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光盘技术的回顾与展望
双击自动滚屏 发布者:wt365 发布时间:2006/11/2 阅读:3070

      高宏,徐学雷
                   (清华大学光盘国家工程研究中心) 
   光盘存储技术是70年代初开始发展起来的一项高新技术。光盘存储具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其它记录媒体无可比拟的优点,特别适于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能满足信息化社会海量信息存储的需要,而且能够同时存储声音、文字、图形、图象等多种媒体的信息,从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。

  光盘存储技术近年来不断取得重大突破,并且进入了商业化大规模生产,在日本、北美及欧洲工业化国家已逐渐形成了独立的光盘产业,其应用范围也在不断扩大,几乎已深入到人类社会活动和生活的一切领域,对人类的工作方式、学习方式和生活方式产生了深远的影响。   在过去的几年中,世界各主要光盘产业国家的光盘产业销售额都在以两位数以上的速度增长,1996年底全世界各种光盘驱动器的销售总量达5760万台,其中CD-ROM驱动器的销售量为5450万台,CD-R驱动器销售量为150万台。全球CD-ROM驱动器的累计装机总量已超过1亿台,CD-R驱动器的销售量比1995年增长了10倍,是所有光盘产品中增长速度最快的一种。1996年全球光盘盘片的销售量达到了1亿片,其中CD-ROM盘约占90%,CD-R盘约占9%,其它可擦写光盘仅占1%。


一.只读式光盘存储器CD-ROM

  自1985年Philips和Sony公布了在光盘上记录计算机数据的黄皮书以来,CD-ROM驱动器便在计算机领域得到了广泛的应用。CD-ROM光盘不仅可交叉存储大容量的文字、声音、图形和图象等多种媒体的数字化信息,而且便于快速检索,因此CD-ROM驱动器已成为多媒体计算机中的标准配置之一。MPC标准已经对CD-ROM的数据传输速率和所支持的数据格式进行了规定。MPC 3标准要求CD-ROM驱动器的数据传输率为600KB/秒(4倍速),并支持CD-ROM、CD-ROM XA、Photo CD、Video CD和CD-I等光盘格式。

  MPC 3标准对CD-ROM驱动器的要求只是一种基本的要求,CD-ROM驱动器从诞生至今一直持续不断地向高倍速方向发展。1996年秋末,已有六种品牌的12倍速CD-ROM驱动器进入市场,Philips宣称在1997年第一季度将推出16倍速CD-ROM驱动器。但是专家们认为,适于高倍速CD-ROM驱动器的操作、驱动及应用软件还未出现,CD-ROM的使用性能并未随着驱动器速度的加快而加快。就多媒体计算机的性能而言,6倍速的CD-ROM驱动器已能满足要求。

  CD-ROM是发行多媒体节目的优选载体。原因是它的存储容量大,制造成本低,大批量生产时每片不到5元人民币。目前,大量的文献资料、视听材料、教育节目、影视节目、游戏、图书、计算机软件等都通过CD-ROM来传播。


二.一次写光盘存储器CD-R

  信息时代的加速到来使得越来越多的数据需要保存,需要交换。由于CD-ROM是只读式光盘,因此用户自己无法利用CD-ROM对数据进行备份和交换。在CD-R刻录机大批量进入市场以前,用户的唯一选择就是采用可擦写光盘机。

  可擦写光盘机根据其记录原理的不同,有磁光驱动器MO和相变驱动器PD。虽然这两种产品较早进入市场,但是记录在MO或PD盘片上的数据无法在广泛使用的CD-ROM驱动器上读取,因此难以实现数据交换和数据分发,更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目。

  CD-R的出现适时地解决了上述问题,使。CD-R是英文CD Recordable的简称,中文简称刻录机。CD-R标准(橙皮书)是由Philips公司于1990年制定的,目前已成为工业界广泛认可的标准。CD-R的另一英文名称是CD-WO(Write Once ),顾名思意,就是只允许写一次,写完以后,记录在CD-R盘上的信息无法被改写,但可以象CD-ROM盘片一样,在CD-ROM驱动器和CD-R驱动器上被反复地读取多次。

  CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处,它们的主要差别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层,反射层用金,而不是CD-ROM中的铝。当写入激光束聚焦到记录层上时,染料被加热后烧溶,形成一系列代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似,但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。

  CD-R驱动器中使用的光学读/写头与CD-ROM的光学读出头类似,只是其激光功率受写入信号的调制。CD-R驱动器刻录时,在要形成凹坑的地方,半导体激光器的输出功率变大;不形成凹坑的地方,输出功率变小。在读出时,与CD-ROM一样,要输出恒定的小功率。

  通常,CD-ROM除了要符合黄皮书以外,还要遵照一个附加的国际标准:ISO9660。这是因为当初Philips和Sony没有定义CD-ROM的文件结构,而且各种计算机操作系统也只规定了该操作系统下的硬盘和软盘文件结构,使得不同厂家生产的CD-ROM具有不同的文件结构,曾经一度引起了混乱。后来,ISO 9660规定了CD-ROM的文件结构,Microsoft公司很快就为CD-ROM开发了设备驱动软件MSCDEX,使得不同生产厂家的CD-ROM在不同的操作系统环境下都能彼此兼容,就象该操作系统下的另外一个逻辑驱动器--目录或磁盘。

  CD-R的发展已有5年的历史,但是也还存在上述类似的问题。我们无法在DOS或Windows环境下对CD-R驱动器直接进行读写,而是要依赖于CD-R生产厂家提供的刻录软件。大多数刻录软件的用户界面并不直观,而且系统安装设置也比较繁琐,给用户的使用带来很多麻烦和障碍。

  为了改变这一状况,国际标准化组织下的OSTA(光学存储技术协会)最近制定了CD-UDF通用磁盘格式,只要对每一种操作系统开发相应的设备驱动软件或扩展软件,就可使操作系统将CD-R驱动器看作为一个逻辑驱动器。采用CD-UDF的CD-R刻录机会使用户感到,使用CD-R备份文件就如同使用软盘或硬盘一样方便。用户可以直接使用DOS命令对CD-R进行读写操作,如果用户使用如Windows Explorer这样的图形文件管理软件,可将文件拖曳或投入(drag and drop)到CD-R刻录机中,就可将文件课录到CD-R盘上。

  CD-UDF也是沟通ISO9660与DVD-UDF文件结构的桥梁,采用CD-UDF文件结构的CD-R盘可在DVD-ROM驱动器上读出。

  Philips公司最近推出的第四代CDD2600刻录机首先采用了CD-UDF文件格式,并可在Windows 95和Windows NT环境下即插即用,使CD-R技术的发展步入了一个新的里程。

  CD-R的最大特点是与CD-ROM完全兼容,CD-R盘上的信息可在广泛使用的CD-ROM驱动器上读取,而且其成本在各种光盘记录介质中最低,每兆字节所需化费的代价约为人民币0.1元。CD-R光盘适于存储数据、文字、图形、图象、声音和电影等多种媒体,并且具有存储可靠性高、寿命长(100年)和检索方便等突出优点,目前已取代数据流磁带(DDS)而成为数据备份、档案保存、数据交换、及数据库分发的理想记录媒体,在企业、银行证券、保险公司、档案馆、图书馆、博物馆、医院、出版社、新闻机关、政府机关及军事部门的信息存储、管理及传递中获得了极为广泛的应用。特别是为那些需要永久性存储信息而不准擦除或更改的用户提供了一种最佳方案。


三.可擦写光盘存储器

1.MO可擦写光盘存储器

  MO是英文Magnet-Optical的缩写,是指利用激光与磁性共同作用的结果记录信息的光磁盘。MO盘用来存储信息的媒体与软磁盘相似,但其信息记录密度和容量却比软磁盘高的多。这是由于记录时在盘的上面施加磁场,而在盘下面用激光照射。磁场作用于盘面上的区域比较大,而激光通过光学系统聚焦于盘面的光点直径只有1~2微米。在受光区域,激光的光能转化为热能,并使磁性层受热而变的不稳定,即变的易受磁场影响。这样,在直径只有1~2微米的极小区域内就可记录下一个单位的信息。通常的磁性记录方式存储一个单位的信息时,要占用相当大的区域,因而磁道也相应变宽,盘上记录信息的总量也就很小。

  MO盘片虽然比硬盘和软盘便宜和耐用,但是与CD-R盘片相比就显得比较昂贵了。MO的致命缺点是不能用普通CD-ROM驱动器读出,因而不能满足信息社会对计算机数据进行交换和数据分发的要求,在网络技术和网络建设不发达的国内,这一问题日驱突出和严重。


2.PCD可擦写光盘存储器

  相变光盘(Phase Change Disk)与MO不同,MO光盘的记录和读出原理是利用磁技术和光技术相结合来记录和读出信息,而相变光盘的记录和读出原理只是用光技术来记录和读出信息。相变光盘利用激光使记录介质在结晶态和非结晶态之间的可逆相变结构来实现信息的记录和擦除。在写操作时,聚焦激光束加热记录介质的目的是改变相变记录介质晶体状态,用结晶状态和非结晶状态来区分0和1;读操作时,利用结晶状态和非结晶状态具有不同反射率这个特性来检测0和1信号。

  早在1968年,美国的ECD(Energy Conversion Device)公司就开始研究晶态和非晶态之间的转换。1971年ECD和IBM公司合作研制成功了世界上第一片只读相变光盘存储器,随后相继开发成功了利用相变原理制造的一次写WO盘。1983年,日本松下公司推出了世界上第一台可擦写相变型光盘驱动器。1994年,松下公司又将相变型可擦写光盘驱动器与四倍速CD-ROM相结合,推出了PD光盘驱动器,在一台光盘驱动器上同时具有相变型可擦写与四倍速CD-ROM功能。松下公司一在声称PD并不是英文缩写,但是人们通常将其理解为英文Phase-change Disk或Power Drive的缩写。

  与MO技术相比,由于相变光盘仅用光学技术来读/写,所以读/写光学头可以做的相对比较简单,存取时间也就可以提高;由于相变光盘的读出方法与CD-ROM、CD-R光盘相同,因此兼容CD-ROM和CD-R的多功能相变光盘驱动器就变的容易实现,PD、CD-RW和可擦写DVD-RAM等新一代可擦写光盘存储器均采用了相变技术。

  相变光盘存储技术经过20多年的不断研究和稳步发展,具有比MO存储密度高、记录成本低、介质寿命长、驱动器结构简单、读出信号信噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点,特别是相变光盘存储器能向下兼容目前广泛使用的CD-ROM和CD-R,因此相变光盘技术已成为光存储技术中的主流技术,具有广阔的应用前景。


四.可擦写光盘存储器CD-RW

  PD驱动器虽然可以同时实现可擦写光驱与四倍速CD-ROM两种功能,但是PD光盘不能在CD-ROM或CD-R驱动器上读出。为了使可擦写相变光盘与CD-ROM和CD-R兼容,早在1995年4月,飞利浦公司就提出了与CD-ROM和CD-R兼容的相变型可擦写光盘驱动器CD-E(CD Erasable)。CD-E得到了包括IBM、HP、Mitsubishi 、Mitsumi、松下电器、Sony、3M以及Olympus等公司的支持。1996年10月,Philips、Sony、HP、Mitsubishi和Ricoh五家公司共同宣布了这一新的可擦写CD标准,并将CD-E更名为CD-RW(CD-ReWritable)。CD-RW标准的制定标志着工业界可以开发并向市场提供这种新产品。

  CD-RW兼容CD-ROM和CD-R,CD-RW驱动器允许用户读取CD-ROM、CD-R和CD-RW盘,刻录CD-R盘,擦除和重写CD-RW盘。由于CD-RW采用CD-UDF文件结构,因此CD-RW可作为一台海量软盘驱动器使用,也可在今后的DVD-ROM驱动器读取,具有更广泛的应用前景。Philips公司预计,CD-RW产品将于1997年3月投放市场。


五.市场前景

  在光盘存储技术发展的过程中,不同的生产厂商开发出了不同种类的光盘产品。在众多的光盘产品中,只有CD-Audio、CD-ROM和CD-R在市场中取得了巨大的成功。在总结这些光盘产品在商业上成功的原因时,飞利浦关键组件部的总裁Jan Osterveld说:"标准化、兼容性和可交换性是光盘工业发展的基石。"

  与CD-ROM的兼容性和可交换性是任何一种光盘存储设备获得发展的充分条件。随着光盘存储技术的飞速发展,数以千万计的CD-ROM驱动器被安装到各种计算机系统中,截止1996年年底,全球CD-ROM驱动器的装机量已超过1亿台,预计到2000年将接近2亿台,因此,使用与CD-ROM兼容的光盘来存储和交换信息是最经济简便的方法。

  MO和PD虽然有不少特点,但是它们只能被其它同类驱动器读取,不能在广泛流行的CD-ROM上使用。MO和PD没有市场共享性,购买者只是将它们用于数据备份,而不是数据交换,因此MO和PD很难在市场上流行起来。另外,PD只是松下公司独家生产的产品,没有得到同其市场行为相联系的其它公司(生产商和用户)的支持,因此在市场上取得成功的可能性不大。

  CD-R是可记录光盘市场上的后起之秀,虽然只能刻录一次,但由于它与广泛使用的CD-ROM兼容,并具有较低的记录成本和很高的数据可靠性赢得了众多计算机用户的普遍欢迎。CD-R目前是各种光盘存储产品中发展最迅猛的一种,随然1996年CD-R的产量比上一年增加了10倍以上,但是全球还是出现了CD-R普遍供不应求的短缺现象。CD-R刻录机的价格相对几年前已下跌了很大幅度。在国外,CD-R刻录机正在逐步取代CD-ROM驱动器而成为计算机的一种标准配置。

  CD-RW是一个已经得到众多公司和用户普遍支持的可擦写光盘标准。由于CD-RW仍沿用了CD的EFM调制方式和CIR检纠错方法,CD-RW盘与CD-ROM盘具有相同的物理格式和逻辑格式,因此CD-RW驱动器与CD-R驱动器的光学、机械、及电子部分类似,一些零部件甚至可以互换,这将大大节省CD-RW的开发和生产费用,降低CD-RW驱动器的成本,使CD-RW在1997年就能迅速在可擦写光盘产品市场占有一定的份额。

  由于知识产权和技术上的限制,DVD驱动器正式投放市场的时间一直不断向后延期,而可擦写DVD驱动器的推出时间预计将在1999年以后。由于CD-RW盘可在CD-ROM驱动器上读出的时间尚未确定,而且CD-RW盘的成本高于CD-R盘,因此未来几年光盘存储的主流产品将是CD-R。据Philips统计,1996年全球CD-R刻录机的总销售量为150万台,其中Philips占75%以上的市场份额。Philips预测,从1997年开始,CD-ROM、MO和PD的市场销售量将逐年下降,CD-R刻录机仍将保持强劲的增长势头,1997年全世界CD-R刻录机的销售量将为600万台,1998年超过1000万台,在2000年达到2400万台。

 
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