16多媒体硬件环境光盘技术

24三月202416多媒体硬件环境光盘技术7.1光存储设备2文本动画图形影像声音37.1.1光盘的发展

CD工业史上的几件大事20世纪70年代初期开始研究利用激光来记录和重放信息1978年正式投放市场并命名为

LV(LaserVision)的光盘播放机1982年成功推出CompactDisc（CD），制定“红皮书(RedBook)标准”。1985年前后成功地把CD-ROM推向市场4CD系列产品(图)目前市场上的CD产品5(表)部分CD产品标准标准名称盘的名称应用目的播放时间显示的图像RedBook(红皮书)CD-DA存储音乐节目74分钟

YellowBook(黄皮书)CD-ROM存储文图声象等多媒体节目存储650MB的数据动画、静态图像、运动图像GreenBook(绿皮书)CD-I存储文图声象等多媒体节目存储多达760MB的数据动画、静态图像OrangeBook(橙皮书)CD-R读/写入文图声象等多媒体节目

WhiteBook(白皮书)VideoCD存储影视节目70分钟(MPEG-1)数字影视(MPEG-1)质量RedBook+(红皮书+)CD-Video存储模拟电视数字声音5～6分钟(电视)20分钟(声音)模拟电视图像数字声音CD-BridgePhotoCD存储照片

静态图像BlueBook(蓝皮书)LD(LaserDisc)存储影视节目200分钟模拟电视图像61.LV(LaserVision)激光视盘

它是最早研制成功并投放市场的光盘。在此光盘上记录的是模拟电视信号，其中模拟图像信号和模拟伴音信号均经过调频后记录在光盘上。记录在盘上的信号是以盘面上的凹坑来表示的。后来LV又被LD(LaserDisc)所代替。现在普遍称这种光盘为LD，或镭射影碟。LD有直径30cm和20cm两种规格，其播放机与电视机连接，可播放高质量图像和高保真音乐。72.音频CD和MD

音频CD就是人们常说的激光唱盘，它经过近20年的发展，已进入成熟期。它也是对音频信号进行模拟记录。CD的规格有直径12cm和8cm两种，它们早已进入家庭音响中。

MD也是一种音频激光唱盘，与CD不同的是它的尺寸更小，携带更加方便。MD的直径只有6.4cm，但存放的信息足以播放74分钟的音乐节目。83.CD-G(CompactDiscGraphic)

这种激光盘又称卡拉OK盘。它利用音频CD盘片上的剩余通道来记录画面、文字等信息，在播放音乐的同时，可以产生静止的图像画面和歌词文字。因此，这种播放机在播放CD-G光盘时可以和电视机相连接，这对喜爱卡拉OK的人来说是很方便的。94.CD-V(CompactDiscVideo)

与前面所提到的LD类似，CD-V能播放活动图像和音乐，但它是LD系列的扩充和改进。它与LD的最大区别在于CD-V盘上的立体声不再是模拟信号而是数字信号。因此，在盘上视频信号采用模拟信号而音频信号采用数字信号。CD-V盘可向下兼容LV，通常有12cm、8cm和30cm三种规格。105.CD-DA(CompactDiscDigitalAudio)激光唱盘

CD-DA标准是全数字化音响激光唱盘的标准，是在此前各公司经过激烈竞争后达成的标准，它以红皮书的形式于1982年公布。

CD-DA首先将音频信号进行采集、编码，而后将二进制编码进行8～14位调制后记录在光盘上。尽管红皮书只是对激光数字音响制定的标准，但它对后来的许多标准都有着直接影响。116.CD-ROM(CompactDiscReadOnlyMemory)光盘只读存储器CD-ROM主要用作计算机的外部存储器。起初，它只记录计算机可读出的文字信息，而现在光盘则包括全数字化文字、声音、图形、动画及全动态视频影像。当它用于存放文本、程序等方面的数据时，可提供550MB的存储空间；当用于存放电视图像、声音等数据时，可提供680MB的存储空间。12 CD-ROM是只读的，且容量大、可随机读出，查询方便。它可以存储各种数据，例如各种软件、声音、图像，以至于字典、教科书等，用于视听教育、新闻、医疗等各个领域。其发展已形成一股巨大的世界潮流，对人们的生活产生了极大的冲击。 CD-ROM标准于1985年以黄皮书的形式公布。为进一步完善黄皮书的标准，ISO于1987年公布CD-ROM的ISO9660标准。在这两个标准支持下，CD-ROM得到越来越广泛的应用。137.CD-I(CompactDiscInteractive)交互式光盘

利用CD-I播放系统可以实现人机对话。这是一套独立的CD-ROM标准，以绿皮书的形式于1987年公布。 CD-I是针对第二代家庭教育、娱乐电子产品的目标进行设计和开发的，希望它能走进千家万户。同时，CD-I也在不断修改，以适应技术和市场发展的需求。148.CD-ROMXA(CD-ROMeXtendedArchitecture)

CD-ROMXA是由Philips、Sony和Microsoft公司于1988年公布的多媒体数据格式。它保留了ISO9660文件结构及黄皮书所规定的物理扇区结构，可实现计算机数据、图像、声音的光盘记录，达到图像、声音、文字的同步播放。159.PhotoCD PhotoCD是以数字方式将彩色照片存放在光盘上的一种手段。通过它使用者可以在计算机的显示器或电视机上欣赏高清晰的彩色照片。它采用的记录标准与CD-ROMXA相同。 可以想象，存放在PhotoCD光盘上的照片绝无变色和霉变的可能，因而它可以用来长期保存照片。1610.CD-R(CompactDiscRecordable)可记录光盘

这种光盘允许写一次，将数据写入后便可以永久性地保存下来。写入CD-R上的数据可以多次读出。因此，CD-R也叫做CD-WORM(CompactDiscWriteOnceReadMany)一次写入型存储器。

CD-R光盘价格比较低。当需要少量制作CD-ROM时，可购买未写过的CD-R原始盘，利用专门的光盘写入(记录)设备进行CD-R的写入。一旦写入数据后，CD-R就变成了CD-ROM。这对少量制作CD-ROM是一种快捷的方法。1711.VCD(VideoCompactDisc)

VCD又称为小影碟。利用VCD既可看电影又可唱卡拉OK。VCD上的信号是按照MPEG-1标准进行压缩处理并记录的。记录在VCD光盘上的图像和伴音信号可以在VCD播放机、CD-1播放机或CD-ROM驱动器上播放，其图像和伴音的质量已达到或超过目前的普通录像带或激光视盘的水平。 VCD标准由数家有实力的大公司联合制定，并于1993年10月以白皮书的形式公布。1812.DVD(DigitalVideoDisc)数字视盘

DVD是一种全新的以MPEG-2为标准的数字视盘。由于它以MPEG-2为标准，因此具有高质量的图像画面。而且，DVD视盘的记录容量比CD-ROM大几倍到几十倍，播放时间达几小时。DVD硬件及软件均已解决，它代表着激光视盘今后的发展方向，现已经大量出现。 为了推动DVD的发展，在美国大型计算机公司和大影业公司压力下，代表不同数字视频光盘(DVD)标准的两大阵营日本东芝公司和索尼公司经过艰苦的谈判和磋商，终于在1995年9月达成统一的DVD标准协议。这样，代表第三代高画质CD的DVD必将主宰21世纪的影视设备。1913.MO(Magneto-Optical)磁光盘

与以上所描述的光盘不同，MO具有可读写功能和很大的存储容量。可见，MO既具有硬磁盘的多次读写及大容量功能，又具备光盘防磁、抗湿及高可靠性的特点。 磁光盘利用磁和光两种技术实现大容量读写存储功能，且今后会继续从增加容量和提高读写速度等方面得到发展。2014.PCD(PhaseChangeDisc)相变光盘

与磁光盘原理不同，PCD只是利用光学技术来实现对数据的写入和读出。相变光盘的读写比较简单，其驱动器实现也比较容易，预计它有可能成为外存技术的主流。2115.FD(FlopticalDisk)光软盘

FD是一种软盘，而且其记录信息原理依然是传统的磁记录原理，所不同的是它采用光学技术对读写磁头进行定位。 由于FD采用光学技术进行定位，而光学技术定位使磁道密度相对要密一些，因此，光软盘比一般软盘的密度要大一些。22(图)CD盘的结构7.1.2光盘的存储原理237.1.2光盘的存储原理CD盘片的结构主要有：印刷层、保护层、反射层、染料层和塑料基底层组成。(图)CD盘片的结构24塑料基底层，一般由聚碳酸酯制成。它占有整个盘片中最多的体积，是形成盘片强度和形状的关键。染料层，是光盘最关键的部分，该层是刻录和保存数据的层面，光盘的质量就取决于该层的质量。反射层，用来反射激光束。保护层，防止盘片的数据层和反射层遭到各种意外破坏。25CD盘的光道结构

软磁盘CD光盘磁道是同心环螺旋型光道恒定角速度(CAV，constantangularvelocity)恒定线速度(CLV，constantlinearvelocity)磁头相对于磁道的速度(称为线速度)不同角速度在光盘内外区不同控制简单，便于随机存取随机存储特性较差，控制也比较复杂存储器没有达到应有的存储容量已达到它应有的数据存储容量软磁盘与CD光盘的比较26(图)CD盘的光道（A）和磁盘的磁道（B）27光盘信息的形成

光盘用燃料层上的凹坑和非凹坑来存放信息。 在光盘上，是用数字(1,0)形式存放信息的，但是，并不是用凹坑和非凹坑来表示0或1，而是用凹坑的前后沿表示1，用凹坑和非凹坑的持续长度表示0的个数。也可以这样说，凹坑的改变为1，不改变的长度为0的个数。这种技术可用下图来说明。2829 由上图可以看到，由凹坑到非凹坑或由非凹坑到凹坑，在通道位上形成1，而凹坑或非凹坑的持续长度形成若干个0。 同时，从上图所描述的情况看，尚不能用这种方法来直接记录二进制信息。当二进制信息中有连续两个以上的1存在时，将无法进行记录。为此需要将要记录的数据进行转换，即进行EFM编码。30光道上凹痕示意（1微米1μm＝10-6m）1.6μm

0.5μm31数据是怎样写入到CD盘上的(图)原版盘制作示意图32数据是怎样从CD盘读出的(图)光学读出头的基本结构(图)CD盘的读出原理33因此，光盘存储原理可以描述如下：当高能量的激光（写入）光束照射在存储介质单元上时，形成气泡，构成光盘轨道上的“坑”与“岸”，即写入二进制数据；当读出激光光束照射在存储介质单元上时，其反射率强度随着“坑”与“岸”的交替而产生变化。一般说来反射率发生变化的的区域代表二进制代码1，其余区域代表二进制代码0。347.1.3光存储的类型只读型光存储系统只读型光盘包括LV和CD-ROM等。CD-ROM（CompactDisc-ReadOnlyMemory）只读式压缩光盘，其技术来源于激光唱盘，形状也类似于激光唱盘，能够存储650MB左右的数据。用户只能从CD-ROM读取信息，而不能往盘上写信息。357.1.3光存储的类型一次写型光存储系统一次写（WORM）光存储系统可一次写入，任意多次读出。与CD-ROM相比，它具有由用户自己确定记录内容的优点。支持逐次写入光盘内容一次写型光驱一次写型光盘367.1.3光存储的类型可重写型光存储系统可重写光盘（E-R/W，Erasable-Read/Write）像硬盘一样可任意读写数据。分为两种磁光型（MagneticOptical，简称MO）相变型（PhaseChange，简称PC）两种形式。377.1.4光存储系统的技术指标尺寸LV的直径为12英寸（300mm）CD激光唱盘和CD-ROM为4.72英寸（120mm）WORM一次写光盘为14.12英寸和5.25英寸可擦写光盘向小尺寸方向发展，主要尺寸为5.25英寸和3.5英寸。387.1.4光存储系统的技术指标容量格式化容量格式化容量是指按某种光盘标准进行格式化后的容量。对于SONY的SMO-D501光盘，若格式化使每个扇区为1024B，格式化容量是325MB，而采用每扇区为512B，格式化容量只有297MB。

397.1.4光存储系统的技术指标用户容量用户容量是指盘片格式化后允许对盘片执行读写操作的容量。CD-ROM的容量为550MB和680MB。由于光盘外圈5mm区容易出错，所以有些CD-ROM的容量标为550MB。

407.1.4光存储系统的技术指标平均存取时间平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始，到光盘驱动器在光盘上找到需读/写的信息的位置并接受读/写命令为止的一段时间。平均寻道时间光学头沿半径移动全程1/3长度所需的时间为平均寻道时间。417.1.4光存储系统的技术指标平均等待时间盘片旋转半周的时间为平均等待时间。把上述平均寻道时间、平均等待时间和读/写光学头稳定时间相加，就得到平均存取时间。

427.1.4光存储系统的技术指标数据传输率数据传输率数据传输率一般是指单位时间内光盘驱动器送出的数据比特数。该数值与光盘转速和存储密度有关。CD-ROM，其数据传输率已从初期的150KB/s提高到6MB/s（40倍速）以上。单倍速的光驱读取的最大数据量为150KB每秒，这个值是一个基准，以后的光驱的倍速是多少，就用这个倍速值乘以150KB。

同步传输率、异步传输率和DMA传输率

数据传输率也指控制器与主机之间的传输速率。它与接口规范和控制器内的缓冲器大小有关。SCSI接口的同步传输率为4MB/s，异步传输率为1.5MB/s。AT总线规定的DMA方式的传输率为1MB/s。437.1.4光存储系统的技术指标突发传输率

从光驱缓存中读取数据的速率。光盘驱动器中都包含有一个缓冲存储器。为了提高数据传输率，读数据过程中先把数据存入缓冲器，再进行集中传送；如果下次读取同一内容，就不必从光盘上去读取，直接把缓冲器中的数据传送给主机就可以了。447.1.4光存储系统的技术指标持续传输率

当传送的数据量很大时，缓冲器就起不到提高传输率的作用了，这时的传输率称为持续传输率。它表示光盘上的数据起始位置找到后，把数据从光盘上读出的速度。457.1.4光存储系统的技术指标误码率

采用复杂的纠错编码可以降低误码率。存储数字或程序对误码率的要求高，存储图像或声音数据对误码率的要求较低。CD-ROM要求的误码率为10-12～10-16。平均无故障时间(MTBP)要求达到25000小时。

467.1.5

CD-ROM光存储系统

CD-ROM驱动器基本构成：

光学头：使激光束聚焦并沿光道前进。

转动板：使光盘根据要读的数据的物理位置以不同的速率旋转。

控制器：控制焦点、光道、旋转板马达、旋转速率以及控制用户输入等功能。

信号处理器：对从光盘上读取的数据进行解码和纠错处理。

477.1.5CD-ROM光存储系统CD-ROM驱动器的系统方框图光头旋转马达聚焦、光道跟踪和定位侍服EFM解调器去交插和内插CLV控制CIRC错误校正RAM同步检测器反变频器RAM控制器RAM错误校正和系统管理系统控制接口主机CD-ROM盘数字信号处理反变频及驱动控制487.1.5CD-ROM光存储系统光学头：光学头（opticalpickup）是CD-ROM驱动器的关键部件。聚焦侍服：为使激光束的聚点落在光盘的信息面上，CD-ROM驱动器采用自动聚焦伺服系统来实现。EFM解调：从聚焦司服系统输出的数据信号是经过EFM调制后的信号，EFM解调过程是EFM调制过程的逆过程。497.1.5CD-ROM光存储系统光道跟踪侍服：为了确保聚焦光束能沿着光道间距为16um、凹坑宽为0.5um左右的螺旋形光道正确读出信息，CD-ROM采用径向光道跟踪技术，以克服光盘可能多达300um的偏心，使道跟踪精度达到0.1um。CLV侍服：由于CD-ROM盘要以恒定线速度（CLV）旋转，这就意味着，驱动光盘旋转的驱动马达的速度要随光头所处的位置而变化。50CD-ROM盘片的结构51CD-ROM的基本原理激光头聚碳酸酯片基铝反射层标签表面聚焦透镜激光源数字信号电信号光电转换译码数据凹坑激光盘教学进程52(图)CD-ROM上信息的形成537.1.6CD-R光存储系统CD-R盘片的物理层次CD-R光盘将反射用的铝层改用24K黄金层（也可以是纯银材料），另外再加上有机染料层和预置的轨道凹槽。

轨道凹槽547.1.6CD-R光存储系统CD-R的刻录和读取原理

CD-R刻录是将刻录光驱的写激光聚焦后，通过CD-R空白盘的聚碳酸脂层照射到有机染料的表面上，激光照射时产生的热量将有机染料烧熔，并使其变成光痕（mark）。当CD-ROM驱动器读取CD-R盘上的信息时，激光将透过聚碳酸酯和有机染料层照射镀金层的表面，并反射到CD-ROM的光电二极管检测器上。光痕会改变激光的反射率，CD-ROM驱动器根据反射回来的光线的强弱来分辨数据0和1。557.1.6CD-R光存储系统CD-ROM和CD-R比较：CD-R的数据记录在染料层，而CD-ROM的数据记录在反射层；CD-R和CD-ROM都是通过盘片的形变来记录数据的；CD-R和CD-ROM相互兼容。567.1.7

磁光MO存储系统磁光盘的物理层次

（磁光盘属于可擦写光盘的一种，它是利用磁场和激光的共同作用进行工作的）磁光盘片用树脂做基盘，其上集积了反射层（铝合金）、记录层（铽、铁钴合金）和保护层（氮化硅）而构成。577.1.7磁光MO存储系统磁光盘读写原理激光电磁铁当有数据需要写入的时候，MO会发射大功率的激光束，将某个磁粒子温度瞬间加大到摄氏150度以上，这时盘片上方的电磁铁会因电流而产生一种特定的写入磁场，给MO盘片的加热点（磁粒子）部分注磁，当注磁完成则MO的写入操作也就完成了。

通过改变磁粒子的磁场方向实现写入0或1数据的读取是利用低功率激光探测盘片表面，通过分析反射回來的偏振光的偏振面方向是顺时针或是逆时针，来决定读取的数据是“1”还是“0”。587.1.7磁光MO存储系统规格：盘片尺寸大小：有3.5英寸和5.25英寸两种型号；容量：128M、230M、640M、1.3G、2.6G等。优点：可反复读写上千万次；容量大。缺点：盘片价格较贵；不能与CD-ROM盘片兼容。597.1.8

PD光盘(相变光盘)PD光盘即相变光盘，也属于可擦写光盘的一种。CD-RW光盘，通常就是指相变光盘。PD光盘的物理结构：607.1.8PD光盘(相变光盘)相变光盘信息记录原理：利用激光的不同功率使记录介质处于结晶状态和非结晶状态。例如，利用高功率(例如18mW)激光束聚焦照射记录介质，使其局部在纳秒(ns)数量级上温度升高到介质的熔点(例如600℃)，然后迅速冷却，则该介质局部就呈现非结晶状态。同样，若用低功率激光束(例如8mW)照射记录介质，在同样时间里可使介质局部温度升到其结晶温度(超过100℃)，在迅速冷却后，该局部位置就呈现结晶状态。617.1.8PD光盘(相变光盘)记录原理不同操作时的激光功率图示627.1.8PD光盘优点不需要磁场元件，因而光头结构简单，重量轻，对提高侍服精度和数据传输率十分有利；改写次数可达1000次左右；信噪比比较高；缺点相变光盘的介质稳定性不好；反射率较小，需要满足multi-read规范的CD-ROM光驱才能读出；637.1.9

CD-ROM的新一代