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1、1,第3章 光媒体存储技术,2,3.1 光盘媒体存储技术概述,3.1.1 光盘的发展历史 70年代人们发现激光经聚焦后可获得直经小于1微米（1m=10-6m）的光束，利用这一特性，Philips公司的研究人员开始研究用激光来记录和重放信息，并于1972年9月向全世界展示了光盘系统。大约在1978年，研究人员开始把声音信号变成“0”与“1”表示的二进制数字，然后记录到以塑料为基片的金属圆盘上。,3,3.1.2 光学存储原理,光存储技术是一种通过光学方法读出数据的一种数字存储技术。一个存储单元所以能存储数据，是因为它具有极其简单、快速地识别出被存储的数据的特征。光学存储的原理是当光束照射在存储单元
2、上时，其反射率随着所存储数据（“0”或“1”）的不同而变化。最常用的方法是使反射光的极化方向随着数据的不同而改变，然后再通过光学的方法，使得照射在光电检测器上的光强度也发生相应的变化，光电检测器能够区分出照射在其中的光强变化，故能读出存储单元究竟存储了什么数据，并以电信号形式表示出来。,4,3.2 光盘介质和格式标准,3.2.1 光存储介质的结构,5,1CD盘片的结构 CD盘片主要由透明漆模保护层、铝反射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成。通常将激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为CD盘。CD盘上有一层铝反射层，看起来是银灰色的，故称为“银盘”。另一种CD-R盘，它的反射层是金色的，所以又称为
3、“金盘”。,6,CD盘外经为120mm，重量为1418克。盘面分为三个区：导入区、导出区和声音数据记录区。,7,2CD盘的光道结构,CD盘的光道结构与磁盘磁道的结构不同,软磁盘存放数据的磁道是同心环，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV表示，但在不同磁道上，磁头相对于磁道的速度（称为线速度CLV）是不同的。采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取，但由于内外磁道的记录密度不相同，外磁道的记录密度低，内磁道的记录密度高，外磁道的存储空间就没有得到充分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。,8,CD盘光道是螺旋型光道，CD盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就
4、是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用CLV，由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度（比特数/每英寸）可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储容量，但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂。,9,3.2.2 光盘的分类 1按数据处理方式的不同分类 按数据处理方式的不同可将光盘分为CD（Compact Disc）和DVD（Digital Video Disk）两种，每种分类都有可刻录和不可刻录两类。,10,2按光盘的读写能力分类：(1)只读光盘 ROM 只读光盘上的所有信息都是由厂家在盘上该录好的，用户只能根据自己的需要选购已记录信息的盘片，不能再进行
5、信息写入、更改和删除。(2)一次性写光盘 WORM 这种光盘由于在写数据时激光在盘面上烧出一个小坑，因此写过数据的地方就不能再写了，只可供读出使用。(3)可重复擦写光盘 RW 这种光盘可以在擦除了盘片上原有数据之后进行重写。,11,3.2.3 光盘的格式标准,1红皮书激光唱盘标准 1982年Philips公司和Sony公司把记录着数字声音的盘推向了市场。采用CD（Compact Disc）来命名，并为此盘制定了标准，这就是世界闻名的“红皮书（Red Boook），这个标准是整个CD工业最基本的标准，所有其它的CD标准都是在这个标准的基础上制定的。,12,2黄皮书CD-ROM标准 1985年，P
6、hilips公司和Sony公司共同提出了用于计算机外围设备存储标准。由于该标准发布时采用了黄色封面，故称为黄皮书（Yellow Book）。3黄皮书的扩充CD-ROM/XA标准 CD-ROM扩展结构ROM/XA（CD-ROM Extended Architecture）标准是由Philips、Microsoft、Sony公司发布的，CD-ROM/XA标准是Yellow Book标准的扩充。,13,4橙皮书可录CD盘标准 橙皮书（Orange Book）是一种可录CD光盘存储器CD-R的标准，它允许用户把自己创作的影视节目或者多媒体文件写到盘上。5白皮书VCD标准 Video CD（VCD）是由
7、JVC、Philips、Matsushita和Sony联合定义的数字电视视盘技术规格，1994年7月发布了“Video CD Specification Version 2.0”，并命名为White Book（白皮书）。,14,6DVD标准 1995年，由Sony与Philips公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和Time Warner公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD（HDCD，High Density Compact Disc）规格，同年10月，两大财团同意盘片的设计按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存储在盘上的数据编码则按Sony/Philip
8、s公司的方案。最终的单面单层DVD盘片能够存储4.7GB的数据，单面双层盘片的容量为8.5GB；双面单层容量9.4GB；双面双层容量约17GB。,15,3.3 光盘驱动器及分类,3.3.1 CD-ROM驱动器 CD-ROM驱动器就是用来读取CD盘片数据的设备。光学读出头是光驱的心脏，也是最精密的部分，它主要负责数据的读取工作。它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成。,16,激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。,17,光盘
9、上压制了许多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的长度和非凹坑的长度代表有多少个“0”。,18,需要注意的是，凹坑和非凹坑本身不代表“”和“”，而是凹坑端部的前沿和后沿代表“”，凹坑和非凹坑的长度代表“”的个数，利用这种方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二进制数据的“”和“”更有效，可以更充分地利用光盘表面积，使得存储容量大大提高。此外，采用这种技术也很容易从读出信号中提取有用的同步脉冲信号。,19,3.3.2可擦写光盘驱动器,1擦写原理 光盘
10、写过程与光盘擦过程是一个逆过程，写即改变介质的性质，擦即恢复光介质原来的性质。读光束的能量可以较小，功率只需1mW2mW，但是擦写光束的功率一般需要8mW20mW。对于1m直径的光束，功率如果具有15mV的写光束，它平均能量密度达21010W/m2。如此高密度的能量可以很快改变或破坏盘面介质的性质，激光束在光盘介质上形成烧孔、起泡、相变、色变或偏振态变化的信息点，这个过程为写过程。其中烧孔、起泡是一次写光盘的工作原理。相变、色变和偏振态变化用于可擦写光盘驱动器。,20,2驱动器的结构 可擦写型光盘驱动器主要由光学头、读写擦通道、聚焦伺服、跟踪伺服、主轴电机伺服和微处理器等部分组成。,21,3.
11、3.3 DVD驱动器,1 DVD-ROM驱动器 DVD-ROM驱动器可以读大容量的DVD盘片，还可以向下兼容CD-ROM的读取。单倍速的DVD-ROM的数据传输速率大致等同于9倍速的CD-ROM驱动器。,22,DVD-R为单写多读型，容量为4.7GB，可以分段写入。DVD-RW是相变可擦写格式，基于DVD-R技术的DVD-RW可以在大部分的DVD光驱和DVD播放机上播放。DVD-RAM是用相变记录方式实现数据改写的。支持DVD-RAM高密度记录的技术称为Land-Groove记录方式。它以沟道（Groove）和岸道（Land）记录数据，岸与沟以相同的间距重复排列，因此很容易获得定位用的控制信号
12、，适用于高密度记录。,2DVD-R、DVD-RW、DVD-RAM驱动器,23,3DVD-Audio驱动器 DVD-Audio采用的LPCM，就是未经压缩的原音重现，是5.1声道。4DVD-Video驱动器 DVD-Video就是DVD播放机。与现有的CD/VCD相比，DVD-Video光盘具有更大的存储容量。每张DVD-Video光盘上可以存放多个节目、多声轨、多种文字字幕、多个观赏角度及高品质视频图像，且能配以多通道伴音。,24,3.4 CD-ROM,CD-R,CD-RW光存储技术,3.4.1 CD-ROM光存储技术,25,1CD-ROM光盘,CD-ROM作为第一代多媒体计算机的基本配置，对
13、推动多媒体计算机的发展起了十分重要的作用，而与之相关的技术也随着多媒体计算机和存储技术的发展而不断推陈出新。CD-ROM光盘通常为单面盘，一面用来存储数据，另一面用来印刻商标。在利用激光进行读取数据时，激光束对光道上的模压形成的凹坑进行扫描，从而读取数据0、1。,26,2CD-ROM的文件标准 在CD-ROM中存放的数据都是以文件形式存在的，为了有效地管理和组织这些文件，就需要一个文件系统。由于CD-ROM标准（Yellow Book）没有制定文件标准，所以计算机厂家不得不开发自己的CD-ROM逻辑格式。这些不统一的CD-ROM逻辑格式严重地影响了CD-ROM的推广应用。为了解决文件如何在不同
14、系统之间进行交换等问题，1988年ISO公布了ISO 9660标准，ISO 9660中定义了CD-ROM卷和文件结构。,27,CD-R光存储技术,1CD-R盘片 CD-R光盘记载数据的方式与普通CD光盘一样，但原理有所不同。CD-R盘上除了含有聚碳酸酯层与漆膜保护层外，将反射用的铝层改用金反射层（也可能是纯银材料),另外再加上有机染料记录层和轨道凹坑。,28,2CD-R刻录技术 采用CD-R 刻录技术刻录CD-R光盘时，激光头发射的激光束照射在CD-R 光盘的数据记录层有机染料层，使其发生化学变化，产生所谓的“凹坑”。由于这种化学变化是不可逆的，有机染料不能恢复到原来的状态，所以CD-R 光盘
15、只能刻录一次。,29,3.4.3 CD-RW 技术的刻录原理,CD-RW 技术采用相变技术来存储数据，与CD-R 盘片不同的是，CD-RW 盘片的数据记录层采用了具有逆变特性的相变结晶材料。相变结晶材料具有非结晶和固定结晶两种状态，两种状态具有不同的反射率，因此可以记录不同信号。通过改变CD-RW 刻录机激光头的不同发射强度就可以在两种状态之间转换，从而达到反复擦写的目的。,30,3.5 COMBAO光存储技术,3.5.1 COMBO的工作原理 COMBO 是一种集CD-R/RW 和DVD-ROM 为一体的光驱。它既可以刻录CD-R 或者CD-RW 光盘，也可以读取DVD光盘，当然还可以当作C
16、D-ROM 光驱来使用。无论是刻录光盘还是读取光盘数据，都是通过激光头发射不同强度的激光束聚焦在光盘数据刻录层来完成相应操作的。,31,3.6 DVD-ROM，DVD-RW光存储技术,3.6.1 DVD简介 DVD在存储容量、音频、视频的质量和压缩标准等许多方面都比VCD有较大的提高。MPEG-1的电视质量是家用录像机的质量，MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生和市场的成熟；MPEG-2的电视质量是广播级的质量，由于广播级数字电视的数据量要比MPEG-1的数据量大得多，而CD-ROM的容量满足不了存放MPEG-2 Video节目的要求,为了解决MPEG-2 Video节目的存储问题，就促成
17、了DVD的问世。,32,1DVD盘的类型,DVD光盘的规格主要分为下列几类：DVD-ROM:只读型数字多功能光盘；DVD-Video：数字影音光盘；DVD-Audio：数字音响光盘；DVD-R：可读写数字多功能光盘；DVD-RAM：可重复读写数字多功能光盘,33,2DVD盘的格式,(1)D5：单面单层:容量约4.7GB D5格式的DVD影碟是把所有资料存放在一面DVD碟片上，另一面印上影片的资料作封面。DVD机的激光头由DVD碟片的圆芯开始，一直向圆周读出去。相比而言，D5格式的DVD（单面单层），存储数据量最少，相应压缩比率较高，其音频、视频效果也受影响。,34,(2)D9：单面双层:容量约
18、8.5GB D9格式采用两层来存放数据。D9也只有一面可读，但这一面是两层的。播放时激光头由D9碟片的圆芯开始，一直向外圆周读出去，当读完第一层后，激光头会自动调整焦距穿透第一层，到达第二层后，激光头再由外圆周开始向内圆芯读回去，直到读完第二层为止。对于同一部电影来说，D9比起D5格式存储空间变大了，效果自然会有所提升。,35,(3)D10：双面单层：容量约9.4GB D10是双面单层，两面都同时存放数据，A面存放一层数据，B面存放一层数据。观看时要翻转碟片。(4)D14：双面多层：容量约13GB。D14是以两面三层来记录数据的，第一面是双层，而第二面是单层。(5)D18：双面双层：容量约17
19、GB D18 共拥有两面四层的空间去记录数据，能把压缩率减到最低，效果也最好。,36,3.6.2 DVD存储容量提高的原因,一片DVD盘要存储多达17GB的信息，需要采用许多新的技术，DVD所采用和将要采用的新技术归纳如 下表：,37,38,CD-ROM驱动器的光学读出头的数值孔径为0.45。在DVD中加大到0.6。使用短波长的激光源和数值孔径比较大的光学元件之后，最小凹凸坑的长度可以从0.83m缩小到0.4m，而光道间距由原来的1.6m缩小到0.74m，总的容量可以提高4.486倍。,39,加大盘的数据记录区域也是提高记录容量的有效途径。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6
20、 cm2，这样记录容量也就提高了1.9%。,40,常规的CD盘只使用一个面、一个记录层来记录信息，为了提高存储容量，出现了单面双层的DVD光盘，单面双层盘的表层称为第0层，最里层称为第1层。第0层采用了一种新的半透明薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。,41,3.6.3 DVD-RAM工作原理,DVD-R/RW的刻录原理和普通CD-R/RW刻录类似，采用CLV（恒定线速度）的刻录方式。其中D
21、VD-R能做一次性写入数据的操作，DVD-RW采用变相式读写技术，可以重复擦写数据。DVD-R因用途不同，还分为两种子格式：一种是专业DVD-R，适合于商业用途，另一种是通用DVD-R，适合普通用户。它们之间的主要区别是在写入和读取数据时的激光波长不同，以及防止拷贝的能力不同。,42,DVD+R/RW的规格是由7C制订的。DVD+R与DVD-R相同，属于一次性写入数据。而DVD+RW与DVD-RW一样，具有重复可写的特点。DVD+R/RW采用的是CAV（恒定角速度）刻录方式。并且使用与硬盘类似的结构，数据的读写性能要强于DVD-RW。世界上第一台可擦写DVD 刻录机DVD-RA是由东芝、松下和
22、日立三家联合推出的。该刻录机使用了相变技术并融入了一些MO的特性，是通过改变激光强度来对记录层进行加热，从而导致非晶体状态和晶体状态的转换，完成写入和擦除的操作。,43,3.6.4 DVD刻录机的主要技术指标,1接口类型(I)IDE接口:是光存储产品最具性价比的产品，也是市场中应用最为广泛的光储接口。目前主板上大都提供EIDE（Enhanced IDE，增强IDE）接口，它是在IDE接口上的扩展。(2)SCSI接口:是系统级的接口，可以连接多种外设。SCSI接口机型刻出的盘片质量最好，因为SCSI接口的设备占用CPU资源远远低于IDE接口方式。这样CPU就可以更有效地处理数据，系统和其他程序对
23、烧录过程的影响大为降低。,44,(3)USB接口:最多可连接127台外设（适用于连接键盘、鼠标、数码相机、外置式硬盘、外置式光驱等），具有支持热插拔，即插即用的优点。现在主机均带有USB接口，多用于外置式光储设备的接口，应用相当灵活，而且不必再为接口增加额外的设备，减少投入。(4)SATA接口:由于采用串行方式传输数据而得名。可以在较少的位宽下使用较高的工作频率来提高数据传输的带宽。目前，较新型的DVD该录机的接口已采用SATA接口。,45,2速度 刻录机的速度有写速度、复写速度和读速度三种。写速度是在刻录软件中刻录DVD-R 的刻录速度，复写速度是DVD-RW 的擦写速度，读速度等同于光驱的
24、读速度。如某刻录机的速度标识为：48X CD-R刻录、32X的CD-RW刻录，16X DVD+-R刻录；8X DVD+RW刻录，6X DVD-RW刻录，5X DVD-RAM刻录。对于DVD光驱而言，其传输速率有两个指标，一个是普通光盘的读取速率，与CD-ROM（1X=150KB/s）一样；另一个是DVD-ROM的数据传输率，此时1X=1385KB/s。,46,3缓存容量 在光盘刻录的过程中，源数据首先送往刻录机的缓存，再由缓存供给激光头使用，随着数据从缓存送出，新的数据再不断补充进来。CD-R 刻录技术的要求是，激光头的数据流必须源源不断，一旦数据中断刻录将停止，且不能继续从断点再刻。因此，在
25、刻录的全过程中，缓存中的数据不能全部用完，一旦缓存中的数据全部送出而不能及时得到补充时，就会出现缓冲区欠载（Buffer Under Run）。随着刻录速度的不断提高，目前刻录机的缓存大多为2MB、4MB 或8MB。,47,3.6.5 蓝光光盘简介,蓝光光盘（Blue-ray Disc，缩写为BD），是因为利用波长较短的蓝色激光（波长为405nm）读取和写入数据而得名。普通DVD红色激光波长为650nm，数值孔径为0.6，最小凹凸坑长度为0.4m；蓝色激光采用405nm波长，数据孔径提高至0.85，最小凹凸坑长度缩小到0.2m以下。蓝色激光能以极高的精确度将数据刻录在相同面积的光盘上，数据存储
26、的密度可提高1.5倍。加上光盘表面采用新的涂层，数据存储量还可以再提高一倍。新技术的使用，使得与DVD盘片尺寸相同的蓝光盘单面容量从DVD的4.7GB提高到25GB，双层容量达到50GB。,48,3.7刻录DVD光盘技术,3.7.1光盘刻录原理 在刻录光盘时，系统把需要刻录的数据预先读取到缓存中，然后再从缓存读取数据进行刻录。在刻录大量小容量文件时，硬盘读取的速度很可能会跟不上刻录的速度，就会造成缓存内的数据输入输出不成比例，如果这种状态持续一段时间，就会造成缓存欠载错误，这样就会导致刻录光盘失败。因此刻录机和COMMBO产品都会采用较大容量的缓存容量，再配合防刻死技术，把刻坏盘的几率降到最低。同时缓存还能协调数据传输速度，保证数据传输的稳定性和可靠性。,49,3.7.2 光盘刻录方法,以德国Ahead公司的光盘刻录软件Nero为例，介绍刻录数据光盘的方法。Nero是德国Ahead公司开发的光盘刻录软件，可以刻录多种类型的光盘片。如可以制作CD-ROM、Video-CD、Audio-CD、DVD-RAM、DVD-Video、以及混合光盘等。Nero软件有一个光盘制作向导（Startsmart），使用这个向导可以非常方便地按照提示一步步制作出各种类型的光盘。,
