多媒体存储技术

2026/7/26【精品课件】多媒体存储技术目前光盘存储在多种功能样和智能化操作方面都已经有了显著的成果。随着光量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术的发展，光存储技术逐渐成为信息产业中的重要支柱技术之一。本章主要介绍光盘存储基本结构、CD和DVD的介质和存储技术，同时，结合发展动态介绍高密、高效、高速的母盘刻录技术以及网络存储技术。在许多基础科学技术如光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展和支持下，使得光存储技术可以在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上可发掘出更大的潜力。8.1光盘存储光盘技术是20世纪60-70年代开发的一项激光信息存储新技术，具有存储密度高、同计算机联机能力强、易于随机检索和远距离传输、还原效果好、便于拷贝复制、适用范围广等特点。8.1.1光存储系统组成光存储系统是由光盘驱动器和光盘组成。光盘驱动器面板上设有收回托盘、弹出托盘、播放、停止以及音量控制等功能，有些产品还有遥控功能。按照与主机的接法，光盘驱动器可分为内置式和外置式两种类型。内置式光盘驱动器装在机箱内，外置式光盘驱动器放在主机箱的外部，自带电源并通过串口与主机相连。8.1.2光盘的构造和特性光盘外观是中心有一个15mm主轴孔的圆形薄片，实际上是一个多层介质结构组成。无论是CD光盘还是DVD光盘，其构造特点主要表现在光盘的结构层、信道间距和记录信息的坑区。基层是聚碳酸酯层(Poly-carbonate)，其表面含有凹形和凸形相间区域。聚碳酸酯层的表面覆盖着一层反射铝或铝合金膜，反射铝的作用是增加记录面的反射性能。反射层上用漆膜层(UV-Lacquer)保护以防止金属层的氧化。不同特性的光盘，所包含的层数以及介质涂层原料都是不同的。例如CD光盘包括基层、反射层和保护层，而CD-R包含基层、记录层、反射层和保护层。介质涂层可以是金、银、铝或合金。CD光盘和DVD光盘的主要区别在于盘片的厚度、信道间距以及坑区的大小。CD（包括CD，VCD等）盘片的厚度是1.2mm。CD的最小凹坑长度为0.834μm，信道间距为1.6μm。单层的DVD盘片厚度仅为0.6mm，是CD盘片厚度的1/2，而DVD的最小凹坑长度仅为0.4μm，信道间距为0.74μm，这些指标都小于CD盘片。从图8-1中可见，在相同的面积中，DVD盘片的最小凹坑长度和信道间距都比CD盘片要小，这样使得存放信息的物理坑点排布得更加紧密，从而可提高存储量。同样的单层单面光盘，CD容量为650mb，而DVD容量就高达4.7gb，从如此悬殊的存储量之比，可以看出DVD在这方面的绝对优势。图8-1CD和DVD光盘物理结构DVD盘片和CD盘片非常相似。然而DVD格式拥有更多的不同盘片类型。DVD光盘构造有单/双面和单/双层结构，按照单/双面和单/双层结构的不同组合，DVD光盘可以分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层4种物理结构。通常把他们分别定义为“DVD-5”、“DVD-9”、“DVD-10”、和“DVD-18”。如图8-2所示的是“DVD-5”、“DVD-9”光盘结构。DVD-5（D5）：单面单层盘，其涂料为银色，总容量达4.7GB，可以存储播放时间超过两小时的DVD视频。DVD-9（D9）：单面双层盘，它的第一层是金色的半透明涂料，第二层之涂料为银色，所以双层DVD的颜色呈现金色，总容量达8.5GB。大约可存储播放时间为四小时的DVD视频。DVD-10（D10）：双面单层盘，是由两边且每边各厚0.6mm的单层DVD组成，总容量达9.4GB。大约为四个半小时之DVDVideo播放长度。DVD-18（D18）：双面双层盘，容量高达17GB，可存储播放时间约八小时的DVD视频。图8-2DVD光盘的层结构BACK光盘的特性差异同样是光盘，之所以CD只能存储声音，DVD还能存储影像，就是因为激光和记录层不同的缘故。光盘物理结构上的差别要求使用不同的激光波长。CD采用波长为780-790nm的红外激光器读取数据的，其光斑的直径为1.74μm。而因为DVD光盘具有更细小的信息坑洞和轨距，需要更小的激光点才能读取数据，因此采用波长为635~650nm的红外激光器读取数据，读取信息的激光束在更小的区域聚焦，其光斑的直径为1.08μm。同时采用更短的激光波长可提高单位次数能识别的坑点数，但并不会误认坑点内的信息。表8-1列出的是CD与DVD的主要技术参数，比较表中的各种技术参数值，就可以理解CD-ROM驱动器为什么不能读取DVD光盘信息的原因了。DVD在容量、数据精度以及多媒体技术等方面都优越于CD。同时DVD具有可变的数据传输率，文件结构满足ISO9660，数据格式支持CD-ROM/XA标准，向下兼容CD、VCD等光盘。表8-1CD/VCD与DVD的主要技术参数主要技术参数CD/VCDDVD激光波长780-790ｎm635~650ｎm最小凹坑长度0.834μm0.4μm信道间距1.6μm0.74μm凹坑宽度0.6μm0.4μm光斑直径1.74μm1.08μm镜数值孔径0.45na0.6na纠错编码冗余度31%15.4%影音质量16bit、44.1KHz、2声道24bit、96kHz、8声道影像质量240线540-720线通道码调制方式8/17调制8/16调制容量650mb4.7gb(单面单层)8.1.2光盘的格式标准和类型光盘标准涉及许多参数和技术问题，光盘的生产也有企业标准、行业标准、国家标准与国际标准等区别，所以光盘有多种规格，并对应于不同的标准。在这里我们主要了解一下ISO对光盘定义的标准。CD（CompactDisc）光盘的标准国际标准化组织ISO制定和采纳了多种标准规范，定义了光盘的尺寸、转速、数据传输率、编码方式、数据格式等重要的技术规范，并对不同CD规格书的封面用不同颜色加以区别，因此习惯上就用红皮书、黄皮书、绿皮书和白皮书等来说明光盘的品种。红皮书(RedBook)红皮书定义CD-DA(DigitalAudio)规格，CD-DA简称为数字音乐光盘。这是PHILIPS与SONY公司在1980年制定的，尔后所有其它规格的光盘片均以此为基础而发展。最初数字音乐光盘片播放时间可达60分钟，后来经过改良演进为74分钟为最后标准。AudioCD是将音乐以44.1KHz取样频率单位，而每个取样单位转换数字讯号都有一个16bit范围的值。CD-Audio光盘片的主要功能只是提供播放音乐，而且是循序播放，每首歌都是从头开始播到尾，因此红皮书的规格在当时是很单纯完整的，其最主要的目的就是提供一个标准的播放规格，所有的CD光盘片可以在所有的CD音响上来播放音乐。

黄皮书(YellowBook)黄皮书定义CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)的规格，CD-ROM简称为只读式光盘。Philips与Sony在1983年发表了黄皮书。黄皮书是以红皮书为基础，存在CD片上的数据可分为两种，一种为正确性要求较低的音乐或图形数据，可容许一些Byte的错误，另一种是正确性要求非常严格的计算机数字或文字数据是不允许有错误的位数据.黄皮书有“Mode1”和“Mode2”两种模式，其中，“Mode1”指定了“错误检测码”（EDC）和“错误校正码”（ECC），而“Mode2”仍然沿用了红皮书的CIRC错误校正方案。黄皮书这一标准的诞生为计算机CD-ROM的应用打开了方便之门，可存储任何计算机数据文件。但在实际刻录工作中我们需要注意，为了保证数据的正确性，刻录普通数据光盘时要选择“Mode1”。黄皮书CD-ROMMode2的规格延伸是另一种格式，CD-ROM/XA，这是介于黄皮书和CD-I之间的格式，增加了声音与资料交错编排(Interleaving)的存贮信息方式，允许同一张光盘混合存放数据文件、音频和图像（视频）等数据，可用来制作游戏光盘、多媒体光盘等。你可以指定在CD上的每一个数据轨为Mode-1orMode-2，但是其内的扇区只能有一种格式来存放数据。大部分的CD-ROM计算机用光盘片，包括程序、计算机游戏、百科全书或共享软件等，都是采用Mode-1方式存放数据。其它的光盘片，如PhotoCD、CD-I及VideoCD等，则是采用Mode-2方式来存放。CD-ROM具有强大的功能及合理的价位，对图形、数字影像信号及声音档案的储存均非常理想，光盘片本身有良好的保护，不易受到刮伤及灰尘的影响，但是无法像一般的磁盘片及硬盘机随意读写，在CD-ROM光盘片上，数据是无法任意删除及重复写入的。因此，在CD雷射音乐片成功后不久，计算机所用的CD数据片也被开发完成，称之为CD-ROM，ROM代表只读型资料(ReadOnlyMemory)之意，由音乐数据转为计算机数据其实并不复杂，因为主要在CD片上是以数字方式存放数据，而计算机信号正是采用数字方式(0或1)做处理。CD-ROM在多媒体上的应用，最初是那些庞大数据的的拥有者，像是图书数据、参考系统或是零件手册等。根据1992年的统计，在所有的CD-ROMTITLE中，有60%是以文字数据为主，但是随着多媒体的流行，现在许多光盘片开始设计应用面包括了：农业、图书、商业、医学、目录、教育、百科全书、娱乐、图形、保健、历史、休闲、文学、生活、音乐及音效、研究科学及科技等。绿皮书(GreenBook)绿皮书定义CD-I(CompactDiscInteractive)的规格，简称为交互式光盘。在所有规格书中唯一包括硬件规格的标准，其中包括了CPU、操作系统、内存、Video与Audio的控制器及影音数据的压缩方式等。CD-I是被定义成一个消费性的电子产品，也就是类似电视、录放机等功能的产品，它是可以直接接上电视，并且采用遥控器控制，它没有软式磁盘驱动器(Floppy)与硬盘机(HardDisk)，完全采用光驱作为数据的输入装置，并且采用实时性的操作系统(Real-timeoperatingsystem)。白皮书(WhiteBook)白皮书定义(VIDEO-CD)的标准格式，简称为激光视盘。影片画质相当于S-VHS视讯品质，播放音效可达立体声历声的取样频率(44.1KHz,16bits)，可全屏幕动态播放，播放时间约74分钟，增加交互式选单功能，可随意选择播放片段，利用MPEG-1的技术将影音数字化，将电影存放在CD上。VIDEO-CD包含MPEG为特殊全动态视讯格式，播放影片也必需配备MPC3等级以上计算机、CD-I播放器或者是激光视盘机。现在，市面上VIDEO-CD强调Version2.0的功能，即是包含有交互式选单PBC(PlayBackControl)功能，加上Karaoke-CD包含数字音乐音轨，达到声光效果的最佳境界。蓝皮书(BlueBook)蓝皮书定义(Enhanced-CD)的标准格式，简称为加强型光盘。由于cd－rom是在cd－da的基础上发展起来的，因此philips和sony在制定cd－rom（黄皮书）标准时，还制定出了一种包含cd－rom数据和cd－da数据的混合模式———mixedmodecd。其中cd－rom数据全部放在第一轨中，其余轨道记录cd－da音频数据。mixedmodecd可在任何cd－rom驱动器或普通cd唱机中播放。由于cd－rom数据放在第一轨，因此唱机仍会将cd－rom数据当作cd－da音频数据播放，一般的cd唱机会产生很大的噪音，高档的cd唱机由于带有静音功能，播放第一轨时寂静无声，常会使用户误以为光盘有问题。为了解决cd唱机播放mixedmodecd的上述问题，philips、sony和microsoft公司在1995年制定出了enhancedmusiccd标准（蓝皮书），称为“cdextra”。它采用multisession记录方式，将cd－da数据和cd－rom数据分成了两个数据段，第一段记录cd－da音频数据，第二段记录有关的cd－rom数据，如唱片集名称、曲名词以及相关的图像和视频数据等。由于第一段已包含导入、音频数据和导出三个区域，从“红皮书”标准来看是一张完整的cd－da光盘，因此任何cd唱机都可播放光盘的第一段。第二段数据只有通过cd－rom驱动器或标有“enhancedmusiccd”的cd唱机才能读取。此种光盘片参照红皮书及黄皮书两种规格书特性，为了使用音乐轨能够后置数据轨而衍生的技术，可使一般CD音乐播放机无法读取受到保护数据轨，而计算机的光驱可读取到数据轨及音乐轨，此一技术常用于计算机游戏光盘，使立体音乐能够配合游戏执行顺畅，享受计算机娱乐的快感。

橙皮书(OrangeBook)橙皮书定义CD-R(CD-Recordable)的标准格式，简称为可记录式光盘。可分为CD-MO(partI)、CD-R(partII)、CD-RW(partIII)三类，CD-MO在无法普及化即已退出市场需求，因此，现以CD-R及CD-RW为现在使用最广泛的储存媒体。CD-R可记录式光盘：可单次写入数据于光盘上，必需搭配CD-R光盘烧录器及烧录软件才可执行写入的动作，可写入计算机数据或者音乐，但写入后的数据是不易更改及删除，对于数据的保存有较高的安全性。世界上第一片CD-R片由日本太阳诱电设计的，后有日本三井化学及日本三菱化学相继投入发展新的染料，衍出各类型CD-R的染料材质，针对读写差异能力及加强抗光、耐潮、耐用年限提出改进，创造出更完美的记录媒体。CD-RW可复写式光盘：可重复写入及抹除光盘的数据，必需使用CD-RW光盘烧录器及专门烧录软件才可执行写入抹除的动作，使得光盘片上数据可自由更改及删除，使用寿命可达一仟次的范围，使用弹性比较于CD-R更大，对于异动性较大数据CD-RW是不错的选择。DVDForum的10个会员，根据不同的应用领域共同制定了以下5种规格DVD：BOOKA：DVD-ROMDVD-ROM最主要是为取代传统CD-ROM所制定的格式，在BOOKA的规范中定义了DVD光碟片单碟4.7GB的超大容量，是我们现在所使用的CD-ROM光碟片的7.2倍

DVD（DigitalVersatileDisc）光盘的标准BOOKB：DVD-Vieo为了解决传统VCD因为使用MPEG-1压缩所导致的失真问题，在BOOKB中明确的指出DVD需採用压缩后破坏性较低的MPEG-2格式，除了能让影像更真实的呈现外，在音效上也可达到杜比5.1声道（註一）的效果，另外支援8国语言、32国字幕等等，这些都是一般CD-ROM所望尘莫及的。BOOKC：DVD-Audio与音乐CD一样，在BOOKC中所规范的DVD-Audio是採用线性PCM方式编码，声音解析度可到24bit，而最高取样频率为192KHz，但值得一提的是，DVD-Audio在音效录製上并没有完全使用MPEG-2Audio系统，而是使用AC-3系统，也就是我们所称为的杜比音效。BOOKE：DVD-RAMDVD-RAM是指可重复读写的DVD格式，最早是由Panasonic、TOSHIBA与HITACHI等厂商所共同推出，容量大小有2.6GB、4.7GB、5.2GB与9.4GB之多。虽然具有跟DVD-RW一样的特性，但光是在碟片的外型上DVD-RAM就比DVD-RW多了一个外壳（您千万不要异想天开的把DVD-RW碟片放入DVD-RAM的外壳中，以为这样就可以通用），至於所搭配的烧录器则是採无托盘设计（类似吸入式）与一般的DVD-RW均不相同，所以很明显的可以看出这两种规格绝对是完全无法相容的BOOKD：DVD-RDVD-R在写入时的技术基本上和CD-R相同，皆是使用Pit与Land来区分不同的资料，最大的差异在於DVD缩短了Pit的大小，因此在面积相同的情况下（CD与DVD大小直径皆为12cm），DVD碟片所能储存的资料量当然远大於一般的CD光碟。可是各位知道吗，DVD-R碟片在第一版时只能烧录3.9GB容量大小的资料量，至於4.7GB是第二版的產品！8.1.4光盘驱动器的构造和工作原理光盘驱动器如所示，它是一个结合光学、机械及电子技术的产品。即其内部是激光引导测距系统的精密光学结构，采用一系列透镜和反射镜，将微细的激光束引导到光盘表面的微小部位。图8-3光盘驱动器CD-ROM驱动器

CD-ROM驱动器的机械结构CD-ROM驱动器在机械结构方面主要包括5大部分：光学头、光盘驱动电机、光学头寻址电机和光盘装卸电机、控制器以及辅助部件等。其中控制器包括聚焦伺服、道跟踪伺服、CLV伺服、EFM解调和错误检测和校正。光学头：是光驱的关键部件，也是最精密的部分。它主要负责数据的读取工作，将光盘上的信号转换成电信号。它包括几个部分：激光发射器、物镜、激光束分离器、透镜等。聚焦伺服：在激光头读取数据的整个过程中，激光寻迹和聚焦直接影响到光驱的纠错能力及稳定性。采用自动伺服系统，利用反射光产生的聚焦误差信号，自动调整光学头和光盘之间的距离，使激光束聚焦到光盘的信息面上。道跟踪伺服：为了使激光聚焦在光盘的信息面上以外，还必须确保光束能沿着螺旋形光道正确读出信息。采用径向光道跟踪技术，利用反射光产生的偏离光道的误差信号，自动调整光学头的偏心距离，使激光束聚焦到光盘上有凹形坑道的光道中间。以保证激光束能沿着光道正确读取信号。CLV（恒定线速度）伺服：采用自动调节驱动光盘转动的驱动马达转速，使速度随着光学头移动的位置而变，以满足光盘需以恒定线速度CLV旋转的要求。EFM解调：通过聚焦伺服系统输出的数据信号中包括同步位和合并位，是经过EFM调制的信号，并非原始数据信息，EFM解调的作用就是去除同步位和合并位，将信号还原成原始数据格式。接口：接口是光驱连接计算机的方式，常用的CD-ROM驱动器接口有3种。（1）专用接口（2）SCSI接口（3）IDE接口错误检测和校正：磁道聚焦、径向聚焦、恒定的数据库是准确地读出数据的三个主要因素，光源必须垂直聚焦。为了控制可能发生的异常情况，从基片层反射回来的光线通过一个棱镜，产生90度偏移，然后再经过一个光劈将光束一分为二，两束光分别聚焦于两组光电二极管上。如果透镜发射层出现近或远偏差，接收二极管组中的光，将指示错误。为了检测错误，驱动器在读取数据时将两个二极管接收到的信号相加。根据需要可以计算出调整透镜与反射层的距离的数据。CD-ROM驱动器的读取原理CD-ROM光盘是利用盘片上的凹坑(pit)来记录数据的，并且从内圈到外圈沿着同一条螺旋状的信息轨道。驱动器的工作过程是光学和电子技术结合的过程。光盘在光驱中高速的转动，激光头在伺服电机的控制下前后移动读取数据。

激光光源来自于激光二极管，它可以产生波长约0.54-0.68微米的光束，经过处理后光束更集中且能精确控制，光束首先会寻找并照射在光盘的信息轨道上，然后由光盘反射到CD-ROM驱动器的感光二级管，再经过光检测器捕获信号。光盘上有凹点和空白两种状态，它们的反射信号相反。如果是照在lands（平面）上，那会有约70-80%反射回来，这样CD读取头可顺利读取到反射信号，如果是照在（pits）凹点上，则造成激光散射，CD读取头无法接收到反射信号，检测器利用这两种状况就可以解读为数位信号(0与1)，这些信号经过驱动器中的光电转换、校验和模/数转换，才能转变为实际数据。这就是利用激光的反射与否来解读光盘信号的原理。DVD-ROM驱动器从光盘的结构分析中知道，DVD盘的坑洞以及排列密度比CD盘要小得多。但DVD和CD技术所用的数据读取机制是相同的，只是所采用的波长不同。那么DVD如何兼容读取CD光盘呢？仅从波长来看，较短的650nm完全可以读取CD盘片，但是DVD-ROM光盘的反射层位于0.6mm处，因此DVD-ROM驱动器需要2种焦距才能兼容读取CD和DVD盘片。在研制过程中，先后出现了不同的激光头技术。双激光头技术即对应于CD和DVD这2种不同规格的光盘，分别设计2种不同的激光读取头。

a.使用2套完全独立的激光头结构，并拥有两套完全独立的聚焦镜。读取CD光盘的波长为780nm的激光头，读取DVD光盘的波长为650nm的激光头。其特点是兼容性好、成本高。又由于双激光头的伺服机构读盘时需要进行机械转换，因此读盘时间长、机械故障率高。b.使用切换双镜头技术的，即基于同一个激光发射及接收设备和2个焦距不同的镜头，通过镜头切换去读取不同的光盘。它的特点是读取质量较高，但启动速度慢、寻道时间长、机械噪声较大、机械故障率较高且成本高。

单激光头技术

单激光头技术中采用同一个激光头，来发射2种不同的波长。单激光头的DVD-ROM驱动器又可分为单头单眼、单头双波长、单头双眼。a.单头单眼技术效果较好，其特点是因为没有机械传动，机械故障少，能得到较快的读盘速度，成本也低。但缺点是降低了读盘精度，而且，如果用户长期使用品质较低劣的碟片会影响它的使用寿命。

b.单头双波长技术也就是在一个激光头内安装两个不同的激光发生器。使用一组聚焦镜，利用液晶快门的技术来控制焦距，分别发出780nm和650nm波长的激光束，用来读取不同的DVD、CD光盘信号。这种技术的好处是读盘质量稳定、读盘速度快，并且机芯的使用寿命长。c.单头双眼DVD-ROM驱动器采用一个激光头两组聚焦镜，通过转换不同的聚焦镜来分别读取DVD和CD光盘。其外形与双头的DVD-ROM驱动器相似，特点是读取信号的质量较高，但由于要转换聚焦镜，所以读盘速度相对较慢。与双激光头相比，单激光头技术可获得更好的性能，虽然只有一个镜头，但拥有2个不同的可自动调节的焦点，在体积、重量、结构和制造成本各方面都得到了较好的控制，同时可大幅度提高寻道时间、CPU资源占有率等重要的性能指标。8.2CD存储技术根据CD光盘的可写特性，可以将CD光盘大致可分为只读光盘、可写光盘和可改写型光盘。只读式CD光盘以CD-ROM为代表。CD-DA、CD-I、CD-Photo及V-CD等可写光盘也称为一次性写入光盘，对应的CD光盘有CD-R（Recordable）。改写型CD光盘包括相变光盘PCD（PhaseChangeDisk）和磁光盘MOD（Magneto-OpticalDisk）。8.2.1CD存储技术CD光盘的物理特性CD-ROM光盘的基层是的聚碳酸酯层(Poly-carbonate)，其表面含有凹形和凸形相间区域。聚碳酸酯层的表面覆盖着一层反射铝或铝合金膜，也被称为“银盘”，反射铝的作用是增加记录面的反射性能。反射层上用漆膜层(UV-Lacquer)保护以防止金属层的氧化。CD光盘的制作对于只读式光盘，用户只能读取光盘上已经记录的各种信息，而不能修改或写入新的信息。只读式光盘由专业化工厂规模生产。首先要精心制作好金属原模，也称为母盘，然后根据母盘在塑料基片上制成复制盘。8.2.2CD-R存储技术CD-R（Recordable）即可写的。CD-R信息的写入系统主要由写入器和写入控制软件构成。写入器也称为光刻机，是写入系统的核心，目前的CD-R都支持多次写入，而且可以在CD-ROM驱动器上读出所有逐步累加录入的任何数据。CD-R的物理特性CD-R光盘的基层和CD相同，基层也是表面含有凹形（pregroove）和凸形相间区域的聚碳酸酯层。但在聚碳酸酯层的表面加有一层染料（organicdye）记录层，然后是反射金层和保护层，有“金盘”之称。也有的CD-R光盘称为金绿盘、白金盘、蓝盘。主要是针对防止强光照射和低成本生产使用了一些其他有色材料。CD-Recordable写入过程向CD-R盘片写入内容的过程，实际上是一个使记录介质起化学变化的过程。记录数据时，光盘刻录机（CD-R）发出高功率的激光，打在CD-R盘片某特定部位上，介质中的有机染料层因此而融化造成化学变化，致使这些部位因发生了化学变化而无法顺利反射CD光驱所发出的激光。而没有被高功率激光照射到的那些部位，仍然可以由黄金层反射激光。CD-R就是根据这种不同的反射特性来记载与“0”和“1”对应的数据信息的。8.2.2可擦写型CD光存储技术目前，可擦写式光盘存储主要包括两种技术，一种是利用激光改变材料状态变化的相变方式记录信息，另一种是利用激光与磁性共同作用的结果记录信息的。相变光盘存储技术相变光盘的信息存储原理是1968年OvshinkyS.R发现的，1990年松下先实现了商品化。过去比较典型的可擦写型光盘驱动器是PD（PhaseChangeRewritableOpticalDdiskDrive），但随着更先进的光存储技术的出现而逐渐被淘汰。CD-RW是已经得到普遍支持的可擦写光盘标准。由于CD-RW仍沿用了CD的EFM调制方式和CIR纠错方法，CD-RW驱动器与CD-R驱动器的光学、机械、及电子部分类似。相变光盘的基本结构相变光盘具有包括聚碳酸脂盘基、ZnS-Sio2保护层、GeSbTe记录层、Al-Cr/Ti/Ag合金反射层等在内的多层结构。ZnS-Sio2材料的微粒直径小至2nm，其耐热性、均匀性、致密性可防止记录膜热循环（膨胀与收缩）引起的形状变化，从而可确保大约200万次的重复记录。CD-RW盘片的刻录层由银、铟、锑、碲合金构成，是具有约20％发射率的多晶结构。相变光盘的改写原理相变光盘利用物质的原子排列特性，在一定的条件下，原子可呈规则或不规则排列状态，我们把这种状态称为晶相和非晶相。因这两种晶相是可相互转换的，所以称为相变光盘。CD-RW驱动器的激光头有两种波长设置，分别为写（P-Write）和擦除（P-Eraze），通过调节激光的强弱使材料的晶相转换从而进行数据的写入和擦除，并通过探测晶相和非晶相不同的反射率（分别用0、1表示）读取数据，具体过程是：1、CD-RW中的相变记录层的记录膜在出厂时处于晶体状态，光反射率高。写入时，晶相状态的记录材料受到大功率激光照射而溶化（熔点大约600C），其原子排列变为无序化状态，然后再以大于3.6K/ns以上冷却速度的急剧冷却固化，即表示写入数据。2、读取数据时，只需要采用较弱的激光功率，根据反射光的反射率判别是0还是1。3.擦出数据时，用中等强度的激光束照射记录膜，使其温度上升少许，记录膜又返回晶体状态，数据被擦除。磁光盘存储技术磁光盘存储技术是1877年KERRJ发现的，29世纪80年代后期迅速商品化，磁光盘MOD（Magnet-OpticalDisk）的擦写寿命可达1000万次，盘面直径有50.8mm（2英寸）、64MM（MD）、86MM（ISO3.5英寸）、130MM（ISO5。25英寸）等。磁光盘的基本结构磁光盘的基本结构包括：聚碳酸脂盘基（1.2mm）、SiNx保护层（100nm）、Tb20Fe74Co6磁性记录层（40nm）、Al合金层（40nm）、紫外硬化树脂保护层（5um），通过不同的磁性层设计以求得高纪录密度。磁光盘改写原理光磁盘的改写利用了激光与磁性共同作用，它以磁畴的磁化方向来表示记录数据的，常温下的磁畴具有10kOe的矫顽力，随着温度的升高，矫顽力将迅速变小，当温度上升到居里温度（矫顽力降为0时的温度）时，磁畴的磁化方向随外部磁场的改变而改变。磁光盘利用激光照射改变磁畴的磁化方向进行数据的改写，即连续照射激光，将记录膜的温度提高到居里温度，使矫顽力降为0，从而磁畴磁化方向受磁场影响全部向下，表示写入“0”。记录数据时，使磁场方向转向，受强激光照射部位的磁化方向随磁头方向的改变而向上，表示写入数据“1”。读数据采用小于记录和擦除时1/7的弱激光，反射光的偏振面将随磁畴磁化方向的改变而旋转，顺时针旋转表明数据1，反时针为0。利用偏振光分束器转换成光强度的变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成数据的读取。8.3DVD存储技术8.3.1DVD的存储技术对于只读式DVD光盘，与只读式CD光盘一样，由专业化工厂规模生产。在可写的DVD中，主要有三种标准：DVD-RAM、DVD-RW和DVD+R/RW。DVD-RAM（Re-WritableDVD）是可重写式DVD，DVD-RAM的优点是技术先进，格式化时间很短。DVD-R/RW是被DVD论坛认证的第二个DVD刻录技术，DVD-R/RW兼容性好、成本低，但是因刻录技术跟不上发展需要而被淘汰。

DVD+R/RW没有被DVD论坛所接纳。由于DVD-RW和DVD+RW将地址信息隐藏在轨道中，从而实现了物理格式与DVD-ROM的兼容。DVD盘片的介质DVD-RAM光盘是否稳定可靠，记录介质是关键，而材料设计能否满足高速存储的要求，又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变。传统的相变介质材料设计都是基于激光的热效应，信息写入用液相快淬实现，信息擦除则通过晶核形成、晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程，所以写入所需的时间较长，而且介质上的反复擦写会降低信噪比。新的记录介质设计基于激光的光效应。记录信号的激光采用较短的波长，通过激发激光光子的方式来实现读写。可以说这种记录介质是建立在非线性光学双稳态变化效应上的，也称之为光双稳态记录介质。由此，所选择的材料可以是无机材料、有机材料或复合材料。图8-3DVD+RDL盘片DVD刻录原理DVD-R盘片的刻录原理与CD-R相似，DVD-RAM的刻录原理与CD-RW相同。双层的DVD-RDL盘片如图8-3所示。那么DVD+RDL盘片是怎样刻录的呢？主要通过增加的L0层来增加数据存储容量，这个存储层是由刻录片的同一面来存取。每一个数据刻录层都是由一个薄薄的有机染料薄膜所组成的，当激光束进行加热，染色记录材料会吸收激光能力从而改变它的化学结构或者颜色，就产生刻录的效果。这些经过刻录的凹槽构成了和DVD-ROM相应的凹点，DVD-ROM读取光盘时将检测这些刻录标记。刻录技术近年来，刻录技术中注入了刻录保护技术和刻录控制技术，使光盘刻录的安全性和稳定性得到了极大的提高。刻录保护技术刻录保护技术，也就是防刻死技术。一般情况下，单独运行刻录程序，可以避免“缓存欠载”错误的发生，也就是当缓存中的数据被全部刻录之后，没有可供刻录的数据时所发生的异常。另外，如果增加缓存容量，也可以降低缓存欠载的可能性。使用防刻死技术，或称之为烧不死技术能够真正从根本上解决缓存欠载。主要原理是：在操作系统正常和不改变刻录机的状态的前提下，当出现BufferUnderRun的时候，刻录机暂停刻录动作，并记录刻录中断的位置，等缓存中的数据量补足时恢复暂停的刻录动作。目前世界上较为可靠和成熟的防刻死技术有3种：Burn-Proof、JustLink以及SeamlessLink。这3种防刻死技术所使用的原理大致相同，都是通过暂停、重启激光刻录头的动作来完成其对缓存中数据的充填。刻录控制技术在防刻死技术中，为了保证暂停和继续刻录间的数据间隙足够小，以便后续数据被顺利地读取和刻录，需要一系列控制技术，在缓存的数据量、暂停时间和激光刻录头的动作各个方面进行准确控制。智能激光控制技术（SmartLaserDriver）：它是将设计在电路板上的刻录控制电路改在光头组件上，有效地解决了刻录时信号传输的延迟和损耗而造成的精确度问题，从而大幅提升高速写入的品质。刻录控制技术主要包括：液晶补正技术（Liquid-CrystalTiltCompensator）：该技术将消除因为光盘片本身翘曲或厚度的参差不齐造成读写精确度降低的现象，透过液晶补正机构，仍然可以高速完成精确的刻录和读取工作。加强型动态谐振吸收技术（UltraDynamicResonanceAbsorber）：该技术能充份降低盘片高速转动的振动效应，维持高精度的服务系统在高速读取及刻录时的稳定性。高精度刻录技术（Precisionrecordingtechnology）和分布式即时错误管理技术（DRT-DM）：该技术是在刻录过程中,全程实时监控,根据情况调整调整刻录功率,达到优化刻录性能的目的。8.3.2DVD编码技术在多媒体应用中，设计到音/视频的压缩、解压缩、处理和表示等技术，编码技术解决的重点问题是数字音/视频海量数据（即初始数据、信源）的编码压缩问题，它是其后数字信息传输、存储、播放等环节的前提。为了保护多媒体原创节目的版权，DVD编码技术中加入了重要的加密防拷技术，它主要包括“数码加密”和“类比加密”两部分。数码加密（CSS）数码加密（CSSContentScramblingSystem，数据干扰系统）是对存入DVD影片中的数据要经过数据干扰编码，编码后的DVD影片数据被CSS保护，使得播放这些影片时必须先经过解码。DVD影片不再如传统的VCD，可以直接用播放工具打开文件进行播放。播放受CSS保护的影片数据，必须通过合法的解码程序。现在CSS防止拷贝的限制将DVD影片分成了6个区，如表8-2所示：区码区域范围1区加拿大、美国2区日本、欧洲、中东、埃及、南非3区东南亚、东亚4区澳洲、新西兰、南太平洋群岛、中美洲、墨西哥、南美洲5区非洲、印度、中亚、蒙古、前苏联、北朝鲜6区中国类比加密（APS）类比加密（APSAnalogProtectionSystem，类比信号保护系统）是保护DVD影片以防止使用录像机进行拷贝。为了防止人们通过录像机拷贝或者想从计算机上转送到电视上去播放，在DVD影片内设置一个APS，它主要是通过加入一块Macrovision7的芯片，利用特殊信号干扰录像机或电视机的功能。8.3.3DVD音频/视频标准DVD-ROM驱动器采用国际通用的活动图像压缩标准MPEG-2（ISO/IEC13818），其系统码流传输数据的速率是可变的（1Mbps～10.7Mbps）。DVD-Video的常见指标如下：1、画面画面的长宽比有3种方式可选择：全景扫描、4:3普通屏幕和16:9宽屏幕方式。2、清晰度清晰度由带宽决定，而视频带宽由制式决定。NTSC电视制式的画面清晰度为720像素/行×576行/帧，30帧／秒，PAL电视制式的画面清晰度为720像素/行×488行/帧，25帧／秒。而用MPEG-2中的高级规范，将获得更高清晰度的画质。3、系统码流DVD-ROM驱动器的系统码流由3部分组成：主视频码流、子图像码流和音频码流。整个系统码流的最大数据传输速率可达10.08Mbps。4、多种播放功能DVD-ROM驱动器具有多故事结局欣赏、多角度、变焦调节、父母锁定控制、版权保护等功能。8.4高密度技术由于能进行多媒体数据的改写型光盘越来越受欢迎，发展高密度大容量化的多媒体存储技术将成为未来的研究方向。8.4.1短波激光技术从提高光盘的存储容量的角度出发，还可以考虑在激光和记录层方面进一步改革。采用短波激光和大数值孔径的物镜技术，可缩小激光束光斑，记录标记和轨道间距也就成比例地缩小，从而可提高光盘的刻录密度，增大了光盘容量。目前的DVD录像机在播放和记录时使用的是波长为650nm的红色激光，新一代的DVD将使用基于蓝光的激光束和新的涂层盘面，蓝色激光的波长缩短到405nm，可对光盘进行更高密度的记录。从记录点来看，目前DVD标记的大小为0.4μm，而蓝色激光标记的大小降为0.14～0.2μm。在用于蓝色激光的光盘上，也已经成功地开发了在一张光盘拥有两个记录层的“双层技术”，这种双层技术是在距光盘表面75μm与0.1mm处各设置一个记录层获得的。从而改变了以前激光通过两个记录层时，由于降低了透过率与反射率而减少了第二层的记录容量的状况。但是，蓝光DVD碟片的最大弱点是耐磨性差。8.4.2磁超分辨技术高分辨率读出技术是高密度光盘技术的关键。目前，由于光学分辨率等问题，记录密度一直受到读出技术的制约。例如，使用680nm的激光，在光盘的界面上所产生的光斑为1um，可记录下的信号标记的尺寸为0.08um。然而，现有的光学系统中，读出信号的光斑尺寸大于了记录标记的尺寸。

磁超分辨（MSR:Magneticsuperresolution）技术能够解决微小标记的读出问题，它以一个新的层结构构造磁光盘，并使用磁隔离方式，掩盖进入光斑内的多余磁畴标记，从而提高了标记读出的分辨能力，其最佳可分辨尺寸大约为200nm。MSR磁光盘的组成MSR磁光盘的磁性层结构如图8-4所示，包括：记录层（TbFeCo）、开关层或称磁掩盖层（TbDyFe）、回放层（GdFeCo）。记录层用于记录数据，其矫顽力和距离温度相对较高。回放层用来读出数据，但须通过开关层复制出记录层的数据。开关层即控制层，控制记录层和回放层之间的数据交换，该层的居里温度设定为150℃。图8-4MSR磁光盘的结构MSR磁光盘改写原理室温下，受初始磁场的影响，回放层中低矫顽力的磁畴呈一个方向磁化，又由于开关层面磁畴壁的掩盖，回放层不能复制出记录层的数据。2.标记刚进入光斑时，仍处于低温，开关层同样处于关闭状态。3.标记出升高到150度，开关层界面磁筹壁消失，记录层的信号被复制到回放层。4.温度超过150度，开关层关闭。5.光斑移离信号标记，进行下一个信号读出。1.光斑尚未经过记录磁筹标记，光盘处于室温状态。MSR磁掩盖技术利用读光斑内的居里温度点来读出信号的，这个温度点上的光斑如同一个“细孔”，它屏蔽了光斑内多个记录信号仅抽取了“细孔”中的那个信号。当读出激光束照射到光盘上，光盘上的光斑内形成空间温度分布，只有温度升高到居里温度150℃的那个标记点处，开关层面的磁畴壁会消失，此时就可将记录层的信息复制到回放层后读出。但当温度超过150℃，开关层立即关闭。8.4.3磁放大技术使用蓝光等短波长激光，可以使记录标记越来越小，标记在读出光斑中所占的面积也越来越小，即使采用磁超分辨技术，读出信号强度也会很低，精确度也会降低。为了解决光学分辨率和读出信号强度低的问题，日立万胜的栗野博之提出了磁放大磁光系统（MAMMOS：MagneticAMplifyingMagnetoOpticalSystem），主要通过从外部施加热能或磁场，将要读出的磁畴放大到读出光斑大小，同时保证了记录的读出强度。图8-5磁放大原理图目前MAMMOS技术结合红光激光已实现20GB/in2的记录密度，最小记录点尺寸小于200nm，接近或小于光衍射极限。MAMMOS磁光盘的读出信号强度是普通磁光盘的5倍、是MSR磁光盘的2倍。MAMMOS磁光盘的磁性层包括GdFeCo读出层、SiN、Al合金组成的开关层和TbFeCo记录层。开关层决定信号的频率特性。利用磁放大读取数据时，首先激光照射加热记录层，通过开关层、记录层和读出层发生磁耦合，微小的记录磁畴被复制到读出层。然后从外部给复制层磁畴施加磁场，将其放大到光斑大小后读出。当读出结束后，再施加反相磁场，缩小被放大的磁畴。示意如图8-5所示。图8-5磁放大原理图8.4.4磁畴壁移动检测技术日本佳能公司的白鸟力等在1997年首次提出了磁畴壁移动检测技术，利用磁畴壁的移动来放大磁畴从而读取记录信号。磁性记录层一般由三层组成：小矫顽力的移动层、居里温度相对低的开关层和矫顽力较大的记录层三交换耦合膜构成。在室温下，由于三层之间的交换耦合，各层的磁畴状态相同。如果用激光加热局部的记录膜，当温度超过开关层的居里温度时，开关层磁性将消失，因而切断了移动层与存储层之间的交换耦合。此时移动层失去了开关层交换耦合的支持，而因温度分布不均将产生一个驱动力，一旦此驱动力超过了移动层的矫顽力，移动层上残留的非闭合型磁畴壁便会向高温测移动，磁畴标记便得到放大，因而也提高了读出的分辨率。读出的分辨率取决于温度和磁畴壁移动的距离，与记录磁畴的大小和光学分辨率无关。在采用放大读取技术DWDD（DomainWallDisplacementDetection磁壁移动检出方式）的光磁盘上，分辨率最小记录磁畴尺寸可达到0.075um，用406nm波长的激光，在光盘的界面上所产生的光斑为0.55NA（纳米），已经实现了每平方英寸15GB(Gb/in2)的高密度，其读出的分辨率也是纳米级的8.4.5近场光存储技术什么是近场光？近场光就是光通过比光波长还小的微细端口时，端口附近会渗出的一种及其微小的光斑。利用近场光可观察到几十纳米那么小的物质，其分辨率取决于端口的微细程度和端口与观察对象之间的距离。超分辨近场结构（SRENS：Super-ResolutionNear-fieldStructure）有孔径型和散射型，它们都采用Ge2Sb2Te5相变材料，不同的是掩盖层使用的材料。图8-6孔径型SRENS孔径型SRENS如图8-6所示，采用锑膜作掩盖层，锑膜通常呈结晶状，不透明，如果受强激光照射，它将变成非晶相于是其折射率发生变化而变得透明，结果是锑膜上的光斑中心点形成微小的光学孔径。图8-7散射型SRENS散射型SRENS如图8-7所示，采用氧化银作掩盖层，氧化银本身是透明的，受强激光照射后分解成氧和银，结果在激光斑点的中心形成微小的银粒，这种银粒就是近光常的发生源，使端口附近产生微小的光斑，光斑通过后，分解的氧和银又还原程氧化银。实验表明，利用孔径型和散射型SRENS方式，可使分辨率最小标记长达到60nm，这意味着可实现40倍（200GB）于DVD-ROM的高记录密度。近光场存储技术不仅是超分辨的记录标记得读出技术，也是高密度的记录技术，可以实现数百GB/in2乃至数百Tb/in2的高存储密度。8.5网络存储技术网络存储技术可以帮助用户更加有效地管理和使用他们的存储资源。将来，绝大部分数据都会以网络存储的方式流通于网络。早期主要采用直接连接存储DAS，今后存储域网络SAN、网络附加存储NAS和StorageoverIP将彼此共存，互为补充，其中StorageoverIP将成为存储市场最主流的技术。8.5.1直接连接存（DAS）DAS是一种直接连接存储，存储设备为一个RAID，标准的连接方式是通过SCSI接口一对一地将存储设备直接连接到一台计算机上。RAID（RedundantArrayofIndependentDisks）是独立磁盘冗余阵列。RAID是一种把多块独立的硬盘按不同方式组合起来形成一个逻辑硬盘，从而提供更高的存储性能和提供数据冗余。数据冗余的功能是可以使损坏数据得以恢复，从而保障了用户数据的安全性。如图8-8所示，可为局域网（LAN）中的每个服务器做好备份。图8-8局域网（LAN）上的DAS备份服务器存储设备磁带机DAS直接连接存储特点：系统结构变化小，投资少。只需增加新的阵列、新的SCSI卡，通过SCSI卡连接服务器和磁盘阵列，通过现有的服务器处理共享存储阵列，对服务器性能要求很高。缺点是对服务器的压力增大，数据分散，而且只提供基于某个平台的查询，对于其他平台的用户请求，必须经过软件的转换，但是数据管理和访问都极不方便。随着存储需求的不断扩大，服务器和存储设备不断增加，DAS环境管理上产生了巨大的负担，并导致资源利用率降低。人们希望可以找到一种新的数据存储模式，使存储设备独立于服务器，同时具有良好的扩展性、可用性、可靠性，以满足今后数据存储的要求。新型的SAN（存储网络）与NAS（网络存储）都是在DAS的基础上发展起来的，是具有两种不同框架结构的网络存储模式，它们代表着数据存储模式中的两个主要发展方向。为从根本上改变已有的存储结构与存储管理方式提供了重要的条件，数据存储市场的发展，使得以服务器为中心的数据存储模式逐渐向以数据为中心的数据存储模式转化。8.5.2存储域网络（SAN）SAN（StorageAreaNetwork）存储区域网。它是以数据存储为中心，采用可伸缩的网络拓扑结构，通过具有高传输速率的光通道的直接连接方式，提供SAN内部任意节点之间的多路可选择的数据交换，实现存储区域网内的数据存储集中管理，常常被称为服务器后面的网络。SAN支持远距离通信，使存储成为可由所有服务器共享的资源。允许多个服务器进行串行或并行地访问同一个存储设备，也支持服务器之间的高速大容量数据通信，还允许各个存储子系统互通，无需服务器参与进行数据传输，包括跨SAN的远程设备镜像操作。

它通过专用的集线器、光纤交换机和网关建立起与服务器和磁盘阵列之间的直接连接。SAN的接口可以是企业系统连接（ESCON）、小型计算机系统接口（SCSI）、串行存储结构（SSA）、高性能并行接口（HIPPI）、光纤通道（FC）或任何其它连接方法。如图8-9所示，是在局域网（LAN）上建立的SAN。媒体备份服务器主要的备份服务器图8-9局域网（LAN）上的SAN磁带机应用通道SAN存储区域网的特点：1、数据库数据可以直接通过FC通道经交换机写入存储设备，数据传输速率快。2、专用的在线备份恢复软件提高了数据安全性。3、集中式管理软件允许远程配置、监管，容量可以按需扩展。4、可同时连接UNIX、NT和NetWare各种服务器。5、管理需要有专用的管理机，所有的管理软件都要另外购买，整体成本提高。6、用户端之间的所有数据交换都要经过服务器，服务器性能会有所下降。8.5.3网络附加存储（NAS）NAS（NetworkAttachmentStorage）网络附加存储。它是一种特殊的专用数据存储服务器，内嵌系统软件，可提供跨平台文件共享功能，如图8-10所示。NAS完全以数据为中心，将存储设备与服务器彻底分离，集中的数据管理方式，有效地释放了信道，从而极大地提高了网络的整体性能。图8-10可跨平台的NAS网络附加存储WINDOWSNT工作站UNIX工作站NAS作为数据存储的网络专用存储设备，内部包括核心处理器，文件服务管理工具，一个或者多个的硬盘驱动器。它适用于任何网络环境，无需服务器就可以直接上网，也与用户端的操作系统无关，可以通过标准的网络拓扑结构直接连接到计算机网络上，因此也被称为网络直联存储设备、网络磁盘阵列。服务器和客户机可以很方便地在NAS上存取任意格式的文件，包括SMB格式（Windows）NFS格式(Unix，Linux)和CIFS格式等等。NAS系统会根据服务器或者客户机发出的指令去完成专用存储设备内部的文件管理。同时，NAS存储系统可以建立数十以上的相对独立的文件系统，并对资源进行定额限制，设置不同级别的安全管理机制。NAS网络附加存储的特点1、高速的数据存储速率。千兆网络可以把NAS数据库存储速率提高，和FC不相上下。2、拥有磁盘保护技术。NAS也有自己的磁盘保护技术，具备了磁盘阵列高容量、高效能、高可靠的主要特征。能根据数据磁盘损坏进行相应地处理，以保护数据的完整性。4、使用方便。NAS安装简单、即插即用，无须专门的管理软件。5、高性价比。在某些领域数据备份可以和磁带同等的成本，整体花费比SAN低很多。6、缺点是不适应大型数据库的应用。因为NAS技术基于文件传送，而数据库是基于数据块传送。8.5.4网络存储综合根据以上的内容，我们在主要的性能上进行比较，如表8-3所示，相对于DAS来说，SAN更简单、有效和可靠地利用存储资源，提高了存储设备和服务器连接的灵活性和可扩充性，提高了吞吐量、节约了时间和资金。表8-3网络存储性能比较性能DASSANNAS数据传输率较高（SCSI）高（FC、SCSI）较低（可使用千兆网）数据管理不容易需要特殊管理软件容易，可通过浏览器数据存储分散