（计算机系统结构专业论文）嵌入式网络刻录系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 从嵌入式系统的体系结构出发，深入研究了嵌入式网络刻录系统的各个组成部分 以及较常采用的解决方案，包括相关的硬件设备和一些新的技术和协议。在此基础上， 提出了一种适用于局域网络环境的嵌入式网络刻录系统解决方案，给出了p c 机网络 刻录客户端系统的实现，以及基于a r m 嵌入式处理器的嵌入式网络刻录服务器端系 统的实现。 构建一个嵌入式网络刻录系统，其关键技术主要集中在嵌入式操作系统、网络传 输接口、数据缓冲方案、光盘的接口协议等方面。嵌入式网络刻录系统的客户端首先 和币在监听的服务器端建立握手连接，在确认连接正确后，将a t a p 命令包和相应刻 录数据通过网络打包发送至网络刻录服务器，而网络刻录服务器将网络数据包解包， 并将相应的a t a p i 命令包发送给刻录机执行。为保证光盘刻录的正常进行，从客户端 传送过来的数据包先被网络刻录服务器缓冲。系统使用了“生产者和消费者”的算法 柬管理缓冲区。 网络刻录系统的嵌入式处理器选择了三星的a r m 处理器，并使用c p l d 芯片来 控制网络和i d e 等接口。在嵌入式系统端，完成了嵌入式操作系统移植、网络设备驱 动、a t a p i 驱动处理、刻录守护程序以及w e b 管理界面等方面的研究与实现。客户 端系统在v i s u a lc + 十下完成，使用面向对象技术实现了g u i 界面、m m c 驱动和网络 交互接口。 测试结果表明，系统成功地实现了通过网络刻录c d r r w 的功能。 关键词：嵌入式系统，网络刻录，可录光盘，可擦写光盘 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so f e m b e d d e ds y s t e m a r c h i t e c t u r e ，m a n yr e s e a r c h e sa b o u tt h ec o m p o n e n t s o ft h ee m b e d d e dr e e o r ds y s t e mo v e rn e t w o r kh a v eb e e nd o n e ，w h i c hi n c l u d e sh a r d w a r e d e v i c e s s o m en e w t e c h n o l o g i e sa n dp r o t o c o l s t h e nt h es o l u t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f t h e e m b e d d e dr e c o r ds y s t e mo v e rn e t w o r ki nt h el o c a la r e an e t w o r ke n v i r o n m e n ti sg i v e n t h ec l i e n to ft h er e c o r ds y s t e mb a s e do np ci s i m p l e m e n t e d a n d 也es e r v e ro ft h e e m b e d d e dr e c o r ds y s t e mb a s e do na r me m b e d d e d s y s t e mp r o c e s s o r i si m p l e m e n t e dt o o t 1 1 e k e yt e c h n o l o g i e s o ft h ee m b e d d e dr e c o r d s y s t e m o v e rn e t w o r ki n e l u d e e m b e d d e do s ，n e t w o r ki n t e r f a c e , d a t ab u f f e rs c h e m e ，a b p i ，啦t h cc l i e n to ft h er e c o r d s y s t e m c o b n e c t sw i t ht h el i s t e n i n gs e r v e rb y t r e e w a yh a n d s h a k ef i r s t l y a f t e ra c c e p t i n g t h e a c k j tp a c k e t st h e 蛆、a p ic o m m a n d sa n dd a m , t h e ns e n d st h e mt ot h es e r v e r , t h ea t a p i c o m m a n d sa n dd a t aa r ea c c e p t e da n du n p a c k e db yt h es e r v e r t 1 1 l es e r v e rs e n d st h ea t a p i c o m m a n d st ot h er e c o r d e r t oa s s u r et h es u c c e s so ft h em c o r d i n gp r o c e s s ，t h ed a t aa r e c a c h e dt ob u 丘b ra n dt h e p r o d u c e r c o n s u m e rs t r a t e g yi su s e dt om a n a g e t h eb u f f e r t kh a r d w a r ei sb a s e do nt h es a m s u n g sa r m m i c r o p r o c e s s o r a c p l d c h i pi su s e d t oc o n t r o lt h ei n t e r f a c eo f 也en e t w o r ka n dd e 砀ee m b e d d e do s i sp o r t e dt ot h i sn e w a r m p l a t f o r m a n dt h en e t w o r kd r i v e ra n dt h ea t a p i d r i v e ra r ea d d e dt ot h eo s t h e r e c o r dd e m o np r o g r a mi sc o d e da n dt h ew e bm a n a g e rg u ii sd e s i g n e di nt h ee m b e d d e d s e r v e r t h ec l i e n ts y s t e mi n c l u d i n gt h eg u ii n t e r f a c e ，m m cd r i v e ra n d t h en e t w o r k s y s t e m i si m p l e m e m e dw i t ht h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yi nv i s u a lc + + l d e t h et e s tr e s u i t ss h o wt h a tt h ee m b e d d e dr e c o r ds y s t e mo v e rn e t w o r ki si m p l e m e n t e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，n e t w o r k - a t t a c h e dr e c o r d e r ，c o m p a c td i s c - r e c o r d a b l e ， c o m p a c t d i s c r e w r i t a b l e l l 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， 均己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：“节 日期：知舻年厂月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舨，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。 不保密留。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 力多 f t g q ：工一甲年y 月f 日 指导教师签名： 日期：御讧年 女h秣阳 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 光存储技术和网络技术的相结合产生了网络光存储技术，使用嵌入式系统来实现 网络光存储技术，其成本将非常低廉。本文将研究光存储技术、网络技术和嵌入式系 统，设计并实现一个嵌入式网络刻录系统。 1 1 光存储概论 由于当今i n t e r n e t 、i r t t r a n e t 上的信息量呈几何级数暴涨，使缛数据的海量存储和 高速存取以及海量数据备份显得至关莺要，越来越成为信息高速公路中的瓶颈问题。 传统的s a s ( s e r v e ra t t a c h e ds t o r a g e ，附属于服务器的存储) 结构必需要附属到相应 的服务器，不利于储存设备的扩充，也难胜任要求不断扩大存储量、提高数传率的局 域网环境。n a s ( n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e ，附网存储) 和s a n ( s t o r a g e a r e an e t w o r k 存储局域网) 提出了崭新的存储体系，代表着未来以网络为基础的存储结构的发展方 向 i “。附网存储由于构建成本小，扩展性和可用性商，方便从现有的企业内部l a n 中升级改建，是中小型企业的首选方案f 2 - 3 。 然而目前。网络存储无论是基于服务器的网络存储，还是附属于网络的存储和存 储局域网技术，都主要针对的存储设备主要是硬盘。而光盘刻录机和磁带等储存设备 在数据备份中却超着非常重要的作用，特别是目前飞速发展的光盘技术使得光存储在 存储技术中的地位越来越重要。光存储技术的记录方式相当多样亿。例如；可通过记 录介质的形变( 如只读型记录介质的坑迹) 、记录介质的磁化方向、记录介质的晶相 甚至是电子的能级来完成信息的记录。因此，从记录原理上，难以对光存储技术的概 念进行界定。所以，光存储技术的本质特征不在于记录的过程，也不在于介质上信息 的存储方式，丽在于信息的读取过程。这样，光存储技术应定义为以光学方式读取信 息的技术l s - ；q 。 与其它存储技术相比，光存储技术具有以下的优点 5 - 6 , 1 0 ： 1 ) 存储密度高，特别是道密度高，一张光盘容量可以做的很大。光盘的读写是 通过聚焦的激光束进行的，所以光束聚焦点的直径决定了记录信息的密度。1 9 8 2 年开 始，c d ( c o m p a c td i s c ，光盘) 可以实现光点直径约1 um ，相当于1 b i t 的记录面积 为li g m 2 ，一张只读光盘的容量可达到6 5 0 m b ，而最新的一张蓝光d v d ( d i g i i a l v e r s a t i l ed i s c ) 的单层容量可达到2 7 g b l l 。“】。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 记录介质稳定、存储寿命长( 目前，光存储的寿命在1 0 年以上) 。 3 ) 非接触的读写和擦除方式。读写激光头与光盘不接触，其光学头距盘片1 2 m m ，多次使用不会产生磨损；同时，光学头与盘片间保持如此距离，保证了光盘盘 片的可更换性。 4 ) 极高的c n r ( c a r r i e r - t o n o i s er a t i o ，载噪比) 。光盘系统的c n r 一般都可达 到5 0 d b 以上，而硬盘的c n r 一般只有2 0 d b 左右。 5 ) 非接触的读写和擦除方式保证了光盘系统中，光盘信号多次读写不衰减。 6 ) 光盘用完可取出保存，携带及使用都很方便。光盘的存放期限一般认为可达 1 5 年，比磁带更优越。 7 ) 存储成本低，特别是大量复制的只读类光盘价格更低。 光盘系统以其在存储技术方面特有的优势，成为构成海量存储系统的理想候选对 象之一。由于以上这些优点，光盘媒介已经发展为图像，文字，数据的一种重要的装 载式媒体，正处于蓬勃发展的阶段。 目前光存储设备主要还是内置在个人电脑或者服务器之中，另外使用u s b 和1 3 9 4 等接口的便携式的光存储设备也在市场上销售，和网络相结合的网络光存储设备却不 多见。如果能够利用光存储技术的优势，结合网络存储体系，开发网络光存储设备， 市场| j i 景会相当广阔。 1 , 2 网络光存储的现状 目前，很多厂商在开发网络光存储设备时，主要使用方案有对等访问结构、内置 光驱结构、即插即用微型服务器和专用c d - r o m 服务器等。而光盘库、光盘塔、光 盘镜像服务器等设备也是目前三种主流的网络光存储设备，特别是很多厂商将的即插 即用微型服务器和通常只在塔式或专用c d - r o m 服务器中的缓存功能结合起来，并 采用最新的n a s 直接联网存储技术，开发出了光盘镜像服务器。这种光盘镜像服务 器将光盘的信息存储和读取功能分离，凭借硬盘的高速存取能力来共享光盘信息资 源，因此光盘镜像服务器的访问速度要比光盘库或光盘塔快几十倍。光盘镜像服务器 在容量和速度等性能指标方面均超过光盘库和光盘塔，但是其单位容量成本却大大低 于光盘库和光盘塔。这种设备为当今信息社会中需要在网上共享c d d v d 信息和应用 程序的用户而设计，以整机形式给用户提供了一种简便的、全新的 c d r o m d v d r o m 光盘数据网络共享解决方案，具有很高的性价比、扩展性强、可 靠性高、灵活性强。光盘镜像服务器目前已开始取代光盘库和光盘塔，而成为光盘网 络共享的主流产品。 2 华中科技大学硕士学位论文 目前，光盘镜像服务器的研发生产厂家主要在美国、欧洲和台湾，比较著名的有 a x i s 的t h i n s c r v c r 和a l l i o a 的f s c c d 、p r o c o m 的d a t a f o r c e 等，其中台湾f i s c 光盘镜像服务器是控制器式产品的代表，美国p m c o m 公司的产品为p c 架构的集成式。 国内厂家生产产品主要有清华同方的c d m 3 0 0 0 系统，清华紫光的u n i s t o r ec d m 系列 和华中科技大学的a r e s 系列附网刻录光盘镜像服务器”“。 1 3 嵌入式系统概述 1 9 6 5 年至1 9 7 0 年以集成化电路技术为支撑的第三代计算机期间，兴起了嵌入式 系统技术，至今已经有了三十多年的发展历史。在七十年代开始，微处理器除了用于 微型计算机和小型工作站以外，还用来制造各种工业仪器仪表、军事设备、医疗设备、 自动化机器人等【1 4 “”。其后，嵌入式技术从初期以单芯片为核心的可编程控制器系统， 逐步过渡到以嵌入式操作系统和微处理器组合的嵌入式系统，取得了长足的发展。特 别是进入九十年代，在实时信号处理算法领域的快速发展使得以嵌入式d s p 得到了广 泛的应用，并进一步在高速、高精度、低功耗发展，而以计算机、控制、网络相互融 合的信息家电i a ( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ) 使得通信、计算机、消费电子 ( c o m m t m i c a 廿o n s c o m p u t e rc u s t o m e r e l e c t r o n i c s ) 一体化趋势也日趋明显，嵌入式系 统将再度成为一个研究与应用的热点1 “1 8 】。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 1 9 - 2 1 】。 因此，可以得出嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体的可独立工作的“器件”， 具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，无论是要求实时和多任务的应用， 还是非实时和需微型化的应用都可以适用，其主要的组成部分是：嵌入式处理器、嵌 入式操作系统、有关的支撑硬件和应用软件系统等【皿。1 。 目前，嵌入式系统几乎存在于所有电子电器设备，大至航空飞机上的各种仪表设 备，控制系统，小至生活中常用的如手机，电子游戏机，p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ， 个人数字助理) 、移动计算设备、电视机顶盒、d v d 播放机、数字相机、家庭影院设 备等消费电子设备，还有工业自动化仪表、医疗仪器、智能电糍、自动售借扣笔韭常 用的设备上都有嵌入式系统的身影。 1 4 嵌入式网络刻录系统的意义 在1 2 节中列出的产品中，提供刻录服务的产品有二家一清华同方的c d m 3 0 0 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= 一 系统和华中科技大学的a r c s 系列附网刻录光盘镜像服务器，都是采用的l i n u x 操作系 统来实现的远程和本地刻录服务。应该说，使用这种光盘镜像服务器来实现网络光存 储设备的共享，是一个非常好的选择方案了，但是，就网络刻录系统在价格上是否有 一种更低成本的的解决方案昵? 那就是使用嵌入式网络刻录系统。 这种嵌入式网络刻录系统将有以下优点： 1 ) 即插即用，安装和维护极为简单。采用标准i u 一4 5 网络接口，只需用网线接 到h u b 上并连上电源线，开启电源即可。第一次启动时只需做一些基本的设置，一般 工作人员可以在5 分钟内完成。 2 ) 采用先进的嵌入式瘦服务器技术，性能优越，稳定可靠。除了存储设备，整 个系统集成在块控制电路板上。其中嵌入式操作系统和应用程序一起存放在一块高 速闪存芯片中，整个嵌入式操作系统简洁高效，规模不大，没有花硝的功能，自然不 容易受到破坏。即使出现以外的断电或关机，也不会影响操作系统，系统极为稳定可 靠。 3 ) 整个嵌入式系统在成本上会更为低廉，维修也更为方便。光盘刻录机将成为 整个系统最大的成本。 4 ) 在一个工作组环境中，所有用户都可以象使用共享打印机一样共享刻录机， 可以轻松实现重要数据资料的备份。 本课题的目的就是研究将嵌入式系统和光盘技术结合在一起，构架成本非常低廉 的嵌入式网络刻录机，即使用嵌入式系统来实现这种网络刻录的功能。 1 5 本文研究的主要内容 本文将首先从嵌入式系统和光盘技术的角度分析了构架成本非常低廉的嵌入式 网络刻录机系统的关键技术，然后设计一个使用嵌入式系统来实现网络刻录的低成本 网络刻录机系统。 以下是本文所研究的详细工作： 1 ) 首先在绪论部分给出了实现嵌入式网络刻录机系统的现实意义。然后从嵌入 式系统和光盘技术的角度，对实现嵌入式网络刻录机系统的关键技术进行了研究。这 部分的关键技术和原理主要包括嵌入式操作系统，光盘刻录原理和光盘设备接口处理 等等。 2 ) 其次将从总体设计的角度分析了嵌入式网络刻录机系统及其软硬件构成。接 着将分别从硬件和软件的角度给出了嵌入式网络刻录机系统的设计和实现。在整个嵌 入式系统的硬件设计中，给出了嵌入式处理器的分析，对网络和i d e 扩展电路也进行 华中科技大学硕士学位论文 了分析，并给出了嵌入式系统的统一地址分配图。软件设计首先移植了服务器端的嵌 入式操作系统，添加相应的网络设备驱动和a t a p i 驱动处理。接着对刻录光盘的过程 进行了分析，并给出了客户端和服务端之间的协议接口一虚拟a s p i 接口，同时对实 现客户端的各个类对象进行了分析。最后，分析了服务器端的守护程序的流程，还给 出嵌入式w e b 管理界面的实现。 3 ) 在论文的第六章将给出了系统的测试结果，并在第七章对全文进行总结a 5 华中科技大学硕士学位论文 2 嵌入式光存储技术分析 要研究和设计一个嵌入式网络刻录系统，需要对光盘刻录原理、光盘设备接口私 嵌入式系统以及嵌入式操作系统等技术和原理进行分析和研究。本章将具体分析这些 用于实现嵌入式网络刻录枧系统的关键技术和原理。 2 1 可记录光存储技术 本节将从光存储的的发展开始，详细分析光存储的物理记录格式、光存储物理写 入原理、文件系统和光盘设备接口协议等可记录光存储技术。 2 1 1 光存储的发展 1 9 7 2 年，荷兰飞利浦( p h i l i p s ) 公司的光存储系统研究获得了成功，l d ( l a s e r v i s i o n d i s c ，激光视盘) 系统被投放市场。随后数字光盘c d d a 激光唱盘技术得以发展， 并于1 9 8 2 年制定了的红皮书标准彤) 。c d d a 激光唱盘系统首先对模拟的音响信号进 行脉冲编码调制，将其数字化处理，再经过8 - 1 4 位调制编码之后记录光盘上。数字记 录代替模拟记录的好处是；对干扰和噪声不敏感；由于盘本身的缺陷、划伤或玷污而 引起的错误可以校正。 随后制定的黄皮书标准和i s 0 9 6 6 0 光盘文件系统标准使得c d - r o m 在全世界范 围内得到了迅速推广和广泛应用。c d - r o m 相对c d - d a 增加一种错误检测和错误校 正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，错误校正采用里德所罗f ( r e e ds o l o m o n ) 码。 针对c d r o m 是只读的缺陷，又出现了二种不同原理的可擦写光盘机，即磁光 盘驱动器m o ( m a g n e t - o p t i c a l ) 和相变驱动器p d ( p h a s ec h a n g er e w r i t a b l eo p t i c a ld i s k d r i v e ) 。m o 是指利用激光与磁性共同作用的结果记录信息的光磁盘。相变驱动器主 要指c d r w 驱动器，其标准在1 9 9 6 年1 0 月由p h i l i p s 、s o n y 、h p 、m i t s u b i s h i 和r i c o h 五家公司共同制定刚。 然而从成本上考虑，价格最低的光存储材料还是c d - r ( c dr e e o r d a b l e ) 。c d r 标准( 橙皮书) 是由p h i l i p s 公司于1 9 9 0 年制定的，目前已成为工业界广泛认可的标 准。由于c d r 与广泛使用的c d ，r o m 兼容，并具有较低的记录成本和很高钓数据 可靠性，其应用也越来越广泛皿州。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 光存储物理记录格式 光盘的信息被存储在一条螺旋轨道上。每条轨道由许多小凹槽构成，所以也叫做 坑槽( p i t ) ，坑槽之间的部分被称为平地( 1 a n d ) ，坑槽由于周围反射表面引起被反射 的激光调制显示出光学差异。为了获得高信息密度，数据由九种不连续长度的坑槽和 平地编码( 表示为3 t - 1 1 t ) 。如图2 1 所示，其中最短的坑槽( 3 t ) 是0 8p i t i ，最长 的坑槽( 1 l t ) 是3 1u m ，宽度为0 5 i a i n 。 图2 1 光盘的坑槽 c d r 光盘写入信息是依靠激光束照射染料层，染料受热分解，产生“坑”达到 记录信息的目的。读取信息时，激光束照射在坑形面和非坑面上的反射率不同，从而 识别信息“0 ”和“1 ”。 c d - r w 光盘的工作原理是利用了所谓的“相变”技术。数字“0 ”和“1 ”的信 息是通过激光照射后使记录层材料在“结晶”和“非结晶”两种状态间转换而得到的。 8 位数据 i 1 1 1 0 1 0 0 0 i 1 1 1 0 0 0 1 0 l l o l l l 0 1 0 4 位调制数据10 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0i1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 010 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0f0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0f0 0 0ft 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0f 0 0 lf0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0ft 0 0 加台并位 r 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 。 盘片上的凹k 釜釜鍪i 鋈篓遂鋈釜蓬鍪：i ：鳖鍪鎏鍪耋釜鲨i 图2 28 - 1 4 调制编码 光驱的激光头读取光盘数据时，”坑”和”岸”反射系数是一样的，因此都读成0 ， ”坑- 和”岸“的长度决定0 - 的个数。”坑”和“岸的交界处，即”坑”的前后沿读为1 。因 为凹坑的分辨率受到驱动器中激光波长和光学物镜数值孔径的限制，如果凹坑和非凹 华中科技大学硕士学位论文 坑的长度太短，它们的边缘就检测不出，必须保证通道位“1 ”之间至少2 个“0 ”， 为了能从读出信号中提取同步信号，同道位“l ”之间不允许超过l o 个“0 ”。为了在 物理介质上存储数据，必须把数据转换成适于在介质上存储的物理表达形式，习惯上 把数据转换后得到的各种代码称为通道码。如图2 2 所示，把一个8 位数据转换成1 4 位的通道码，称为8 1 4 调制编码，记为e f m ( e i g h t t o f o u r t e e nm o d u l a t i o n ) t ”j 。e f m 就是将1 4 位数据中提取2 5 6 种不出现连续两个”1 ”的数据( 通道码) 与8 位数据对应。 为了避免相邻两个数据的通道码可能出现两个”1 ”，从而保证两个1 4 位通道码相接时 游离o 的数目要求，因此在通道码之间再加上3 位合并码( d v d 中用2 位合并码) ，形 成1 7 位通道码。这种通道码可以直接用于刻录光盘。读取光盘时，将1 7 位通道码经 过解码系统转换为8 位二进制数据。 e 6 0 m m 忖仁 v2 3 r a m 。 b爿 2 6 m m 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 一：一 数是单区段光盘，不过压制的c d - e x t r a 格式的光盘是有两个区段的光盘。为了多次 在c d r 上进行刻录数据，一般使用多区段来刻录光盘，这时区段之间需要留出大约 3 0 m b 的间隔，比较浪费盘片的空间。 图2 4 区段的逻辑结构 导入区( l e a d i n a r e a ) 位于区段最前面，储存着有关本光盘规格、每一轨的起始位 置、长度等重要资料。每一个扇区的导入区的长度一般为1 分钟。 导出区( l e a d 。o u ta r e a ) 位于区段最后，表示结束，可供机器识别区段或整张光盘 的长度。光盘的第一个区段的导出区长度为1 分3 0 秒，其他区段的导出区长度为3 0 秒。 l 同步信号 控镥4 显示 声音数据( 左)q 枝验码声啬数据( 右)p 校验码 l3 个宁节 1 个字节1 2 个字节4 个字节1 2 个字节4 个字节 !1 3 6 字节 lii 。 l2 4 恒l g 能 l8 位l8 位l 啦l8 位i b 位ls 位il8 位 ： ： ：lill s s s 个通道能 f2 4f3 l1 4f3 1 1 4 f 3 1 1 4 f 3 1 1 4 f 3 f 1 4 f 3 1 1 4 f 3 l| 1 4 3 图2 5 光盘的扇区结构 如图2 5 所示，一个扇区是由9 8 个帧组成的。帧是光盘编码系统中基本的信息单 元。帧由同步信号位、控制予码通道、数据( 音频为左) 、q 校验码、数据( 音频 为右) 、p 校验码等字段组成，共计5 8 8 个通道位。其中每帧实际可用的数据为2 4 字 节，从而一个扇区由9 8 2 4 = 2 3 5 2 个字节组成。 如表2 1 所示，c d - r o m 定义了三种扇区方式：m o d e 0 、m o d e l 和m o d e 2 等。 m o d e o 不向用户开放，用于匹配组织光道上的信息。m o d e l 的容量为2 0 4 8 字节，读 出数据误码率小于l o 。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 9 华中科技大学硕士学位论文 数据。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 。9 ，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。所以m o d e 2 模式又包括2 种形式：m o d e 2f o r m l 和m o d e2 f o r m 2 等二种。 表2 1c d r o m 的扇区物理格式 在表2 1 中，扇区里1 2 字节区域的同步( 同步码) ，包含同步信息，在1 6 迸制中， 整个区域除第个和最后一个字节外都为0 0 ( 音频光盘的同步码与其他光盘的同步码 不同) 。c d 盘的光道是螺旋形的光道，它采用的是以时间作地址，即分，秒，分数秒 来进行地址寻道。这些地址信息加上光轨模式( m o d e ) 信息被存储在扇区头( 扇区地址) 罩，共4 字节。 以音频光盘为例，其子码通道( s u b c o d e sc h a n n e l ) 有9 8 字节，被平均分配给 只q ，r ，s ，t u ，v ：w 等8 个子通道，每个子通道9 8 位( b i t ) 。其中： 子通道p ：用来指示声音数据在何处开始。 子通道q ：9 8 b i t ，分为a ，b ，c ，d ，e 五个区域，结构如表2 2 所示 表2 2 子通道q 的数据结构 区域位( e 特) 作用 a2 同步控制； b4 数据类型标志； c 4 后面d 区域数据标志； q 子通道的数据，在光盘的导入区，含有光盘的内容表t o c ( t a b l e d7 2 o f c o n t e m s ) ，在光盘的其他区域，含有当前播放时间； e1 6 用于错误检测c r c ( c y c l i cr e d u n d 删c o d e ) 。 来 记录演唱组，歌曲名，作者等信息。这些附加信息，不能在c d 播放机读出，但可以 在电脑中读出。 l o 华中科技大学硕士学位论文 而数据光盘的子码通道只有1 2 字节，每个扇区有8 个子通道：p ，q ，r ，s ，t ，u ，v 和w 。子通道p 和q 包含了位置( 时1 9 ) 信息。子通道r 到w 则可存放使用者的资料。 每张c d 片最多存放2 0 m b 的资料。c d g 就是用它存放图形资料的c d 片。 c d 盘片使用4 个字节的e d c ( e r r o rd i a g n o s i sc o d e ) 用于错误的侦测，采用3 2 位 c r c ( 循环冗余校验码) 检错码，其生成多项式为p ( x ) = ( ) ( 1 6 + x ”+ x 2 + 1 1 ( x m + x 2 + x + 1 ) ，对应的码字是0 x 1 8 0 0 1 8 0 1 b 。计算c r c 码时用的数据块是从扇区的 开头到用户数据区结束为止的数据字节。即将字节0 2 0 6 3 共2 0 6 4 字节的数据所对 应的长多项式整除p ( x ) ，得到3 2 位的余式，放在2 0 6 4 2 0 6 7 字节位置，这2 0 6 8 字节的数据对应的多项式是能够被生成多项式p ( x ) 整除的。如果不能整除，则表 明数据有错。根据i s o i e c l 0 1 4 9 的规范，c d 盘片的e c c ( e r r o rc o 玎e c t i o nc o d e ) 错 误校正码采用g f ( 28 ) 域上的r s p c 码( 里德所罗门乘积纠错码) 产生1 7 2 字节的 p 校验符合和1 0 4 字节的q 校验符号。这种得到的r s 码( r e e d s o l o m o nc o d e ) 被分 别放置在“帧”的中间( q 校验) 和末尾( p 校验) 肛驯。 另外，在二个光轨之间存在着一定的间隙，其中p o s t - g a p 表示是c d 结尾或一条 光轨结束后的一个短间隙( 般为2 秒) ，p o s t - g a p 与本光轨有相同的格式，它确保轨 改变之前所有数据被读出。而p r e g a p 则是每条光轨前的一个短间隙( 一般为2 秒) ， p r e - g a p 与新的光轨有相同的格式，以便光驱有时间调整读取新轨。 在导入区的q 子码通道里有着一项重要的信息，即目录t o c ( t a b l eo f c o n t e n t s 、。 它记录着关于光盘及光轨的资料，包含光轨数，所有光轨的起始地址。整个c d 的长 度等数据。 2 1 3 光存储器件物理写入过程 光存储器件物理写入过程根据盘片的类型不同分为可刻录盘片、相变盘片和磁光 盘片等三种盘片的数据物理写入过程。以可刻录盘片为例，我们来看看光存储器件的 数据物理写入过程。 c d r o m 驱动器在读取普通的只读类c d 盘片时，其每一个扇区都有时间的资料 作为参考，一张要写入( 或称刻录) 数据的空白光盘片也需要提供给驱动器同样的信 息。为此。空白光盘在出厂对必需格式化，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刻槽( p r e g r o o v e ) 。在螺旋形预刻槽上加 入了摆动( w o b b l e ) ，用以产生a t i p ( a b s o l u t e t i m e i n p r e g r o o v e ，预刻槽绝对时间) 。 摆动的载波以2 2 0 5 h z 对时间码进行频率调制，幅度为3 0 n m 的正弦波，槽间中心距 离是1 6 m m ，这种同步定时信号可以供刻录数据时作为恒线速控制主轴电机转速的时 间基准。在a t i p 中，还包含了驱动器电机转动信息( 载频) 、时间码信息( 载频的调 华中科技大学硕士学位论文 制) 和扇区号等等可帮助刻录机光驱进行遁迹，聚焦，并将数据写入到指定的物理位 置的信息。 在c d r 盘片的导入区之前有两区域称为p c a ( p o w e rc a l i b r a t i o na r e a ，功率校 准区域) 和p m a ( p r o g r a mm e m o r y a r e a ，节目存储区) ，如图2 6 所示。p c a 区域中 包括两个区域：一个是试验区，c d r 刻录机在这个区域内进行功率校准和优化，以 获取此盘片的最佳刻录功率，该区有1 0 0 个分格，每个分格有1 5 个a t i p 帧的长度； 另一个是计数区，其中可以读出试验区的每个分格，该区也有1 0 0 个分格，每格有1 个a t i p 帧的长度。p m a 区包括了光盘上记录的信息，信息是用q 一通道的字码载入。 段一 图2 6c d r r w 的盘片切面 在c d r 光盘的刻录数据是一种光热效应记录，即记录激光束的光能转化为热能 对记录介质起作用，形成记录信息符。如图2 7 所示，在有机光盘染料介质吸收激光 光子，会跃迁至各个激发态；然后在纳秒的时间内，吸收的光子能量通过辐射( 荧光 和磷光) 转化为光能或通过内转换等非辐射途径转换为热能；吸收的热量使得记录层 的温度在短时间内达到数百度( 如2 5 0 以上) ，由此引发了记录层染料的漂白和鼓泡 或基片的熔化、流动、变形和烧蚀等过程。激光照射处的染料层发生了流动，在染料 层渗透的p c 基片中形成一个深度为8 0 r i m 左右的凹坑，在金反射层表面也形成约7 r i m 左右的鼓包，同时在该处的染料层被流回的聚碳酸酯所稀释。 窖入夕前 写八之后 图2 7c d - r 光盘刻录前后对比 c d 刻录机在写入数据时，首先要根据c d - r 盘片的类型来确定对其的写入簧略， 如图2 8 所示，不同的盘片，其染料特性和生产厂商代码都不同，c d 刻录机为了确 定最佳写入功率和策略，甚至可以使用功率校准区域来决定其写入功率。这里，ot 和p 等参数都是可以调整的写入策略参数。c d 刻录机首先将读写光头移动到要写 入的位胃，根据其调整好的写入策略，调制好其需要写入的数据，控制读写光头在 华中科技大学硕士学位论文 p w 功率与p b 功率激光束之间快速切换。这样，就可以刻录出坑槽和平地，即p i t 和 l a n d ，从丽完成数据的记录过程。 ： 一 !；3 t4 t5 t6 t7 t 8 t 9 t 1 0 t1 1 t l 一 l e f m 信号 + l p 一t r f i i n i b ；一 i 写脉冲调制信号 图2 8c d 。r 的写入策略 2 1 4 光盘的文件系统 在众多光盘文件系统中，最常见的是i s o9 6 6 0 光盘文件系统和u d f 光盘文件系 统。 19 8 5 年，i s o 国际标准化组织发布了一种通用的光盘文件系统一一i s o 9 6 6 0 光盘 文件系统标准，它支持d o s 、w i n9 x n t 、o s 2 、l i n u x 、m a co s 等绝大多数计算 机操作系统a 这种文件系统有l e v e l1 、l e v e l2 和l e v e l3 三个标准，第1 层可兼容 d o s 操作系统，即支持传统的8 3 文件名格式，且所有字符只能包括2 6 个大小写英 文字母、1 0 个阿拉伯数字及下划线，但是要求文件内容必需是以连续不中断的方式刻 录在c d 盘片上：第2 层则可以采用任何的字符作为文件名，并允许使用长文件名， 文件内容可以交错或者分开存放，但不支持d o s 操作系统；第3 层是不受任何的限 制。在所有的三层规定中，i s o9 6 6 0 光盘文件系统标准规定均不可使用超过8 层的目 录结构。 i s o 9 6 6 0 标准的文件结构用来描述和配置放到盘上的文件。文件结构的核心是目 录结构，它用来说明文件及文件段的的位置。单片c d 盘片称为一卷。卷结构就是用 一套规则和数据结构描述盘上信息的错综复杂的关系。在盘上固定位置汜录了卷描述 符，其中的内容用来说明整个c d - - r o m 盘的逻辑组织，根目录地址，路径表地址， 逻辑块的大小等。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 由i s o9 6 6 0 定义的这种统一文件格式，可以保证任何c d - - r o m 光盘在任何计 算机上的c d - - r o m 驱动器中都可以被访问。 1 9 9 6 年i s o 组织下属的o s t a ( o p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g ya s s o c i a t i o n ，光学存储 技术协会) 又制定了新的通用光盘文件系统- - u d f ( u n i v e r s a ld i s cf o r m m ) 光盘文件系 统。这种u d f 光盘文件系统本身和i s o9 6 6 0 格式相容，支持包刻录方式( p a c k e t w r i t i n g ) ，允许在c d r r w 光盘上任意追加数据，为刻录机提供了类似于硬盘的随机 读写特性，该标准进行数据刻录时不会出现因为缓存欠载或数据传输速度低于刻录速 度而中断刻录过程，使盘片报废，但u d f 格式的光盘只能在具有m u l t i r e a d 功能的 c d r o m 上读取。而且最新的d v d 也使用u d f 光盘文件系统作为其文件系统，应 用已越来越广泛。 2 1 5 光存储器件的接口协议a t a a t a p i 光存储设备的接口目前主要有a t a a t a p i ( a ta t t a c h r a e n tw i t hp a c k e ti n t e r f a c e e x t e n s i o n ) 和s c s l ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 两大类。而a t a a t a p i 接口标准， s c s i 总线标准均定义了相应的传输协议，传输机制，命令集等【2 9 l 。 a t a a t a p i 接口技术，也称为硬盘接口i d e ( i n t e g r a t e d d r i v e e l e c t r o n i c s ) ，是目 前使用最为广泛的一种接口，其最早的标准是在1 9 9 4 年制定的煳f a 一1 标准。 在a t a 1 标准中规定主机应该提供一个通道供2 个硬盘使用( 包括主盘m a s t e r 和从盘f l a v e ) 。支持a t a - 1 标准的设备应该支持p i o ( p r o g r a m m e di o ，程序化输入 输出) 模式0 、1 、2 ，d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存存取) 模式0 、l 、2 以及m u l t i w o r d - d m a 模式0 等传输机制。 随后a t a a t a p i 标准经过了六次修改到目前最为普及的a t & a t a p i 6