光盤(pán)的存儲(chǔ)原理與組成ppt精選課件

.,1,第三單元層次存儲(chǔ)器系統(tǒng),第六講光盤(pán)的存儲(chǔ)原理與組成本單元小結(jié)liuwd,.,2,內(nèi)容提要,CD-ROMCD-RCD-RWDVD主存儲(chǔ)器的最新發(fā)展本單元小結(jié),.,3,只讀光盤(pán)（CD-ROM）,1980年，飛利浦和索尼一起推出了光盤(pán)（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(xì)節(jié)以正式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IS10149）公布，并因?yàn)榉饷娴念伾煌ǚQ為紅皮書(shū)。,.,4,光盤(pán)的存儲(chǔ)原理,CD是通過(guò)在涂有玻璃表層的主盤(pán)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(pán)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(pán)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(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)兩邊未經(jīng)過(guò)燒制的部分叫作凸區(qū)。,.,5,光盤(pán)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(zhǎng)為0.78毫米的紅外光照射在二極管下“流過(guò)”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(guò)時(shí)，激光束就會(huì)比凸區(qū)經(jīng)過(guò)時(shí)伸出一些。由于凹區(qū)的高度為激光波長(zhǎng)的1/4，從凹區(qū)反射的激光的波長(zhǎng)為從凸區(qū)反射光的波長(zhǎng)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(guò)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(jiǎn)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(lái)表示1，而用連續(xù)的凹區(qū)或凸區(qū)來(lái)表示0的可靠性要高一些，所以，CD上采用的是這種模式。,.,6,CD-ROM的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),將每個(gè)字節(jié)編碼成14位的符號(hào)，可以對(duì)字節(jié)進(jìn)行海明編碼；連續(xù)的42個(gè)符號(hào)一組，構(gòu)成了588位的幀。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)。每個(gè)扇區(qū)由16個(gè)字節(jié)的引導(dǎo)區(qū)開(kāi)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(hào)，最后的一個(gè)字節(jié)是光盤(pán)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。,.,7,CD-ROM的文件標(biāo)準(zhǔn),國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IS9660）有三個(gè)層次。第一層次規(guī)定文件名不能超過(guò)8個(gè)字符長(zhǎng)可以有不超過(guò)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(xiě)字母、數(shù)字和下劃線目錄嵌套不超過(guò)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,.,8,CD-R存儲(chǔ)原理,CD-R在大小上和CD-ROM一樣，最初時(shí)也是120mm的空白盤(pán)，只是CD-R有一條0.6mm寬的凹槽，用來(lái)引導(dǎo)激光進(jìn)行刻盤(pán)。凹槽有0.3mm的正弦偏移，頻率為22.05kHz，用來(lái)準(zhǔn)確控制CD-R的轉(zhuǎn)速，并在必要時(shí)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(lái)做反射層。而CD-R的凹區(qū)和凸區(qū)是用不同的反射光來(lái)模擬，這點(diǎn)是通過(guò)在碳酸鹽脂和金質(zhì)反射層之間加上一層染料來(lái)實(shí)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(dá)和富士成為CD-R的主要制造商的原因。,.,9,CD-R存儲(chǔ)原理,CD-R被刻之前，染料層是透明的，激光束可以穿過(guò)它后從金質(zhì)層反射回來(lái)?？瘫P(pán)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(guò)的黑點(diǎn)和未被照射過(guò)的透明區(qū)，并用這個(gè)區(qū)別來(lái)對(duì)應(yīng)普通光盤(pán)的凹區(qū)和凸區(qū)。,.,10,CD-R的增量刻盤(pán),一次刻在CD-R上的幾個(gè)連續(xù)扇區(qū)被稱為CD-ROM道。每個(gè)CD-ROM道一個(gè)單獨(dú)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(dāng)前狀態(tài)。,.,11,CD-R防盜版,將CD-ROM上所有文件的長(zhǎng)度寫(xiě)成好幾個(gè)GB，這樣，用標(biāo)準(zhǔn)的讀盤(pán)軟件將無(wú)法將文件拷到硬盤(pán)中，而文件的實(shí)際長(zhǎng)度在出版商提供的專用讀盤(pán)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(xiě)入一些錯(cuò)誤的ECC碼，預(yù)計(jì)一般的CD復(fù)制軟件將會(huì)自動(dòng)“修復(fù)”這些錯(cuò)誤，但光盤(pán)的應(yīng)用軟件卻自己對(duì)這些ECC碼進(jìn)行檢查，如果它們正確的話就停止執(zhí)行。,.,12,CD-RW存儲(chǔ)原理,可擦寫(xiě)光盤(pán)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(dòng)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(lái)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(lái)讀盤(pán)），但不會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)換。,.,13,DVD,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(pán)模，由激光二極管照射的凸區(qū)和凹區(qū)組成，通過(guò)光接收器讀入信息。,.,14,DVD和CD的差別,使用紅色激光（DVD激光的波長(zhǎng)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(chǔ)容量達(dá)到4.7GB。,.,15,DVD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）,.,16,DVD的四種標(biāo)準(zhǔn),雙層技術(shù)是在光盤(pán)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(lái)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(pán)的背面互相粘在一起就制成了一張雙面盤(pán)。,.,17,光盤(pán),存儲(chǔ)原理光電轉(zhuǎn)換編碼方式NRZ1存儲(chǔ)格式光盤(pán)的發(fā)展CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD,.,18,主存儲(chǔ)器技術(shù)的最新發(fā)展,DRAMEDRAMCDRAMSDRAMRambusDRAMRamlinkDRAM,.,19,EnhancedDRAM,在DRAM中增加一個(gè)SRAM組成的Cache存放剛剛被訪問(wèn)的單元的行的全部?jī)?nèi)容增加比較器，如果下次訪問(wèn)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。,.,20,EnhancedDRAM,.,21,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(chǔ)最新訪問(wèn)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(chǔ)器,.,22,SDRAM,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(wèn)命令后，SDRAM進(jìn)行響應(yīng)。經(jīng)過(guò)響應(yīng)時(shí)間后，SDRAM按系統(tǒng)時(shí)鐘輸出數(shù)據(jù)。,.,23,SDRAM,.,24,RambusDRAM,對(duì)主存帶寬進(jìn)行改進(jìn)，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(guò)480ns的初始化時(shí)間后，數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)500Mbps。,.,25,RamLink,用DRAM體組成環(huán)，在存儲(chǔ)控制器的控制下，共同響應(yīng)請(qǐng)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。,.,26,RamLink,.,27,不同層次的存儲(chǔ)器作用,存儲(chǔ)器組成（數(shù)字邏輯層）存放一位二進(jìn)制數(shù)0或1存儲(chǔ)器（指令系統(tǒng)層）存放可單獨(dú)訪問(wèn)的最小單元（字節(jié)、字、扇區(qū)）存儲(chǔ)器（操作系統(tǒng)層）段、頁(yè)管理存儲(chǔ)器（用戶層）文件,.,28,存儲(chǔ)器組成,主存儲(chǔ)器SRAM:觸發(fā)器的不同狀態(tài)DRAM:電容是否存儲(chǔ)電荷磁表面存儲(chǔ)器磁顆粒的偏轉(zhuǎn)方向（編碼規(guī)則）光盤(pán)凹區(qū)和凸區(qū)，反射光的強(qiáng)弱,.,29,存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)目標(biāo),高速度CPU對(duì)存儲(chǔ)器的要求越來(lái)越高大容量應(yīng)用對(duì)存儲(chǔ)器的要求高可靠性低價(jià)格,.,30,主存儲(chǔ)器,速度提高門(mén)電路的速度，采用并行技術(shù)容量增加單位面積的存儲(chǔ)單元可靠性存儲(chǔ)單元本身、糾錯(cuò)碼價(jià)格,.,31,磁盤(pán)和光盤(pán),提高速度：旋轉(zhuǎn)速度、接口速度、RAID大容量：存儲(chǔ)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(chǔ)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(shì)（1+1+13）SRAM-CacheDRAM-MainMemoryDisk-VirtualMemory,.,33,MEMORY,CACHECONTROL,CACHE的基本運(yùn)行原理,數(shù)據(jù)總線,譯碼選一單元,比較選一行,讀過(guò)程為例,地址總線,ADDRDATA,CACHE,CPU,.,34,Cache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(xiě)策略直接寫(xiě)、拖后寫(xiě)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(xiě)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(jiǎn)單化常常就是優(yōu)化,Associativity,CacheSize,BlockSize,Bad,Good,Less,More,FactorA,FactorB,.,37,虛擬存儲(chǔ)器,給程序員提供虛擬地址空間由操作系統(tǒng)對(duì)邏輯地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換段式管理、頁(yè)式管理和段頁(yè)式管理使用快表提高性能,.,38,段表內(nèi)容及其管理,段式存儲(chǔ)管理的核心問(wèn)題在于設(shè)