1.2 光存储介质的存储原理

光盘存储器ODM（Optical Disk Memory）也是将用于记录的薄层涂敷在基体上构成的记录介质。不同的是基体的圆形薄片由热传导率很小、耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的表面再涂敷或沉积保护薄层，以保护记录面。记录薄层有非磁性材料和磁性材料两种，前者构成光盘介质，后者构成磁光盘介质。，存储容量很大且盘片易于更换。缺点是存储速度比硬盘低一个数量级。现已生产出与硬盘速度相近的ODM，不久会成为重要的辅存。

光盘存储器是目前辅存中记录密度最高的存储器，存储位元区域可小至1µm2

目前，我们所能接触的光存储设备有CD-ROM、CD-R、CD-RW、MO、DVD-ROM、DVD+RW、DVD-RW、DVD-RAM及COMBO等。CD-ROM为只读光盘，多用于产品发布和电子出版领域；CD-R允许用户自己写CD，但只能写一次，可以无限次读，而且与CD-ROM兼容；CD-RW为可多次读/写光盘，它采用CD-R的格式，因此可以与CD-R的刻录机通用；MO是永磁光盘，可以重复读/写，具有很高的可靠性和耐久性，数据保存可长达100年；相应的DVD产品可以视为CD的后代。在所有光存储设备中，最基本的产品是CD。CD是Compact Disc的简称，直译就是小型、紧凑的盘片，其外径为120mm，厚度为1.2mm，如图1-11所示。

1.2.1 CD-ROM及CD-R/RW

一台CD-ROM光驱从一张CD螺旋磁轨的一个个“槽”中读取数据。“槽”（Pit）位于金属层内，是光盘中储存信息的地方。光驱在读盘时从盘片的里圈部分到外圈部分，以一根780nm宽的红外线激光，通过透明的光学层并冲击反光金属层。这虽然功率很小，但如果直射，其威力足以伤害到我们的眼睛。在金属层中，在“槽”的周围部分，叫做“平台”（Land）。虽然它没有存储数据，但在实际工作中也担当了一个角色。反射的光经过一个棱镜传到一个光学传感器上，其输出的光必须等同于其收到的光。从“槽”所反射的光和“平台”的光相差180°的相位，通过改变进入光盘的波长或DAC转换进行读/写操作。微弱的激光直接接触CD表面，但不会伤害磨损CD表面。CD-ROM工作原理如图1-12所示。

从最初的单倍速CD-ROM光驱问世以来， CD-ROM光驱已经发展了20多年的历史，目前最为普遍的是52X（52倍速）。在速度提高的同时， CD-ROM的工作方式也相应地有个进化过程，其中，最早采用的是CLV。

CLV英文全称是Constant Linear Velocity，即恒定线速度。这种技术是伴随着单倍速光驱而诞生的。CLV使用一个伺服电动机，在内外圈进行寻道时，其盘片转速不一样，这样可以保证传输速率的一致性。内部的缓存使用晶振进行驱动控制，在读取数据时进行控制，保持在50%的缓存容量比，假如数据读取太快，导致缓存溢出，命令就会指挥驱动器电动机降低速度。

例如，一台运用CLV技术的4X CD-ROM光驱，其读取内圈数据时，盘片的转速为2120rpm，而在读外圈时，就是800rpm。可变的转速对于处理音频数据也是必需的，因为音频数据总是以单倍速（150 kbps）进行读取。这样就对主轴电动机的指令及激光头的能力提出了要求，因为需要及时的速率转换速度及高速的寻道操作。但由于这一个过程需要CPU的大量干涉，所以势必会造成CPU占用率的提高，但如果CPU同时还要处理其他任务，就会导致性能的降低。另外，当光驱的速度提高后，频繁的转换速度会降低主轴电动机的寿命，所以从实用角度上， CLV并不适合应用于高倍速光驱上。

在1996年，先锋公司推出了一款10倍速的光驱产品DR-U10X，一改以往的CLV结构，而采用一种新型的CAV（Constant Angular Velocity），中文名为恒定角速度。从而使光驱工作在一个恒定的转速中传输数据，如同硬盘一样。

访问时间对于整个性能影响相当大。CLV光驱随着速度的提高，访问时间由于速率的改变而有相当明显的变化。而CAV则不会遇到此类问题，其恒定的转速可以达到相对稳定的数据传输速率及寻道时间。CLV光驱的访问时间一般为500ms，而CAV光驱则可以控制在100ms以内。

先锋革命性的设计是，不仅可以以CLV或CAV模式运行，还可以采用混合模式，也就是PCAV（Partial Constant Angular Velocity，区域恒定角速度）模式。在这种模式下，内圈数据以CAV方式来读取，而外圈数据则以CLV方式来读取。这样既节约了成本，同时也可以增强其性能。目前的高速光驱均采用CAV/PCAV方式工作。

刻录光盘的出现可以说是光存储技术的一次重大技术革命，它改变了传统的光盘单一信息载体的功能，使普通用户也可以通过光盘设备来对光盘进行读/写。最早出现的这一类光盘产品就是CD-R/RW。

普通的音乐CD及CD-ROM都是成品，经过冲压后，其盘片的“槽”中已经充满了数据，通过光驱的激光束映射在数据区表面，产生折射，进行数据的读取，这个步骤在前面已经叙述得相当清楚。但随着计算机应用的加强，在使用光存储设备时，人们自然就会产生一些疑问——为什么CD不能像软盘那样随意地读/写数据——这个疑问的产生，使技术开发者也开始重视这一问题。它们希望使CD-ROM可以写和复写盘片，并在CD-R/RW设备上合并读/写操作。

对于专业用户、开发者、商业用户、多媒体设计人员及家庭用户等消费人群来说，可记录的CD是一种相当有效的存储解决方案。其最大的优势就在于CD-ROM已经基本普及到每台计算机上，而DVD-ROM也是支持的，其广泛的支持使它可以轻易击败其他移动存储方案（如MO、ZIP等）。更为重要的是，它价格低廉，目前用很少的钱就可以在市场上购买到一张CD-R/RW盘片，其优势是如此的明显，CD-R/RW已经成为目前最为普遍的移动存储方案和数据备份方案。

CD-R的结构如图1-13所示。

可以说，CD-R和CD-ROM的结构相当类似。根据橘皮书（CD-R标准）所规定，CD-R使用了有机染料层来代替CD-ROM中的铝制薄片、早期的cyanine（菁染料）为标准的CD-R染料层原料。而之后的Phthalocyanine（酞菁染料）则是一种可以相当耐用的物质，在阳光、紫外线等光线直射下的感光退化度很低。含氮染料以前用于其他光学记录，而现在也用于CD-R。这些染料都是有机感光混合物。其盘片制造厂商都会掺杂这些不同染料，按照厚度、反射率、原料及“槽”结构进行混合，以达到在刻录倍速下最佳的记录特性。使用银合金或24K黄金涂在染料上可以防止腐蚀及氧化反应，延长盘片的寿命和性能，一般可以保存5～10年。

我们总会说到蓝盘、金盘等不同颜色的CD-R，这又是怎么一回事呢？准确地说，CD-R的颜色是因为在记录层中加入了一些特殊的染料，从而导致出现绿色、蓝色及金色等。例如，金绿盘是混合一种青绿色的黄金反射层，导致在正面显现为金色，而反面显现为绿色。

CD-R是怎么工作的呢？许多人把刻录操作说成烧录，这生动形象地说出了刻录的工作原理。一台CD-R刻录机在有机染料层中利用775～795nm的激光物理烧出“槽”。当加热到临界温度时，被烧录过的区域产生化学反应可以反射光，而没有烧录过的区域则无法反射。当CD-ROM进行读取操作时，就以光的反射来判断资料。

虽然CD-R有着价格低廉的优点，但只能刻写一次使其适用范围受到了很大的局限，在一次使用中所刻录的盘，下次只能对剩余的容量进行刻写，而无法反复地擦写，这样势必会造成资源上的浪费。所以，在几个月的研究开发后，Philips、Sony发布了另一个CD标准：CD-Rewritable（CD-RW），CD-RW的结构如图1-14所示。

CD-RW兼容CD-ROM及CD-R，为保持硬件上的一致性，CD-RW在结构上和CD-ROM及CD-R基本相同，所不同的是，为了可以反复擦写，其材料上有了明显的不同。CD-RW的记录层像三明治一样被两层电介质层夹在中间，电介质层的作用就在写操作时，吸收相位改变层额外的热量。在CD-R盘片有机染料记录层的位置上， CD-RW使用一层混合银、铟、锑及碲的晶体混合物。这种混合物有着相当特殊的性质——在不同的温度下可以形成不同的物理性质，结晶体和非结晶体——当进行刻录和复写时，CD-RW刻录机就发射不同的激光，让晶体混合物转换状态，达到重复刻写的目的。

在CD-RW中，使用了三种不同功率的激光，来完成对CD-RW的三种操作。最高功率的激光用于写操作，由于温度相当高，所以被聚焦的部分晶体会马上成为处于一种游离（无组织）状态的液体，然后刻录机就进行资料的写入；擦除操作中，使用中等功率的激光，这样可以熔化记录层并转换成晶体状态；而在读盘操作时，则使用功率最低的激光，由于功率太小，所以对记录层不会产生任何影响，仅用于读出盘片上的内容。

1.2.2 DVD-ROM及DVD-R/RW

DVD是一种新型的存储标准，全称Digital Versatile Disc（数字通用光盘），是由10家厂商组成的DVD联盟所制订的海量存储解决方案。

其实DVD的诞生背后存在着一段相当曲折坎坷的发展道路。当时Sony-Philips推出了MMCD（多媒体光盘系统），而东芝、松下、时代-华纳则推出了SD（Super Disc），这两种光盘格式完全不兼容。为主导技术标准，双方都坚持会坚定不移地支持自己所发布的技术，两大竞争集团由此产生。但迫于业界的压力（如Microsoft、Intel、Apple及IBM都给双方下了一份简短的通牒，要求快速地统一标准，否则就不要指望在个人电脑中得到任何支持），最后8家SD支持厂商和2家MMCD的推行厂商，组成了DVD联盟并于1995年年底推出了DVD-ROM标准，此后，10家厂商又在不情愿的情况下组成了DVD Forum（DVD论坛），商讨未来的DVD技术，并继续着每项技术最后通过的漫长的口水战。DVD Forum当时的成立情况就给日后的可录式DVD标准混乱、派系之争埋下了一个伏笔。

简单地观察，很容易把CD和DVD盘片混淆：两者的直径都是120mm，厚度为1.2mm。两者也同样依靠激光来读取存储在“槽”中的数据。但实质上，两者有着根本的差别。首先， DVD中的数据区相当紧密，两个磁轨的距离降低到0.74µm，比CD的1.6µm低了一倍。而且“槽”也更多，这就允许在一个磁轨中存在更多的“槽”。单层DVD中最小的“槽”宽为0.4µm，而CD为0.834µm。依靠这两点，DVD就可以获得比CD多4倍的数据储存容量。在激光头技术上，DVD也有所突破。更小的“槽”就意味着需要更小的激光束，DVD驱动器所使用的激光波长为635/650nm红外线激光，而CD则使用的是780nm的红外线激光。其次，DVD可以通过简单地改变激光聚集来扫描多层DVD信息。DVD使用一层半透明的数据层及半透明的反射层来代替CD中的反射层，这就形成了DVD的单面多层体系。不过由于反射层依然存在，所以第二层的容量并不等同于第一层，这就是单面单层可以存储4.7GB的容量，而单面双层只能存储8.5GB的原因。再次，DVD允许双面储存数据，厂商通过使用更薄的塑料基板，达到单面0.6mm。一般的DVD都使用两张粘贴而成。双面结构使DVD的容量又进一步，达到最高17GB的容量（双面双层）。最后，DVD的数据结构更为高效，拥有更多高效率的ECC使其可以保证重要数据的安全。CD-ROM与DVD-ROM技术规格比较如图1-15所示。

DVD不同于CD，有多种规格，不同的规格有不同的容量，如图1-16所示。

其中，DVD-5为单面单层结构，可储存4.7GB的数据，如果是音像制品，可以存储4692kbps编码，133min的高清晰度电影；DVD-9为单面双层，可储存8.5GB的数据，或者240min的高清晰度电影；DVD-10为双面单层结构，9.4GB的容量，266min的高清晰度电影；DVD-18为双面双层结构，17GB的容量，532min的高清晰度电影，真正的海量存储。

从不同的格式来看，DVD又可以分成DVD-ROM、DVD-Audio、DVD-Video、DVD-R、DVD-RW、DVD+RW及DVD-RAM等。

在驱动器方面，和CD-ROM一样，DVD-ROM依靠红外线激光来读取DVD盘片中的数据，不过DVD-ROM和CD-ROM对于读盘速度的定义有所不同，1X DVD-ROM数据读取速度为1250kbps，而1X CD-ROM为150kbps，前者相当于后者的8倍。由于DVD-ROM可以根据盘片的不同而产生不同的激光波长，所以DVD-ROM可以兼容CD-ROM。

对于可擦写的DVD标准，主要包括DVD-RAM、DVD-R/RW和DVD+R/RW等。

DVD-RAM（DVD-Random Access Memory），是一种可擦写的DVD格式。由东芝、松下及日立三家推出。该技术使用了相变技术，并融入了一些MO特性，成为双相变技术（PD）。其1.0版本的DVD-RAM为2.7GB/面的容量，而2.0则提升到4.7GB/面（12cm）和1.46GB/面（8cm）。其最为重要的特性就是记录区的“平台”和“槽”均存储数据，采用和MO一样的浮雕式首标也是其一大特点。不过由于结构与DVD-ROM有很大差别，所以无法兼容，其前景并不乐观。由于是第一款进入市场的可擦写DVD格式，所以初期产品数量还是相当丰富的，不过随着DVD-R/RW和DVD+R/RW推出，其市场份额逐步被压缩，濒临淘汰。DVD-RAM的盘片如图1-17所示。

虽然DVD-RAM是由DVD Forum最有权威的三家厂商所推出，但由于没有做到兼容这一点，所以推广上并不顺利。所以先锋于1997年7月发布了DVD-R第一版，也就是一次性写入的DVD。第一版DVD-R的容量为3.95GB，并在随后提高到4.7GB，使用波长为635nm的红外线激光。

而DVD-RW则是在DVD-R的基础上加入了相变材料，并加入两层保护层，达到反复刻写。在刻录原理上，DVD-RW和CD-RW相当类似，所以就不多介绍。DVD+RW的标识如图1-18所示。

由于DVD-R/RW和DVD-ROM的盘片结构及文件结构完全一样，因此做到了完全兼容，成为正统的可擦写DVD标准，受到了DVD Forum的认可，目前产品相当丰富，主流DVD-RW多为8X（倍速），价格也非常便宜。

在DVD标准之争中失利的Sony-Philips，在DVD-R/RW推出之后，和HP一起创立了DVD+R/RW标准，打算和东芝继续抗衡。DVD+R/RW的物理格式与DVD-R/RW完全一样，但由于使用高频抖动（817kHz，单位长度4.3µm），另外由于光线反射也有很大差别，所以两者并不兼容。不过，由于其高频抖动的影响，所以可以更为精确地跟踪轨道，其无损连接也相当出色。使用动态压缩比率（VBR），使DVD读取/写入都十分流畅，而且也很有效率，高频抖动对无损连接也有着积极的帮助。DVD+R/RW可以以CLV来连续访问，或者以CAV方式来进行随机访问。和CD-RW/DVD-RW类似，其记录层采用了相变材料，可以依靠转换其状态来达到多次擦写的目的。

未来HDTV（高清晰度电视）又将给光存储提出更高的要求。其23Mbps的传输速率，将使一部电影达到20GB以上的惊人容量。DVD最高的容量不过17GB。那么谁来接棒下一代光存储标准呢？

Sony-Philips这次又卷土重来，集结了7家厂商，共同推行下一代DVD标准Blue-ray Disc （蓝光）。它最大的差别就是使用蓝色激光来代替目前CD/DVD所使用的红外线激光，波长降低到了405nm，同时，在盘片结构中，将物理透镜的数值孔径（NA）提高到了0.85，使用0.1mm的保护层，轨距也降低到了0.32µm，这些改变都使Blue-ray可以达到相当高的容量，其单面容量就高达27GB，绝对的海量存储。不过由于保护层减少，其抗污耐损性就降低了。目前， Blue-ray的相关产品已经推出，不过暂时价格昂贵，还需一段时间的适应。

同样，东芝也没有袖手旁观，与NEC携手开发了AOD（Advanced Optical Disc），也是未来DVD标准的一个强大竞争对手。其最大的优势就在于沿袭了DVD盘片的设计，仅仅靠缩小轨距来提高容量。由于与DVD差别不多，所以可以在成本提高不多的情况达到设备转产。不过由于没有Blue-ray那样大刀阔斧地改革，所以容量比Blue-ray低了近10GB。由于AOD的规范发布时间较晚，所以目前产品还很少，这可能会使其在和Blue-ray的对抗处中于一个比较被动的境地。