网络多媒体技术（西电版）第6章多媒体系统关键技术

,第6章 多媒体系统关键技术,6.1 多媒体信息存储技术 6.2 多媒体信息输入输出技术 6.3 多媒体通信同步技术 6.4 多媒体终端技术 6.5 本章小结 思考练习题,多媒体技术的发展离不开相关技术的支持。数据压缩技术、多媒体网络技术在前面章节已经作了介绍，除此之外，多媒体信息存储与输入输出技术、网络同步技术、多媒体终端技术等也在多媒体技术的发展过程中发挥着重要作用，下面将逐一介绍这些关键技术。,6.1.1 磁存储技术 1. 硬盘的基本工作原理 硬盘是计算机系统中极为重要的设备，存储着大量的用户资料和信息。硬盘由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成。其中，磁头、盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部分。,6.1 多媒体信息存储技术,硬盘的基本工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据；写的操作则正好相反。硬盘还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路的初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置。初始化完成后主轴电机启动并高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片的着陆区，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号时，通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号，利用感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，,通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统，以完成指令操作。结束任务后，硬盘处于断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。,2. 硬盘的性能指标 (1)转速。转速是硬盘所有指标中除了容量以外最引人注目的性能参数，以r/min为单位。转速对于硬盘传输速度至关重要，转速越快，硬盘取得及传送数据的速度也就越快。目前，硬盘转速主要为5400 r/min、7200 r/min和10000 r/min。,(2)容量。硬盘上信息的存储是以圈的形式存在的，每一个圈就是一个磁道。半径方向单位长度内的磁道数目称为道密度Dt，而沿圆周单位长度上的信息比特数称为位密度Db，面密度Dn为道密度与位密度的乘积，即DnDt×Db。Dn越大，表明一个盘片上能存储的信息量就越大。面密度的增加会使相邻磁道间的干扰加大，磁头在磁道上进行数据读写时容易发生偏离，增加出错几率。硬盘容量与盘片数、面密度关系密切，这两项数值越大，则容量越大。,盘片数的增加会使硬盘体积增厚。单盘片容量的大小直接关系到整个硬盘容量的大小，因为目前的硬盘里一般只能放进45张盘片，只有提高每张盘片的容量才可以不断地增加硬盘的容量。随着盘片面密度的提高，磁头就必须随之越来越灵敏。传统的磁阻磁头所能承受的最大单盘片容量是4.5 GB左右，目前单盘片容量超过5 GB的硬盘已经全部使用了巨磁阻磁头。 除了对容量大小产生影响之外，单盘片容量还和硬盘的数据传输速度有着密切的关系。磁道数的增加对于减少磁头的寻道时间大有好处，因为盘片的半径是固定的，磁道数的增加意味着磁道间距离的缩短，而磁头从一个磁道转移到另一个磁道所需的时间就会缩短，这将有助于随机数据传输速度的提高。,而磁道内线性磁密度的增长则和硬盘的持续数据传输速度有着直接的联系，新一代GMR磁头技术确保了这个增长不会因为磁头的灵敏度的限制而放慢速度。所以在很多时候，更高单盘容量的5400 r/min硬盘会比单盘容量较低的7200 r/min硬盘的速度更快。,(3)平均寻道时间。平均寻道时间指的是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间，它直接影响着硬盘的随机数据传输速度。磁头平均寻道时间除了和单盘容量有关外，最主要的决定因素是磁头动力臂的运行速度。目前硬盘的平均寻道时间大约为79 ms。,(4)缓存。缓存也是硬盘相当重要的一个参数，其大小也会直接影响到硬盘的整体性能。在数据的读取过程中，硬盘里的控制芯片发出指令，将系统指令正在读取的簇相邻的下一个或几个簇的数据读入硬盘高速缓存。当系统指令开始要读取下一个簇的数据时，硬盘便不需要重新开始一个读取动作，只需要将缓存中的数据传送到系统主存中就行了。因此，缓存容量的加大可以使得更多的预读数据被容纳，系统等待的时间被大大缩短。,(5)传输速度(Transfer Rate)。传输速度分为内传输速度与外传输速度。内传输速度是从硬盘到缓存的传输速度，外传输速度是从缓存到通信接口的传输速度。内传输速度更能反应硬盘的实际表现。目前，最快的传输速度已达1.28 Gb/s。,(6)接口类型。硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，其作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。每种接口协议拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，其存取效能的差异较大。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中硬盘接口的性能高低直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏。 从整体的角度上看，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，在IDE、SATA、SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，即它们各自又拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度。而光纤通道只在高端服务器上才用到。,3. 硬盘技术的发展趋势 (1)更高的主轴电动机转速。硬盘的主轴电动机转速一般都为4500 r/min或者7200 r/min。从理论上说，转速越快，硬盘的速度也越快，但提高转速受到散热、稳定性等多方面的制约，因此硬盘转速的提高是有限度的。随着硬盘转速的提高，平均等待时间和平均寻道时间随之下降。目前硬盘转速已高达10000 r/min以上，平均寻道时间为5 ms，分别工作在Ultra2 SCSI和Fibre Channel两种传输模式下。,(2)ULTRADSP(超级数字信号处理器)的应用。DSP每秒可以处理数千万条指令，处理数学运算时较一般CPU快1050倍。DSP用于缩短硬盘的平均寻道时间时，采用ULTRADSP技术，其单一的DSP芯片可同时提供处理器及驱动接口的双重功能，减少了其他电子零件的使用，可大幅度提高硬盘的速度和可靠性。,(3)高速缓存技术。目前在硬盘上广泛采用了多段先行读出式超高速缓存器，它可在读出和先行读出作业中，将数据存入超高速缓存器中，主机不必通过磁盘驱动器便可以直接使用这些数据。由于每一段都可以用做一个独立的缓冲器，可以在多任务环境中大大提高系统的吞吐性能，因此即使是E-IDE接口的硬盘，为了提高性能，也增加了256 KB的高速缓存。目前一些硬盘上已经采用了高达2 MB的高速缓存。,(4)使用MR及GMR技术提高单盘容量。利用MR(Magneto-Resitivehead，磁阻磁头)技术可以以更高的实际记录密度记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。MR技术可使硬盘容量提高40%以上。GMR(Giant Magneto Resistive，巨磁阻磁头)与MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据的，但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，从而可以实现更高的存储密度。现有的MR磁头能够达到的盘片密度为35 Gb/in2，而GMR磁头可以达到1040 Gb/in2以上。目前GMR磁头已经处于成熟推广期，在今后的数年中，它将会逐步取代MR磁头，成为最流行的磁头技术。,(5)硬盘内多盘片封装技术。当平均存取时间和记录密度一定时，盘片数加倍则意味着单位区域内的容量加倍，移动磁头寻道的时间将减小，性能将提高。一般E-IDE接口的硬盘最多为4片盘。目前单张盘片(3.5in)容量可达到2.88 GB，如使用4片盘，则可使容量达到11.5 GB。,(6)OAW技术。在传统磁盘技术的发展过程中存在一个“超顺磁极限”。传统磁记录驱动器的面记录密度越来越大，当它达到2040 Gb/in2时，磁盘上的磁介质就无法保持稳定的磁畴，这就是传统磁盘技术发展的理论极限。但信息技术的发展对信息存储的要求却没有极限。下一代的存储解决方案名曰光学辅助温式(OAW)技术。OAW系统由先进的光输送系统、独特的磁头设计、全新的伺服系统等新一代记录介质子系统组成，可以在1in内写入105000个以上的磁道，单盘容量有望突破36 GB。单盘容量的提高不仅可以提高硬盘总容量，降低平均寻道时间，还可以降低成本，提高性能。OAW是未来磁头技术发展的方向。,OAW技术达到的面记录密度远高于今天的硬盘驱动器，最终将突破超顺磁极限，即传统磁技术的面记录密度的理论极限。OAW技术在驱动器领域首次把光技术、磁技术和通信技术集成在一起，构成了新一类的高容量驱动器产品。,6.1.2 光存储技术 光存储技术发展得很快，特别是近10年来，近代光学、微电子技术、光电子技术及材料科学的发展为光学存储技术的成熟及工业化生产创造了条件。光存储以其存储容量大、工作稳定、密度高、寿命长、介质可换、便于携带、价格低廉等优点，已成为多媒体系统普遍使用的设备。 1980年，日本的KDD公司推出了世界上第一台光存储系统。从那时起，世界各先进工业国就致力于光存储系统的开发和研究工作。光存储系统由光盘驱动器和光盘盘片组成。光存储的基本特点是用激光引导测距系统的精密光学结构取代硬盘驱动器的精密机械结构。,光盘驱动器的读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光学头，记录介质采用磁光材料。驱动器采用一系列透镜和反射镜，将微细的激光束引导至一个旋转光盘上的微小区域。由于激光的对准精度高，因此写入数据的密度要比硬磁盘高得多。 光存储系统工作时，光学读/写头与介质的距离比起硬盘磁头与盘片的距离要远得多。光学头与介质无接触，所以读/写头很少因撞击而损坏。虽然长时间使用后透镜会变脏，但灰尘不容易直接损坏机件，而且可以清洗。与磁盘或磁带相比，光学存储介质更安全耐用，不会受环境影响而退磁。硬盘驱动器使用5年以后失效是常见的事情，而磁光型介质估计至少可使用30年、读/写1000万次。只读光盘的寿命更长，预计为100年。,1. 光存储的类型 常用的光存储系统有只读型、一次写型和可重写型这三大类。 (1)只读型光存储系统。只读型(Read Only)光盘上的数据是在生产制作时生成的，用户可以根据需要选读光盘上的信息，但是不能擦除、更改或者再写入新的数据。它主要作为电子出版物、素材库和大型软件的载体，常见的有CD-ROM、激光唱片(CD-DA)、激光视盘(LD)以及存储视频图像和电影的VCD、DVD等。,(2)一次写型光存储系统。一次写多次读型(Write Once Read Many,WORM)光存储系统的存储单元的状态只能改变一次，而且一旦改变就不能回到原来状态，即写是不可逆的，但是可重复多次读，即可一次写入，任意多次读出。其使用寿命为1050年，主要用于档案存储。常用的WORM光盘有CD-R光盘，它使用CD-R刻录机写入数据，支持逐次写入光盘内容，但对于已写入空间不允许重新写入。 (3)可重写型光存储系统。可重写光盘(ErasableRead/Write,E-R/W)像硬盘一样，可以任意读/写数据，即允许在擦除了盘片上原有的数据以后重新写入新的数据，主要用于多媒体应用开发系统和多媒体信息系统中。,2. 光存储系统的技术指标 光存储系统的主要技术指标包括尺寸、容量、数据传输率、缓存和平均存取时间。 (1)尺寸。光盘的尺寸多种多样。LV(Laser Vision)的直径为12 in,CD激光唱盘和CD-ROM的直径为4.72 in。光盘正在向小尺寸方向发展。,(2)容量。容量指按照某种光盘标准进行格式化后的容量。采用不同的光盘标准就有不同的存储格式，容量也不一样。如果改变每个扇区的字节数或采用不同的驱动程序，则会影响格式化容量。例如，SONY公司的SMO-D501光盘，如果格式化使每个扇区为10