研究生多媒体04_多媒体硬件环境

多媒体技术多媒体技术第四章多媒体硬件环境1.存储设备2.音频接口3.视频接口4.多媒体I/O设备第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.1分类存储设备有各种类型，硬盘，软盘，光盘等等，根据这些存储设备存储原理的不同，可以分为磁存储介质和光存储介质两大类。磁介质：软盘，硬盘，磁带，ZIP等光介质：CD-ROM,DVD等第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备RAID技术（廉价磁盘冗余阵列）redundantarrayofindependentdisks或redundantarrayofinexpensivedisks这种方法在容量，吞吐速度，可靠性方面都有所提高。RAID是多个磁盘的一组阵列，数据分布在多个驱动器上以获得容错性、大存储容量及性能的改进。RAID技术并不是一个新的概念，他源于大型主机的冗余、容错等思想。第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备RAID子系统：由多个用单个控制器操作的小型磁盘驱动器构成，这些驱动器对主机来说，象一个单一的驱动器。也就是说，从主机方面来看，逻辑上把它们看作一个驱动器（物理上是多个小驱动器）。很大的驱动器要维持与较小的驱动器相同的性能水平就需要更昂贵的驱动器电子设备。使用廉价磁盘冗余阵列可以在低成本的情况下提高整体磁盘存储容量。第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备RAID中吞吐量速度的提高通过把读写操作并行地分布在多个磁盘驱动器上实现，这一过程称为数据划分（datastriping）。它使数据分离在多个驱动器上，这样一个单一的I/O请求的不同部分就可以由多个磁盘平行地来服务。很明显，这种方法有一个很大的问题：数据分布在不同的驱动器上，如果没有额外的冗余度，数据就会有更大的危险，危险性将随磁盘数目而翻倍。任何一个磁盘的失败都能导致读或写数据的失败。所以在RAID技术中增加了一些冗余。第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备目前已经开发出若干不同的RAID方式以满足不同的需要。RAID系统的类型习惯上用“层”来表示，它们的定义如下：0层：磁盘划分1层：磁盘镜像法2层：数据的位交错3层：具有奇偶校验的驱动器的位交错4层：具有奇偶校验的驱动器的数据扇区交错5层：数据的块交错8第四章多媒体硬件环境使用RAID系统的主要目的：磁盘系统的热后备较低成本的大容量存储（在目前大容量磁盘出现后这一优势正被减弱）较低成本的更高性能数据恢复的便捷性高的MTBF并不是所有的RAID系统都具有这些性能，性能的改进取决于应用程序和RAID系统的类型。1.存储设备1.2扩展硬盘设备9第四章多媒体硬件环境RAID0层——磁盘划分技术RAID0含有连接在一个单个磁盘控制器上的多个驱动器。数据被划分为横跨多驱动器（最少两个物理驱动器）的分布的数据段。通过横跨驱动器来分散数据，磁盘划分技术为写或检索数据块的应用程序提供了高的传输速率。1.存储设备1.2扩展硬盘设备10第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备控制器磁盘1磁盘5磁盘4磁盘2磁盘305104914381327121611段RAID011第四章多媒体硬件环境RAID0层——磁盘划分技术RAID0层最初被设计用来改善性能，并不提供任何数据冗余度。这种方法不提供数据冗余度或容错，而且还有另一个主要的缺点：如果一个驱动器出故障，整个驱动器系统就不能运行。因为数据通过所有的驱动器被划分，而如果有一个中间段不能被使用，整个数据就不能被存取。1.存储设备1.2扩展硬盘设备12第四章多媒体硬件环境RAID0层——磁盘划分技术RAID0技术和单个驱动器相比，性能改善的实现是通过使磁盘的读写操作相重叠。由于数据被写入驱动器的缓冲区比被写入磁盘驱动器的物理介质要快得多，控制器只需把数据段写入驱动器缓冲区，然后移向下一段的下一个驱动器。所以对于整体性能来说，物理介质的速度很少被考虑。实际达到的性能取决于控制器的设计和它如何管理磁盘的读和写。1.存储设备1.2扩展硬盘设备13第四章多媒体硬件环境RAID1层——磁盘镜像技术在这种方法中，每个驱动器都有一个镜像驱动器，这些驱动器被连接到一个单个磁盘控制器上。所有写在主驱动器上的数据同时也被写在它的镜像驱动器上，也就是说镜像驱动器总是包含复制的数据。特点:通过这种设计实现了完全的数据冗余。这种方法较为昂贵。但可靠性很高。读可以通过重叠来提高速度。例如，当主驱动器查找一个数据块时，镜像驱动器可以开始查找下一个请求的数据块，这就减少了查找等待时间。1.存储设备1.2扩展硬盘设备14第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备控制器RAID1段0段0写到两个上的同一段主驱动器镜像驱动器15第四章多媒体硬件环境RAID2层——数据位交错技术RAID2层磁盘系统包括被连接在一个磁盘阵列控制器上的多驱动器的阵列，连接是通过一个SCSI通道或多个SCSI通道实现的。数据是一次写一位，它是横跨多驱动器的位交错存取和使用多校验磁盘来检测和纠正错误的。磁盘驱动器以和主轴同步的方式并行操作。对主机来说，驱动器阵列就像一个驱动器。1.存储设备1.2扩展硬盘设备16第四章多媒体硬件环境1.存储设备1.2扩展硬盘设备阵列控制器A1B1RAID2A5B5A4B4A3B3A2B2PaPb主适配器A1－A5跨驱动器位交错存放校验数据的驱动器17第四章多媒体硬件环境RAID2层——数据位交错技术错误的校验和校正需要附加的驱动器，驱动器的数量取决于错误校正算法。位交错技术经常被用于超级计算机，以便同时提供大数据量存储和提高系统各个方面包括速度和容错性等方面的性能。1.存储设备1.2扩展硬盘设备18第四章多媒体硬件环境RAID2层——数据位交错技术RAID2层使用了一个复杂的错误检测和校正方法。主要缺点是错误校正需要多驱动器，是一种实现数据冗余的昂贵的方法，增加了成本。另一方面，特别是在多媒体系统中，很多数据并不需要如此高的校正错误，如很多格式的音频和视频数据，偶尔的错误并不会影响整个数据文件的使用。另一个缺点是驱动器上的每个扇区都和其他驱动器上的扇区相联系以共同形成单个存储单元，也就是说，即使只存储很少的数据，也要用多个扇区以横跨多个驱动器，这导致了存储的浪费。1.存储设备1.2扩展硬盘设备19第四章多媒体硬件环境RAID2层——数据位交错技术在性能和应用方面：不适合用于每个传输数据尺寸都很小的传输处理。实际上，由于错误校正方法的速度慢和麻烦，且每个读写操作必须在每个磁盘被检测，RAID2层在实际中并不常用。1.存储设备1.2扩展硬盘设备20第四章多媒体硬件环境RAID3层——并行磁盘阵列在RAID3层驱动器中，系统数据也是横跨多驱动器的位或字节交错存放。它比RAID2层效率更高，因为在数据流中写入奇偶校验位，代替全汉明码错误检测和校正。并行操作。1.存储设备1.2扩展硬盘设备21第四章多媒体硬件环境RAID4层——扇区交错技术扇区交错技术：把连续扇区的数据写到不同的驱动器上。RAID4层使用多个数据驱动器并通常用一个专用奇偶校验驱动器。和RAID3主要的不同之处：在这种方法中数据被分散且交错存储在多个驱动器的扇区。数据在扇区这个层次上交错。（数据块的第一个扇区被写入第一个驱动器，第二个扇区被写入第二个驱动器，如此下去）。1.存储设备1.2扩展硬盘设备22第四章多媒体硬件环境RAID5层——块交错技术在RAID5层，和所有别的RAID系统一样，多个驱动器连接在一个磁盘阵列控制器上。与RAID4层（数据按扇区交错）不同，RAID5层中数据是按块交错存储。另一个很大的不同点是，RAID5层不用专用的奇偶校验驱动器。取而带之的是奇偶校验数据被分散在数据流中，并且是横跨多个驱动器分布的。也就是说，每个驱动器即包括数据位也包括校验位。1.存储设备1.2扩展硬盘设备23第四章多媒体硬件环境RAID5层——块交错技术以三个物理硬盘构成的RAID系统为例。在RAID5中，第一个数据块存储在第一个驱动器中，第二个数据块存储在第二个驱动器。第三个驱动器接收到的是用来校验存储在另外两块硬盘当中数据的一部分数据，这部分校验数据是通过一定的算法产生的，可以通过这部分数据来恢复存储在另外两个硬盘上的数据。注：这三块硬盘的任务并不是一成不变的，也就是说在这次存储当中可能是1号硬盘和2号硬盘用来存储分割后的文件块，那么在下次存储的时候可能就是2号硬盘和3号硬盘来存放文件。1.存储设备1.2扩展硬盘设备24第四章多媒体硬件环境RAID5层——块交错技术RAID5使用了一种特殊的算法，可以计算出任何一个带区校验块的存放位置。校验块已经被分散保存在不同的磁盘中，这样就可以确保任何对校验块进行的读写操作都会在所有的RAID磁盘中进行均衡，从而消除了产生瓶颈的可能。性能：安全性增加。消除了瓶颈问题。但是同样有缺点。1.存储设备1.2扩展硬盘设备25第四章多媒体硬件环境RAID5层——块交错技术如果阵列当中某块硬盘上的信息发生了改变的话，那么就需要重新计算文件分割碎片，并且，校验信息也需要重新计算，这时，每个硬盘都需要重新调用。1.存储设备1.2扩展硬盘设备26第四章多媒体硬件环境RAID5层——块交错技术如果阵列当中某块硬盘上的信息发生了改变的话，那么就需要重新计算文件分割碎片，并且，校验信息也需要重新计算，这时，每个硬盘都需要重新调用。1.存储设备1.3光存储设备27第四章多媒体硬件环境CD-ROM最早是用于音乐存储的。用其作为音乐存储介质的优势：使用方便，介质具有耐久性，不会随使用次数的增多而质量下降以磁带相比具有随机访问的性能很高的声音保真度大存储容量成本较低1.存储设备1.3光存储设备1.3.1发展历史简介28第四章多媒体硬件环境CD－ROM之所以被的用户所采用，一个很大的原因就是它的标准化，CD－ROM上记录数据有精确的规范和标准，一张符合标准的CD－ROM可以在任何CD－ROM光盘驱动器中读出。发展过程中的标准如下所示1.存储设备1.3光存储设备1.3.1发展历史简介29第四章多媒体硬件环境（1）红皮书与CD－DACD－DA（CompactDisk-DigitalAudio）是最早的激光唱盘标准，它是由荷兰Philips公司和日本Sony公司共同制定的，因其最后书面文件的封面为红色，故也叫做红皮书标准（这种根据标准书面材料封面颜色命名的方式也被延续下来）。红皮书是一个用于记录音频道标准，现在使用的音乐CD就使用了红皮书所规定的记录格式。1.存储设备1.3光存储设备1.3.1发展历史简介30第四章多媒体硬件环境（2）黄皮书与ISO9660对于音乐盘片，偶尔的数据丢失将不会引起注意，对于要求数据完整性的应用，需要一种新的标准来提供错误更正。所以，1986年，Philips公司和Sony公司为首的几家工业集团又联合制定了一个CD－ROM标准，称为黄皮书。这个标准规定了在CD盘片上记录数据的方式。国际标准化组织在1988年修改后作为ISO9660标准。并进一步规定了CD盘上文件的结构和组织方式，使计算机操作系统能够定位和访问盘上的数据，而不必使用经专门设计的特殊驱动器。1.存储设备1.3光存储设备1.3.1发展历史简介31第四章多媒体硬件环境（3）CD－I、绿皮书与CD－ROMXA为了将CD－ROM技术用于传统的家电领域，Philips公司和Sony公司制定了面向教育和家庭娱乐应用的CD－I（CDinteractive,也就是交互式CD）标准，也称作绿皮书标准。由于CD－I不是针对计算机应用制定的标准，在使用计算机读出和解释CD－I盘片上记录的数据时受到许多限制。为此，两家公司又联合制定了面向计算机应用的CD-ROMXA标准（CD－ROMextendedarchitectureCD-ROM扩展结构），可将音频、文本和图像混合存储在CD盘上。1.存储设备1.3光存储设备1.3.1发展历史简介32第四章多媒体硬件环境（4）VideoCD与白皮书以SONY和PHILIPS为首的几家公司又联合制定了用于存储视频图像和电影的VideoCD白皮书标准。