光媒体存储技术

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第3章 光媒体存储技术,1,3.1 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（,1,m=10,-6,m,）,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。,2,3.1.2 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。,3,3.2 光盘介质和格式标准,3.2.1 光存储介质的结构,4,1,CD,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“金盘”。,5,CD,盘外经为,120,mm,，,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。,6,2,CD,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。,7,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。,8,3.2.2 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。,9,2,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。,10,3.2.3 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。,11,2,黄皮书,CD-ROM,标准,1985,年，,Philips,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。,12,4,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,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）。,13,6,DVD,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/Philips,公司的方案。最终的单面单层,DVD,盘片能够存储,4.7,GB,的数据，单面双层盘片的容量为,8.5,GB,；,双面单层容量,9.4,GB,；,双面双层容量约,17,GB,。,14,3.3 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。,15,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。,16,光盘上压制了许多凹坑，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,”。,17,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。,18,3.3.2可擦写光盘驱动器,1,擦写原理,光盘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,1,mW,2mW,，,但是擦写光束的功率一般需要,8,mW,20mW,。,对于,1,m,直径的光束，功率如果具有,15,mV,的写光束，它平均能量密度达,2,1010,W/m,2,。,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。,19,2,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。,20,3.3.3,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。,21,DVD-R,为单写多读型，容量为,4.7,GB,，,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，适用于高密度记录。,2,DVD-R,、,DVD-RW,、,DVD-RAM,驱动器,22,3,DVD-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。,4,DVD-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。,23,3.4,CD-ROM,CD-R,CD-RW,光存储技术,3.4.1,CD-ROM,光存储技术,24,1,CD-ROM,光盘,CD-ROM,作为第一代多媒体计算机的基本配置，对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,。,25,2,CD-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。,26,CD-R,光存储技术,1,CD-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。,27,2,CD-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,光盘只能刻录一次。,28,3.4.3,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。,29,3.5,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,CD-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。,30,3.6,DVD-ROM，DVD-RW,光存储技术,