19 第4章第6讲 光盘的存储原理与组成.ppt

第1页：第三单元层次存储器系统第六讲光盘

第三单元层次存储器系统第六讲光盘

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现只读、一次写与可擦写光盘的存储原理与组成。

第2页：内容提要：CD-ROM、CD-R

• CD-ROM
• CD-R
• CD-RW
• DVD
• 主存储器的最新发展
• 本单元小结

第3页：只读光盘

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。

第4页：光盘的存储原理

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，凹区两边未经过烧制的部分叫作凸区。

第5页：光盘的读出原理

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。

第6页：CD-ROM的存储标准

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。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。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。

第7页：CD-ROM的文件标准

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

第8页：CD-R存储原理

8CD-R存储原理

• CD-R在大小上和CD-ROM一样，最初时也是120mm的空白盘，只是CD-R有一条0.6mm宽的凹槽，用来引导激光进行刻盘。凹槽有0.3mm的正弦偏移，频率为22.05kHz，用来准确控制CD-R的转速，并在必要时加以调整。只是CD-R表面是金色，而不象CD-ROM那样表面是银色。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，其颜色是绿色的，另一种是pthalocyanine，颜色为黄桔色。这些染料和显像中的染料十分类似，这也是柯达和富士成为CD-R的主要制造商的原因。

第9页：CD-R存储原理

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8~16mW，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。

第10页：CD-R的增量刻盘

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。
• 每个CD-ROM道一个单独的目录卷表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。

第11页：CD-R防盗版

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。

第12页：CD-RW存储原理

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。

第13页：光盘存储设备

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。

第14页：DVD和CD的差别

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。

第15页：DVD的四种标准

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）

第16页：DVD的四种标准

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。

第17页：光盘存储设备

• 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、DVD

第18页：主存储器技术的最新发展

主存储器技术的最新发展

• DRAM
• EDRAM
• CDRAM
• SDRAM
• Rambus DRAM
• Ramlink DRAM

第19页：高速缓冲存储器

19Enhanced 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。

第20页：动态存储器

动态存储器

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现动态存储器芯片的读写原理与刷新要求。

第21页：高速缓冲存储器

21Cache 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

第22页：动态存储器

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。

第23页：动态存储器

动态存储器

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现动态存储器芯片的读写原理与刷新要求。

第24页：动态存储器

24Rambus 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。

第25页：控制器功能与组成

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。

第26页：光盘存储设备

光盘存储设备

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现光盘的存储原理、数据格式与主存储器新发展。

第27页：不同层次的存储器作用

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

第28页：存储器组成

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

第29页：存储器设计目标

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

第30页：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

第31页：磁盘和光盘

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

第32页：层次存储系统

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+1>3）
  • SRAM--Cache
  • DRAM--Main Memory
  • Disk--Virtual Memory

第33页：计算机总线

计算机总线

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现总线的概念、分类、仲裁与通讯方式。

• 数据总线
• 地址总线
• CP

第34页：高速缓冲存储器

34Cache的组织

• 直接映射
• 全相连
• 多路组相连

第35页：提高Cache的性能

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

第36页：设计Cache

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 B

第37页：虚拟存储器

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

第38页：段表内容及其管理段式存储管理的核心问题

段表内容及其管理段式存储管理的核心问题

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现虚拟地址空间的管理方式与地址映射过程。

第39页：页表内容和页式管理+

页表内容和页式管理+

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现虚拟地址空间的管理方式与地址映射过程。