研究生多媒体04_多媒体硬件环境b.ppt

多媒体技术 多媒体技术 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 2 音频接口 3 视频接口 4 多媒体I O设备 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 1分类 存储设备有各种类型 硬盘 软盘 光盘等等 根据这些存储设备存储原理的不同 可以分为磁存储介质和光存储介质两大类 磁介质 软盘 硬盘 磁带 ZIP等光介质 CD ROM DVD等 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 RAID技术 廉价磁盘冗余阵列 redundantarrayofindependentdisks或redundantarrayofinexpensivedisks这种方法在容量 吞吐速度 可靠性方面都有所提高 RAID是多个磁盘的一组阵列 数据分布在多个驱动器上以获得容错性 大存储容量及性能的改进 RAID技术并不是一个新的概念 他源于大型主机的冗余 容错等思想 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 RAID子系统 由多个用单个控制器操作的小型磁盘驱动器构成 这些驱动器对主机来说 象一个单一的驱动器 也就是说 从主机方面来看 逻辑上把它们看作一个驱动器 物理上是多个小驱动器 很大的驱动器要维持与较小的驱动器相同的性能水平就需要更昂贵的驱动器电子设备 使用廉价磁盘冗余阵列可以在低成本的情况下提高整体磁盘存储容量 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 RAID中吞吐量速度的提高通过把读写操作并行地分布在多个磁盘驱动器上实现 这一过程称为数据划分 datastriping 它使数据分离在多个驱动器上 这样一个单一的I O请求的不同部分就可以由多个磁盘平行地来服务 很明显 这种方法有一个很大的问题 数据分布在不同的驱动器上 如果没有额外的冗余度 数据就会有更大的危险 危险性将随磁盘数目而翻倍 任何一个磁盘的失败都能导致读或写数据的失败 所以在RAID技术中增加了一些冗余 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 目前已经开发出若干不同的RAID方式以满足不同的需要 RAID系统的类型习惯上用 层 来表示 它们的定义如下 0层 磁盘划分1层 磁盘镜像法2层 数据的位交错3层 具有奇偶校验的驱动器的位交错4层 具有奇偶校验的驱动器的数据扇区交错5层 数据的块交错 8 第四章多媒体硬件环境 使用RAID系统的主要目的 磁盘系统的热后备 较低成本的大容量存储 在目前大容量磁盘出现后这一优势正被减弱 较低成本的更高性能 数据恢复的便捷性 高的MTBF并不是所有的RAID系统都具有这些性能 性能的改进取决于应用程序和RAID系统的类型 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 9 第四章多媒体硬件环境 RAID0层 磁盘划分技术RAID0含有连接在一个单个磁盘控制器上的多个驱动器 数据被划分为横跨多驱动器 最少两个物理驱动器 的分布的数据段 通过横跨驱动器来分散数据 磁盘划分技术为写或检索数据块的应用程序提供了高的传输速率 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 10 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 11 第四章多媒体硬件环境 RAID0层 磁盘划分技术RAID0层最初被设计用来改善性能 并不提供任何数据冗余度 这种方法不提供数据冗余度或容错 而且还有另一个主要的缺点 如果一个驱动器出故障 整个驱动器系统就不能运行 因为数据通过所有的驱动器被划分 而如果有一个中间段不能被使用 整个数据就不能被存取 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 12 第四章多媒体硬件环境 RAID0层 磁盘划分技术RAID0技术和单个驱动器相比 性能改善的实现是通过使磁盘的读写操作相重叠 由于数据被写入驱动器的缓冲区比被写入磁盘驱动器的物理介质要快得多 控制器只需把数据段写入驱动器缓冲区 然后移向下一段的下一个驱动器 所以对于整体性能来说 物理介质的速度很少被考虑 实际达到的性能取决于控制器的设计和它如何管理磁盘的读和写 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 13 第四章多媒体硬件环境 RAID1层 磁盘镜像技术在这种方法中 每个驱动器都有一个镜像驱动器 这些驱动器被连接到一个单个磁盘控制器上 所有写在主驱动器上的数据同时也被写在它的镜像驱动器上 也就是说镜像驱动器总是包含复制的数据 特点 通过这种设计实现了完全的数据冗余 这种方法较为昂贵 但可靠性很高 读可以通过重叠来提高速度 例如 当主驱动器查找一个数据块时 镜像驱动器可以开始查找下一个请求的数据块 这就减少了查找等待时间 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 14 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 15 第四章多媒体硬件环境 RAID2层 数据位交错技术RAID2层磁盘系统包括被连接在一个磁盘阵列控制器上的多驱动器的阵列 连接是通过一个SCSI通道或多个SCSI通道实现的 数据是一次写一位 它是横跨多驱动器的位交错存取和使用多校验磁盘来检测和纠正错误的 磁盘驱动器以和主轴同步的方式并行操作 对主机来说 驱动器阵列就像一个驱动器 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 16 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 17 第四章多媒体硬件环境 RAID2层 数据位交错技术错误的校验和校正需要附加的驱动器 驱动器的数量取决于错误校正算法 位交错技术经常被用于超级计算机 以便同时提供大数据量存储和提高系统各个方面包括速度和容错性等方面的性能 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 18 第四章多媒体硬件环境 RAID2层 数据位交错技术RAID2层使用了一个复杂的错误检测和校正方法 主要缺点是错误校正需要多驱动器 是一种实现数据冗余的昂贵的方法 增加了成本 另一方面 特别是在多媒体系统中 很多数据并不需要如此高的校正错误 如很多格式的音频和视频数据 偶尔的错误并不会影响整个数据文件的使用 另一个缺点是驱动器上的每个扇区都和其他驱动器上的扇区相联系以共同形成单个存储单元 也就是说 即使只存储很少的数据 也要用多个扇区以横跨多个驱动器 这导致了存储的浪费 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 19 第四章多媒体硬件环境 RAID2层 数据位交错技术在性能和应用方面 不适合用于每个传输数据尺寸都很小的传输处理 实际上 由于错误校正方法的速度慢和麻烦 且每个读写操作必须在每个磁盘被检测 RAID2层在实际中并不常用 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 20 第四章多媒体硬件环境 RAID3层 并行磁盘阵列在RAID3层驱动器中 系统数据也是横跨多驱动器的位或字节交错存放 它比RAID2层效率更高 因为在数据流中写入奇偶校验位 代替全汉明码错误检测和校正 并行操作 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 21 第四章多媒体硬件环境 RAID4层 扇区交错技术扇区交错技术 把连续扇区的数据写到不同的驱动器上 RAID4层使用多个数据驱动器并通常用一个专用奇偶校验驱动器 和RAID3主要的不同之处 在这种方法中数据被分散且交错存储在多个驱动器的扇区 数据在扇区这个层次上交错 数据块的第一个扇区被写入第一个驱动器 第二个扇区被写入第二个驱动器 如此下去 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 22 第四章多媒体硬件环境 RAID5层 块交错技术在RAID5层 和所有别的RAID系统一样 多个驱动器连接在一个磁盘阵列控制器上 与RAID4层 数据按扇区交错 不同 RAID5层中数据是按块交错存储 另一个很大的不同点是 RAID5层不用专用的奇偶校验驱动器 取而带之的是奇偶校验数据被分散在数据流中 并且是横跨多个驱动器分布的 也就是说 每个驱动器即包括数据位也包括校验位 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 23 第四章多媒体硬件环境 RAID5层 块交错技术以三个物理硬盘构成的RAID系统为例 在RAID5中 第一个数据块存储在第一个驱动器中 第二个数据块存储在第二个驱动器 第三个驱动器接收到的是用来校验存储在另外两块硬盘当中数据的一部分数据 这部分校验数据是通过一定的算法产生的 可以通过这部分数据来恢复存储在另外两个硬盘上的数据 注 这三块硬盘的任务并不是一成不变的 也就是说在这次存储当中可能是1号硬盘和2号硬盘用来存储分割后的文件块 那么在下次存储的时候可能就是2号硬盘和3号硬盘来存放文件 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 24 第四章多媒体硬件环境 RAID5层 块交错技术RAID5使用了一种特殊的算法 可以计算出任何一个带区校验块的存放位置 校验块已经被分散保存在不同的磁盘中 这样就可以确保任何对校验块进行的读写操作都会在所有的RAID磁盘中进行均衡 从而消除了产生瓶颈的可能 性能 安全性增加 消除了瓶颈问题 但是同样有缺点 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 25 第四章多媒体硬件环境 RAID5层 块交错技术如果阵列当中某块硬盘上的信息发生了改变的话 那么就需要重新计算文件分割碎片 并且 校验信息也需要重新计算 这时 每个硬盘都需要重新调用 1 存储设备 1 2扩展硬盘设备 26 第四章多媒体硬件环境 RAID5层 块交错技术如果阵列当中某块硬盘上的信息发生了改变的话 那么就需要重新计算文件分割碎片 并且 校验信息也需要重新计算 这时 每个硬盘都需要重新调用 1 存储设备 1 3光存储设备 27 第四章多媒体硬件环境 CD ROM最早是用于音乐存储的 用其作为音乐存储介质的优势 使用方便 介质具有耐久性 不会随使用次数的增多而质量下降以磁带相比具有随机访问的性能很高的声音保真度大存储容量成本较低 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 28 第四章多媒体硬件环境 CD ROM之所以被的用户所采用 一个很大的原因就是它的标准化 CD ROM上记录数据有精确的规范和标准 一张符合标准的CD ROM可以在任何CD ROM光盘驱动器中读出 发展过程中的标准如下所示 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 29 第四章多媒体硬件环境 1 红皮书与CD DACD DA CompactDisk DigitalAudio 是最早的激光唱盘标准 它是由荷兰Philips公司和日本Sony公司共同制定的 因其最后书面文件的封面为红色 故也叫做红皮书标准 这种根据标准书面材料封面颜色命名的方式也被延续下来 红皮书是一个用于记录音频道标准 现在使用的音乐CD就使用了红皮书所规定的记录格式 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 30 第四章多媒体硬件环境 2 黄皮书与ISO9660对于音乐盘片 偶尔的数据丢失将不会引起注意 对于要求数据完整性的应用 需要一种新的标准来提供错误更正 所以 1986年 Philips公司和Sony公司为首的几家工业集团又联合制定了一个CD ROM标准 称为黄皮书 这个标准规定了在CD盘片上记录数据的方式 国际标准化组织在1988年修改后作为ISO9660标准 并进一步规定了CD盘上文件的结构和组织方式 使计算机操作系统能够定位和访问盘上的数据 而不必使用经专门设计的特殊驱动器 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 31 第四章多媒体硬件环境 3 CD I 绿皮书与CD ROMXA为了将CD ROM技术用于传统的家电领域 Philips公司和Sony公司制定了面向教育和家庭娱乐应用的CD I CDinteractive 也就是交互式CD 标准 也称作绿皮书标准 由于CD I不是针对计算机应用制定的标准 在使用计算机读出和解释CD I盘片上记录的数据时受到许多限制 为此 两家公司又联合制定了面向计算机应用的CD ROMXA标准 CD ROMextendedarchitectureCD ROM扩展结构 可将音频 文本和图像混合存储在CD盘上 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 32 第四章多媒体硬件环境 4 VideoCD与白皮书以SONY和PHILIPS为首的几家公司又联合制定了用于存储视频图像和电影的VideoCD白皮书标准 该标准使用MPEG压缩技术 可在普通CD ROM盘片上存储74分钟的全运动视频图像和CD音质的同步声音 VideoCD受到世界主要的几家电影制片公司的支持 以VideoCD盘片格式发行的电影开始出现 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 33 第四章多媒体硬件环境 5 橙皮书橙皮书是用于可写入CD的国际标准 这个标准分为两个部分 第一部分 定义了CD ROM上两种类型的区域 可读区域 遵守红 黄或绿皮书标准的任选预制掩膜区 可记录区域 使用类似于磁 光驱动器中的可记录区的标准 第二部分 允许将数据一次性或分多次写入空白的CD 我们现在使用的光盘刻录机就是遵守这个标准 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 1发展历史简介 34 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 2光存储的类型 只读型光存储系统一次写型光存储系统可重写型光存储系统 35 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM CD ROM有标准的物理规格 直径为120mm 厚度1 2mm 中心有一个15mm的主轴孔 36 第四章多媒体硬件环境 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM 37 第四章多媒体硬件环境 CD盘片的光道结构恒定角速度 CAV 和恒定线速度 CLV 的概念软磁盘存放数据的磁道是同心环 磁盘片转动的角速度是恒定的 通常用CAV constantangularvelocity 表示 但在这一条磁道和另一条磁道上 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 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM 38 第四章多媒体硬件环境 恒定角速度 CAV 和恒定线速度 CLV 的概念CD盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同 它的光道不是同心环光道 而是螺旋型光道 CD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 就是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的 通常用CLV constantlinearvelocity 表示 由于采用了恒定线速度 所以内外光道的记录密度可以做到一样 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 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM 39 第四章多媒体硬件环境 CD盘片的数据读写简单的说 通过表面的凹凸来记录信息 数据的写入 CD盘上的数据是用压模 stamper 冲压而成的 而压模是用原版盘 masterdisc 制成的 图14 05是制作原版盘的示意图 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 motherdisc 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 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM 40 第四章多媒体硬件环境 CD盘片的数据读写CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读 CD驱动器由光学读出头 光学读出头驱动机构 CD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 图4 2 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 3CD ROM 41 第四章多媒体硬件环境 刻录光盘 CD recordable 简称CD R 是一种一次写 多次读的光盘 CD R按照其空白片的颜色有分为 金盘 绿盘 等等 金盘 采用黄金作为反射层的金属材料 这层很薄的金属材料决定了CD R的颜色 这层金属材料 在CD R上 与普通的CD不同的是多了一层染料记录层 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 42 第四章多媒体硬件环境 在CD R上 与普通的CD不同的是多了一层染料记录层 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 43 第四章多媒体硬件环境 CD R的用途 由CD R刻录机利用激光将数据编码后刻录在盘片上 并使它可在普通的CD ROM光盘上被读取出来 CD R光盘与普通CD光盘有相同的外观尺寸 但它的原理与普通的CD R不同 CD R也称为WORM 一次写多次读 激光束通过产生坑区在盘的表面留下的印迹 这样一旦写上了数据 就不能在覆盖写入并且不能擦去 因此称为一次写多次读 一旦盘写满 就成为只读光盘 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 44 第四章多媒体硬件环境 数据的写入原理 当CD R光盘被刻录时 光盘刻录机发出高功率的激光打在CD R光盘特定部位上 其中的有机染料层因熔化而发生化学变化 这些被破坏掉的部位则无法顺利反射CD光盘机所发出的激光 功能类似于普通CD盘上的凹区 而没有被高功率激光照射到的地方可以靠反射层反射激光 这样就可以利用反射 不反射来记录数据 这是使得CD R在普通的CD ROM中也能够读出 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 45 第四章多媒体硬件环境 数据的写入 恒定线速度写入在利用光盘刻录机刻录光盘时 计算机必须保证恒定速度的数据提供 否则可能引起写入数据的中断 如果在刻录的时候出现这种错误 则盘片被破坏 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 46 第四章多媒体硬件环境 并不以性能见长 搜索时间和数据的读写速度较硬盘来说都比较差 应用 联机目录 光盘库的应用大容量数据的备份事务登记 例如股票交易公司的交易记录 由于其具有写入以后的不可更改性 较适合于这类应用 多媒体存档 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 4CD R可刻录光盘 47 第四章多媒体硬件环境 CD RW即CD Rewritable 可重复擦写的光介质存储器 以WORM技术形成对照 可重写的光介质存储技术允许抹去旧数据并在其上重写新数据 在这个意义上说 它就像是磁硬盘 可重写介质 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 48 第四章多媒体硬件环境 尺寸 与CD ROM和CD R相同 染料记录层与CD R不同 它的工作原理是利用了所谓的 相变 PhaseChange 技术 在光盘内镀上一层厚度为400埃 1埃 10 10米 的薄膜 数字0和1的信息是通过激光照射后使这层材料在 结晶 Crystalline 和 非结晶 Amorphous 两种状态间转换而得到的 由于材料的关系 晶体状态改变次数有限 因此重写次数有限 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 49 第四章多媒体硬件环境 数据的读出 CD RW盘片对于激光的反射率大约只有15 CD R盘片为65 因此 CD RW盘片只有在新型支持MultiRead的CD ROM驱动器上才能被读取 从1997年年底开始 绝大多数的CD ROM驱动器生产厂家都开始支持MultiRead标准 在16倍速以上的CD ROM驱动器中 90 以上都已支持MultiRead标准 可以读取CD RW盘片 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 50 第四章多媒体硬件环境 兼容性 CD RW向下可兼容CD ROM CD R 即可读出CD ROM CD R CD RW 可刻录CD R CD RW 性能提高 速度 可靠性方面都有提高 价格下降 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 51 第四章多媒体硬件环境 CD RW主要用于以下几个方面 资料的备份与快速应急恢复盘的制作用户建立自己的 活动硬盘 刻制自己的CD音乐盘制作自己的VCD 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 52 第四章多媒体硬件环境 可写入光盘的优点 可靠性兼容性价格缺点 易用性方面速度 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 5CD RW 53 第四章多媒体硬件环境 MD 即小型盘 见教材P248 MD被设计成2 5英寸格式的光盘 目前用于音乐存储介质 有专门的MD播放器 数据MD 是SONY公司开发的一种新型可重写的盘片 可存放音乐 视频和数据 1 存储设备 1 3光存储设备 1 3 6MD 54 第四章多媒体硬件环境 DVD也是一种光学存储媒体 但DVD在存储容量和带宽方面都有很大的提高 DVD的名称 DigitalVideodisc 这是为了和VideoCD区分 实际上 DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目 它同样可以用来存储其他类型的数据 又被称为 DigitalVersatileDisc 1 存储设备 1 3 7DVD 1 3光存储设备 55 第四章多媒体硬件环境 DVD的产生和存