光盘的存储原理与组成文档资料

1第三单元 层次存储器系统第六讲 光盘的存储原理与组成本单元小结2内容提要 CD-ROM CD-R CD-RW DVD 主存储器的最新发展 本单元小结3只读光盘（CD-ROM）1980年，飞利浦和索尼一起推出了光盘（CD，Compact Disc），并很快取代了每分钟33 1/3转的乙烯基唱片。CD的详尽技术细节以正式的国际标准（IS10149）公布，并因为封面的颜色被通称为红皮书红皮书。4光盘的存储原理 CD是通过在涂有玻璃表层的主盘上，用高能红外激光束烧出0.8毫米直径的小孔制成的。用这种主盘做成模子，上面带有烧好的激光孔，然后往模子上注入熔化的多种碳酸盐脂，使激光孔的形状和玻璃主盘的形状一样，就基本上完成了CD的主体。接着，在碳酸盐脂上沉淀上一薄层的反射铝，再覆盖上一层起保护作用的表层，最后再打上标签，整个CD就完成了。碳酸盐脂底基的凹陷部分叫作凹区凹区，凹区两边未经过烧制的部分叫作凸区凸区。5光盘的读出原理 将CD进行回放时，用一个低能激光二极管发出的波长为0.78毫米的红外光照射在二极管下“流过”的凹区和凸区。光源在碳酸盐脂层的上方，所以，当凹区经过时，激光束就会比凸区经过时伸出一些。由于凹区的高度为激光波长的1/4，从凹区反射的激光的波长为从凸区反射光的波长的一半。这样，反射光和发射光叠加，将导致光接收器接收到的从凹区反射的光线比从凸区反射的要弱。CD机通过这种途径，可以区别出凹区和凸区。虽然用凹区代表0，凸区代表1可能是最简单的表示方法，但从可靠性方面考虑，用凸区/凹区和凹区/凸区转换来表示1，而用连续的凹区或凸区来表示0的可靠性要高一些，所以，CD上采用的是这种模式。6CD-ROM的存储标准 将每个字节编码成14位的符号，可以对字节进行海明编码；连续的42个符号一组，构成了588位的帧帧。每帧包含192位数据位（24个字节），其它的396位用于纠错和控制位。（与音频CD兼容）将98帧作为一个CD-ROM扇区。扇区。每个扇区由16个字节的引导区开始，其中前12个字节为引导区起始标志，然后3个字节是扇区号，最后的一个字节是光盘的数据存放格式。扇区构成一条从圆心向外的单向螺旋线。7CD-ROM的文件标准 国际标准（IS 9660）有三个层次。第一层次规定 文件名不能超过8个字符长 可以有不超过3个字符的扩展名（MS-DOS的文件命名规则）文件名中的字符只能是大写字母、数字和下划线 目录嵌套不超过8层，目录不允许有扩展名 所有文件必须连续存放 可以被几乎所有计算机读出8CD-R存储原理 CD-R在大小上和在大小上和CD-ROM一样，最初时也是一样，最初时也是120mm的空白盘，只是的空白盘，只是CD-R有一条有一条0.6mm宽的凹槽，用来引宽的凹槽，用来引导激光进行刻盘。凹槽有导激光进行刻盘。凹槽有0.3mm的正弦偏移，频率为的正弦偏移，频率为22.05kHz，用来准确控制，用来准确控制CD-R的转速，并在必要时加的转速，并在必要时加以调整。只是以调整。只是CD-R表面是金色，而不象表面是金色，而不象CD-ROM那那样表面是银色。用真正的金子代替铝来做反射层。而样表面是银色。用真正的金子代替铝来做反射层。而CD-R的凹区和凸区是用不同的反射光来模拟，这点是的凹区和凸区是用不同的反射光来模拟，这点是通过在碳酸盐脂和金质反射层之间加上一层染料来实通过在碳酸盐脂和金质反射层之间加上一层染料来实现的。目前使用的有两种不同的染料，一种是花青，现的。目前使用的有两种不同的染料，一种是花青，其颜色是绿色的，另一种是其颜色是绿色的，另一种是pthalocyanine，颜色为黄，颜色为黄桔色。这些染料和显像中的染料十分类似，这也是柯桔色。这些染料和显像中的染料十分类似，这也是柯达和富士成为达和富士成为CD-R的主要制造商的原因的主要制造商的原因。9CD-R存储原理 CD-R被刻之前，染料层是透明的，激光束可以穿过它后从金质层反射回来。刻盘时，照射CD-R的激光能量被调高到816mW，光束照射到染料的一个点上时产生的热量使之发生化学反应，改变了染料的分子结构，产生一个黑点。读出时（激光束的能量为0.5mW），光接收器就可以分辨出染料被照射过的黑点和未被照射过的透明区，并用这个区别来对应普通光盘的凹区和凸区。10CD-R的增量刻盘 一次刻在CD-R上的几个连续扇区被称为CD-ROM道道。每个CD-ROM道一个单独的目录卷表目录卷表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放入光驱后，操作系统搜寻所有CD-ROM道，并定位到最近使用的VTOC，它给出了CD-R的当前状态。11CD-R防盗版 将CD-ROM上所有文件的长度写成好几个GB，这样，用标准的读盘软件将无法将文件拷到硬盘中，而文件的实际长度在出版商提供的专用读盘软件中，或隐藏（可能还是加密后）在CD-ROM的某个意想不到的地方。在选定的几个扇区中有意写入一些错误的ECC码，预计一般的CD复制软件将会自动“修复”这些错误，但光盘的应用软件却自己对这些ECC码进行检查，如果它们正确的话就停止执行。12CD-RW存储原理 可擦写光盘 用银、铟、锑和碲组成的合金做记录层。这种合金有两个稳定态：晶态和非晶态，两个状态有不同的反射特性。CD-RW的驱动器使用三种不同能量的激光。在高能激光照射下，合金熔化并从高反射性的晶态转化为低反射性的非晶态，表示凹区。在能量中等的激光束照射下，合金熔化并重新转化为本来的晶态，又成为凸区。低能激光可以感知材料的状态（用来读盘），但不会导致状态转换。13DVD DVD的基本设计和CD相同，也是120mm直径的注入碳酸盐的盘模，由激光二极管照射的凸区和凹区组成，通过光接收器读入信息。14DVD和CD的差别 使用红色激光（DVD激光的波长为0.65微米，而CD的为0.78微米）。凹区更小（DVD为0.4微米，而CD为0.8微米）。螺旋线更紧凑（DVD道间距为0.74微米，而CD的道间距为1.6微米）。存储容量达到4.7GB。15DVD的四种标准 单面单层（4.7GB）单面双层（8.5GB）双面单层（9.4GB）双面双层（17GB）16DVD的四种标准 双层技术是在光盘底层有一层反射层，上面是一层半反射层。根据激光聚焦在哪层来决定反射哪一层。为提高可靠性，需要将底层的凹区和凸区设计得稍微大一些，所以其容量比上层要稍微小一些。将两张0.6mm厚的单面盘的背面互相粘在一起就制成了一张双面盘。17光盘 存储原理 光电转换 编码方式 NRZ1 存储格式 光盘的发展 CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD18主存储器技术的最新发展 DRAM EDRAM CDRAM SDRAM Rambus DRAM Ramlink DRAM19Enhanced DRAM 在DRAM中增加一个SRAM组成的Cache 存放刚刚被访问的单元的行的全部内容 增加比较器，如果下次访问的还是这行，则从Cache中读。同时，刷新该行可以和读Cache并行，这也可以提高性能。20Enhanced DRAM信号放大器和写列选择I/O控制和数据锁存列地址锁存器11位比较器上一行地址锁存器行地址锁存器刷新控制A0A8列地址译码器5124位 SRAM Cache行译码器DRAM阵列20485124读使能片选写使能D0D3A0A10CALA0A10刷新RAL21Cache DRAM 在DRAM中增加比EDRAM更大的Cache 作为真正的Cache使用，不局限于存储最新访问的行。需要增加什么电路？作为某些特定应用的缓冲器 显示存储器22SDRAM 将与CPU异步工作模式改为同步工作模式 主设备给出访问命令后，SDRAM进行响应。经过响应时间后，SDRAM按系统时钟输出数据。23SDRAMControl Logicand FiniteState MachineModeRegisterRowMultiplexerRefreshCounterRow AddressLatchColumnAddress LatchBurst CounterColumnDecoderData Out BufferData In BufferLatchLatchRow DecoderRow DecoderBANK BDRAM(2M*8)BANK ADRAM(2M*8)Sense Amplifiersand I/O GatingSense Amplifiersand I/O GatingD0D7A0A10CLK/CS/DQM/WE/CAS/RASA1124Rambus DRAM 对主存带宽进行改进，引入特殊的总线。采用面向块的异步协议传送地址和控制信息。经过480ns的初始化时间后，数据传输带宽可达500Mbps。25RamLink 用DRAM体组成环，在存储控制器的控制下，共同响应请求，提供整个系统的性能。采用特定协议进行数据交换。26RamLinkDRAMDRAMDRAMDRAMDRAMDRAMSystem BusMemory Controller.27不同层次的存储器作用 存储器组成（数字逻辑层）存放一位二进制数0或1 存储器（指令系统层）存放可单独访问的最小单元（字节、字、扇区）存储器（操作系统层）段、页管理 存储器（用户层）文件28存储器组成 主存储器 SRAM:触发器的不同状态 DRAM:电容是否存储电荷 磁表面存储器 磁颗粒的偏转方向（编码规则）光盘 凹区和凸区，反射光的强弱29存储器设计目标 高速度 CPU对存储器的要求越来越高 大容量 应用对存储器的要求 高可靠性 低价格30主存储器 速度 提高门电路的速度，采用并行技术 容量 增加单位面积的存储单元 可靠性 存储单元本身、纠错码 价格31磁盘和光盘 提高速度：旋转速度、接口速度、RAID 大容量：存储密度、编码规则 可靠性：编码纠错、RAID技术 价格：工艺水平32层次存储系统 程序局部性原理 时间局部性 空间局部性 系统优势（1+1+13）SRAM-Cache DRAM-Main Memory Disk-Virtual Memory 33MEMORY CACHE CONTROLCACHE的基本运行原理的基本运行原理数据总线数据总线译码选一单元译码选一单元比较选一行比较选一行读过程为例读过程为例地址总线地址总线ADDR DATA CACHE CPU 34Cache的组织 直接映射 全相连 多路组相连35提高Cache的性能 提高命中率 增加Cache容量、加大Cache块容量 减少不命中的代价 缩小Cache块容量、替换算法 写策略 直接写、拖后写 替换算法36设计 Cache 有关方案 cache 容量 块大小 组织方式 替换算法 写策略 方案优化 根据用途选择 海量数据处理 指令数据平衡(I-cache,D-cache)根据成本优化 简单化常常就是优化AssociativityCache SizeBlock SizeBadGoodLessMoreFactor AFactor B37虚拟存储器 给程序员提供虚拟地址空间 由操作系统对逻辑地址进行转换 段式管理、页式管理和段页式管理 使用快表提高性能38段表内容及其管理段表内容及其管理段式存储管理的核心问题在于设立和管理段表；段表也是主存中段式存储管理的核心问题在于设立和管理段表；段表也是主存中的可再定位的一段信息，用于变换程序中的逻辑地址为主存的可再定位的一段信息，用于变换程序中的逻辑地址为主存单元的实际地址。单元的实际地址。段号段号 段内地址段内地址+逻辑地址逻辑地址段始地址段始地址 段长段长 装入位装入位段段表表主存实际地址主存实际地址段表基地址段表基地址39页表内容和页式管理页表内容和页式管理+（在内存中）控制位（在内存中）控制位 有效位有效位慢表慢表虚地址虚地址 (程序中给出程序中给出)实地址实地址 (读写内存用读写内存用)按地址读按地址读实页号实页号虚页号虚页号 页内地址页内地址实页号实页号 页内地址页内地址页表基地址页表基地址控制位：包括修改位、替换位有效位：表示该页是否已装入主存