多媒体计算机系统常用硬件设备

第三章多媒体计算机系统常用硬件设备2/116第三章多媒体计算机系统常用硬件设备3.1光存储技术概述3.2CD-ROM盘片与数据结构3.3CD-R与CD-RW光盘刻录技术3.4DVD光盘技术3.5多媒体信息采集与处理功能卡3.6常用多媒体输入输出设备3/1163.1光存储技术概述3.1.1光盘存储器的特点与分类3.1.2技术指标与国际标准概览4/1163.1.1光盘存储器的特点与分类光盘存储器的特点存储密度高存储密度：介质的单位长度（位密度）或面积（面密度）内能存储的二进制的位数，或单位长度内磁道/光道的数量（道密度）光盘：位密度1000bit/mm，面密度107~108bit/mm2，到密度600~700道/mm道密度：光盘16*104TPI，硬盘(以前)600~700TPI。TPI：每英寸道数目前硬盘：250Gb/平方英寸，部分硬盘可达到330Gb/平方英寸5/1163.1.1光盘存储器的特点与分类光盘存储器的特点非接触式读写在光盘存储器中，信息的写入与读出是通过聚焦激光束完成的，透镜与介质表面的距离在1~2mm，根本没有接触的可能性，所以光盘和激光头的使用寿命都比较长。信息保存时间长硬盘：5~10年软盘：短光盘：30年以上盘面抗污染能力强：有1mm的透明层价格低廉，使用方便6/116资料：硬盘历史第一块硬盘1956年，IBM研究出世界上第1块计算机硬盘存储系统，可在50个24英寸的磁盘上存储5MB数据曼彻斯特技术密封不断旋转磁头在盘片上悬浮，不接触7/1163.1.1光盘存储器的特点与分类光盘存储器的分类只读型光盘CD－ROM一次写入型光盘WORM可擦除重写光盘R/W：PCD，MOD照片光盘PhotoCD8/1163.1.1光盘存储器的特点与分类光盘系列CD-ROMCD-DAVCDPhotoCDLVCD-ROMXACD-ICD-VDVIDVDCD-RWORMPCDMOD9/1163.1.1光盘存储器的特点与分类CD-DA(1981)CD-G(1986)CD-V(1989)CD-ROM(1985)CD-I(1986)CD-IFMV(1992)卡拉OK-CD(1992)Video-CD(1993)10/1163.1.2技术指标与国际标准规范技术指标存储容量光盘存储器的存储容量有格式化容量与用户容量之分，用户容量小于格式化容量平均存取时间：计算机向光驱发出命令到光驱在光盘上找到信息的位置所花费的时间平均寻道时间：光头沿光道移动全程1/3所需时间平均等待时间：盘片旋转1周所需时间的一半平均存取时间=平均寻道时间+平均等待时间+读写光头稳定时间11/1163.1.2技术指标与国际标准规范技术指标数据传输速率数据传输速率通常是指光头定位以后，单位时间内从光盘的光道上读出的数据位数，与光盘的转速、位密度和道密度密切相关CD-ROM：1X=150KB/S=1.2MbpsDVD：1X=1358KB/S，约是VCD的9倍硬盘：IDE133MB/s，SATA150MB/s，SATA2300MB/s误码率和平均无故障时间12/1163.1.2技术指标与国际标准规范国际标准规范红皮书：1981年，基础，CD-DA,CD-V,CD-G黄皮书：1985年提出，1988年成为标准，ISO9660规范,CD-ROM绿皮书：1987年，CD-I，VCD基础蓝皮书－橙皮书：1985/1989年，可写光盘标准CD-ROMXA：1988年，1992年制定CD-ROMXAⅡ，对应ISO9660Ⅱ白皮书：1992年，VCD标准13/1163.2CD-ROM盘片与数据结构3.2.1CD-ROM物理结构与数据存储3.2.2CD-ROM扇区数据结构14/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM盘片的物理结构商标面铝反射层漆保护层聚碳酸酯衬底15/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM盘片的物理结构螺旋型光道16/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM盘片的物理结构盘片参数15mm46mm50mm116mm117mm120mm数据记录区导出区导入区17/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM盘片的物理结构——光道CD－ROM的信息是沿着盘面由内向外的螺旋型信息轨道——光道的一系列凹坑存储的。深（凹槽）：100nm～120nm宽：500nm～600nm长：5KM光道间距：1.6μm，即1600nm每个坑长：3T～11T，1T＝0.277μm凹坑数可达8亿多个与硬盘不同，其光道上数据的存储密度相同18/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM读出原理19/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM读出原理驱动器的激光器发出1μm激光束经透镜整形和聚焦后变成1.7μm照在光道上，对光道进行扫描凹坑和非凹坑反射回来的光的强度不同，在凹坑边沿发生突变，通过驱动器的光电检测器检测出来，从而读出0和120/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM读出原理凹坑和非凹坑本身并不代表0和1，凹坑的边沿代表1，其他评的地方代表0因为光道上数据的存储密度相同，所以其驱动器的转动就不能是恒定的，如果读中心光道时1800转/分，外圈光道就要600转/分，这样才能保证单位时间内光头通过的扇区数为常量——常线速度（CLV）21/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM数据存储原理通道码：为提高读出数据的可靠性和降低误码率，采用EFM（8－14位）调制编码。70年代的技术水平，把0的游程控制在最短2个，最长10个时，信号才能可靠地读出由此限定了凹坑的大小22/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM数据存储原理EFM编码将一个字节（8位）变成14位，可满足0的游程要求。8位可以表示256个数，即256种编码，而14位通道码有16384种编码，其中有267种编码能满足0的游程要求去掉10个不能合并的码（在通道码合并时，即变成位串时，有些不能满足0的游程要求，需要加入3位合并位，保证0的游程要求），剩257个，再随机去掉1个，就有256种编码23/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM数据存储原理——EFM编码001000010001001000001001000001000010010001000010001001000010001001000001001000001000010010001000010001001000010001000001001000001010010001000010101110101101101011100010字节数据字节数据字节数据EFM调制EFM调制EFM调制添加合并位添加合并位添加合并位光轨道压模24/1163.2.1CD-ROM物理结构与数据存储CD-ROM数据存储原理——差错控制CIRC纠错技术能纠正2.2mm光道（即2.2mm长划痕）上连续的448个错误符号，即224个汉字在数据写入光盘时就采用的一种编码纠错技术如：1.独在异乡×××，每逢佳节倍思亲。2.独在异乡×异客，每逢×节倍思×。后一个显然比前一个更加容易纠错，所以在存放时，将连续的数据交错开存放，出现一片连续的错误时，错误在实际的数据中就是分散的，容易纠正。CIRC可以将误码率控制在10-9，再加上EDC、ECC等，可以将误码率控制在10-12。25/1163.2.2CD-ROM扇区数据结构扇区光道从内向外等长分段，一段为一个扇区采用分、秒、扇区号表示1分＝60秒，1秒＝75个扇区例：2分13秒25区＝光道上第10000个扇区采用ISO9660标准扇区格式Mode1：对误码率要求高的数据Mode2：误码率要求不高的数据CD-ROMXA：可读取CD-I格式数据26/1163.2.2CD-ROM扇区数据结构CD-ROM黄皮书仅规定了物理格式化标准，并没有制定文件存储标准（逻辑格式），所以各CD-ROM厂家自己开发CD-ROM逻辑格式，即存放文件的格式，所有文件格式不统一，无法兼容1988年公布ISO9660标准，它既不是DOS文件系统，也不是Macintosh文件系统，而是一个新的标准27/1163.2.2CD-ROM扇区数据结构计算机想要读取CD-ROM，就必须由支持软件，如MSCDEX.EXE在Windows操作系统中，专门有读取CD-ROM的CDFS文件系统ISO9660第1版只支持8.3格式的文件名，后来扩展到第2版，支持长文件名微软制定了Joliet标准，是ISO9660的扩展集，支持中文文件名28/116CD-ROM扇区数据结构每个扇区有2352个字节根据黄皮书标准，有两种模式前导码12bytes头4bytes用户数据2048bytesEDC4bytes空白8bytesECC276bytes前导码12bytes头4bytes用户数据2336bytesModel1:tosavecomputerdataModel2:tosavedataofanymediaEDC：即CRC校验码。ECC是纠错码。29/116资料：原版盘制作过程30/116资料：原版盘制作过程数据——EFM编码——合并码将涂有光敏电阻的玻璃盘放在旋转平台上光刻，光敏电阻曝光，然后化学处理，曝光区就被腐蚀掉，形成凹坑对化学处理后的玻璃盘进行化学电镀，生成金属原版盘——父盘——母盘CD一般是聚碳酸酯塑料的，加热后放入盘模里，再用母盘在上面压制，冷却后，上面溅射一层铝，用于反射激光束，最后涂上一层保护漆，印制标牌。31/1163.3CD-R与CD-RW光盘刻录技术3.3.1CD-R光盘刻录与读出原理3.3.2CD-R光盘刻录格式与刻录方式32/1163.3.1CD-R光盘刻录与读出原理CD-R光盘结构商标面漆保护层聚碳酸酯衬底金反射层预刻槽有机染料层CD-R的有机染料一般有三种：Cyanine、Phthalocyanine、AZO33/1163.3.1CD-R光盘刻录与读出原理CD-R光盘结构根据有机染料和反射层的材料的不同，光盘呈现出各种颜色绿盘：由TaiyoYuden（日本太阳诱电）发明，是CD-R光盘的基础，青蓝色的有机染料，与反射层的黄金色混合成绿色。便宜、怕光，不适宜长期保存数据金盘：绿盘的改良盘，有机染料本身呈透明的浅黄色，反射层用纯金。（但是其中的纯金还不如其有机染料值钱）兰盘：有机染料为AZO（深蓝色），是为降低绿盘和金盘的成本研制的，反射层为银34/1163.3.1CD-R光盘刻录与读出原理CD-R光盘刻录原理CD-R比CD-ROM多了一层有机染料层，CD-ROM将数据直接压制在衬底上，而CD-R不能，但是它有一层有机染料层当激光点照射在有机染料层上，温度超过250℃（超过读取数据时3～4倍的强度）时，染料层的化学特性就发生不可逆的改变，形成光斑。光斑会改变光的反射率，类似于CD-ROM中的凹坑一样，达到写入数据的目的。因为此种化学变化不可逆，所以其不能重写35/1163.3.1CD-R光盘刻录与读出原理磁光型光盘利用磁、光的原理包括树脂基盘、保护层、记录层(磁粒子)、反射层激光高功率照射时（15mw），产生300℃高温，磁场发生变化，冷却后不便，存储数据。擦写时分擦、写两步读取时，利用反射器的偏振光的偏振方向是顺时针还是逆时针判定1还是0。可以重写1000万次。在24X以及CD上可读36/1163.3.1CD-R光盘刻录与读出原理相变型光盘记录层由一种20～50nm的合金组成，合金有晶态和非晶态两种状态，其对激光的反射率不同晶态中原子排列整齐，光反射率高，表示1；非晶态时原子排列不整齐，光反射率低，表示0由非晶态变成晶态需要激光以8mw的功率照射，而由晶态变成非