CN1301466C - 提供多媒体数据的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一盘驱动器以很长螺旋数据道存储多媒体数据。这盘的相反面的道以相反方向盘旋，所以，当传动装置向内扫描时在一个面上的道可以读出，而当传动装置向外扫描时在盘片的反面的道可以被读出。因为传动装置仅跟随着螺旋道并不执行长的找道操作，传动装置马达能够减小尺寸并可减少在传动装置轴承和其它部件上压力。此外，由于减少了同找道有关的干扰，可以更接近地跟随道，因此减少了各道的宽度。

Description

提供多媒体数据的设备和方法
本申请是中国专利95104772.8的分案申请，该申请于95年4月25日提出，名称为“提供多媒体数据的设备和方法”。
本申请还是美国专利申请08/184,417的继续申请，该申请在1994年1月21日申请，其名称为“用户定义数据存储设备物理格式的系统和方法”。
技术领域
本发明涉及旋转盘数据存储装置。尤其涉及用于存储多媒体数据的装置。
背景技术
现代数据处理系统，如计算机及其它设备都需要大容量海量数据存储设备。常用存储设备是旋转磁盘驱动器。典型的旋转磁盘驱动器包括安装在一公共轴上的一个或多个盘片。数据被记录在位于平整的盘片表面上的磁编码的“磁道”上。典型情况是，一个盘片的两个面均用来记录数据，尽管，在某些设计中用单面记录数据。一个可移动传动装置(actnator)将读/写传感器头定位在贴近磁道，以便在磁道上读或写数据。
这些磁道存储设备已经广泛地用来存储计算机程序，文本文件，数据库等。典型情况下，这类常规的计算机数据包含在小块，亦就是记录内。这些记录，相对于盘驱动器上可获得的存储的总数量来说是小的。因此一个盘驱动器将包括大量的这种记录，这些记录中的任意一个可能在计算机系统一接到通知就需要。一个盘驱动器必须能够通过计算机系统对在盘上存储的任何记录迅速响应请求。
在盘驱动器上存储的数据类型，及快速存取不管存储在哪里的数据要求，已经指导了传统盘驱动器存储设备的设计。为了能使盘驱动器迅速存取盘表面上无论何处的数据，数据道被安置为一系列同心圆圈。当一批新数据被存取时，传动装置必须移到适当道(圈)上，这称为“找道”操作。移动传动装置到新道所需时间称“找道时间”。为了减少找道时间，一个大功率的电磁马达以高速移动传动装置，使其从一道通过盘表面穿到另一道。但还不仅如此，每当传动装置被定位到适当道，必须等待盘旋转直到所需数据正好紧接传感器头。有些时候，数据很快到达传感器。但有些时候，驱动器在得到数据之前须等待盘完成接近一个旋转周期。这样等待，直到数据正好紧接传感器，所需时间称为等待时间，这时间平均为盘旋转周期的一半。为了减少等待时间，盘驱动器已经被设计成以更快速度旋转盘。
近来，计算机及相关设备已开始存储不同数据类型，总起来称为“多媒体”数据在它们的海量存储设备上存储。多媒体数据是一种数字化的图象缩码的形式，例如，数字化缩码照片，运动图象，动画演示，音乐及其它视觉及音频图象。
多媒体数据利用与常规计算机数据的那些不同的存储要求的装置。一方面，多媒体记录数据量很大。所以，要求有更大容量的存储设备。另一方面，多媒体数据不需要快速存取任何记录的随机部分，也不需要像常规计算机数据那样的非常低的错误率。
在常规的旋转磁盘存储设备上存储多媒体数据是可能的。这些设备的设计对常规的计算机数据已经最佳。为多媒体数据的有效存储，需要设计磁盘存储设备。
多媒体数据的海量存储的特殊应用是在“点播电视”系统中。点播电视是这样一种系统，他可以在一天的任何时间里，从很大的库中向用户提供电视的选择。几种这样系统已经被提出，但点播电视系统尚未能够商品化。至今，对如何构成这种系统还无一致意见，部分原因是缺乏存储设备，以有效存储多媒体数据。
发明内容
本发明的目的是要提供一种增强方法和装置，用以存储数据特别是为存储多媒体数据。
本发明的另一目的是提供一种旋转盘存储设备，设计的这种设备为了更有效存储多媒体数据。
本发明另外的目的是减小存储多媒体数据的成本。
本发明的再有目的是增加旋转盘存储设备上存储数据的容量，尤其是在存储多媒体数据时候。
本发明再有目的是为对用户提供的多媒体数据提供增强的方法和装置。
本发明再有目的是提供一种方法和装置，为了从旋转盘存储设备上读多媒体数据，以更好匹配多媒体演示用的数据速率。
本发明的还有目的是为点播电视服务提供一种增强的方法和装置。
本发明的另一目的是为点播电视服务提供低成本的方法和装置。
为了存储多媒体数据，优化了旋转盘存储设备，数据被存储在盘片两面上很长的螺旋形数据道中，传动装置跟随道从盘片表面的一边到另一边。在盘片的相反面上的螺旋型方向相反，以使在一个面上螺旋模型可以用传动装置向内扫描而被读出，在相反面上的螺旋模型数据可以用向外扫描而被读出。
本发明提供一种多媒体数据服务器，包括：多个数据缓冲器，所说的缓冲器的每个对应于同多媒体演示有关的各自的时间间隔，每个缓冲器具有各自输出通道，以输出存储在所说缓冲器中的多媒体数据；至少一个海量存储设备，用于存储多媒体数据演示，在所说海量存储设备上存储的多媒体数据包括多个相继存储的数据段，每个数据段同所说各时间间隔中的一个有关；其中多个数据段同每个所说的时间间隔有关，而在所说至少一个海量存储设备上连续顺序存储的数据段同所说时间间隔中不同的那些时间间隔有关，同多个时间间隔中的一个有关的数据段被交错到同其它时间间隔有关的数据段中；至少一个数据总线连到所说的至少一个海量存储设备上，以便从所说至少一个海量存储设备到所说的缓冲器传送多媒体数据；多个开关把所说的数据总线同所说的多个缓冲器相连，每个开关同所说数据缓冲器中各自一个有关；一个控制器用来操纵所说的多个开关，所说的控制器在所说的至少一个海量存储设备在对应所选择的数据缓冲器的所说的时间间隔有关的数据总线上输出数据段时，使同选择的数据缓冲器有关的开关接通。
本发明还提供一种多媒体演示数据的方法，所说的多媒体演示被分成多个时间间隔，所说的方法包括步骤：从至少一个海量存储设备上读多个多媒体数据段，所说多媒体数据段的每个同所说各时间间隔中的一个有关；其中多个多媒体数据段同每个所说的时间间隔相联系，在所说的读多个多媒体数据段的步骤中读出的连续数据段是同所说多个时间间隔中不同的那些时间间隔相联系，同所说的多个时间间隔中的一个有关的数据段被交错到同其它时间间隔有关的数据段中；选择性地传送所说多媒体数据段的每个到多个缓冲器中选择的一个，所说的缓冲器中的每个分别同所说时间间隔的各自一个相联系，且所说的选择性地传送每个所说数据段的步骤把每个数据段传送到同与该数据段有关的时间间隔相联系的缓冲器中；同时，从所述多个缓冲器的每个，提供分别输出所说多媒体演示的不同部分，每个所说不同部分分别同所说时间间隔中各自一个相联系。
因为传动装置跟随着一个盘面上的螺旋道从外边运动到内边。接着，在相反面上的螺旋道，反向运动从内边到盘的外边。传动装置通常不跳过道以实现找道。因此，不需要像习惯的盘驱动器中常规那样，为了提高速度去装备大功率传动装置。在最佳实话例中，传动装置马达只需有跟踪道的功率，因而减少了驱动器的尺寸和成本。而且，通过仅以操作相对慢的道跟踪运动，扫描盘片的盘面，在传动装置的轴承和其它部件上应力就减小。这可能使相邻道更靠近(因此减少了每个道的宽度，增加了数据密度)。
通过减少旋转盘的旋转马达的尺寸，进一步减低了成本。因为可存取更大的数据记录，且典型地，从一个道末端跟着另一道，等待时间不再是主要考虑的问题。因此，盘转速比传统的盘驱动器速度更慢。
最后，多媒体数据不需要像传统数据同样的数据精度的要求(即同样低的错误率)。已经观察到错误率随数据密度增加而增加。在最佳实施方案中，数据密度故意增加到超出传统计算机数据可接受的数据错误率的程度。较高数据错误率没有造成感觉到的多媒体数据的损伤，而较大密度意味着更多数据可能被存储到盘驱动器上。
最好地，以同心道伺服模式，形成嵌入的伺服扇区。通过对伺服模式产生的位置误差信号，附加的一个螺旋道偏移，驱动器对螺旋数据道进行读写。此螺旋道偏移随着盘对索引位置的位置角度线性倾斜，直到盘转完一周到达下一个索引位置。
在另一实施例中，通过在螺旋数据道上以接近常数每英寸位率存储数据，可在盘面的所有部分得到最大线性数据密度。同时，改变主轴马达的速度为传动装置的半径位置上的函数，以对数据得到一常数时钟率。
在最佳实施例中，如上面解释的那样，一盘驱动器组对多媒体数据优化，用于形成一点播电视系统。一个视频演示的交替的部分，如一活动图象被存储在螺旋轨道上的块中。驱动器在一个时候从头到尾读一个螺旋道上的多个块。放置这些块数据到相应于不同短时间间隔缓冲器组内。视频信号从缓冲器输出。通过转换到适当的缓冲器，任何短时间间隔的电影能按点播而获得。视频数据块最好映象到盘存储器设备上。所以，若任一盘驱动器出故障，块的后备拷贝件可以从其它驱动器之一中得到。
附图说明
图1为按照本发明的最佳实施例的多媒体数据服务器映象图；
图2显示了一个典型磁盘驱动存储装置，该装置用作最佳实施例的多媒体数据服务器；
图3A和3B显示了最佳实施例的盘驱动存储装置的表面上数据道的定位；
图4根据优先实施例表明了伺服结构和数据扇区结构；
图5根据最佳实施例，表明了盘驱动存储装置的道上如何形成数据字段；
图6根据最佳实施例，描绘了为了在螺旋道上存取数据所用扫描处理(sweep process)的步骤；
图7根据最佳实施例，表明了通过控制器控制服务器的操作采取的步骤；
图8根据最佳实施例，利用多媒体数据服务器点播电视(video-on-demand)库系统的方框图；
图9根据另一个实施例，显示了为驱动可变速主轴马达的主轴马达控制电路。
具体实施方式
普通转让的共同未决的美国专利申请08/184,417,1994年1月20日由Billings等人申请的，名称为“用户定义数据存储设备物理格式的系统和方法”在此引入作为参考。
上面引入的较早专利申请描述了某些不同设计考虑，这对打算做多媒体数据存储用的数据存储设备是需要的。特别是，那里描述了如何一个常规盘存储设备仅通过道格式化来更改，以便更有效地记录不同类型的数据，包括多媒体数据。本申请描述了一个多媒体数据服务器系统，它包括单独为多媒体数据设计的特殊目的盘存储设备。
根据本发明的最佳实施例，图1显示了多媒体数据服务器100的主要元件图。服务器100包括3个旋转的磁盘驱动器101-103，用以存储多媒体数据。在驱动器上存储的数据分别输出到数据总线104-106再到开关107-109。开关107-109把驱动器连到第2数据总线组110-112。数据总线110-112提供数据信号，通过各自的开关121B-144B到24个数据缓冲器组121A-144A，数据输出线121c-144c各自同数据缓冲器相连，以连续提供参差不齐的多媒体数据部分。
服务器100提供多路性质不同的多媒体演示的部分，如运动图象，同时到输出线121c-144c上。因此，例如，对一2小时的运动图象，每个输出线121c-144c按5分钟间隔输出。一用户可以连到服务器上并可以选择任意5分钟间隔开始观看。因此，演示每5分钟再一次重复开始，以使任何用户能在任何时间连到系统上，并从开始连到服务器的5分钟之内开始观看演示。
开关107-109及121B-144B的操作由控制器113通过图示的控制线控制。图示的控制线简单地用单线操作多路开关，不过，应该知道，控制器可以分别操作每个开关。控制器113包括可编程的微处理器114和随机存取存储器15以存储控制程序116。控制程序116在微处理器114上执行，以控制多媒体服务器100的工作。特别地，控制器113管理在总线104-106上的数据并顺序地控制从磁盘驱动器101-103读出数据，通过使开关121B-144B的开和关送到合适的缓冲器121A-144A中。
数据被映象到驱动器101-103上，以使万一任意一个驱动器出现故障时，系统能从另一驱动器上继续提供数据。控制器113检测出磁盘驱动器101-103中任何一个故障，操作开关107-109通过装大数据到另一个磁盘驱动器的缓冲器中来补偿故障。服务器100的工作在下面作更详细的说明。
图2根据本发明显示了一个磁盘驱动器存储单元102。在最佳实施例中，所有磁盘驱动存储单元101-103在结构上是相同的，并有相同数据容量，相同速度和其它工作特性。磁盘装置102包括可旋转的盘片201，它坚固地连到轴毂或主轴203上，这个轴装在基座204上。主轴203包括为了以指定方向旋转盘片201的在轴毂的主轴马达。在最佳实施例中，盘片201以恒定旋转速度旋转。梳状传动装置(comb-like actuator assembly)205位于盘201的一边。传动装置205，通过一电磁马达207驱动，围绕平行干主轴的轴心线的轴206作圆弧旋转，以决定传感器头的位置。一个盖(未显示)同基座204相配合以密封和保护磁盘和传动装置。用来控制驱动器的工作并同其他装置通信的电子模块，例如磁盘驱动阵列控制器或主计算机包括在电路卡212中。典型地装于罩外，大量的磁头/悬挂装置208坚实地连结在传动装置支架205上。一个气动读写传感器头209位于贴近盘片表面的每个头/悬挂装置208的末端。
典型地，数据被记录到磁盘201的2个平整表面上，形成了每个磁盘所用的2个数据记录面。而且，多个盘片可以叠装在轴203上，这在技术上是熟知的。应该知道，在磁盘驱动器上盘片的数目是可以变化的。这实质上不再是每个盘用2个面。在每个记录面上，有一个磁头悬挂装置208。
图3A和3B更详细地显示了在磁盘201的记录表面上数据磁道的定位。图3A描述了从底下看时磁盘201的底面。而图3B描述了从上面看时磁盘201的顶面。在图3A和3B中，清楚的用箭头表示了磁盘的旋转方向，在磁盘表面上的悬挂臂208的轮廓。磁盘201的顶面上螺旋的数据磁道310包括一序列的数据块，从盘201的外侧开始，螺旋向着盘201的内侧。在盘201的顶面的螺旋的数据磁道311包括一序列数据块，它们从盘201的内侧开始，螺旋向着盘201的外侧。数据磁道310、311还包括很多与数据块交织的伺服扇区，以使驱动器能标识磁道位置及跟随磁道中心。下面利用嵌入伺服扇区跟随数据磁道在技术上是熟知的。在图3A和3B仅显示了磁道310和311的一部分，为了说明问题，这些磁道尺寸被放大了。在最佳实施例中，磁道310、311的宽度小于3.5微米，使螺旋轨道通过磁盘表面重复几千次。
应该知道，具有相反螺旋数据道的一对记录面不必放置在同一盘的相反面上。例如，当多个盘片安装在一个驱动器上，容易地可以用向内螺旋数据道在格式化一个盘片的2个面，并用向外的螺旋数据道去格式化另一盘片的2个表面。
除了上面描述的螺旋数据磁道外，磁盘驱动器102引入几种设计特点，以优化多媒体数据设计。首先，可以看到，因为数据被形成在很长螺旋数据磁道上，而磁盘驱动器正常工作要从头到尾读很长记录，传动装置从内到外扫描，对驱动器102不需要用传动装置实现快速寻道。因此，传动装置马达207可考虑比传统的磁盘驱动器的传动装置典型使用尺寸更小，同时降低了成本，重量及磁盘驱动器的电源消耗。例如，对驱动3.5″盘片的传统的磁盘驱动器，根据当前技术具有平均找道时间约为9毫秒，在50％周期负载的寻道方式中，电源消耗约为2瓦，也就是，在寻道期间，常规的传动装置马达必须加速传动装置，通过盘片表面移到新的磁道，及在所有寻道时间内减速传动装置。在实施例的磁盘驱动器中，仅需要跟随磁道，用大约150秒完成对盘片的慢扫描，在慢扫描终点倒换方向。例如，对常规的磁盘驱动器，一传动装置马达不能扫描传动装置用小于100毫秒时间，从盘面的一边扫到另一边，这对常规磁盘驱动器将是完全不合适的。而对最佳实施例的磁盘驱动器将是完全合适的(事实上更合乎需要)。在最佳实施例的传动装置马达估计所需电源消耗约为传统传动装置马达的5％。
为多媒体数据设计的优化驱动器102的第2个特点是设计一个旋转盘片的主轴马达。传统的主轴马达必须高速旋转盘片，当存取数据时使等待时间最小。一个典型的常规的盘片驱动马达可以以5400RPM速度旋转3.5″盘片，它是磁盘驱动器中主要的电源消耗。根据最佳实施例，磁盘以2500RPM速度旋转以匹配压缩的视频数据读到缓冲器的所需速率，因为对给定尺寸磁盘的主轴马达的电源消耗近似地正比于速度的平方，将主轴马达速度降低到2500RPM将使它的电源消耗降低到接近传统驱动器的25％。这也允许所构成的主轴马达用较小元件，较少绕组和/或较小强度磁铁，以降低尺寸和成本。
驱动器102的第3个特点是有高数据密度。最好，磁道更窄，在磁道内数据的线性密度比传统磁盘驱动器可能的线性密度更大。这有2个理由，在传统磁盘驱动器中，找道时间成为磁道宽度的限制因子。当传动装置寻找一新磁道时，它必须减速并定到一个位置，在这个位置上跟随磁道而没有不合适的共振，如果所有其它因子固定，磁道越窄传动装置固定到寻找末端所需时间越长，这增加了找道时间，在优先实施例的磁盘驱动器中，无找道要执行。因此，传动装置定位所需时间不再受磁道宽度限制。因此，磁道能够做得更窄。
可增加数据密度的第二个原因是多媒体数据不要求像常规的数字数据存储那样的低数据错误率。这些理由在通常转让的共同未决的美国专利申请07/998,278中给出解释，这个专利是1992年12月30日由ottesen等人申请的，名称为“多媒体数据存储设备”，在此引入作为参考。常规的数据包括计算机程序，帐目数据等等。如此多变化中每一位能严重影响数据意义的程序输出。因此，在常规数据情况下，通常可接受的软错误率在109位不能超过1位。而在多媒体数据中，偶然的一位错误是不危险的。多媒体数据由人类眼晴和耳朵给予“译码”，人类的大脑自动地实现了整个功能，忽视各个象素出现的错误。结果，在视频或音频信号中小量缺陷通常将不被用户注意。请注意，对已定的磁记录技术，在磁盘的表面上的记录位已接近技术极限，记录密度增加6％引起软错误量成十倍地增加。因此，如果可以增加数据密度接近24％，而不作其它修改，表示允许更高错误率。
在常规的磁盘驱动器中，常规数据在接近4200磁道/英寸的磁道密度接近135KBPI(几千位/英寸)的线性数据密度，目前可用磁致电阻技术存储。在最佳实施例的磁盘驱动器中，磁道密度增加到接近7300磁道/英寸。在记录面内部线性数据密度为135KBPI，当磁道向外沿移动时稍为降低，因为数据以固定时钟率(字节/每秒)或磁盘旋转每度的固定字节数被记录。最好，通过减小电感性的写头的宽度增加磁道密度(减少磁盘宽度)。一常规电感性写头接近2倍相应的读头宽度。在最佳实施例中，写头被减小到仅比读度稍宽的尺寸。最好小于读头宽度的1.5倍，而最佳情况为接近读头宽度的1.15倍。读头(磁阻)在本例中保持同样尺寸以维持同样信号噪声比。而独立磁致电阻读传感器和电感性的写传感器被用于优先实施例中。本发明可利用另外的任何常规磁头技术，例如薄膜组合读/写传感器或金属间隙组合读写传感器。
尽管在最佳实施例中保持相同线性位密度，由于增加了格式化效率，磁道线性单元可存储更多数据。由于使用螺旋形磁道，不需执行长距离的找道，在数据扇区标头及伺服扇区中的某些信息不再需要。尤其是可能消除在每个伺服扇区中反射码磁道标识符。该标识符通常在执行找道操作时用于标识磁道。它亦可以消除在数据标头中磁道标识信息。在间隔内包含磁道标识信息仍然是希望的，(例如磁盘每圈一个，放在索引标记中)，但这个比在每个嵌入的伺服扇区中，包括反射码磁道标识符需要的磁盘空间更少。增加密度和改进格式化效率的组合作用能多于存储在磁盘表面数据总量的2倍。对优先实施例的3.5英寸磁盘驱动器，在每个表面可存储接近500M字节数据，也就是在磁盘驱动器上存储1G字节(十亿字节)。面积密度近似500M位/每平方英寸。
那些熟练的技术人员将会了解，引用的磁道密度和线性密度可以改变以得到相似结果。在最佳实施例中，为了得到500M位/平方英寸的规定面积密度不需要增加线性位密度(增加错误率)。然而，对低磁道密度，线性位密度可被增加以得到这个面积密度。在特殊情况下，用电感性读和写头(薄膜头或金属间隙头)代替如最佳实施例中独立的磁致电阻读头。如果需要允许较高错误率，可以要求用更低磁道密度和更高的线性密度。利用上面及别处所说明各种技术，可能获得每平方英寸的面积密度超过500M位。
在最佳实施例中，磁盘驱动器102用嵌入相位编码伺服扇区，使伺服机制定位传动装置到磁道的中心上。即伺服信息像数据那样被记录到相同盘面，在数据扇区中间交错的伺服扇区上。伺服扇区每当磁盘旋转4.5度有间隔分开。磁盘每转一圈形成80个伺服扇区。
伺服扇区优先用常规的同心方式写到磁盘上，而不是用螺旋方式。即当写伺服扇区时，围磁盘写成环形扇区磁道，且在索引位置，伺服记录器用一磁道宽度为增量定位，去写同第一个磁道同心的下一圈轨道。用这种方法不断写伺服磁道，直到磁盘表面全部经过。螺旋数据磁道的读和写可以被实现通过把螺旋磁道位置误差偏移加到读伺服扇区时产生的位置误差信号上，螺旋磁道位置误差偏移的幅度取决于对应索引位置的伺服扇区的角度位置。例如，在索引位置上，位置误差偏移将为零。当磁盘在索引位置那边旋转时，一个增加偏移量被加入或从位置偏移中减去，这取决于磁道螺旋方向是向内还是向外。在离索引位置180°处，偏移将恰好是1/2磁道宽度。伺服机制的更详细的被说明在通常转让的共同未决美国专利08/184,417中，1994年1月20日由Billings等人申请，在此引入作参考。
图4根据最佳实施例说明了伺服和数据扇区的结构。图中显示了磁盘表面的一个弧部分。位于角度间隔之间的伺服扇区401-403，定义了圆磁道的中心线405、406，采用在本领域熟知的各种伺服编码技术的任意一种。最佳实施例中采用了相位编码伺服形式，亦可以使用幅度编码伺服形式。伺服扇区401处于索引位置。数据磁道410包括位于伺服扇区之间的数据扇区411、412。在索引伺服扇区401，数据磁道410的中心线413最初同中心线406一致。当数据磁道逐渐远离索引位置时，数据磁道中心线413进一步偏离由伺服扇区定义的中心线405。在伺服扇区403上，由伺服扇区403定义的数据磁道中心线413和中心线405之间可以看到一个明显的偏移415。当传动装置正跟踪一数据磁道时，伺服系统把螺旋磁道偏移总量415加到由伺服扇区检测的位置误差上，以从螺旋数据磁道410的中心线413上得到实际偏离。螺旋磁道偏移415的量随磁盘210的角度位置的变化。一个螺旋磁道位置误差偏移既可以在间隔期(例如，每个伺服扇区)增加一离散量，也可以按照一连续数学函数增加。应该知道在图4所示的扇区，磁道和偏移为了说明清楚起见大大夸大了比例。也应该知道，伺服扇区并不严格遵循从盘的中心开始的半径线。在优先实施例中使用一旋转的传动装置，这样的扇区沿着旋转的传动装置的路径所定义的圆弧被安放。
同轴的伺服扇区被提出，因为他们简化了写伺服扇区到盘表面的起始任务。用写同轴伺服模式，可以简单完成全部盘面的写操作，无视螺旋的方向，然而，另一方面也可以用螺旋模式写伺服扇区。
多媒体数据以重复方式和交叉方式存储在驱动器101-103上。图5说明了数据段如何在驱动器101-103的磁道上被格式化。在驱动器101上的一个简化磁道以参考号501表示。磁道502表示驱动器102上的磁道，而磁道503表示驱动器103上磁道。磁道501-503包括大量相等大小的数据扇区，表示成“1-1”，“2-1”等等，在优先实施例中，每个扇区具有约900字节数据，亦就是接近一视频帧的1/6。这些扇区用名称“N-M”标出。其中N表示5分钟间隔数，对此扇区包含有数据，而M表示在5分钟间隔内扇区的序列号。例如，扇区“3-1”表示第3个5分钟间隔内的第一个扇区。5分钟间隔的号数亦相应于24个缓冲器121A-144A中的一个。扇区3-1包含第3个5分钟间隔的数据，它被装到第3个缓冲器123A中。在最佳实施例中，每个扇区采用合适的大小，一个扇区接一扇区实现交错。而且，一个交错数据段的尺寸并不需要正确对应一个扇区，例如，涉及相同时间间隔(相同缓冲器)的一对扇区能连续构成一单个数据段，这数据段同其它相同方式数据对交错。图5显示了各个扇区被交错的方式。
实际上，磁道501被记录在2个螺旋数据磁道上，这2个螺旋数据磁道位于磁盘驱动器101的盘201的面上。磁道501的开始一半被记录在向内盘旋的盘片201的一个面上，磁道501的下一半记录在向外盘旋的盘片201的相反面上。磁道502和503以相似状态，分别在驱动器102和103上被记录。
很明显，全部数据被重复地记录在驱动器101-103上，例如，扇区1-1同时包含在501和503磁道上。因此，当万一任一驱动器出故障时，可从另一驱动器上读数据。
应该清楚，在图5中磁道501-503的表示仅为了说明，并不打算作为磁道内容的完全表示。尤其是磁道最好包含嵌入的伺服脉冲串，以使如上解释在读写数据时，数据头跟随磁道。这些伺服脉冲串已经从图5中省略。此外，数据扇区典型地包括为标识目的的标头部分。
结合磁盘驱动器现在对多媒体伺服系统100的工作将给予说明。在典型操作中，系统100提供24个输出通道。每个表示一个2小时多媒体演示如运动图象的一个5分钟段。每个磁盘驱动单元101-103存储演示的2/3，整个演示存储两次。
每个磁盘驱动器通过在单一盘面上的螺旋数据磁道从头到尾工作。缓慢地有效扫描传动装置使通过数据面连续运动。因为在每个输出端口存在的数据必须每5分钟重复，驱动器必须在5分钟间隔内完成扫描通过全部磁盘面。用2个数据面，每次扫描通过一个数据面需要约150秒。那些熟练的技术人员将了解到，这比在找道操作期间为了移动一常规的磁盘驱动器传动装置的情况需要更长时间周期。在到达数据面的一面的螺旋磁道的结尾时，驱动器用电切换读通道电子设备从另一面去读数据。然后，沿着另一面上的螺旋数据磁道，以反方向扫描。并不需要把传动装置在扫描通过盘面尾时返回到它的起始位置。在第一次扫描的结束位置，它将简单的开始它的下一次扫描，进入相反方向。这个过程被描述在图6中。盘片201在边缘处连到轴203。箭头A和B代表传动装置扫描的方向。第一次扫描用A表示，在盘片201下面读数据，从外缘开始螺旋式的向内。第二次扫描用B表示，在盘片201的上面读数据，从内缘开始螺旋式的向外。完成了二次扫描后，驱动器重复这个过程，以便再一次读相同数据，再开始扫描A。显然，当所构成磁盘驱动器一个公共主轴上有多个片盘时。根据本发明在重复初始扫描之前可以完成4、6、8或更多次扫描。
图1中所示开关107-109通常被设置，即用总线104从磁盘单元101连到总线110，用总线105从磁盘单元102连到总线111，且用总线106从磁盘单元103连到总线112。
当数据从磁盘驱动器101-103读出时，各自输出到总线104-106。控制器113监视这些总线上的数据，以操纵开关121B-144B。图7说明了通过执行控制器微处理器114的控制程序116，去控制服务器工作的步骤。
控制器继续着一重复的处理。在步701上，控制器监视相应总线，为得到希望的扇区标识符。当遇到数据扇区的开始时，扇区ID通过磁盘驱动器被输出到总线上。因为扇区按次序出现，控制器保持所希望的下一扇区的记录。在步702上，控制器从总线读扇区IP，并匹配到所希望扇区ID。如果扇区ID被误解或不匹配，在步703中指示出错误，且控制程序分支到步709进行错误校正。如果扇区ID正确，控制器确定是否被读扇区的驱动器是在步704扇区的初始设备。每个磁盘驱动器是对8个缓冲器的初始设备，另一设备是对应另外8个缓冲器。如果磁盘驱动器是初始设备，控制器接通开关到相应的缓冲器，即在步705，缓冲器相应于相同时间间隔数据扇区对应于这时间间隔，如果磁盘驱劝器是另一个设备，则跳过步705。跳过步705的结果是磁盘设备读扇区，但数据并不到任何一缓冲器，并且不被使用。然后，控制器监视总线，为使实际数据跟随步706的扇区ID。如果在步707在数据中没有错误被检测，控制器不需要作任何动作。根据控制器在前面设置的缓冲器开关，数据被直接地通入缓冲器。当全部数据扇区被传送完，控制器断开缓冲器开关，在步708更新它的下一个希望的扇区的记录。
当监视缓冲器，结果控制器检测出错误，在步709初始化错误校正进程。这包括磁盘驱动器的询问，试图重读数据及其它在错误校正技术方面所知的过程。而且，如果磁盘驱动器单元已确定出故障且不能被恢复联机。控制器指示后备磁盘驱动器设备作为数据扇区初始设备，这些数据扇区正常时应从出故障单元读出。然而，这些数据扇区从后备设备读出，直到出故障设备修理好或被更换。
举例来说，当驱动器101读数据扇区1-1并在总线104上传送其内容，控制器113接通开关121B而断开开关122B-128B。从扇区1-1读的数据因此仅通到缓冲器121A。当驱动器101结束读扇区1-1，控制器断开开关121B而接通开关122B。然后，数据仅从扇区2-1通到缓冲器122A。这种处理继续到扇区8-1。每个扇区通过开关121B-128B的操作被读到它的各自相应的缓冲器121A-128A。直到扇区9-1，控制器113断开全部开关121B-128B。驱动器101通过16-1读扇区9-1，但在正常操作方式下数据并不通到任何缓冲器，仅在万一其它磁盘驱动器之一出故障才使用这数据。到扇区1-2时，控制器113通过接通开关121B而重复处理，使在扇区1-2中的数据被传送到缓冲器121A等等。因此，通过顺序的操作开关121B-128B，扇区1-1，1-2，1-3等被读到缓冲器121A，扇区2-1，2-2，2-3等被读到缓冲器122A，扇区3-1，3-2，3-3等被读到缓冲器123A等等。
控制器113同时继续相同的过程以保持开关129B-144B的状态。即当驱动器102读扇区9-1时，开关129B被接通而开关130B-136B被断开，选通的数据输入到缓冲器129A。当驱动器103读扇区17-1时，开关137B被接通，而开关138B-144B被打开，选通数据进入缓冲器137A。因此，缓冲器129A到136A连续的由存储在磁盘驱动器102的数据所填充，且缓冲器137A到144A连续的由存储在磁盘驱动器103的数据所填充。存于磁盘装置102相应于缓冲器137A到144A(表示成17-X，18-X等，直到24-X)的扇区正常下并不使用，但万一某驱动器出故障时，它用作重复扇区。同样，存于磁盘装置103相应于缓冲器121A到128A的扇区(表示成1-X，2-X等，直到8-X)正常情况下并不使用。
磁盘驱动器和总线能以突发脉冲串方式传送数据到缓冲器，传输脉冲速率比在多媒体演示中所显示数据的速率快。如上所述，允许数据交错。各个缓冲器很快的用很多扇区之一的数据填充，当其它缓冲器被填满时慢慢地变空。
因此，缓冲器必须有足够大以保持整个扇区并避免当其它缓冲器被填充时数据溢出。但不需要比要求的更大。在最佳实施例中，每个扇区包括900数据字节，缓冲器大小接近扇区的2倍。即1800字节被认为是足够了。每个缓冲器将在每当第16扇区时被填满，也就是4.8毫秒。优选的主轴马达速度2500RPM，假定磁盘每圈为80个扇区，是设计成匹配这个数据速率的。最好，缓冲器121A到144A是一个标准2KB半导体先进先出缓冲器，这缓冲器仅比扇区的2倍大小稍大一些。
数据段的交错对不同缓冲器(即不同时间间隔)是希望的，以匹配磁盘存储设备的速度和典型的多媒体应用中数据使用的速率。当然组成多媒体存储设备不用交错方法确实是可以的。但设备将或者需要非常大的缓冲器，或者需要用数据使用率与其速度匹配的磁盘。若没有用交错，假定存储器数据密度为135KBPI，常规视频率为167千字节/秒压缩视频(见如下解释)，而一个3.5英寸磁盘将必须要有接近156RPM的旋转速度以匹配速率，以这个速率数据能从磁盘表面读出，也就是它的使用的速率。对磁盘存储设备这是极端慢的速度，可以由干缺乏空气流举起滑块而使滑块接触盘面。根据最佳实施例所用交错方法，数据从磁盘上读出其速度接近于16倍多媒体显示所使用的速度，这使磁盘马达以接近2500RPM速度旋转。这仍然认为比常规磁盘驱动器所需速度慢。因此，对磁盘的轴承和马达的要求可以放松。同时，这速度对提供空气流举起滑块是足够快的。
如上解释，需要匹配磁盘旋转速度、交错因子和可用缓冲器数。使用目前技术，最实际是使用某些存储视频数据压缩的形式。在最佳实施例中，视频数据使用运动图象专家组标准I(MPEG I)数据压缩算法视频数据被存储在盘驱动器101-103上。对视频数据，这种算法产生平均数据压缩因子接近100到1。利用这种算法，平均一标准视频帧需要5.6K字节的存储量。用常规的30帧/秒的帧率，一秒钟的视频演示平均要存储167K字节。
最好，数据以压缩格式从磁盘驱动器101-103传到缓冲器121A-144A，并且亦以压缩形式最终呈现到通道121C-144C上。视频数据最好不解压缩，直到它到用户的演示系统，如电视屏幕。用户演示系统必须装备相应的解压缩硬件。根据MPEG1标准的解压缩数据的芯片在市场上是可以买到的。
而在最佳实施例中用MPEG1压缩算法，任何合适的压缩算法能替代被使用。并可在不同阶段上压缩和解压缩数据。例如，数据能够以压缩形式存储在盘驱动器101-103上，并在它存储到缓冲器121A-144A以前解压缩。可以减少所需解压缩芯片的数量，但需要更大缓冲器和需要更宽频带从缓冲器到用户的演示系统的传送介质上。用不压缩算法全然亦是可以的，这些存储和传输的全部数据以非压缩格式。而且，这将相应地增加系统的硬件要求，尤其是对磁盘驱动器存储容量的需求，且这样需要匹配线性存储密度，盘的速度，盘驱动器数量及交错级等等。
万一在服务器100工作期间，磁盘驱动器101-103之一出故障，服务器通过开关在相应时间去后备存储在其它设备上的数据能继续提供多媒体演示。这通过操作开关107-109而实现。下面例子说明这故障恢复技术。假设盘驱动器102在工作中出故障。控制器113监视总线105的通讯，检测出驱动器102不再提供所需数据。因此，控制器改变开关108从总线104选通数据(存于盘设备101上)到总线111、盘设备101包括有缓冲器129A-136A指定的数据扇区的后备拷贝。它们通常由盘驱动器102送给。开关选通总线104到总线111后，缓冲器129A-136A将从盘驱动器101接收它们的数据。数据扇区9-X，10-X等到16-X存储到盘驱动器101，在正常操作方式下，这是忽略的，现在被经总线104和111被传送到缓冲器129A-136A。控制器113改变开关129A到136A的定时，所以，开关相应于总线104上由盘驱动器101提供数据而断开和接通。而不是由总线105上由盘驱动器102提供数据。其它盘驱动器的一个出故障，是同样被处理。
多路服务器100能用来产生一完全点播电视库系统。图8显示了该系统的框图。库系统801包括连到很多多媒体服务器803-805的压缩的电影库802。每个服务器连到各自的转换网络806-808，转换网络再连到中央转换设备809。每个服务器803-805用来表示上面所说的一个完全的服务器系统100。显然，在库中这些设备的实际数可以变化的。
压缩电影库802包括大量以压缩形式存储的电影或其它视频演示。因为库的总量是大的它们必须存储在廉价的介质上。例如，磁带或CD-ROM将是合适的存储设备。当一电影打算变成可用的时，它从压缩库802装载到服务器803-805中的一个。这或者根据观众请求完成，或者根据调度完成。然后，服务器803-805如上所述播放所选择的电影。输出不同时间间隔到相应的端口。一个希望观看电影的视频服务的用户用电话、电缆或其它设备连到中央交换设备809。然后，中央交换设备从转换网络的一个，路由所选择的视频演示给用户。典型的情况，用户从显示头一个5分钟间隔的端口开始从头观看电影。当这5分钟间隔完成显示，相应的转换网络将转换观众到显示下一个5分钟间隔的端口，等等。在任何时候，观众可选择跳前、跳后一个或多个间隔。转换网络亦能根据观众请求完成这功能。
如图8所示，对于大于2小时的电影需要多于一个服务器803-805。电影#409，具有125分钟时间，最初存储在服务器804中，用5分钟一份存储在服务器803中。这5分钟一份同电影#36的数据交错，以能利用服务器803未使用的容量。服务器803的最后通道将总是显示电影#409的一段，而服务器803的余下通道显示电影#36的不同部分。
在最佳实施例中，一专门设计的多媒体盘驱动器并入一综合多媒体服务系统中，以合理成本和高可靠性提供点播电视服务。而且，在本发明的精神和范围内，可以有许多变化。例如，专门设计的多媒体盘驱动器，在一方向或相反方向具有螺旋数据道，能以独立方式作多媒体数据储藏所。此外，数据冗余是希望的，若通过每个数据段仅记录一次，放弃数据的冗余，可以降低在多媒体服务器环境的成本。
总线，开关和设备的正确配置可有许多变化。这取决于数据率和其它因素。例如取决于总线的数据率，它亦可以把所有盘驱动器输出到一公共总线上，有效地分时可得到的总线容量。当其它驱动器在总线上传输时，需要每个驱动器包含足以保持数据的小量缓冲器，使用这些缓冲器在技术上是熟知的不同数量的驱动器，可具有不同的容量。所选择的最佳实施例的配置提供2小时的多媒体演示(例如，典型的活动图像)，这些多媒体用的数据密度和数据率用当前技术可以得到的。可以预计，随着技术的改进及数据密度、速率等的增加，最佳配置可以变化。另外，存储和显示不同尺寸的多媒体演示是希望的，改变设备的数也是希望的。
在最佳实施例中，盘驱动器的各种机制和电子—机械特性可利用多媒体环境的有利条件设计。尤其，用比常规传动装置马达更低的功率来设计传动装置马达，因为这是不需要实现高速找道。盘主轴马达同样可以设计或较低的功率，因为它的旋转速度较低。传动装置轴承和主轴马达轴承相似地被设计，以较慢的速度操作及降低成本。而且，在本发明的范围内，可以使用同常规盘驱动器相同的机械设计，并根据本发明简单的格式化驱动器。这将避免重设计现存驱动器的代价，尽管最终每个设备的成本比最佳实施例中更大。
在最佳实施例中，多媒体数据被映射以很多盘上，即它被记录两次。映射提供数据冗余，但亦需要双倍存储容量在不保护的存储器上。换言之，数据冗余可通过通常称为“RAID”不同技术中任意一种得到。亦就是廉价磁盘冗余阵列。尤其是，很多盘驱动器中一个能作为奇偶校验驱动器，这个驱动器仅包括存储在其它盘驱动器上数据的校验(异或)。万一盘驱动器出故障，在故障驱动器上的数据可以通过从其它驱动器上读出数据重构。
在最佳实施例中，所有盘驱动存储装置具有相同存储容量和性能特性。这就简化了控制机制，使容易用一个装置代替另一种。然而，作为一种替代它可以用可变容量的设备在实践本发明。
在最佳实施例中，在每个盘面上有单个螺旋道。然而，作为一种替代它可能在每个盘面上记录多路交错螺旋道。多路交错螺旋道的使用有效地减少了每个道的长度，减少了完成一次盘扫描所需时间。根据盘驱动器设计，从伺服控制的观点，在最佳实施例中打算扫描盘比150秒更快，这是合乎需要的。实行的一个方法是在每个盘面上交错多个螺旋道。
在最佳实施例中，数据以常数速率在整个盘面上读和写。这简化了电子设备，但在盘面的外缘未充分利用盘容量。正如所知的常规的同心道盘驱动器的记录技术那样，可把盘面分成很多区，从一区到另一区可改变记录速率(每秒字节数，或者是盘旋转每度的字节数)，以使均衡盘面上的线性密度并得到接近外缘磁道的最大容量。在另外实施例中，可改变螺旋道的记录率以增加盘的数据容量。这要求根据不同数据率相应地增加缓冲器大小。
在另外的实施例中，通过改变盘旋转每度的字节数来保持接近常数的线性密度，且同时通过改变盘马达速度来对数据保持恒定时钟率(每秒字节数)。对常规盘驱动器，改变盘马达的速度是不实际的，这些驱动器必须实现从一道到另一道的高速找道，由于马达的惯性，在长的找道操作以后，要达到正确的马达速度需要一个不能接受的长的等待周期。然而，数据记录在一个长的螺旋数据道上时，它可以用一个所需的数据率随着传动装置慢慢地旋进旋出去连续地匹配马达速度。例如，在最佳实施例中，一次传动装置的扫描需要150秒。当传动装置在记录面的内缘时，一个3.5英寸盘驱动器以接近2500RPM速度旋转。当传动装置在外缘为了在恒定的线性密度上保持固定数据率，盘驱动器以接近1100RPM的速度旋转。常规的马达是适合干在150秒的周期上，速度逐步从1100RPM增加到2500RPM，以及相应地减低速度。
通过修改马达控制器/驱动器电路，利用常规无刷直流盘驱动主轴马达能完成如上面所说的改变主轴马达速度以匹配数据率。图9所示的主轴马达控制器电路，根据另外实施例驱动主轴马达改变速度。常规的3相马达901由3相电流驱动电路902驱动。换向控制电路903接收从驱动相位和中心抽头来的反馈，顺序地转换电流驱动电路902的相位，这在技术上是熟知的。换向控制电路903提供一速度反馈信号到速度控制电路904。速度控制电路904亦接收电流驱动电路902的马达电流反馈信号。速度控制电路把实际速度和所希望的速度比较，因此调整马达驱动电流。微处理器控制器905，耦合到随机存取存储器906，在速度控制电路904中设置所需旋转速度。微处理器控制器最好是一个通用目的微处理器，它执行存储在RAM906中的控制程序911。它亦控制其它盘功能，特别是传动装置。微处理器控制器RAM906亦存储传动装置的当前径向位置，例如道位置910，微处理器用一个直线方程由传动装置道位置推出要求的速度。直线方程是V＝KT+V0，T是道数，表示跨越当前传动装置位置和盘的外缘之间道的数量，K和V0是适当地选择的常数。另外，所希望的速度能通过RAN906中查找表得到或不同的方程得到。周期性地，微处理器控制器905计算一新的所需要速度并输入到速度控制电路904。每当盘旋转一圈或少量圈就产生一个实质上使马达速度的连续增加或减少或者以较低的频度完成这些功能。此时盘面被分成一些环状带，每个环状带有它自己的相关每道转数的数据字节率。
例如，为了在所有半径位置得到最大数据密度，通过每当磁盘转一圈或少量几圈重新计算目的速度，马达速度实质上是可以连续变化的。读写数据的时钟率是保持常数，以使记录数据的角率(每个盘周期的字节数)相应地随着传动装置马达从盘面内缘到外缘运动而连续增加，常数K和V0为计算目的马达速度能被合适送料，所以线性数据密度(每英寸的位数)在整个记录面上保持常数。使用这另一种实施例，数据密度甚至可以比最佳实施例中更大。
在最佳实施例中，存储设备是旋转磁盘驱动存储设备。这些设备在目前在工业上是标准的。然而，根据本发明可操作存储子系统，其存储设备利用不同的技术。例如，可利用光盘存储设备。
尽管，本发明的特定实施例伴随着某些替代方案已公开，熟悉本领域的人将会认识到形式上的和细节上的改变可在下面的权利要求书的范围中给出。

Claims (9)

1.一种多媒体数据服务器，包括：
多个数据缓冲器，所说的缓冲器的每个对应于同多媒体演示有关的各自的时间间隔，每个缓冲器具有各自输出通道，以输出存储在所说缓冲器中的多媒体数据；
至少一个海量存储设备，用于存储多媒体数据演示，其中在所说海量存储设备上存储的多媒体数据包括多个相继存储的数据段，每个数据段同所说各时间间隔中的一个有关；
其中多个数据段同每个所说的时间间隔有关，而在所说至少一个海量存储设备上连续顺序存储的数据段同所说时间间隔中不同的那些时间间隔有关，同多个时间间隔中的一个有关的数据段被交错到同其它时间间隔有关的数据段中；
至少一个数据总线连到所说的至少一个海量存储设备上，以便从所说至少一个海量存储设备到所说的缓冲器传送多媒体数据；
多个开关把所说的数据总线同所说的多个缓冲器相连，每个开关同所说数据缓冲器中各自一个有关；以及
一个控制器用来操纵所说的多个开关，所说的控制器在所说的至少一个海量存储设备在对应所选择的数据缓冲器的所说的时间间隔有关的数据总线上输出数据段时，使同选择的数据缓冲器有关的开关接通。
2.权利要求1的多媒体数据服务器，其中所说的至少一个海量存储设备包括一个旋转盘驱动存储设备，在该设备上，数据被存储在至少一个螺旋数据道上。
3.权利要求2的多媒体数据服务器，其中所说旋转盘驱动存储设备的所述螺旋数据道包括同所说多个时间间隔的至少某些时间间隔的重复序列有关的多个数据段。
4.权利要求1的多媒体数据服务器，其中所说的服务器至少包括二个海量存储设备。
5.权利要求4的多媒体数据服务器，其中：
数据被冗余地存储在所说海量存储设备上，所说控制器检测出所说海量存储设备之一的故障，为响应所说故障，使存储在除了故障海量存储设备外的海量存储设备上的冗余数据提供给所说缓冲器代替在所说故障海量存储设备上存储的数据。
6.权利要求5的多媒体数据服务器，还包括通过所述控制器可操作的至少一个备份开关，每个开关同所说的至少一个数据总线有关的一个相联系，每个开关选择性地耦合多个所说的海量存储设备中的一个到与所说开关有关的数据总线上。
7.一种提供多媒体演示数据的方法，所说的多媒体演示被分成多个时间间隔，所说的方法包括步骤：
从至少一个海量存储设备上读多个多媒体数据段，所说多媒体数据段的每个同所说各时间间隔中的一个有关；
其中多个多媒体数据段同每个所说的时间间隔相联系，在所说的读多个多媒体数据段的步骤中读出的连续数据段是同所说多个时间间隔中不同的那些时间间隔相联系，同所说的多个时间间隔中的一个有关的数据段被交错到同其它时间间隔有关的数据段中；
选择性地传送所说多媒体数据段的每个到多个缓冲器中选择的一个，所说的缓冲器中的每个同所说时间间隔的各自一个相联系，且所说的选择性地传送每个所说数据段的步骤把每个数据段传送到同与该数据段有关的时间间隔相联系的缓冲器中；
同时，从所述多个缓冲器的每一个，在各自的输出上提供所说多媒体演示的不同部分，每个所说不同部分分别同所说时间间隔中各自一个相联系。
8.权利要求7的方法，其中所说的至少一个海量存储设备是一个旋转盘驱动存储设备，且从至少一个海量存储设备上读多个多媒体数据段的所说步骤包括从所说的旋转盘驱动存储设备的记录表面上的至少一个螺旋数据道上读多个数据段。
9.权利要求8的方法，其中每个所说的旋转盘驱动存储设备存储多个数据段，这些数据段同所说多个时间间隔的至少某些时间间隔的重复序列有关。
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