光盤的存儲原理與組成

1、1第三單元 層次存儲器系統(tǒng)第六講 光盤的存儲原理與組成本單元小結(jié)2內(nèi)容提要 CD-ROM CD-R CD-RW DVD 主存儲器的最新發(fā)展 本單元小結(jié)3只讀光盤（CD-ROM） 1980年，飛利浦和索尼一起推出了光盤（CD，Compact Disc），并很快取代了每分鐘33 1/3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為紅皮書紅皮書。4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

2、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)，凹區(qū)兩邊未經(jīng)過燒制的部分叫作凸區(qū)凸區(qū)。5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

3、，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。6CD-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(cuò)和控制位。（與音頻CD兼容） 將98幀作為一個(gè)CD-ROM扇區(qū)。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)

4、成一條從圓心向外的單向螺旋線。7CD-ROM的文件標(biāo)準(zhǔn) 國際標(biāo)準(zhǔn)（IS 9660）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8CD-R存儲原理 CD-R在大小上和在大小上和CD-ROM一樣，最初時(shí)也是一樣，最初時(shí)也是120mm的空白盤，只是的空白盤，只是CD-R有一條有一條0.6mm寬的凹槽，用來引寬的凹槽，用來引導(dǎo)激光進(jìn)行刻盤。凹槽有導(dǎo)激光進(jìn)行刻盤。凹槽有0.3mm的正弦偏移，頻率為的正弦偏移

5、，頻率為22.05kHz，用來準(zhǔn)確控制，用來準(zhǔn)確控制CD-R的轉(zhuǎn)速，并在必要時(shí)加的轉(zhuǎn)速，并在必要時(shí)加以調(diào)整。只是以調(diào)整。只是CD-R表面是金色，而不象表面是金色，而不象CD-ROM那那樣表面是銀色。用真正的金子代替鋁來做反射層。而樣表面是銀色。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)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，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，另一種是其顏色是綠色的，另一種是

6、pthalocyanine，顏色為黃，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)和富士成為達(dá)和富士成為CD-R的主要制造商的原因的主要制造商的原因。9CD-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816mW，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)。10CD-R的增量刻盤 一

7、次刻在CD-R上的幾個(gè)連續(xù)扇區(qū)被稱為CD-ROM道道。 每個(gè)CD-ROM道一個(gè)單獨(dú)的目錄卷表目錄卷表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)。11CD-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(cuò)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(cuò)誤，但光盤的應(yīng)用軟

8、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。12CD-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。13DVD DVD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。14DVD和CD的差

9、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。15DVD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）16DVD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

10、面盤。17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、DVD18主存儲器技術(shù)的最新發(fā)展 DRAM EDRAM CDRAM SDRAM Rambus DRAM Ramlink DRAM19Enhanced DRAM 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。20Enhanced DRAM信號放大器和寫列選擇I/O控制和數(shù)據(jù)鎖存列地址鎖存器11位比較器上一行地址鎖存器行地址鎖存器刷新控制

11、A0A8列地址譯碼器5124位 SRAM Cache行譯碼器DRAM陣列20485124讀使能片選寫使能D0D3A0A10CALA0A10刷新RAL21Cache DRAM 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22SDRAM 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)。23SDRAMControl Logicand FiniteState MachineModeRegisterRowMult

12、iplexerRefreshCounterRow 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 對主存帶寬進(jìn)行改進(jìn)，引入特殊的總線。

13、 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。25RamLink 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。26RamLinkDRAMDRAMDRAMDRAMDRAMDRAMSystem BusMemory Controller.27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28存儲器組成 主存儲器 SRAM:觸發(fā)器的不同狀

14、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29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30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(cuò)碼 價(jià)格31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(cuò)、RAID技術(shù) 價(jià)格：工藝水平32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+13） SRAM - Cache DRAM - Main Memory

15、 Disk - Virtual Memory 33MEMORY CACHE CONTROLCACHE的基本運(yùn)行原理的基本運(yùn)行原理數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線譯碼選一單元譯碼選一單元比較選一行比較選一行讀過程為例讀過程為例地址總線地址總線ADDR DATA CACHE CPU 34Cache的組織 直接映射 全相連 多路組相連35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 寫策略 直接寫、拖后寫 替換算法36設(shè)計(jì) Cache 有關(guān)方案 cache 容量 塊大小 組織方式 替換算法 寫策略 方案優(yōu)化 根據(jù)用途選擇 海量數(shù)據(jù)處理 指令數(shù)據(jù)平衡 (I-cache, D-cache) 根據(jù)成本優(yōu)化 簡單化常常就是優(yōu)化AssociativityCache SizeBlock SizeBadGoodLessMoreFactor AFactor B37虛擬存儲器 給程序員提供虛擬地址空間 由操作系統(tǒng)對邏輯地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換 段式管理、頁式管理和段頁式管理 使用快表提高性能38段表內(nèi)容及其管理段表內(nèi)容及其管理段式存儲管理的核心問題在于設(shè)立和管理段表；段表也是主存中段式存儲管理的核心問題在于設(shè)立和管理段表；段表也是主存中的可再定位的一段信息，用于變換程序中的邏輯地址為主存的可再定位的一段信息，用于變換程序中的邏輯地址為主存單元