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1、光存储原理 在光存储技术中，利用光盘上的凹坑或变性来保存数据，用带激光头的光驱来读写数据。光盘用带金属 反射层的塑料聚合物制成，轻便又结实，而且防磁、防水和防摔。为了充分利用盘面空间，光盘采用了螺旋线光道和恒定线速度电机，这与采用同心环磁道和恒定角速度电 机的普通磁盘有着很大的不同。为了能正确并有效地读取光盘中的数据，在光盘的数据存储上，采用了位调制型通道编码和错误检测与 校正技术。只读型光盘采用母盘压制的方法来进行批量生产；一次性刻录盘（土R）和可反复擦写盘（土RW）则采用 激光加热相变的方法，来改变介质的光反射率，达到擦写数据的目的。CD、DVD和BD与HD DVD等光盘，都采用了同样的光
2、存储原理，只是它们所用的激光波长不同，在具体 的参数和技术细节上也有所差别。2.1光盘工作原理CD、DVD、HD DVD和BD等光盘（Optical disc），都采用了类似的盘片与光道结构，以及数据表示与读写 方法。l 盘片结构与读取（只读）光盘主要由保护层、反射激光的（铝、银、金等）金属反射层、刻槽层和（聚碳酸脂）塑料基衬 垫组成。光盘的外径一般为120毫米（4.75英寸）（也有80毫米即3.15英寸外径的小型盘片）、内径15毫米、 厚1.2毫米，重量为14克18克。CD-DA （激光唱盘）分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区，如光盘在驱动马达的带动下高速旋转，光头发射的激光束经透明的
3、塑料基后被金属反射层反射，反射的光经 棱镜分光后被光头所接收。存储的数据用光盘刻槽层上的凹坑（pit）和岸台（land）表示，光驱利用坑台 交界处反射光强的突变来读取数据。l光道结构光盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同：磁盘存放数据的磁道是多个同心环，而光盘的光道则是一条螺旋 线（CD盘的光道长度大约为5公里。磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV （Constant Angular Velocity，恒定角速度）表示。但在不同 的磁道上，磁头相对于磁道的速度（称为线速度）是不同的。采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于 随机存取。但由于内外磁道的记录密度（比特/每英寸）不相同，外磁道的记录
4、密度低，内磁道的记录密度高, 外磁道的存储空间就没有得到充分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。光盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就是光头相对于盘片运动的线速度 是恒定的，通常用CLV（Constant Linear Velocity，恒定线速度）表示。由于采用了恒定线速度，所以内 外光道的记录密度（比特数/每英寸）可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储 容量。但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂（从CAV到CLV，业界花了 30多年的时间才得以实现）。l数据的表示和读写1. 数据表示磁盘利用磁铁的两个极性（南极和北极）来记录“ 1”和
5、“0”这种二进制数据，使用磁头来读取数据。光盘 则是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑的边缘来记录“1”、而用凹坑和岸台的平坦部分记录 “0”，使用激光来读出。附注：除了普通的光盘外，还有磁光盘（Magneto Optical Disc, MOD）和相变光盘（Phase Change Disc, PCD）， 它们记录和读写数据的方式与普通光盘不同。MOD利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据；PCD则 是利用一些特殊的材料，这些材料在激光加热前后的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“ 1”和“0”。使用磁盘驱动器时，既可以把数据写入到盘上，又可以从盘上读出数据；磁光盘和相变光盘也同
6、样具有写 入和读出两个功能，而且可以在同一台驱动器上完成。可是只读光盘，则只能读光盘上的数据，而不能自 己把数据写到光盘上。当然，我们也可以利用光盘刻录机和-R/RW型光盘来一次性写入/反复擦写数据。2数据写入只读型光盘(如CD-DA、CD-ROM、DVD-Video、DVD-ROM等)上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压 模是用原版的主盘(master disc)制成的。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通 过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化 学处理后就形成凹坑
7、，没有曝光的地方保持原样，二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化 学处理后的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘(mother disc),然后用母盘制作压模，再用压 模去大批量复制。成千上万的CD盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜(一般一张盘的生产成本才 几角钱，当然版权费除外)。对刻录盘的数据读写原理，将在后面的18.2.5中介绍。3数据读出光盘上的数据要用光驱来阅读。光驱由光学读出头、光学读出头驱动机构、光盘驱动机构、控制线路以及 处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。光学读出头是光盘系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成，它 的
8、结构如图18-15所示。激光器(一般采用激光二极管)发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光 盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电二极管检测器，由其把光信号 变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。光盘上压制了许多凹坑，激光束在跨越凹坑的边缘时，反射的光的强度有突变，光盘就是利用这个极其简 单的原理来区分“ 1”和“0”的。凹坑的边缘代表“ 1”，凹坑和岸台的平坦部分代表“0”，一定长度的 凹坑和岸台都代表着若干个“ 0”。从图中可以看到，光驱在工作时，光学读出头与盘之间是不接触的，因此不必担心光头和盘之间的磨损问 题。但是光盘与光头之间的缝隙是
9、有要求的，如果盘面不平和倾斜，轻者会导致数据读取错误，重者会损 坏光头。l双面和多层CD是单层单面的，为了提高存储容量，除了缩短激光波长，增加盘面的数据密度外，DVD (双层)、 HD DVD (三层)和BD (8层)光盘都采用了双面和多层技术。使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加光盘的容量。 在IBM工作的科学家，于1994年就声称他们能够制作10层的盘片。为了从最里面的记录层反射回足够强 的光，可采用一种称为CLC(cholesteric liquid crystal胆甾型液晶)的记录媒体。常规的CD盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息。D
10、VD光盘率先采用了单面双层、双面单层和双面双层的光盘结构。单面双层光盘的结构如图18-18所 示，其(数据面)表层称为第0层，里层称为第1层。第0层采用了一种新型半透明(semi-transmissive) 薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。当从 第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲 存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。单面单层DVD盘的容量为4.7 GB (DVD-5)、单面双层DVD盘的容量为8.5 GB (DVD-9)、双面单层 DVD盘的容量为9.4GB
11、(DVD-10)、而双面双层DVD盘的容量可达到17 GB (DVD-18)。不过由于制作成 本和使用不便等原因，市面上很少有双面的DVD盘销售，而DVD-18盘则更是从未被生产过。l光盘转速由于光驱采用机械式旋转方法来读取光盘中的数据，而当盘片的转速超过10000转/分时，过度的抖动会 影响读盘的正确性，所以每分钟1万转成为光盘的转速上限。参见表18-9。速度与速率CDDVDHD DVDBD单倍线速度1.2-1.4m/s3.5m/s5.6-6.1m/s4.6-5.3m/s数据率0.15MB/s L.385MB/s4.569MB/s4.5 MB/s表19光盘的转速和速率最高倍速52x16x8x
12、12x数据率7.8MB/s22.16MB/s36.55MB/s54MB/s2.2只读光盘制作各种只读光盘(如CD-DA、VCD、CD-ROM, DVD、DVD-Audio、DVD-ROM等)的制作过程都相同，大致分成如 下三个阶段。1原版盘预制作原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。对于音乐盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA 或DVD-Audio格式；而对于视频盘，把影视节目转换成VCD/DVD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。 具体的格式在彩皮书和Book AC中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件， 或者称为编码器(Encoder
13、)。2 原版盘制作原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。原版盘制作包括：(1) 把符合音视频光盘标准格式的数据经过一个EFM或EFM+编码器变成串行数据流，也就是前面介绍过的 8到14调制，意思是把一个8比特的数据变成14比特的数据，再附加3或2比特用来分隔，以改善读/写 信号的质量，这样8比特的并行数据就转换成物理通道上的17或16比特串行数据。(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。参看图18-19，激光源发出的激光束通过激光 调制器时受到串行数据的控制，例如，数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让 激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃
14、盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。激光调制器犹如一 个开关。(3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来, “0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母 盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。3 .大批量复制只读光盘的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热 之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却
15、的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出 数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。对于多层只读光盘(如DVD-9和多层BD、HD DVD等)，还要添加各层之间的粘贴步骤。除了只能读不能写的只读型-ROM (Read-Only Memory，只读存储器)光盘外，还有可写一次 -R(Recordable，可记录)与反复擦写-RW (Rewritable，可重写)的光盘。它们除了可以被读取之外，还都 能够写入数据。CD-R/DVD土R与CD-RW/DVD土RW之间的差别是：土R只能写一次，不能擦掉后重写；而土RW则可以反 复擦写。其实在土R与土RW出现之前，已经有另一种可擦写光盘技术问世，它
16、就是CD-MO,类似的技术还 有DVD-RAM，BD也有磁光盘。CD光盘技术的橙皮书(Orange Book)标准定义了具有多段(multisession)刻写能力的可记录光盘 CD-Recordable。其第一部分定义了可重写的磁光盘CD-MO (Magneto Optical)、第二部分定义了写一次的 光盘CD-WO(Write Once)(现在一般改称为CD-R)、第三部分则定义了可重写光盘CD-RW (Rewritable) o DVD的可写入光盘也有类似的分类，只是与CD-MO对应的是DVD-RAMo这三种光盘的记录原理与普通光盘是不一样的。磁光盘(magneto optical disc，MOD)借助激光的精 确定位与局部加热，利
