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，2022年，8月28日只讀光盤（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)細節(jié)以正式的國際標準

（IS10149）公布，并因為封面的顏色被通稱為紅皮書。2第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日光盤的存儲原理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作用的表層，最后再打上標簽，整個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，2022年，8月28日光盤的讀出原理將CD進行回放時，用一個低能激光二極管發(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，當凹區(qū)經(jīng)過時，激光束就會比凸區(qū)經(jīng)過時伸出一些。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，2022年，8月28日CD-ROM的存儲標準將每個字節(jié)編碼成14位的符號，可以對字節(jié)進行海明編碼；連續(xù)的42個符號一組，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CD-ROM扇區(qū)。每個扇區(qū)由16個字節(jié)的引導區(qū)開始，其中前12個字節(jié)為引導區(qū)起始標志，然后3個字節(jié)是扇區(qū)號，最后的一個字節(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，2022年，8月28日CD-ROM的文件標準國際標準（IS9660）有三個層次。第一層次規(guī)定文件名不能超過8個字符長可以有不超過3個字符的擴展名（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，目錄不允許有擴展名所有文件必須連續(xù)存放可以被幾乎所有計算機讀出6第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日CD-R存儲原理CD-R在大小上和CD-ROM一樣，最初時也是120mm的空白盤，只是CD-R有一條0.6mm寬的凹槽，用來引導激光進行刻盤。凹槽有0.3mm的正弦偏移，頻率為22.05kHz，用來準確控制CD-R的轉(zhuǎn)速，并在必要時加以調(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，2022年，8月28日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，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點上時產(chǎn)生的熱量使之發(fā)生化學反應，改變了染料的分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個黑點。讀出時（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和未被照射過的透明區(qū)，并用這個區(qū)別來對應普通光盤的凹區(qū)和凸區(qū)。8第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日CD-R的增量刻盤一次刻在CD-R上的幾個連續(xù)扇區(qū)被稱為CD-ROM道。每個CD-ROM道一個單獨的目錄卷表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的當前狀態(tài)。9第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日CD-R防盜版將CD-ROM上所有文件的長度寫成好幾個GB，這樣，用標準的讀盤軟件將無法將文件拷到硬盤中，而文件的實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的某個意想不到的地方。在選定的幾個扇區(qū)中有意寫入一些錯誤的ECC碼，預計一般的CD復制軟件將會自動“修復”這些錯誤，但光盤的應用軟件卻自己對這些ECC碼進行檢查，如果它們正確的話就停止執(zhí)行。10第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日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。這種合金有兩個穩(wěn)定態(tài)：晶態(tài)和非晶態(tài)，兩個狀態(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），但不會導致狀態(tài)轉(zhuǎn)換。11第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日DVDDVD的基本設計和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，2022年，8月28日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)更小（DVD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）。存儲容量達到4.7GB。13第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日DVD的四種標準單面單層（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，2022年，8月28日DVD的四種標準雙層技術(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)設計得稍微大一些，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，2022年，8月28日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，2022年，8月28日主存儲器技術(shù)的最新發(fā)展DRAMEDRAMCDRAMSDRAMRambusDRAMRamlinkDRAM17第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日EnhancedDRAM在DRAM中增加一個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，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，2022年，8月28日EnhancedDRAM19第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日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？作為某些特定應用的緩沖器顯示存儲器20第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日SDRAM將與CPU異步工作模式改為同步工作模式主設備給出訪問命令后，SDRAM進行響應。經(jīng)過響應時間后，SDRAM按系統(tǒng)時鐘輸出數(shù)據(jù)。21第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日SDRAM22第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日RambusDRAM對主存帶寬進行改進，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的初始化時間后，數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達500Mbps。23第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日RamLink用DRAM體組成環(huán)，在存儲控制器的控制下，共同響應請求，提供整個系統(tǒng)的性能。采用特定協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。24第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日RamLink25第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日不同層次的存儲器作用存儲器組成（數(shù)字邏輯層）存放一位二進制數(shù)0或1存儲器（指令系統(tǒng)層）存放可單獨訪問的最小單元（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，2022年，8月28日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)，反射光的強弱27第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日存儲器設計目標高速度CPU對存儲器的要求越來越高大容量應用對存儲器的要求高可靠性低價格28第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日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、糾錯碼價格29第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日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)價格：工藝水平30第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日層次存儲系統(tǒng)程序局部性原理時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，2022年，8月28日MEMORY

CACHECONTROLCACHE的基本運行原理數(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，2022年，8月28日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，2022年，8月28日提高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縮小Cache塊容量、替換算法寫