光盘的存储原理与组成概要

• 光盘
– 凹区和凸区，反射光的强弱
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存储器设计目标
• 高速度
– CPU对存储器的要求越来越高
• 大容量
– 应用对存储器的要求
• 高可靠性 • 低价格
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主存储器
• 速度
– 提高门电路的速度，采用并行技术
• 容量
– 增加单位面积的存储单元
• 可靠性
– 存储单元本身、纠错码
• 价格
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磁盘和光盘
Bad Cache Size Associativity
Block Size
Good Factor A Less
Factor B
• 简单化常常就是优化
More
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虚拟存储器
• • • • 给程序员提供虚拟地址空间 由操作系统对逻辑地址进行转换 段式管理、页式管理和段页式管理 使用快表提高性能
第三单元 层次存储器系统
第六讲 光盘的存储原理与组成 本单元小结 liuwd@tsinghua.edu.cn
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内容提要
• • • • • • CD-ROM CD-R CD-RW DVD 主存储器的最新发展 本单元小结
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只读光盘（CD-ROM）
• 1980年，飞利浦和索尼一起推出了光盘 （CD，Compact Disc），并很快取代了每 分钟33 1/3转的乙烯基唱片。CD的详尽技 术细节以正式的国际标准 （IS10149）公布， 并因为封面的颜色被通称为红皮书。
CD-RW存储原理
• 可擦写光盘
– 用银、铟、锑和碲组成的合金做记录层。这种合金 有两个稳定态：晶态和非晶态，两个状态有不同的 反射特性。 – CD-RW的驱动器使用三种不同能量的激光。在高能 激光照射下，合金熔化并从高反射性的晶态转化为 低反射性的非晶态，表示凹区。在能量中等的激光 束照射下，合金熔化并重新转化为本来的晶态，又 成为凸区。低能激光可以感知材料的状态（用来读 盘），但不会导致状态转换。
Á Ê ¶ ¹ Ä Ü
512¨ w 4Î » 11Î » ± È ½ Ï Æ ÷
SRAM Cache
¬ Ñ Æ ¡ ´ Ê Ð ¹ Ä Ü
A0~ A10
Å º Ð Å · Å ´ ó Æ ÷º Í Ð ´ Á Ð Ñ ¡ Ô ñ Ï » É Ò Ð µ × Ö · ø ´ Ë æ ÷ Æ
I/O × Ö ¿ Æ Í Ê º ý Ý Ë ¾ ø æ ´
CD-ROM的存储标准
• 将每个字节编码成14位的符号，可以对字节进行 海明编码； • 连续的42个符号一组，构成了588位的帧。每帧 包含192位数据位（24个字节），其它的396位用 于纠错和控制位。（与音频CD兼容） • 将98帧作为一个CD-ROM扇区。每个扇区由16 个字节的引导区开始，其中前12个字节为引导区 起始标志，然后3个字节是扇区号，最后的一个 字节是光盘的数据存放格式。 • 扇区构成一条从圆心向外的单向螺旋线。
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CD-R存储原理
• CD-R被刻之前，染料层是透明的，激光束可 以穿过它后从金质层反射回来。刻盘时，照射 CD-R的激光能量被调高到8~16mW，光束照射 到染料的一个点上时产生的热量使之发生化学 反应，改变了染料的分子结构，产生一个黑点。 读出时（激光束的能量为0.5mW），光接收器 就可以分辨出染料被照射过的黑点和未被照射 过的透明区，并用这个区别来对应普通光盘的 凹区和凸区。
A0~A10 Row Address Latch Row Multiplexer Refresh Counter
Sense Amplifiers Latch and I/O Gating
Row Decoder
BANK B DRAM (2M*8)
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Rambus DRAM
• 对主存带宽进行改进，引入特殊的总线。 • 采用面向块的异步协议传送地址和控制 信息。 • 经过480ns的初始化时间后，数据传输带 宽可达500Mbps。
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DVD
• DVD的基本设计和CD相同，也是120mm 直径的注入碳酸盐的盘模，由激光二极 管照射的凸区和凹区组成，通过光接收 器读入信息。
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DVD和CD的差别
• 使用红色激光（ DVD 激光的波长为 0.65 微米，而CD的为0.78微米）。 • 凹区更小（ DVD 为 0.4 微米，而 CD 为 0.8 微米）。 • 螺旋线更紧凑（ DVD 道间距为 0.74 微米， 而CD的道间距为1.6微米）。 • 存储容量达到4.7GB。
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光盘
• 存储原理
– 光电转换
• 编码方式
– NRZ1
• 存储格式 • 光盘的发展
– CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD
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主存储器技术的最新发展
• • • • • • DRAM EDRAM CDRAM SDRAM Rambus DRAM Ramlink DRAM
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Enhanced DRAM
• 减少不命中的代价
– 缩小Cache块容量、替换算法
• 写策略
– 直接写、拖后写
• 替换算法
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设计 Cache
• 有关方案 – cache 容量 – 块大小 – 组织方式 – 替换算法 – 写策略 • 方案优化
– 根据用途选择 • 海量数据处理 • 指令数据平衡 (I-cache, D-cache) – 根据成本优化
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CACHE的基本运行原理
地址总线
CPU
CACHE ADDR DATA 比较选一行 CACHE CONTROL
数 据 总 线
读 过 程 为 例
译码选一单元
MEMORY
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Cache的组织
• 直接映射 • 全相连 • 多路组相连
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提高Cache的性能
• 提高命中率
– 增加Cache容量、加大Cache块容量
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CD-R防盗版
• 将CD-ROM上所有文件的长度写成好几个GB， 这样，用标准的读盘软件将无法将文件拷到硬 盘中，而文件的实际长度在出版商提供的专用 读盘软件中，或隐藏（可能还是加密后）在 CD-ROM的某个意想不到的地方。 • 在选定的几个扇区中有意写入一些错误的ECC 码，预计一般的CD复制软件将会自动“修复” 这些错误，但光盘的应用软件却自己对这些 ECC码进行检查，如果它们正确的话就停止执 行。 11
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光盘的存储原理
• CD是通过在涂有玻璃表层的主盘上，用高能 红外激光束烧出0.8毫米直径的小孔制成的。用 这种主盘做成模子，上面带有烧好的激光孔， 然后往模子上注入熔化的多种碳酸盐脂，使激 光孔的形状和玻璃主盘的形状一样，就基本上 完成了CD的主体。接着，在碳酸盐脂上沉淀 上一薄层的反射铝，再覆盖上一层起保护作用 的表层，最后再打上标签，整个CD就完成了。 碳酸盐脂底基的凹陷部分叫作凹区，凹区两边 未经过烧制的部分叫作凸区。
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CD-ROM的文件标准
• 国际标准（IS 9660）有三个层次。 • 第一层次规定
– 文件名不能超过8个字符长 – 可以有不超过3个字符的扩展名（MS-DOS 的文件命名规则） – 文件名中的字符只能是大写字母、数字和下 划线 – 目录嵌套不超过8层，目录不允许有扩展名 – 所有文件必须连续存放 – 可以被几乎所有计算机读出 7
Ð × ຫໍສະໝຸດ Baidu Ö · ø ´ Ë æ ÷ Æ RAL
A0~A10 Ð ë Ò ë Â ÷ Æ
¢ Ë Ð Â Ë Ð ¢ Â × Ö ¿ Æ
DRAMÕ ó Á Ð 2048¨ w 512¨ w 4
D0~D3
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Cache DRAM
• 在DRAM中增加比EDRAM更大的Cache • 作为真正的Cache使用，不局限于存储最 新访问的行。
• 在DRAM中增加一个SRAM组成的Cache • 存放刚刚被访问的单元的行的全部内容 • 增加比较器，如果下次访问的还是这行， 则从Cache中读。 • 同时，刷新该行可以和读Cache并行，这 也可以提高性能。
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Enhanced DRAM
CAL Á × Ð µ Ö · ø ´ Ë æ ÷ Æ A0~A8 Ð µ Á × Ö ·Ò ë Â ë Æ ÷
• • • • 提高速度：旋转速度、接口速度、RAID 大容量：存储密度、编码规则 可靠性：编码纠错、RAID技术 价格：工艺水平
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层次存储系统
• 程序局部性原理
– 时间局部性 – 空间局部性
• 系统优势（1+1+1>3）
– SRAM -- Cache – DRAM -- Main Memory – Disk -- Virtual Memory
CD-R存储原理
• CD-R 在大小上和 CD-ROM 一样，最初时也是 120mm 的空白盘，只是CD-R有一条0.6mm宽的凹槽，用来引 导激光进行刻盘。凹槽有 0.3mm 的正弦偏移，频率为 22.05kHz，用来准确控制CD-R的转速，并在必要时加 以调整。只是 CD-R 表面是金色，而不象 CD-ROM 那 样表面是银色。用真正的金子代替铝来做反射层。而 CD-R的凹区和凸区是用不同的反射光来模拟，这点是 通过在碳酸盐脂和金质反射层之间加上一层染料来实 现的。目前使用的有两种不同的染料，一种是花青， 其颜色是绿色的，另一种是 pthalocyanine ，颜色为黄 桔色。这些染料和显像中的染料十分类似，这也是柯 达和富士成为CD-R的主要制造商的原因。
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光盘的读出原理
• 将CD进行回放时，用一个低能激光二极管发出的波长 为0.78毫米的红外光照射在二极管下“流过”的凹区和 凸区。光源在碳酸盐脂层的上方，所以，当凹区经过 时，激光束就会比凸区经过时伸出一些。由于凹区的 高度为激光波长的1/4，从凹区反射的激光的波长为从 凸区反射光的波长的一半。这样，反射光和发射光叠 加，将导致光接收器接收到的从凹区反射的光线比从 凸区反射的要弱。CD机通过这种途径，可以区别出凹 区和凸区。虽然用凹区代表 0，凸区代表 1 可能是最简 单的表示方法，但从可靠性方面考虑，用凸区/凹区和 凹区 / 凸区转换来表示 1 ，而用连续的凹区或凸区来表 示 0 的可靠性要高一些，所以， CD 上采用的是这种模 式。 5
– 存放一位二进制数0或1
• 存储器（指令系统层）
– 存放可单独访问的最小单元（字节、字、扇 区）
• 存储器（操作系统层）
– 段、页管理
• 存储器（用户层）
– 文件
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存储器组成
• 主存储器
– SRAM:触发器的不同状态 – DRAM:电容是否存储电荷
• 磁表面存储器
– 磁颗粒的偏转方向（编码规则）
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RamLink
• 用DRAM体组成环，在存储控制器的控 制下，共同响应请求，提供整个系统的 性能。 • 采用特定协议进行数据交换。
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RamLink
DRAM
Memory Controller
DRAM
DRAM
......
DRAM
DRAM
DRAM
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不同层次的存储器作用
• 存储器组成（数字逻辑层）
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CD-R的增量刻盘
• 一次刻在CD-R上的几个连续扇区被称为CDROM道。 • 每个CD-ROM道一个单独的目录卷表VTOC， 其中所列的文件可能包括其前面各道中的部分 或所有文件。 • CD-R放入光驱后，操作系统搜寻所有CDROM道，并定位到最近使用的VTOC，它给出 了CD-R的当前状态。
Row Decoder
Control Logic and Finite State Machine
BANK A DRAM (2M*8)
Sense Amplifiers Latch and I/O Gating Mode Register Column Address Latch Burst Counter Column Decoder
– 需要增加什么电路？
• 作为某些特定应用的缓冲器
– 显示存储器
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SDRAM
• 将与CPU异步工作模式改为同步工作模 式 • 主设备给出访问命令后，SDRAM进行响 应。 • 经过响应时间后，SDRAM按系统时钟输 出数据。
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SDRAM
D0~D7 CLK /CS /DQM /WE /CAS /RAS A11 Data Out Buffer Data In Buffer
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DVD的四种标准
• • • • 单面单层（4.7GB） 单面双层（8.5GB） 双面单层（9.4GB） 双面双层（17GB）
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DVD的四种标准
• 双层技术是在光盘底层有一层反射层，上面是 一层半反射层。根据激光聚焦在哪层来决定反 射哪一层。为提高可靠性，需要将底层的凹区 和凸区设计得稍微大一些，所以其容量比上层 要稍微小一些。 • 将两张 0.6mm 厚的单面盘的背面互相粘在一起 就制成了一张双面盘。