1.2 光存儲介質的存儲原理

光盤存儲器ODM（Optical Disk Memory）也是將用于記錄的薄層涂敷在基體上構成的記錄介質。不同的是基體的圓形薄片由熱傳導率很小、耐熱性很強的有機玻璃制成。在記錄薄層的表面再涂敷或沉積保護薄層，以保護記錄面。記錄薄層有非磁性材料和磁性材料兩種，前者構成光盤介質，后者構成磁光盤介質。，存儲容量很大且盤片易于更換。缺點是存儲速度比硬盤低一個數量級。現已生產出與硬盤速度相近的ODM，不久會成為重要的輔存。

光盤存儲器是目前輔存中記錄密度最高的存儲器，存儲位元區域可小至1μm2

目前，我們所能接觸的光存儲設備有CD-ROM、CD-R、CD-RW、MO、DVD-ROM、DVD+RW、DVD-RW、DVD-RAM及COMBO等。CD-ROM為只讀光盤，多用于產品發布和電子出版領域；CD-R允許用戶自己寫CD，但只能寫一次，可以無限次讀，而且與CD-ROM兼容；CD-RW為可多次讀/寫光盤，它采用CD-R的格式，因此可以與CD-R的刻錄機通用；MO是永磁光盤，可以重復讀/寫，具有很高的可靠性和耐久性，數據保存可長達100年；相應的DVD產品可以視為CD的后代。在所有光存儲設備中，最基本的產品是CD。CD是Compact Disc的簡稱，直譯就是小型、緊湊的盤片，其外徑為120mm，厚度為1.2mm，如圖1-11所示。

1.2.1 CD-ROM及CD-R/RW

一臺CD-ROM光驅從一張CD螺旋磁軌的一個個“槽”中讀取數據。“槽”（Pit）位于金屬層內，是光盤中儲存信息的地方。光驅在讀盤時從盤片的里圈部分到外圈部分，以一根780nm寬的紅外線激光，通過透明的光學層并沖擊反光金屬層。這雖然功率很小，但如果直射，其威力足以傷害到我們的眼睛。在金屬層中，在“槽”的周圍部分，叫做“平臺”（Land）。雖然它沒有存儲數據，但在實際工作中也擔當了一個角色。反射的光經過一個棱鏡傳到一個光學傳感器上，其輸出的光必須等同于其收到的光。從“槽”所反射的光和“平臺”的光相差180°的相位，通過改變進入光盤的波長或DAC轉換進行讀/寫操作。微弱的激光直接接觸CD表面，但不會傷害磨損CD表面。CD-ROM工作原理如圖1-12所示。

從最初的單倍速CD-ROM光驅問世以來， CD-ROM光驅已經發展了20多年的歷史，目前最為普遍的是52X（52倍速）。在速度提高的同時， CD-ROM的工作方式也相應地有個進化過程，其中，最早采用的是CLV。

CLV英文全稱是Constant Linear Velocity，即恒定線速度。這種技術是伴隨著單倍速光驅而誕生的。CLV使用一個伺服電動機，在內外圈進行尋道時，其盤片轉速不一樣，這樣可以保證傳輸速率的一致性。內部的緩存使用晶振進行驅動控制，在讀取數據時進行控制，保持在50%的緩存容量比，假如數據讀取太快，導致緩存溢出，命令就會指揮驅動器電動機降低速度。

例如，一臺運用CLV技術的4X CD-ROM光驅，其讀取內圈數據時，盤片的轉速為2120rpm，而在讀外圈時，就是800rpm。可變的轉速對于處理音頻數據也是必需的，因為音頻數據總是以單倍速（150 kbps）進行讀取。這樣就對主軸電動機的指令及激光頭的能力提出了要求，因為需要及時的速率轉換速度及高速的尋道操作。但由于這一個過程需要CPU的大量干涉，所以勢必會造成CPU占用率的提高，但如果CPU同時還要處理其他任務，就會導致性能的降低。另外，當光驅的速度提高后，頻繁的轉換速度會降低主軸電動機的壽命，所以從實用角度上， CLV并不適合應用于高倍速光驅上。

在1996年，先鋒公司推出了一款10倍速的光驅產品DR-U10X，一改以往的CLV結構，而采用一種新型的CAV（Constant Angular Velocity），中文名為恒定角速度。從而使光驅工作在一個恒定的轉速中傳輸數據，如同硬盤一樣。

訪問時間對于整個性能影響相當大。CLV光驅隨著速度的提高，訪問時間由于速率的改變而有相當明顯的變化。而CAV則不會遇到此類問題，其恒定的轉速可以達到相對穩定的數據傳輸速率及尋道時間。CLV光驅的訪問時間一般為500ms，而CAV光驅則可以控制在100ms以內。

先鋒革命性的設計是，不僅可以以CLV或CAV模式運行，還可以采用混合模式，也就是PCAV（Partial Constant Angular Velocity，區域恒定角速度）模式。在這種模式下，內圈數據以CAV方式來讀取，而外圈數據則以CLV方式來讀取。這樣既節約了成本，同時也可以增強其性能。目前的高速光驅均采用CAV/PCAV方式工作。

刻錄光盤的出現可以說是光存儲技術的一次重大技術革命，它改變了傳統的光盤單一信息載體的功能，使普通用戶也可以通過光盤設備來對光盤進行讀/寫。最早出現的這一類光盤產品就是CD-R/RW。

普通的音樂CD及CD-ROM都是成品，經過沖壓后，其盤片的“槽”中已經充滿了數據，通過光驅的激光束映射在數據區表面，產生折射，進行數據的讀取，這個步驟在前面已經敘述得相當清楚。但隨著計算機應用的加強，在使用光存儲設備時，人們自然就會產生一些疑問——為什么CD不能像軟盤那樣隨意地讀/寫數據——這個疑問的產生，使技術開發者也開始重視這一問題。它們希望使CD-ROM可以寫和復寫盤片，并在CD-R/RW設備上合并讀/寫操作。

對于專業用戶、開發者、商業用戶、多媒體設計人員及家庭用戶等消費人群來說，可記錄的CD是一種相當有效的存儲解決方案。其最大的優勢就在于CD-ROM已經基本普及到每臺計算機上，而DVD-ROM也是支持的，其廣泛的支持使它可以輕易擊敗其他移動存儲方案（如MO、ZIP等）。更為重要的是，它價格低廉，目前用很少的錢就可以在市場上購買到一張CD-R/RW盤片，其優勢是如此的明顯，CD-R/RW已經成為目前最為普遍的移動存儲方案和數據備份方案。

CD-R的結構如圖1-13所示。

可以說，CD-R和CD-ROM的結構相當類似。根據橘皮書（CD-R標準）所規定，CD-R使用了有機染料層來代替CD-ROM中的鋁制薄片、早期的cyanine（菁染料）為標準的CD-R染料層原料。而之后的Phthalocyanine（酞菁染料）則是一種可以相當耐用的物質，在陽光、紫外線等光線直射下的感光退化度很低。含氮染料以前用于其他光學記錄，而現在也用于CD-R。這些染料都是有機感光混合物。其盤片制造廠商都會摻雜這些不同染料，按照厚度、反射率、原料及“槽”結構進行混合，以達到在刻錄倍速下最佳的記錄特性。使用銀合金或24K黃金涂在染料上可以防止腐蝕及氧化反應，延長盤片的壽命和性能，一般可以保存5～10年。

我們總會說到藍盤、金盤等不同顏色的CD-R，這又是怎么一回事呢？準確地說，CD-R的顏色是因為在記錄層中加入了一些特殊的染料，從而導致出現綠色、藍色及金色等。例如，金綠盤是混合一種青綠色的黃金反射層，導致在正面顯現為金色，而反面顯現為綠色。

CD-R是怎么工作的呢？許多人把刻錄操作說成燒錄，這生動形象地說出了刻錄的工作原理。一臺CD-R刻錄機在有機染料層中利用775～795nm的激光物理燒出“槽”。當加熱到臨界溫度時，被燒錄過的區域產生化學反應可以反射光，而沒有燒錄過的區域則無法反射。當CD-ROM進行讀取操作時，就以光的反射來判斷資料。

雖然CD-R有著價格低廉的優點，但只能刻寫一次使其適用范圍受到了很大的局限，在一次使用中所刻錄的盤，下次只能對剩余的容量進行刻寫，而無法反復地擦寫，這樣勢必會造成資源上的浪費。所以，在幾個月的研究開發后，Philips、Sony發布了另一個CD標準：CD-Rewritable（CD-RW），CD-RW的結構如圖1-14所示。

CD-RW兼容CD-ROM及CD-R，為保持硬件上的一致性，CD-RW在結構上和CD-ROM及CD-R基本相同，所不同的是，為了可以反復擦寫，其材料上有了明顯的不同。CD-RW的記錄層像三明治一樣被兩層電介質層夾在中間，電介質層的作用就在寫操作時，吸收相位改變層額外的熱量。在CD-R盤片有機染料記錄層的位置上， CD-RW使用一層混合銀、銦、銻及碲的晶體混合物。這種混合物有著相當特殊的性質——在不同的溫度下可以形成不同的物理性質，結晶體和非結晶體——當進行刻錄和復寫時，CD-RW刻錄機就發射不同的激光，讓晶體混合物轉換狀態，達到重復刻寫的目的。

在CD-RW中，使用了三種不同功率的激光，來完成對CD-RW的三種操作。最高功率的激光用于寫操作，由于溫度相當高，所以被聚焦的部分晶體會馬上成為處于一種游離（無組織）狀態的液體，然后刻錄機就進行資料的寫入；擦除操作中，使用中等功率的激光，這樣可以熔化記錄層并轉換成晶體狀態；而在讀盤操作時，則使用功率最低的激光，由于功率太小，所以對記錄層不會產生任何影響，僅用于讀出盤片上的內容。

1.2.2 DVD-ROM及DVD-R/RW

DVD是一種新型的存儲標準，全稱Digital Versatile Disc（數字通用光盤），是由10家廠商組成的DVD聯盟所制訂的海量存儲解決方案。

其實DVD的誕生背后存在著一段相當曲折坎坷的發展道路。當時Sony-Philips推出了MMCD（多媒體光盤系統），而東芝、松下、時代-華納則推出了SD（Super Disc），這兩種光盤格式完全不兼容。為主導技術標準，雙方都堅持會堅定不移地支持自己所發布的技術，兩大競爭集團由此產生。但迫于業界的壓力（如Microsoft、Intel、Apple及IBM都給雙方下了一份簡短的通牒，要求快速地統一標準，否則就不要指望在個人電腦中得到任何支持），最后8家SD支持廠商和2家MMCD的推行廠商，組成了DVD聯盟并于1995年年底推出了DVD-ROM標準，此后，10家廠商又在不情愿的情況下組成了DVD Forum（DVD論壇），商討未來的DVD技術，并繼續著每項技術最后通過的漫長的口水戰。DVD Forum當時的成立情況就給日后的可錄式DVD標準混亂、派系之爭埋下了一個伏筆。

簡單地觀察，很容易把CD和DVD盤片混淆：兩者的直徑都是120mm，厚度為1.2mm。兩者也同樣依靠激光來讀取存儲在“槽”中的數據。但實質上，兩者有著根本的差別。首先， DVD中的數據區相當緊密，兩個磁軌的距離降低到0.74μm，比CD的1.6μm低了一倍。而且“槽”也更多，這就允許在一個磁軌中存在更多的“槽”。單層DVD中最小的“槽”寬為0.4μm，而CD為0.834μm。依靠這兩點，DVD就可以獲得比CD多4倍的數據儲存容量。在激光頭技術上，DVD也有所突破。更小的“槽”就意味著需要更小的激光束，DVD驅動器所使用的激光波長為635/650nm紅外線激光，而CD則使用的是780nm的紅外線激光。其次，DVD可以通過簡單地改變激光聚集來掃描多層DVD信息。DVD使用一層半透明的數據層及半透明的反射層來代替CD中的反射層，這就形成了DVD的單面多層體系。不過由于反射層依然存在，所以第二層的容量并不等同于第一層，這就是單面單層可以存儲4.7GB的容量，而單面雙層只能存儲8.5GB的原因。再次，DVD允許雙面儲存數據，廠商通過使用更薄的塑料基板，達到單面0.6mm。一般的DVD都使用兩張粘貼而成。雙面結構使DVD的容量又進一步，達到最高17GB的容量（雙面雙層）。最后，DVD的數據結構更為高效，擁有更多高效率的ECC使其可以保證重要數據的安全。CD-ROM與DVD-ROM技術規格比較如圖1-15所示。

DVD不同于CD，有多種規格，不同的規格有不同的容量，如圖1-16所示。

其中，DVD-5為單面單層結構，可儲存4.7GB的數據，如果是音像制品，可以存儲4692kbps編碼，133min的高清晰度電影；DVD-9為單面雙層，可儲存8.5GB的數據，或者240min的高清晰度電影；DVD-10為雙面單層結構，9.4GB的容量，266min的高清晰度電影；DVD-18為雙面雙層結構，17GB的容量，532min的高清晰度電影，真正的海量存儲。

從不同的格式來看，DVD又可以分成DVD-ROM、DVD-Audio、DVD-Video、DVD-R、DVD-RW、DVD+RW及DVD-RAM等。

在驅動器方面，和CD-ROM一樣，DVD-ROM依靠紅外線激光來讀取DVD盤片中的數據，不過DVD-ROM和CD-ROM對于讀盤速度的定義有所不同，1X DVD-ROM數據讀取速度為1250kbps，而1X CD-ROM為150kbps，前者相當于后者的8倍。由于DVD-ROM可以根據盤片的不同而產生不同的激光波長，所以DVD-ROM可以兼容CD-ROM。

對于可擦寫的DVD標準，主要包括DVD-RAM、DVD-R/RW和DVD+R/RW等。

DVD-RAM（DVD-Random Access Memory），是一種可擦寫的DVD格式。由東芝、松下及日立三家推出。該技術使用了相變技術，并融入了一些MO特性，成為雙相變技術（PD）。其1.0版本的DVD-RAM為2.7GB/面的容量，而2.0則提升到4.7GB/面（12cm）和1.46GB/面（8cm）。其最為重要的特性就是記錄區的“平臺”和“槽”均存儲數據，采用和MO一樣的浮雕式首標也是其一大特點。不過由于結構與DVD-ROM有很大差別，所以無法兼容，其前景并不樂觀。由于是第一款進入市場的可擦寫DVD格式，所以初期產品數量還是相當豐富的，不過隨著DVD-R/RW和DVD+R/RW推出，其市場份額逐步被壓縮，瀕臨淘汰。DVD-RAM的盤片如圖1-17所示。

雖然DVD-RAM是由DVD Forum最有權威的三家廠商所推出，但由于沒有做到兼容這一點，所以推廣上并不順利。所以先鋒于1997年7月發布了DVD-R第一版，也就是一次性寫入的DVD。第一版DVD-R的容量為3.95GB，并在隨后提高到4.7GB，使用波長為635nm的紅外線激光。

而DVD-RW則是在DVD-R的基礎上加入了相變材料，并加入兩層保護層，達到反復刻寫。在刻錄原理上，DVD-RW和CD-RW相當類似，所以就不多介紹。DVD+RW的標識如圖1-18所示。

由于DVD-R/RW和DVD-ROM的盤片結構及文件結構完全一樣，因此做到了完全兼容，成為正統的可擦寫DVD標準，受到了DVD Forum的認可，目前產品相當豐富，主流DVD-RW多為8X（倍速），價格也非常便宜。

在DVD標準之爭中失利的Sony-Philips，在DVD-R/RW推出之后，和HP一起創立了DVD+R/RW標準，打算和東芝繼續抗衡。DVD+R/RW的物理格式與DVD-R/RW完全一樣，但由于使用高頻抖動（817kHz，單位長度4.3μm），另外由于光線反射也有很大差別，所以兩者并不兼容。不過，由于其高頻抖動的影響，所以可以更為精確地跟蹤軌道，其無損連接也相當出色。使用動態壓縮比率（VBR），使DVD讀取/寫入都十分流暢，而且也很有效率，高頻抖動對無損連接也有著積極的幫助。DVD+R/RW可以以CLV來連續訪問，或者以CAV方式來進行隨機訪問。和CD-RW/DVD-RW類似，其記錄層采用了相變材料，可以依靠轉換其狀態來達到多次擦寫的目的。

未來HDTV（高清晰度電視）又將給光存儲提出更高的要求。其23Mbps的傳輸速率，將使一部電影達到20GB以上的驚人容量。DVD最高的容量不過17GB。那么誰來接棒下一代光存儲標準呢？

Sony-Philips這次又卷土重來，集結了7家廠商，共同推行下一代DVD標準Blue-ray Disc （藍光）。它最大的差別就是使用藍色激光來代替目前CD/DVD所使用的紅外線激光，波長降低到了405nm，同時，在盤片結構中，將物理透鏡的數值孔徑（NA）提高到了0.85，使用0.1mm的保護層，軌距也降低到了0.32μm，這些改變都使Blue-ray可以達到相當高的容量，其單面容量就高達27GB，絕對的海量存儲。不過由于保護層減少，其抗污耐損性就降低了。目前， Blue-ray的相關產品已經推出，不過暫時價格昂貴，還需一段時間的適應。

同樣，東芝也沒有袖手旁觀，與NEC攜手開發了AOD（Advanced Optical Disc），也是未來DVD標準的一個強大競爭對手。其最大的優勢就在于沿襲了DVD盤片的設計，僅僅靠縮小軌距來提高容量。由于與DVD差別不多，所以可以在成本提高不多的情況達到設備轉產。不過由于沒有Blue-ray那樣大刀闊斧地改革，所以容量比Blue-ray低了近10GB。由于AOD的規范發布時間較晚，所以目前產品還很少，這可能會使其在和Blue-ray的對抗處中于一個比較被動的境地。