（计算机系统结构专业论文）光盘驱动器产线性能测试程序的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 通过分析研究c d v c d d v d 光盘的物理、逻辑格式、文件系统，光盘的a t a p i 接口协议，设计了一个基于d o s 平台的、用于台湾唯冠集团光驱产线的测试程序， 实现了对其基本性能进行快速准确测试的要求。 当前流行的光盘驱动器测试软件如n e r o 、c d w i r d 3 e n c h 等都是在w i n d o w s 环境下的测试软件，不适合于实际生产流水线的简单快速澳4 试要求。此次开发的功能 测试程序使用a t a p i 传输协议分别在p i o 和d m a 模式下对各个厂家的光盘驱动器的 基本性能进行检测，实现起来非常方便。 在系统的设计上，将整个软件分为两大模块：第一模块是对光盘驱动器控制的接 口程序的编写。该模块的主要功能是实现对光盘驱动器的控制工作，初步实现程序控 制光盘的初始化、出仓、进仓、播放c d 、刻录光盘等；实现对光驱读数据和写数据 的速度测定的功能；实现光驱的1 3 寻道和全寻道时间的检测。第二模块是主控界面 模块，该模块主要实现对整个测试过程的控制。不仅给用户提供图形界面，还可以让 用户根据自己需要设定待测光驱、待测项目、待测项目间测试时间间隔等。还同时具 有保存用户的测试配置文件、显示测试的结果并和标准进行比较的功能。在第一模块 中使用汇编语言，以直接对硬件进行控制和测试，使测试的精度提高。第二模块是用 于设计界面、控制工作流程和文件存取的，使用b o r l a n dc + + 3 0 作为开发工具。 测试结果表明，系统成功地实现了实际产线要求的各个功能的快速、准确测定， 并可以对市面上9 8 的光驱进行测试，是一个界面友好，性能稳定，使用方便的系统。 关键词：光驸眭能测试，高技术互连包接口协议，小型计算机系统接口 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ep h y s i c a lf o r m a t ，l o g i cf o r m a t ，f i l es y s t e ma n d a t a p ii n t e r f a c ep r o t o c o lo ft h ec d v c d d v dd i s c ，d i s cd r i v ep e r f o r m a n c et e s tp r o g r a m f o rp r e v i e w g r o u pl t d p r o d u c tl i n eb a s e do nd o s h a db e e nd e s i g n e d ，t h ed e m a n d st ot e s t t h ed i s cd r i v e r sh a db e e ni m p l e m e n t e df a s t w e l la n d t r u l y c o m m e r c i a lt e s ts o i l - w a r es u c ha sn e r o c d w i n b e n c hw a sb a s e do nw i n d o w sa n d c o u l d n o ts a t i s f i e dt h en e e d so f p r o d u c tl i n e so ns i m p l e n e s sa n ds p e e d i n e s s t h i sp r o g r a m w a su s e dt ot e s tt h eb a s i cp e r f o r m a n c eo f d i s cd r i v e r si np i o & d m a m o d eb a s e do na t a p i t r a n s p o r tp r o t o c o la n di m p l e m e n t e de a s i l y t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e dt w om o d d e s ：t h ef i r s tm o d u l ew a sd i s cd r i v e ri n t e r f a c e p r o g r a ma n d i t sf u n c t i o nw a st oc o n t r o lt h ed r i v e rt o i m p l e m e n tt h e 、v o r k s s u c ha s i n i t i a l ，t r a yi n o u t ，p l a ya u d i o ，w r i t ed i s ca n d t e s tr e a dr a t e & w r i t er a t ea n di 3s e e kt i m ea n d f u l ls e e kt i m e t h es e c o n dm o d u l ew a st h ef l r m w a r et oc o n t r o lt h et e s tp r o c e s s i tp r o v i d e d t h eg u la n d r e s u l t s s t o r e & c o m p a r ef i m c t i o na n du s e rc a ns e tt h et e s td r i v e r , t e s ti t e m sa n d i n t e r v a l s d e v e l o p m e n tt o o l sa r em a s m a n db o r l a n dc 抖3 0 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss y s t e mw a ss u i t e dt o9 8 d i s cd r i v e r so n m a r k e t i tw a s f r i e n d l y , s t a b l ya n dc o n v e n i e n t l y , s o t e s tp r o c e s sx v a sf a s ta n d t r u l y k e y w o r d s ：d i s cd r i v e rp e r f o r m a n c e t e s t ，a t a p ip r o t o c o l ，s c s ii n t e r f a c e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：可乡2 日期：弦哆年r 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：j 乡 日期：舻u 年r 月f 日 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 本章在介绍c d 、v c d 、d v d 等光盘驱动器产业发展的基础上，针对光驱设计验 证及测试的业界规范，提出了将a t a p i 接口协议运用在实际产线中开发光驱性能测试 软件的方法，在对比其他商业测试软件特点的基础上，提出了本课题的研究目的与意 义，并介绍了本文的主要内容。 1 1 光盘驱动器产业的发展趋势 现代数字化光学存储设备从c d ( c q m p a c td i s k ，致密光盘) 开始，c d r o m 早己是 计算机的标准配置，d v d ( d i g i t a l v e r s a t i l e d i s c ，数字通用光盘) 的使用也日益广泛。它 们都使用光盘作为信息存储的媒体，信息以数字化形式保存在光盘上。光盘的容量 大、耐用性好、交互性好。早在2 0 世纪7 0 年代初，荷兰p h i l i p s 公司的研究人员便开 始使用激光束来记录和存放信息。1 9 7 2 年9 月，p h i l i p s 公司向国际新闻界展示了第一 张激光视盘和光盘系统l v ( l a s e rv i s i o n ，激光视觉) ，第一次实现了信息存储技术【2 】 由磁记录方式向光记录形式的转变，进而造就了一个新兴的产业c d r o m 生产制 造业。最近几年，c d 光盘存储器的技术发展很快，性能也大幅度地提高。c d 产品的主 要品种是c d r o m ，c d 光盘的另一个品种是c d r p l ( 可录式c d 光盘) ，信息写入之 后不可改写，所使用的盘片的几何尺寸、信息记录的物理格式和逻辑格式与c d r o m 一样，因而可在一般的c d r o m 驱动器上读出信息，数据可以分多次向盘上写入。同激 光唱片( c d - d a ) 4 1 和激光唱机一样，消费类市场是c d r o m 应用的一个重要方面。从 c d r o m 技术诞生起，它就是各大公司激烈竞争的领域。目前最有代表性的产品有三 类：c d i ( 交互式光盘) p j 、p h o t oc d 、v i d e oc d 。 c d i 以家用电视机为终端，把一台专用的c d 播放机与之联接，可播放c d 唱片、 数字影视、卡拉o k 、c d 照片以及各种数字、游戏节目、用户通过一个遥控器可对各 种节目内容进行交互式控制。 p h o t oc d 是c d r o m 技术在摄影领域的应用。k o d a k 公司将传统的冲洗技术与 数字图像处理、数字显示相结合，使照相技术进行了一次革命。拍摄后的胶卷经冲洗成 负片之后，在工作站上使用彩色扫描仪输入计算机，经过压缩处理之后，使用c d r 刻盘 华中科技大学硕士学位论文 机把它们写入c d 光盘中。一张光盘可“冲洗”约1 0 0 张照片，还可以配以文字说明、 音乐及语言解说。可以使用专用的播放机配电视机迸行显示，亦可利用c d i 播放机播 放。 v c d ( v i d e o c o m p a c td i s c ，视频高密光盘) 是j v c 、p h i l i p s 、m a t s u s h i t a 和s o n y 联合制订的数字电视视盘的技术规格 “，它规定一片v c d 光盘可存放7 4 分钟的电 视节目，图像质量达到家用放像机v h s ( v i d e oh o m es y s t e m ，家庭录像系统) 水准，声音 质量相当于c d d a 的水平。v c d 盘上的视频和音频信号采用国际标准m p e g l 进行 压缩编码，它们按规定的格式交错地存放在c d 盘上，播放时需对它进行实时解压缩处 理。 d v d 主要分为d v d a u d i o p j 、d v d v i d e o 、d v d r o m 、d v d r ，它采用m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p 运动图像专家组) 标准 i 0 - u ，把分辨率更高的图像和伴 音经压缩编码后存储在高密度光盘上，每张光盘可存放2 小时以上的高清晰度的影视 节目。它的盘片尺寸和c d r o m 相同，但是要比c d 具有更大的数据存储量，d v d 是新 一代的图象和信息的记录媒体。以1 2 0 m m 的d v d r o m 盘片为例，单面单层的存储容 量就可达4 ，7 g b ( 1 3 5 分钟的高质量视频) ，双面单层存储9 4 g b ，单面双层存储 8 4 g b ( 2 4 4 分钟的高质量视频) ，双面双层存储1 6 8 g b 。因为其数据存储量的扩大，就可 以采用更先进的m p e g 解压缩标准，这使得画质解析度清晰得多，可以轻易达到5 0 0 线1 0 0 0 线【1 2 】，它的c a c h e 命中率就越高。另外，它采用杜比数字a c 3 1 3 1 用户标准，5 1 声道记录音质优美的伴音。尽管目前d v d 光驱价格仍然高于c d ，但是，由于d v d 的 诸多性能指标均优于c d ，所以在整个光驱市场不断发展的情况下，c d 光驱的销售份额 会逐渐减少，而让位给大有潜力的d v d 光盘和光盘驱动器。 1 2 课题背景与技术要求 任何产品在出厂前都需要经过严格的检验，电子产品也是如此。光盘驱动器产品 在出厂的也要经过各种严格的测试。根据业界规范，光驱在出厂之前需进行光碟机设 计验证及测试 1 4 t 5 ，内容主要包括：可靠度测试，相容性测试和w h q lf w i n d o w s h a r d w a r eq u a l i t yl a b s ，微软硬件品质实验室) 测试。 1 2 1 可靠度测试 可靠度测试主要目的是希望在设计阶段就能够将产品可能发生的问题发掘出来： 华中科技大学硕士学位论文 测试标准是根据“国际安全运输协会”( i s t a ) 所定义的p r o j e c t2 a 中的各项标准， 此标准适用于1 0 0 磅以下的产品外销运输。 测试项目包括： 1 ) 震动测试( v i b r a t i o nt e s t ) ； 2 ) 冲击测试( s h o c kt e s t ) ； 3 ) 落下试验( d r o p t e s t ) ； 4 ) 寿命试验( l i f et e s t ) ； 5 ) 动态温湿循环： 6 ) 静态温湿循环； 7 ) 高温存储试验； 8 ) 低温存储试验。 1 2 2 相容性测试 相容性测试目的是为了确保产品和其他周边设备、软件等有最佳的相容性，并且 在功能、效能等方面都能符合产品开发时所设定的水准。主要是依据业界的一般水准 及产品开发时对该产品所制定的各项标准作为测试依据。 测试项目包括： 1 ) 硬件相容测试； 2 ) 操作系统相容测试： 3 ) 一般功能测试： 4 ) 效能测试； 5 ) a b e x 片测试； 6 ) 读片能力测试： 7 ) 刻录测试； 8 ) 7 2 小时烧机试验； 9 ) 特殊操作测试。 其中操作系统相容测试是指光驱在w i n 9 8 、w i n m e 、w i n 2 0 0 0 、w i n x p 、 r e d h a t8 0 等常用的操作系统上运行的能力。一般功能测试主要包括a u d i o p l a y ，v o l u m ea a j u s t ，t r a yi n o u t ，j u m p e rs e l e c t ，l i n eo u t 等各项基本功能。效能测试是确 保产品能符合设计所期望的功能。测试程序主要采用c ds p e e d 9 9 、c dw i n b e n c h9 9 华中科技大学硕士学位论文 及公司内部自行开发的测试程序，测试项目有t r a n s f e rr a t e 、s e e k t i m e 、c p uu s a g e 、 d a e q u a l i t y 等。测试碟片包括资料片、音乐片、v c d 、m o d e 2f o r m l 等碟片。读片 能力测试的目的是为了确保产品能够正常读取市面上大部分的碟片，测试采用c d s p e e d 9 9 。刻录测试的测试方式是在各种操作系统下刻录各种格式的内容，被记录下 刻录所花费的时间。刻录出碟片，需验证是否正确，如资料片可用对比资料的方式、 音乐片则可直接播放试听，测试c d r w 时需加测e r a s e 及u d f 的测试。烧机测试是 为了测试产品与p c 连接并长时间操作时，是否有问题发生。测试方式：将光驱与p c 连接，放入c dw i n b e n c h 9 92 0 的碟片，然后执行c dw i n b e n c h 9 92 0 的d e m o m o d e ，连续执行7 2 小畴，期间留意是否有异常及死机现象发生。 1 2 3w h q l 测试 w h q l 原本是美国微软的一个实验室，该实验室专门负责市面上的p c 外设与微 软操作系统问的相容性；但微软渐渐将它发展成一个认证，并对通过该认证的硬件产 品给与使用微软l o g o 的资格。久而久之此项认证就成为硬件产品一项必备的认证。 此认证以操作系统作为区分，也就是说可以单独认证莱个操作系统，但微软目前只接 受w i nx p ，w i n 2 0 0 0 ，w i n v i e 此三个操作系统的认证，w i n 9 8 ，w i n n t 已经停止认证。 w h q l 测试方法很简单，首先是要先取得微软的测试光盘，该光盘可以在微软的网站 上自由下载，每个操作系统都有其对应的测试软件。下载完后直接安装就可以对指定 的产品进行测试，测试完成后会产生记录档，将该档案依微软指定的方式上传即可。 可靠性测试主要是物理测试，不需要专门的测试软件，w h q l 测试由微软提供认 证软件，只有相容性测试需要专业的测试软件，但目前并没有组织或其他单位有对光 驱产品制定具体的测试方式和标准，各个生产厂商主要都是依据业界一般的水准和产 品丌发时对该产品所制定的各项标准。 华中科技大学外存储实验室与台湾唯冠集团有限公司合作成立了联合研究中 心，为支持生产厂商对大批量的光盘驱动器产品进行快速性能测试的要求，我们为其 丌发了d o s 下的产品质量测试软件，它能够涵盖需使用测试软件的相容性测试的第 3 、4 、6 、7 、8 项，从而可以反映出光驱性能的主要方面。 1 3 与商用软件的比较 目前，商业化的光驱测试软件主要有c ds p e e d i ”1 、c dw i n l 3 e n c h m 、n e r o 系 4 华中科技大学硕士学位论文 列和光碟工坊等。下面以c dw i n b e n c h 为例介绍一下商用软件与我们本次设计软件 的区别。 1 3 1c dw i n b e n c h 介绍 c dw i n b e n c h9 9 的测试是完全3 2 位的，在w i n d o w s9 x 和w i n d o w sn t 系统下运 行，用于衡量w i n d o w s 环境下c d r o m 子系统性能。c d w i r d 3 e n c h9 9 的测试主要测 试项目为：c di n s p e c t i o nt e s t 和c d r o mw i n m a r k9 9 两项，其中c di n s p e c t i o nt e s t 可以用任何有数据的c d r o m 盘片来进行测试，包括传输率、寻道时间和c p u 占用 率三项目测试，测试会给出c d r o m 读盘性能方面的数据。 传输率( t r a n sr a t e ) 得分反映了c d r o m 子系统在从c d 。r o m 上读取数据块时 的数据吞吐量，内圈( i n s i d e ) 和外圈( o u t s i d e ) 分别表示在读光盘内圈和外圈时的 传输率。c d w i n b e n c h 9 9 中传输率测试使用了图形来表示。 寻道时问( a c c e s st i m e ) 单位是m s ，表示c d r o m 驱动器从整个光盘上随机读 取数据块时的性能，越小表明c d r o m 驱动器越敏捷。 c p u 占用率( c p u u t i l i z a t i o n ) 得分是c d r o m 子系统在读取数据时所占用c p u 带宽的百分比，测试中c dw i n b e n c h9 9 使用的缺省块长度为8 k 字节，缺省传输速率 为1 2 0 0 k 字节秒，这个分值也是越小越好，表明光驱工作时给c p u 造成负担越小。 c d ，r o mw i n m a r k 是c d r o m 予系统综合性能评分，分值单位是t h o u s a n d b y t e s ，更易于比较。测试方法是用c d r o m 进行一系列的回放操作，回放操作的数 据是预先记录的些应用程序文件和读盘动作，测试所使用到的应用软件都是从销量 非常大的c d r o m 软件中筛选出来的。根据测试c d r o m 完成这一系列典型的读盘 操作所花费的时间计算出c d - r o mw i n m a r k 得分。测试设置说明如下： 1 ) c d r o md r i v e ：当电脑上有不止一台c d r o m ( 或有虚拟的c d r o m ) 时 这个选项用于选择用于测试的c d r o m 驱动器号。 2 ) e r r o r h a n d i n g ：选择测试出现错误时的处理方法，上面一项可以填写重试的次 数，下面的两个单选项用于选择重试失败的处理方法，忽略错误继续后面的测试或停 止测试先生测试错误信息。 3 ) c p uu t i l i z a t i o nt e s t ：c p u 占用率测试的测试环境选择，第一行是测试最大传 输率时的c p u 占用率，选择第二行允许自定义在多大传输率下测试，默认值是1 2 0 0 t h o u s a n db y t e s s 。 华中科技大学硕士学位论文 4 ) r e a dd a t ai n ：这一项是测试时读取数据块的长度，默认值是8 k b 。改变这两 项数据对测试结果会有影响，可以根据需要选择测试的环境。 5 ) t r a n s f e rr a t et e s t ：传输速率测试选项，第一项可以选择将传输率曲线图形保 持为b m p 文件，并可指定保持路径和文件名称；第二项可以选择将测试过程中的每一 个数据记录下来，保持到一个文件中，测试完后可以分析这些数据，其保持路径和文 件名称也是可由任意指定。 1 3 2 本软件的实用优势 c dw i n b e n c h9 9 在w i n d o w s9 x 和w i n d o w sn t 系统下运行，用于衡量w i n d o w s 环境下c d r o m 子系统性能，对测试用的主机的配置有一定要求，是一款光盘驱动 器的接体性能测试软件，其设计的主要目的是针对单个光驱的性能进行测试，因此其 测试的项目比本软件多，测试的精度要高。 本项目开发的是一款光盘驱动器性能快速自动检测软件，设计的主要目的是对批 量光驱的基本功能测试，其特点就是突出快速和自动。本项目是在d o s 下开发的， 对主机配置要求低且测试方便。生产线上是使用p c 机对光盘驱动器产品进行测试的， 普通的p c 机主板有两个i d e 接口，每个i d e 接口可以挂接主、从两个i d e 设备。若 操作系统装在硬盘上，则一台p c 机最多可以同时测试三台光盘驱动器，若使用d o s 操作系统且用光盘启动机器，则可以同时测试四台光盘驱动器。d o s 系统启动很快， 所以每轮测试时等待系统启动的时间较短，这也是本测试软件的优点。 1 4 软件的具体技术要求 我们希望本次设计的软件可以实现的功能包括： 1 ) 测试员级 ( 1 ) 如果计算机上安装有两个或两个以上光驱，应能选择其中一个： ( 2 ) 可按测试工程师选择的测试项目进行单循环测试； ( 3 ) 可按测试工程师选择的测试项目进行多循环测试，循环次数和时间间隔可 按要求设置，并可设置当总失效次数达到某一值时停止测试； ( 4 ) 当多循环测试结束后，可选择是否保存测试结果； ( 5 ) 可进行音频测试，并能选择左右声道； ( 6 ) 可进行连续开关仓门测试，次数和时间间隔可按要求设置： 华中科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 可对c d r w 盘片进行写测试( 建议流程为：f o r m a t 、w r i t e 、c o m p a r e 、 e r a s e 、o p e nd o o r ) ； ( 8 ) 可进行读纠错测试( 检测c l 、c 2 、c u 错、统计次数) 。 2 ) 测试工程师级 ( i ) 可选择测试项目，但必须包含初始化测试； ( 2 ) 可设置1 3s e e k 、f u l ls e e k 测试的起止点、重复次数、合格参数； ( 3 ) 可设置r e a dr a t e 测试的起止点、合格参数等； ( 4 ) 可选择是否记忆光驱型号和f i r m w a r e 版本号。 1 5 课题研究的目的和意义 目前，市场上的光盘驱动器产品种类繁多，使用本课题开发的测试软件所提供的 测试项目可以为用户选择高品质的光盘驱动器产品提供参考依据。本课题所开发的软 件体积很小，只有2 0 0 k b ，但功能却很强大。用户可将该软件安装到一张d o s 启动 盘中，使用该d o s 启动盘启动电脑后再运行该软件就可以对被检测的光盘驱动器来 做个评测。很多同类型的测试软件都是在w i n d o w s 下使用的，本软件在不需要安 装w i n d o w s 情况下，能使用户方便快捷的对光盘驱动器进行测试。 本软件开发的意义不只局限于普通的评测软件，大多数硬件产品制造厂都有自己 的产品测试软件。该光盘驱动器性能自动检测软件的开发，为用户厂家对自己的光盘 驱动器产品的测试，提供了强大的技术支持，填补了该项空白。同时，该软件的开发 既要求开发人员掌握一定的硬件知识，也要求开发人员具有一定的软件开发能力，对 于本丌发小组也是难得的实践机会和挑战。 华中科技大学硕士学位论文 2 光盘技术分析 本章主要介绍c d v c d d v d 光盘的格式及a t a p i 接口协议，并详细分析了 a t a p i 命令块寄存器和控制块寄存器各个标志位的意义。 2 1 光盘的记录格式 2 1 1c d 光盘的格式 1 ) c d 光盘的结构 光盘是记录音频信号的光盘，在光盘上以细长的坑排列成螺旋线形，从内圆一圈 一圈的延伸到外圆。无论是c d r 还是c d r w 盘片，它们的外观尺寸，厚度和c d r o m 是一样的，数据记录格式也是兼容的，都可以在c d r o m 光驱上读取。因此，有必 要先了解c d r o m 的记录格式1 8 】。就像一本书的结构分目录、内存和书末空白页一 样，c d 盘片上按其存放的性质不同，分为导入区( l e a d l n ) 、节目区( p r o g r a m ，又称数 据区) 和导出区( l e a do u t ) 三个区域，这三个区域分别位于光盘的内侧、中部和外侧。 在导入区，记录着目录表t o c ( t a b l eo f c o n t a n t s ) ，在t o c 中，记录着这张盘上一共 有几首节目( 歌曲) ，开始的节目号、最后的节目号、各节目开始的绝对地址( 即各节目 丌始的绝对时间) 以及导引区开始的绝对时间。当c d 制作完成时，t o c 的内容就固 定下来了。在导出区，记录着盘上信息已读完的结束标志。用户数据记录在用户数据 区中的信息光道上，所有含有数字数据的信息光道都要用扇区( s e c t o r ) 来构造。c d 中的节目区对音乐的存放是段连续光道，而磁盘对文件的存储可以是连续的，也可 以是随机的，因而光盘对文件( 节目) 定位比磁盘定位简单，在节目区，存放着各个节 目，c d 中规定，最多允许9 9 个节目，实际存放的节目一般比9 9 个少许多。每个节 目的长短可不一样，般一个节目为一首歌曲。在录制节目时，伴随着音乐数据，记 录着节目在信息纹上的位置信息( 相当于书中某节内容所在的页号) ，这些位置信息是 用“分、秒、帧”表示的。 2 ) c d 盘片上记录信息的单位块和帧 每一节目是由若干可寻址的块( 或称扇区) 构成。在播放c d 盘片上的音乐时，首 先从t o c 中得到某一节目的绝对地址( 绝对时间) ，然后将光头移到指定节目区的第一 8 华中科技大学硕士学位论文 个扇区。依次取出该节目的一个个扇区进行处理，从而还原出c d 音乐。在磁盘上不 同磁道上的相对扇区号相同的扇区，形成一个“扇状”的形状，而在光盘上，扇区只 是逻辑意义上的块。在光盘中扇区是c d 中可寻址的最小单位，个扇区由单位更小 的9 8 帧构成，纠错码是放在帧中的，帧是光盘编码系统中基本的信息单元。 在记录时，将左( l ) 右( r ) 声道用4 4 1 k i - i z 取样速率，各取得6 个1 6 位的样本，将 它们拆成2 4 个字节的数据，分成两组，各为1 2 个字节。经过复杂的c i r c ( c r o s s i n t e r l e a v er e e ds o l o m o nc o d e ，交叉交织里德索罗门码) 编码| 19 】后，得到两个4 字节的 用于纠错用的p 校验码和q 校验码，分别放在上面提到的两组1 2 个字节之后，帧的 结构 2 0 j 如图2 1 所示。 i 一一- 日【b d 8 b i t sj 缨f m 调制后的1 2 字节数据l p 校验( 4 字节) 耋! ! 塑制后的1 2 字节数据【lq 枚验( 4 字节) 1 。hk 卜 | 1 一 皿雌3 | 1 4 i31 1 4 i31 1 4 j 3j 1 4 i31 1 4 m i3j 1 4 i3f 1 4 31 1 4 3 | 1 4 | 31 1 4 l31 1 41 0 i31 43l 司 控制子码p 1 r 图2 1 一帧的的帧结构 从帧结构图可以看出：任一帧的起始标识为同步信号：1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 b 同步信息后是三位的耦合位，用于将前后两个数据隔开，防止前后两个数据保持了连 续多个“l ”或“0 ”，避免出现长时间的恒定电平以被c d 循迹机构误认为光头没有 对准光道。控制子码的主要用途是用于光盘扇区的定位( 即表示地址的时间编码) ， 这8 位中q 子码最重要，p 子码次之，r w 可有可无。因为在c d r o m 中是以一 个扇区为最小单位进行定位的，所以仅一个帧中的8 位控制子码没有什么意义。一个 扇区共有9 8 个连续帧，如果将每个扇区中的8 个位控制字节( 即p q 子码) 依次排 列，就得到9 8 个控制字节排列图。每一扇区的控制字节的相同位串在一起，共9 8 位， 构成一个通道，形成所谓的p 通道，q 通道及r w 通道。p 通道是简单的节目分隔标 志，简单的搜索曲目的办法，仅用p 通道即可完成。更重要的是q 通道，它存在行重 要的定位信息，即分：秒：帧，计算机对c d r o m 的读数定位即是用它定位的，而 在c d 唱机的显示屏上是q 通道提供的时间进行显示的。q 通道中的控制码用于标记 音乐的通道号，是否进行了预加重，数据部分给出了该扇区位于整个光盘从节目开头 9 华中科技大学硕士学位论文 到日前为止所经历的时间长度。数据区还包含了目前扇区是第几号音乐轨f 或第几首歌 曲) ，并且这首歌曲已播放了多长时间( 即相对时间) 。另外，在r w 通道中可记录一 些图片信息，即将c d 升级为c d g 以便在听c d 音乐时，可在电视上看到动作极慢 的画面。 3 ) 扇区的数据结构 扇区是c d r o m 信息区中的最小可寻址单元，一个扇区由9 8 x 2 4 = 2 3 5 2 个字节 组成。硬盘和软盘的转动速度通常是恒定角速度( c a v ) ，而c d r o m 盘的转动速度 足恒定线速度( c l v ) ，光道是螺旋形的光道，采用时间作为地址，即分，秒，分数 秒。c d r o m 定义了三种扇区方式口1 】： m o d e 0 ：扇区方式0 ：m o d e l ：扇区方式1 ；m o d e 2 ：扇区方式2 。m o d e 0 不向 用户丌放，在组织光道上的信息时用它作匹配用，其数据结构见表2 1 。m o d e l 的容 量为2 0 4 8 字节，读出数据误码率小于1 0 。1 2 ，用于存放对错误非常敏感的数据，如计 算机程序代码等数字数据，其数据结构见表2 2 。m o d e 2 的容量为2 3 3 6 字节，读出数 据误码率小于1 0 一，用于存放对错误不那么敏感的数据，如图像，音响等类型的数据， 其数据结构见表2 3 。 表2 1扇区方式( 0 0 ) 一- m o d e 0 同步头指针 0 0f f0 0分 秒帧模式用户数据 【1 1 011l112 3 3 6 _ 表2 2 扇区方式( 0 1 ) 一m o d e l 同步头指针 ee c c 用户数据空0 0 0 0f f0 0分 秒帧模式d c p 校验 q 校验 11 01llll2 0 4 84 81 7 21 0 4 表2 3 扇区方式( 0 2 ) 一m o d e 2 l同步头指针 用户数据 l 0 0f f0 0分秒帧 模式 l 11 01l11l2 3 3 6 l o 华中科技大学硕士学位论文 4 ) c d r c d r w 数据写入过程 ( 1 ) c d r 数据写入过程 一张要写入( 或称刻录) 数据的空白光盘片，其光盘片在出厂时已经存放有格式 化的信息，这些格式化的信息形成一条螺旋线的形状分布在光盘上，这种没有记录数 据的螺旋线称预留槽( p r e g r o o v e ) ，预留槽是一种很细很浅的槽，它的功能相当于一张 已格式化后的软盘上写入的磁道和扇区等定位信息 2 2 _ 2 3 】。 在格式化后的光盘的预留槽上记录有以单倍速写入的2 2 0 5k h z 的同步定时信 号，以供以后正式记录数据时作为恒线速控制主轴电机转速的时间基准。格式化后的 光盘上的预留槽中还记录有时间信息，扇区号【2 4 等。这些信息连同预留槽可帮助c d r 光驱进行遁迹、聚焦，并将数据写入到指定的物理位置。 c d r 光驱在写入数据时，首先将读写光头移动到要写入的位置，接着将要写入 的数据作为调制控制信号，控制读写光头在大功率与小功率激光束之间快速切换。具 体来讲就是当数据信号需要将c d r 盘片的某处要烧成“坑”时，控制光头发出大功 率的激光束，这种大功率激光束聚焦在光盘上的光斑，其光斑直径与普通c d r o m 盘片的信息纹宽度l g m 相近，光斑处的热量大于烧成“坑”的阈值，从而将光盘上 留下一个“坑”。而当记录数据不需要将c d - r 盘片的某处烧成“坑”时，则将发射 光束切换n d , 功率激光束状态，此时在光盘上的光斑处的光功率所产生的热量低于烧 成“坑”的阈值，因此盘片上的就保留信号“岸”。在写入过程中，c d r 光驱控制光 盘片按恒线速旋转，从而将数据写入到一段连续的物理光道上。 ( 2 ) c d r w 的数据写入过程口5 】 c d r w 光驱的关键技术之一是盘片材料，目前最常用的c d r w 盘片介质有：相 变光盘和磁光盘两类。对于非空白盘片，写入之前需要格式化。格式化有两种方式： 快速格式化和完全格式化。快速格式化时间短，只需要几分钟，在格式化时只需写入 少量足以让驱动器正常运转的零数据，然后在用户写入数据的同时在后台完成格式化 整个过程。完全格式化时问较长，大约需要2 0 至4 0 分钟。 2 1 2 v c d 光盘的格式 v c d 光盘的信息内容安排基本上和c d 光盘相同，光盘的目录信号( t o c ) 录制 在丌头的引导区内。在曲目1 中录制音乐区段名称和其他文字信息以及所采用的程序， 第一支音乐曲段录制在曲且2 ，各音乐曲段的开头都录有引头信号。与c d 相比，不 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = 一 同之处在： 1 ) 曲目 v c d 光盘中一个曲目内的信息开头有导引信号，为曲目l 中的内容，它主要是 由原始时量解说符( p v d ) 、卡拉o k 信息、v c d 信息、区段播放信息以及c d i 应 用的信息组成的。从曲目2 至曲目n 为动态画面和伴音信息，电视节目或卡拉o k 节 目就纪录在这一部分，最后为盘尾纹。 2 ) 区段播放信息 在v c d 光盘上曲目1 中除录有光盘信息外，还有播放控制信息和区段播放信息。 播放控制是播放用的信息表和选择表，在区段播放信息中主要是条目静止画面和咨询 画面，这些部是v c d 开始播放的辅助信息。 3 ) v c d 中的音频、视频数据 在曲目2 至曲目n 中录有音频、视频数据信号，这些压缩后的数据是录制在信号 单元的m p e g 数据区内。 2 1 3i ) v d 光盘的格式 1 ) d v d r w d v d r w 2 6 1 是一种可重复记录光盘，主要用视听系统进行声像信号的纪录，其规 格如表2 4 所示。 表2 4 各种d v d 规格比较 d v d r w d v d - r a w ( v e r 2 ，a 1 d v d 一d e o 旋转方式 c l vz c l vc i 预制格式波动、沟隆预置b i t波动地址b i t 轨迹格式凹槽记录沟隆、沟槽记录b i t 列 录放速率 1 1 0 8 m b p s 2 2 1 6m b p s1 1 0 8m b p s 记录波艮6 3 5 6 5 0 n m6 5 0 r i m 重放波睦6 3 5 6 5 0 n m 6 3 5 6 5 0 n m6 3 5 6 5 0 r i m 信息纹间隔 0 7 4u mo 6 1 5u mo 7 4 ui l l 最小信息坑眭0 2 6 7 u m o 2 8 u m0 2 6 7u m 4 5 8 5 ( 单层) 反射率1 8 3 0 1 5 18 3 0 ( 双层) 华中科技大学硕士学位论文 在d v d r w 光盘上信息是记录在凹下去的信息轨道上，它有一定的深度，两个 信息轨道之间的距离为o 7 4um ，这种方法固定了记录的密度。 2 ) d v d r a m d v d r a m 光盘在半径方向上分割成2 4 个同心圆状的的分区，在同一分区内是 以恒角速度( c a v ) 方式记录。同时各区的线速度大体一定( 恒线速c l v ) ，最内圆 为1 7 个扇区，最外圆为4 1 个扇区，记录密度很高，它兼顾了c a v 和c l v 的优点， 是一种z c l v 方式。为了提高记录密度，除了在信息轨道上记录信息之外还在信息轨 道的问各空白上记录信息，信息纹在光盘旋转一周后进行切换，在沟槽内记录一周后 与在沟隆上记录一周信息，此时需对沟槽和沟隆之间的高度差进行调整，以防信息纹 互相影响( 串绕) 。在光盘表面上具有肉眼能够确认的独特点状图案，即地址信息记 录在各扇区的开头位置，每个地址信息分为两组以信息纹为中心左右配置，共有4 组 地址信号。 2 2 光驱主要性能指标 1 ) 数据传输率 是指从光驱中每秒钟传到计算机内的字节数，用k b s 表示其单位。早期的光驱 为了与c d 兼容，其数据传输率为：1 5 0 k b s ，从最早的单速( 1 5 0 k b s ) 发展到双倍速 ( 3 0 0 k b s ，简记为2 x ) ，四倍速( 6 0 0 k b s ，简记为4 x ) 以及八倍速( 8 x ) ，十二倍速( 1 2 x ) 。 目前的c d r o m 光驱速度为5 2 倍速( 5 2 x ) 水平。我们常说的光驱为多少倍速，实际上 就是反映数据传输串指标的另种提法。 2 ) 平均读取时间( 或平均寻道时间) 光驱在接收到命令后，移动光头到指定位置，并把第一个数据块读入c d r o m 高缓所用的时间，单位是m s 。一般取光头沿半径移动全程1 3 长度所花的时间为平均 寻道时问，盘片旋转一周的一半为平均等待时间，两者再加光头稳定时间，就是平均 读取时间。该指标还与数据传输率有关，平均读取时间越小越好。典型的光驱的读取时 间为1 2 0 m s 2 0 0 m s ( 2 倍速) ，高倍速光驱的平均读取时间仅为l o o m s 1 4 0 m s 。 3 ) 数据传输模式 数据传输模式是指光驱与主机是以何种数据传送方式传数，常用数据传输模式为 p i o 和d m a 。p i o 是p r o g r a m m e di n p u t o u t p u t ( 可编程输入输出) 的缩写。它将数据 华中科技大学硕士学位论文 传输的过程加以程序化，但这明显会加重c p u 的负担。因此在这种模式下，即便是 c p u 的效率很高，但由于它必须全力去处理数据存取，因此无法再做别的事情。目 前的p i o 有1 、2 、3 、4 四种模式。d m a 是d i r e c t m e m o r y a c c e s s ，直接内存访问的缩 写。d m a 模式又分作s i n g l e w o r d 和m d t i w o r d 两种模式。它们各自对应的总线的理 沦传输速率分别是：p i om o d e 0 3 3 m b s ，p i om o d e l 5 2 m b s ，p i om o d e 2 8 3 m b s ，p 1 0 m o d e 3 1 1 1 m 咀s ，p l o m o d e 41 6 6 m b s ，u l t r a d m a 3 33 3 ，3 m b s ， 其中u l t r ad m a 3 3 比p i om o d e4 传数要快，u l t r ad m a 3 3 数据传输模式的主要优 点是：可减少主机c p u 的占用率，突发数据传输率高达3 3 m b s 。早期的光驱只支持 p i om o d e2 ，