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1、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 liuwd,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。,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
2、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。,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
3、。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。,6,CD-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
4、放格式。 扇区构成一条从圆心向外的单向螺旋线。,7,CD-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,8,CD-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
5、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。,9,CD-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
6、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。,10,CD-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。,11,CD-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
7、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。,12,CD-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
8、不会导致状态转换。,13,DVD,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。,14,DVD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。,15,DVD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）,16,DVD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
9、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、DVD,18,主存储器技术的最新发展,DRAM EDRAM CDRAM SDRAM Rambus DRAM Ramlink DRAM,19,Enhanced 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Ca
10、che中读。 同时，刷新该行可以和读Cache并行，这也可以提高性能。,20,Enhanced DRAM,21,Cache 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,22,SDRAM,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。,23,SDRAM,24,Rambus 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，
11、数据传输带宽可达500Mbps。,25,RamLink,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。,26,RamLink,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
12、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,33,MEMORY,CACHE CONTROL,CACHE的基本运行原理,数据总线,译码选一单元,比
13、较选一行,读过程为例,地址总线,ADDR DATA,CACHE,CPU,34,Cache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,Associativity,Cache Size,Block Size,Bad,Good,Les
14、s,More,Factor A,Factor B,37,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单元的实际地址。,段号 段内地址,+,+,逻辑地址,段始地址 段长 装入位,段 表,主存实际地址,段表基地址,39,页表内容和页式管理,+,（在内存中）控制位 有效位,慢表,虚地址 (程序中给出),实地址 (读写内存用),按地址读,实页号,虚页号 页内地址,实页号 页内地址,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,
