”的凹區(qū)和凸區(qū)。光源在碳酸鹽脂層的上方，所以，當(dāng)凹區(qū)經(jīng)過時(shí)，激光束就會比凸區(qū)經(jīng)過時(shí)伸出一些。由于凹區(qū)的高度為激光波長的1/4，從凹區(qū)反射的激光的波長為從凸區(qū)反射光的波長的一半。這樣，反射光和發(fā)射光疊加，將導(dǎo)致光接收器接收到的從凹區(qū)反射的光線比從凸區(qū)反射的要弱。CD機(jī)通過這種途徑，可以區(qū)別出凹區(qū)和凸區(qū)。雖然用凹區(qū)代表0，凸區(qū)代表1可能是最簡單的表示方法，但從可靠性方面考慮，用凸區(qū)/凹區(qū)和凹區(qū)/凸區(qū)轉(zhuǎn)換來表示1，而用連續(xù)的凹區(qū)或凸區(qū)來表示0的可靠性要高一些，所以，CD上采用的是這種模式。4第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-ROM的存儲標(biāo)準(zhǔn)將每個(gè)字節(jié)編碼成14位的符號，可以對字節(jié)進(jìn)行海明編碼；連續(xù)的42個(gè)符號一組，構(gòu)成了588位的幀。每幀包含192位數(shù)據(jù)位（24個(gè)字節(jié)），其它的396位用于糾錯和控制位。（與音頻CD兼容）將98幀作為一個(gè)CD-ROM扇區(qū)。每個(gè)扇區(qū)由16個(gè)字節(jié)的引導(dǎo)區(qū)開始，其中前12個(gè)字節(jié)為引導(dǎo)區(qū)起始標(biāo)志，然后3個(gè)字節(jié)是扇區(qū)號，最后的一個(gè)字節(jié)是光盤的數(shù)據(jù)存放格式。扇區(qū)構(gòu)成一條從圓心向外的單向螺旋線。5第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-ROM的文件標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)（IS9660）有三個(gè)層次。第一層次規(guī)定文件名不能超過8個(gè)字符長可以有不超過3個(gè)字符的擴(kuò)展名（MS-DOS的文件命名規(guī)則）文件名中的字符只能是大寫字母、數(shù)字和下劃線目錄嵌套不超過8層，目錄不允許有擴(kuò)展名所有文件必須連續(xù)存放可以被幾乎所有計(jì)算機(jī)讀出6第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-R存儲原理CD-R在大小上和CD-ROM一樣，最初時(shí)也是120mm的空白盤，只是CD-R有一條0.6mm寬的凹槽，用來引導(dǎo)激光進(jìn)行刻盤。凹槽有0.3mm的正弦偏移，頻率為22.05kHz，用來準(zhǔn)確控制CD-R的轉(zhuǎn)速，并在必要時(shí)加以調(diào)整。只是CD-R表面是金色，而不象CD-ROM那樣表面是銀色。用真正的金子代替鋁來做反射層。而CD-R的凹區(qū)和凸區(qū)是用不同的反射光來模擬，這點(diǎn)是通過在碳酸鹽脂和金質(zhì)反射層之間加上一層染料來實(shí)現(xiàn)的。目前使用的有兩種不同的染料，一種是花青，其顏色是綠色的，另一種是pthalocyanine，顏色為黃桔色。這些染料和顯像中的染料十分類似，這也是柯達(dá)和富士成為CD-R的主要制造商的原因。7第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-R存儲原理CD-R被刻之前，染料層是透明的，激光束可以穿過它后從金質(zhì)層反射回來?？瘫P時(shí)，照射CD-R的激光能量被調(diào)高到8~16mW，光束照射到染料的一個(gè)點(diǎn)上時(shí)產(chǎn)生的熱量使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變了染料的分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個(gè)黑點(diǎn)。讀出時(shí)（激光束的能量為0.5mW），光接收器就可以分辨出染料被照射過的黑點(diǎn)和未被照射過的透明區(qū)，并用這個(gè)區(qū)別來對應(yīng)普通光盤的凹區(qū)和凸區(qū)。8第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-R的增量刻盤一次刻在CD-R上的幾個(gè)連續(xù)扇區(qū)被稱為CD-ROM道。每個(gè)CD-ROM道一個(gè)單獨(dú)的目錄卷表VTOC，其中所列的文件可能包括其前面各道中的部分或所有文件。CD-R放入光驅(qū)后，操作系統(tǒng)搜尋所有CD-ROM道，并定位到最近使用的VTOC，它給出了CD-R的當(dāng)前狀態(tài)。9第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-R防盜版將CD-ROM上所有文件的長度寫成好幾個(gè)GB，這樣，用標(biāo)準(zhǔn)的讀盤軟件將無法將文件拷到硬盤中，而文件的實(shí)際長度在出版商提供的專用讀盤軟件中，或隱藏（可能還是加密后）在CD-ROM的某個(gè)意想不到的地方。在選定的幾個(gè)扇區(qū)中有意寫入一些錯誤的ECC碼，預(yù)計(jì)一般的CD復(fù)制軟件將會自動“修復(fù)”這些錯誤，但光盤的應(yīng)用軟件卻自己對這些ECC碼進(jìn)行檢查，如果它們正確的話就停止執(zhí)行。10第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CD-RW存儲原理可擦寫光盤用銀、銦、銻和碲組成的合金做記錄層。這種合金有兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)：晶態(tài)和非晶態(tài)，兩個(gè)狀態(tài)有不同的反射特性。CD-RW的驅(qū)動器使用三種不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并從高反射性的晶態(tài)轉(zhuǎn)化為低反射性的非晶態(tài)，表示凹區(qū)。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新轉(zhuǎn)化為本來的晶態(tài)，又成為凸區(qū)。低能激光可以感知材料的狀態(tài)（用來讀盤），但不會導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換。11第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五DVDDVD的基本設(shè)計(jì)和CD相同，也是120mm直徑的注入碳酸鹽的盤模，由激光二極管照射的凸區(qū)和凹區(qū)組成，通過光接收器讀入信息。12第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五DVD和CD的差別使用紅色激光（DVD激光的波長為0.65微米，而CD的為0.78微米）。凹區(qū)更?。―VD為0.4微米，而CD為0.8微米）。螺旋線更緊湊（DVD道間距為0.74微米，而CD的道間距為1.6微米）。存儲容量達(dá)到4.7GB。13第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五DVD的四種標(biāo)準(zhǔn)單面單層（4.7GB）單面雙層（8.5GB）雙面單層（9.4GB）雙面雙層（17GB）14第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五DVD的四種標(biāo)準(zhǔn)雙層技術(shù)是在光盤底層有一層反射層，上面是一層半反射層。根據(jù)激光聚焦在哪層來決定反射哪一層。為提高可靠性，需要將底層的凹區(qū)和凸區(qū)設(shè)計(jì)得稍微大一些，所以其容量比上層要稍微小一些。將兩張0.6mm厚的單面盤的背面互相粘在一起就制成了一張雙面盤。15第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五光盤存儲原理光電轉(zhuǎn)換編碼方式NRZ1存儲格式光盤的發(fā)展CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD16第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五主存儲器技術(shù)的最新發(fā)展DRAMEDRAMCDRAMSDRAMRambusDRAMRamlinkDRAM17第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五EnhancedDRAM在DRAM中增加一個(gè)SRAM組成的Cache存放剛剛被訪問的單元的行的全部內(nèi)容增加比較器，如果下次訪問的還是這行，則從Cache中讀。同時(shí)，刷新該行可以和讀Cache并行，這也可以提高性能。18第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五EnhancedDRAM19第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五CacheDRAM在DRAM中增加比EDRAM更大的Cache作為真正的Cache使用，不局限于存儲最新訪問的行。需要增加什么電路？作為某些特定應(yīng)用的緩沖器顯示存儲器20第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五SDRAM將與CPU異步工作模式改為同步工作模式主設(shè)備給出訪問命令后，SDRAM進(jìn)行響應(yīng)。經(jīng)過響應(yīng)時(shí)間后，SDRAM按系統(tǒng)時(shí)鐘輸出數(shù)據(jù)。21第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五SDRAM22第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五RambusDRAM對主存帶寬進(jìn)行改進(jìn)，引入特殊的總線。采用面向塊的異步協(xié)議傳送地址和控制信息。經(jīng)過480ns的初始化時(shí)間后，數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)500Mbps。23第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五RamLink用DRAM體組成環(huán)，在存儲控制器的控制下，共同響應(yīng)請求，提供整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用特定協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。24第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五RamLink25第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五不同層次的存儲器作用存儲器組成（數(shù)字邏輯層）存放一位二進(jìn)制數(shù)0或1存儲器（指令系統(tǒng)層）存放可單獨(dú)訪問的最小單元（字節(jié)、字、扇區(qū)）存儲器（操作系統(tǒng)層）段、頁管理存儲器（用戶層）文件26第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五存儲器組成主存儲器SRAM:觸發(fā)器的不同狀態(tài)DRAM:電容是否存儲電荷磁表面存儲器磁顆粒的偏轉(zhuǎn)方向（編碼規(guī)則）光盤凹區(qū)和凸區(qū)，反射光的強(qiáng)弱27第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五存儲器設(shè)計(jì)目標(biāo)高速度CPU對存儲器的要求越來越高大容量應(yīng)用對存儲器的要求高可靠性低價(jià)格28第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五主存儲器速度提高門電路的速度，采用并行技術(shù)容量增加單位面積的存儲單元可靠性存儲單元本身、糾錯碼價(jià)格29第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五磁盤和光盤提高速度：旋轉(zhuǎn)速度、接口速度、RAID大容量：存儲密度、編碼規(guī)則可靠性：編碼糾錯、RAID技術(shù)價(jià)格：工藝水平30第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五層次存儲系統(tǒng)程序局部性原理時(shí)間局部性空間局部性系統(tǒng)優(yōu)勢（1+1+1>3）SRAM--CacheDRAM--MainMemoryDisk--VirtualMemory

31第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五MEMORY

CACHECONTROLCACHE的基本運(yùn)行原理數(shù)據(jù)總線譯碼選一單元比較選一行讀過程為例地址總線ADDRDATACACHE

CPU

32第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五Cache的組織直接映射全相連多路組相連33第三十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五提高Cache的性能提高命中率增加Cache容量、加大Cache塊容量減少不命中的代價(jià)縮小Cache塊容量、替換算法寫