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1、第四章多媒体硬件环境,在现有计算机系统中，要解决的首要问题是对各种媒体的数字化。图像、音频、视频信号只有以数字数据形式进入到计算机的存储器设备中，计算机软件才能够对它们进行有效处理。 完成这些工作的首先是各种硬件环境和设备，如：光存储、音频接口、视频接口、多媒体I/O设备和多媒体计算机等。,4.1 光存储设备,概述,文 本,动 画,图 形,影 像,声 音,4.1.1 光存储的类型,只读型光存储系统 只读型光盘包括LV和CD-ROM等。 CD-ROM（Compact Disc-Read Only Memory）只读式压缩光盘，其技术来源于激光唱盘，形状也类似于激光唱盘，能够存储650MB左右的数
2、据。 用户只能从CD-ROM读取信息，而不能往盘上写信息。其内容在光盘生成时就已经决定，而且不可改变。,4.1.1 光存储的类型,只读型光存储系统,只读型光驱,只读型光盘,4.1.1 光存储的类型,一次写型光存储系统 一次写（WORM：Write Once Read Many）光存储系统可一次写入，任意多次读出。 与CD-ROM相比，它具有由用户自己确定记录内容的优点。,一次写型光驱,一次写型光盘,4.1.1 光存储的类型,可重写型光存储系统 可重写光盘（E-R/W，Rewritable或Erasable）像硬盘一样可任意读写数据。 分为两种 磁光型（Magnetic Optical，简称MO
3、） 相变型（Phase Change，简称PC）,4.1.1 光存储的类型,可重写型光存储系统,磁光型可重写光驱,相变型可重写光驱与光盘,4.1.2 光存储系统的技术指标,尺寸 LV的直径为12英寸（300mm） CD激光唱盘和CD-ROM为4.72英寸（120mm） WORM一次写光盘为14.12英寸和5.25英寸 可擦写光盘向小尺寸方向发展，主要尺寸为5.25英寸和3.5英寸,4.1.2 光存储系统的技术指标,容量 格式化容量 格式化容量是指按某种光盘标准进行格式化后的容量。 对于SONY的SMO-D501光盘，若格式化使每个扇区为1024B，格式化容量是325MB，而采用每扇区为512B
4、，格式化容量只有297MB。,4.1.2 光存储系统的技术指标,容量 用户容量 用户容量是指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量。 CD-ROM的容量为550MB和680MB。由于光盘外圈5mm区容易出错，所以有些CD-ROM 的容量标为550MB。,4.1.2 光存储系统的技术指标,平均存取时间 平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始，到光盘驱动器在光盘上找到需读/写的信息的位置并接受读/写命令为止的一段时间。 把平均寻道时间、平均等待时间和读/写光学头稳定时间相加，就得到平均存取时间。 平均寻道时间是指光学头沿半径移动全程1/3长度所需的时间为平均寻道时间。,4.1.2 光存
5、储系统的技术指标,平均存取时间 平均等待时间盘片旋转半周的时间为平均等待时间。,4.1.2 光存储系统的技术指标,数据传输率 数据传输率 数据传输率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数。该数值与光盘转速和存储密度有关。CD-ROM，其数据传输率已从初期的150KB/s提高到6MB/s。 数据传输率也指控制器与主机之间的传输速率。它与接口规范和控制器内的缓冲器大小有关。 同步传输率、异步传输率和DMA传输率 SCSI接口的同步传输率为4MB/s，异步传输率为1.5MB/s。AT总线规定的DMA方式的传输率为1MB/s。,4.1.2 光存储系统的技术指标,数据传输率 突发传输率 光盘驱动器
6、或控制器中都包含有一个64K、256K或512K的缓冲存储器。为了提高数据传输率，读数据过程中先把数据存入缓冲器，再进行集中传送；如果下次读取同一内容，就不必从光盘上去读取，直接把缓冲器中的数据传送给主机就可以了，这种传输率称为突发传输率。,4.1.2 光存储系统的技术指标,数据传输率 持续传输率 当传送的数据量很大时，缓冲器就起不到提高传输率的作用了，这时的传输率称为持续传输率。,4.1.2 光存储系统的技术指标,误码率 采用复杂的纠错编码可以降低误码率。误码率对不同的多媒体要求不同，如存储数字或程序对误码率的要求高，存储图像或声音数据对误码率的要求较低。CD-ROM要求的误码率为10-12
7、10-16。 平均无故障时间 (MTBP) 要求达到25000小时。,4.1.3 光存储格式标准和类型,什么是CD-DA CD-DA（CD-Digital Audio）是为激光数字音频唱盘制定的规格。它是CD标准的第一个文本，属于红皮书（Red Book）规格。 什么是CD-ROM CD-ROM逻辑格式，1988年正式作为国际标准IS09660，黄皮书（Yellow Book）。 什么是CD-G CD-G（CD-Graphics）是1985年出现的遵循红皮书规格的光盘，主要用于存储静止画面。,4.1.3 光存储格式标准和类型,什么是CD-WORM CD-WORM（CD-Write Once R
8、ead Many）属于蓝皮书（Blue Book）规格，实现了光盘的一次写多次读的功能。 什么是CD-I CD-I（CD-Interactive）属于绿皮书（Green Book）规格。它在CD-ROM规格的基础上补充了音频、视频和计算机程序方面的规定。1988年出现了CD-I交互式光盘系统，1992年底出现了第二代CD-I，可播放互动式电影。,4.1.3 光存储格式标准和类型,什么是CD-V CD-V（CD-Video）与CD-G一样，是红皮书标准的延伸，用于影碟机，其视频信号可以输出到电视机上。 什么是CD-ROM XA（Extended Architecture） 它是Philips、S
9、ONY和Microsoft制定的CD-ROM扩展结构。 CD-ROM XA扩充了对数字音频信号的编码，目的是为了弥补推出CDI规格带来的问题。 该规格也称为黄皮书的第二组标准。,4.1.3 光存储格式标准和类型,什么是CD-R CD-R（CD-Recordable）属于橙皮书（Orange Book）规格。它在黄皮书的基础上增加了可写入的多种CD格式标准。 是一种可刻录光盘，可以多次在CD空余部分写入数据。 什么是Photo CD Photo CD是一种像片光盘，允许多段追入记录，属于白皮书（White Book）标准。 该规格也称为黄皮书的第二组标准。,4.1.3 光存储格式标准和类型,4.
10、1.4 CD-ROM光存储系统,光存贮原理 光反射,4.1.4 CD-ROM光存储系统,CD-ROM盘片的物理结构与数据存储,商标面,铝反射层,漆保护层,聚碳酸衬底,CD-ROM螺旋型光道,4.1.4 CD-ROM光存储系统,CD 盘的结构,15mm,46mm,50mm,116mm,117mm,120mm,数据记录区,导出区,导入区,CD-ROM数据存储与读出原理,00100001000100 100 00010010000010 000 10010001000010 001,00100001000100 00010010000010 10010001000010,10111010 11011
11、010 11100010,字节数据,字节数据,字节数据,4.1.4 CD-ROM光存储系统,光学读出头的基本结构与读出原理,4.1.4 CD-ROM光存储系统,通道编码： “1”：由凹凸或由凸凹，光线由强到弱或由弱到强的变化（散射）。 “0”：持续一定时间的光强无论是凹槽还是凸起 问题：连续出现“1”如何表示，例如，11110000 EFM（Eight-Fourteen Modulation： 使用改进的调频制（MFM：Modified Frequency Modulation）将8位数据变成14位的通道编码，8-14即EFM，即两个1之间必须间隔两个“0”，建立对照表。即28214共有163
12、84种，从中选出两个连续“1”之间有两个“0”的共有267种然后再选256种与8位的256种建立一一对应的关系，建立一张表。目前国际上用17位，而DVD用16位。以上操作叫光盘为处理。,4.1.4 CD-ROM光存储系统,光盘结构： 光道结构：（注：磁盘：同心圆柱、磁道、扇区）。 整个光盘由一根连续的载有凹槽和凸起的螺旋线式的光道，长达3英里（5km） 将连续的物理光道划分成若干逻辑光道（99） 扇区：按螺旋线等间距弧长划分，每个扇区的大小一样。 在光盘中要保证光头读取每个扇区的速度一样，则要保证每个扇区的线速度一样，但角速度要变。 寻址方式： 光盘用时间来寻址：1分=60秒，1秒=75扇区，
13、扇区是最小单位,4.1.4 CD-ROM光存储系统,扇区光道从内向外等长分段，一段为一个扇区 采用分、秒、扇区号表示1分60秒， 1秒75个扇区例：2分13秒25区光道上第10000个扇区采用ISO 9660标准扇区格式Mode1：对误码率要求高的数据Mode2：误码率要求不高的数据CD-ROM XA：可读取CD-I格式数据,4.1.4 CD-ROM光存储系统,CD-ROM驱动器的系统方框图,4.1.4 CD-ROM光存储系统,光头： 光头（optical pickup）是CD-ROM驱动器的关键部件。 聚焦伺服： 为使激光束的聚点落在光盘的信息面上，CD-ROM驱动器采用自动聚焦伺服系统来实
14、现。 EFM解调： 从聚焦伺服系统输出的数据信号是经过EFM调制后的信号，EFM解调过程是EFM调制过程的逆过程。,4.1.4 CD-ROM光存储系统,道跟踪伺服： 为了确保聚焦光束能沿着道间距为16um、凹坑宽为0.5um左右的螺旋形光道正确读出信息，CD-ROM采用径向光道跟踪技术，以克服光盘可能多达300um的偏心，使道跟踪精度达到0.1um。聚焦伺服： CLV伺服： 由于CD-ROM盘要以恒定线速度（CLV）旋转，这就意味着，驱动光盘旋转的驱动马达的速度要随光头所处的位置而变化。,4.1.5 CD-R光存储系统,CD-R盘片的物理层次 CD-R光盘将反射用的铝层改用24K黄金层（也可以
15、是纯银材料），另外再加上有机染料层和预置的轨道凹槽。,4.1.5 CD-R光存储系统,CD-R的刻录和读取原理 CD-R刻录是将刻录光驱的写激光聚焦后，通过CD-R空白盘的聚碳酸脂（polycarbonate）层照射到有机染料（通常是箐蓝或酞箐蓝染料）的表面上，激光照射时产生的热量将有机染料烧熔，并使其变成光痕（mark）。 当CD-ROM驱动器读取CD-R盘上的信息时，激光将透过聚碳酸脂和有机染料层照射镀金层的表面，并反射到CD-ROM的光电二极管检测器上。光痕会改变激光的反射率，CD-ROM驱动器根据反射回来的光线的强弱来分辨数据0和1。,4.1.6 磁光MO存储系统,磁光盘是利用（激）光
16、和磁进行数据读、写和擦除的一种光存储系统。 数据记录时使用激光和磁场； 读取时仅用激光； 激光和磁场分别位于盘片的两面。 磁光盘的物理层次 磁光盘片用树脂做基盘，其上集积了保护层（氮化硅）、记录层（铽、铁钴合金）和反射层（铝合金）而构成。,4.1.6 磁光MO存储系统,磁光存储系统擦写原理 写入数据：利用凸透镜进行聚焦，将高功率激光以极小的光点照射在磁光盘记录层上，在其表面温度上升到约300的居里点时，用外部磁场改变其原磁化方向。然后中止激光光束让记录层冷却，形成不受外磁场影响的牢固记录层。 数据重写：需经过“擦”和“写”两步，先利用中功率激光照射介质段区中的所有数据，使段区中的数据点都沿著与介质表面垂直的方向均匀磁化，即通过写入“0”来抹去原有数据。然后再根据要求用高功率激光在“0”位置写入数据“1”，这样就完成了数据的重写。,4.1.6 磁光MO存储系统,磁光存储系统读原理 数据的读取是利用低功率激光探测盘片表面，通过分析反射回来的偏振光的偏振面方向是顺时针或是逆时针，来决定读取的数据是“1”还是“0”。,
