Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопителя на жестком диске:
· магнитные диски;
· головки чтения/записи;
· механизм привода головок;
· двигатель привода дисков;
· печатная плата с электронной схемой управления.
Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколькими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя находится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).
Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмосферу. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется специальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.
Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках
Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по параметру, называемому формфактор (Form-Factor). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.
Подложки магнитных дисков первых винчестеров изготовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В современных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и керамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температуры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".
Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.
Головки чтения/записи предусмотрены для каждой стороны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к поверхности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.
Механизм привода головок обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и вибрационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.
Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 - 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относительной скоростью 60 - 80 км/ч). Скорость вращения дисков некоторых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизонтально.
Печатная плата с электронной схемой управления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.
Вопросы для самоконтроля:
1. Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;
2. Логическая структура дискет;
3. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;
4. Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;
5. Современные модели накопителей;
6. Логическая структура жесткого диска;
7. Форматирование жестких дисков;
8. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.
Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)
Студент должен:
иметь представление:
· о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)
знать:
· принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;
· эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;
· принцип действия и основные компоненты привода DVD;
уметь:
· подключать приводы CD и DVD дисков;
Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
Методические указания
Приводы CD-ROM
CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.
Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.
На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.
Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)
На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.
Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональные узлы:
· загрузочное устройство;
· оптико-механический блок;
· системы управления приводом и автоматического регулирования;
· универсальный декодер и интерфейсный блок.
На рисунке 7 дана конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM, который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания порадиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер.
Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM
Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.
Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.
Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к конкретным задачам.
Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.
Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании.
Среднее время доступа (Access Time - AT) - это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.
Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных.
Средняя наработка на отказ - среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.
В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD.
Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт логической организации данных.
Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.
Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.
Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.
Формат CD-I (Jntractive) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.
Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).
Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.
Формат 3DO разработан для игровых приставок.
Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.
Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.
Накопители DVD
Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических решений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости.
Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуковой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуковое сопровождение.
Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улучшенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой области 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравнению с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возможность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоиграющих пластинках.
Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декодером MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписывающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скорости записи информации около 1 Мбайт/с.
Вопросы для самоконтроля:
1. Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;
2. DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
Назначения
Накопители на компакт-дисках CD-ROM, CD-R и CD-RW относятся к оптическим накопителям информации, чтение которой и запись (только для накопителей CD-R и CD-RW) производятся лучом лазера.
Накопитель на CD-ROM предназначен для хранения и чтения информации. Аббревиатура CD-ROM (CompactDiskRead-OnlyMemory) означает “компакт диск только для чтения”. Информация на диске представляется в виде последовательности углублений и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. Углубления и выступы наносятся промышленным способом путем штамповки заготовок дисков. Выступ означает значение двоичной цифры “1”, углубление - “0”. На CD-ROM размещается 780 Мбайт информации. Скорость считывания информации первых CD-ROM равнялась 150 Кб/с. Скорость считывания последующих моделей накопителей стала обозначаться и расчитываться как хN, где N – множитель, на который следует умножить первоначальную скорость, чтобы получить искомую. Таким образом запись на накопителе “х52” означает скорость чтения в 52 раза большую, чем скорость считывания первого CD-ROM.
Конструкция
Основой устройства является жесткий алюминиевый или стальной каркас. Как и в накопителях других типов, каркас является той деталью конструкции, к которой крепятся все остальные узлы, как механические, так и электронные. К ним относятся, в частности, лицевая панель, фальшпанель, регулятор громкости и кнопка извлечения диска, придающие устройству функционально законченный и привлекательный внешний вид. Приемные устройства для носителей могут быть разных типов, и рассчитаны либо на установку компакт-дисков в специальных контейнерах (caddy), либо представлять собой выдвижные лотки, поэтому лицевые панели и фальшпанели, а также и способы их крепления могут быть разными.
Несмотря на то, что в дисководах с возможностью записи (CD-R) и многократной перезаписи {СО-В\Л/5,устанавливаются другие лазерные излучатели й электронные узлы, их конструкция; в принципе, такая же, как и у обычных дисководов CD-ROM.
Основные элементы конструкции механизма привода.Выдвигающийся лоток предназначен для установки диска. После того как лоток задвигается внутрь привода, специальный фиксатор (на фотографии он белого цвета) приподнимает диск над лотком, а шпиндельный мотор, расположенный под зажимом, раскручивает диск до заданной скорости. Наиболее ответственной деталью дисководов CD-ROM является оптическая головка, в состав которой входит алюмоарсенидгаллиевый (GaAlAs) лазерный диодный излучатель (длина волны 780 нм, мощность излучения около 0,6 мВт), фотодатчик, оптическая система автоматической фокусировки луча и механизм точного слежения за дорожкой. Оптическая головка перемещается по двум направляющим; лазерный луч попадает на поверхность диска через прорезь в лотке. Узел, состоящий из оптической головки и направляющих, иногда называют салазками (sled).
В дисководах CD-ROM, CD-R и CD-RW используются лазерные излучатели с различными характеристиками (к ним относятся мощность и рабочая длина волны). Но внешне они практически не отличаются друг от друга
Салазки должны отслеживать положение витков спиральной информационной дорожки на поверхности диска. В отличие от дисководов гибких дисков, в которых магнитные головки записи/воспроизведения можно с достаточной точностью «наводить» на дорожки с помощью обычного шагового двигателя, в подавляющем большинстве дисководов компакт-дисков для этого используются линейные электродвигатели с подвижной катушкой, подобные тем, что используются для перемещения головок в накопителях на жестких дисках. Дело в том, что положения концентрических дорожек на дискетах строго фиксированы, что хорошо согласуется с принципом работы шагового двигателя: его роторможет занимать лишь несколько дискретных положений. Кроме того, сами дорожки достаточно широкие, что исключает необходимость точной подстройки положения головок. Радиус же спирали узкой информационной дорожки CD изменяется непрерывно, поэтому положение головки необходимо постоянно корректировать. Осуществляется это за счет изменения управляющего тока в подвижной катушке линейного двигателя. Тем не менее, в некоторых дисководах компакт-дисков все же используются шаговые электродвигатели с чрезвычайно малым шагом вращения ротора. Электронные узлы, обеспечивающие перемещение салазок в нужном направлении, смонтированы на основной печатной плате дисковода. За счет перемещения салазок осуществляется лишь грубое наведение оптической головки на дорожку. Точное слежение за ней и коррекция быстрых отклонений в ту или иную сторону (возникающих из-за неидеальности носителей) осуществляется оптическим устройством самой головки. Масса салазок слишком велика для того, чтобы они были в состоянии реагировать на такие отклонения.
Электронные узлы CD-ДИСКОВОДОВ
Электронная начинка дисковода обычно расположена в нижней части привода и закрыта алюминиевым экраном.Ее основные задачи - управление механикой дисковода, обработка звуковых данных для вывода сигнала на гнездо наушников и реализация интерфейса с компьютером. В настоящее время подавляющее большинство дисководов используют интерфейсы ATAPI IDE или SCSI.
Блок-схема типичного дисковода CD-ROM. Ее условно можно разделить на две части - подсистему контроллера и подсистему управления дисководом. Подсистема контроллера осуществляет взаимодействие с интерфейсом периферийных устройств системы, а именно - с контроллером накопителей. Большинство наиболее сложных электронных узлов дисковода имеет отношение к этой подсистеме.
Подсистема управления дисководом вырабатывает команды для его механической части (обеспечивающие прием и извлечение компакт-диска, регулировку частоты его вращения, перемещение салазок и т.п.), а также осуществляет декодирование данных (из
EFM в обычный двоичный формат) и коррекцию ошибок. Аналоговые сигналы с выхода фотодатчика преобразуются сначала в EFM-сигналы, а затем в поток двоичных данных и кодов CIRC (Cross-InterleavedReed-SolomonCode - перекрывающиеся коды Рида-Соломона). Все операции по фокусировке лазерного луча, слежению за дорожкой, управлению приводом салазок (с использованием обратной связи), шпиндельным двигателем и механизмом приема и извлечения диска осуществляются схемой управления дисководом и процессором сервопривода.
CD-ROM - самый простой вид cd-привода, предназначенный только для чтения cd-дисков.
CD-RW - такой же, как и предыдущий, но способен записывать только на CD-R/RW-диски.
Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:
CD - ROM ( Compact Disk Read - Only Memory ) - запоминающие устройства только для считывания с них информации;
CD - WORM ( Write Once Read Many ) - запоминающие устройства для считывания и однократной записи информации;
CD - R ( CD - Recordable ) - запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;
МО - магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.
Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информации.
1. Приводы CD - ROM
CD - ROM - компакт-диск (CD ), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD - ROM - driver , - дисковода для чтения компакт-дисков.
К числу задач, для решения которых предназначается устройство CD - ROM , можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск информации в базах данных; запуск и работу с игровыми и образовательными программами; просмотр видеофильмов; прослушивание музыкальных CD .
История создания CD - ROM начинается с 1980 г., когда фирмы Sony и Philips объединили свои усилия по созданию технологии записи и производства компакт-дисков с использованием лазеров. Начиная с 1994 г., дисководы CD - ROM становятся неотъемлемой частью стандартной конфигурации ПК. Носителем информации на CD -диске является рельефная подложка, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет материала, как правило, алюминия. Запись информации на компакт-диск представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом. Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска дает сигнал «нуль», а сигнал от штриха - «единицу».
Хранение данных на CD -дисках, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме.
По сравнению с винчестерами CD значительно надежнее в транспортировке. Объем данных, располагаемых на CD , достигает 700 - 800 Мбайт, причем при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.
Рис. 3.7 . Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)
Процесс изготовления CD -дисков включает несколько этапов. На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рис. 3.7. Глубина каждого штриха-пита ( pit ) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.
На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD -дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD -диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.
Привод CD - ROM содержит следующие основные функциональные узлы:
загрузочное устройство;
оптико-механический блок;
системы управления приводом и автоматического регулирования;
универсальный декодер и интерфейсный блок.
На рис. 3.8 дана конструкция оптико-механического блока привода CD - ROM , который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания по радиусу диска и считывание информации
.
.
Рис. 3.8. Конструкция оптико-механического блока привода CD - ROM
Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер.
Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD . В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.
Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.
Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD - ROM применительно к конкретным задачам.
Скорость передачи данных ( Data Transfer Rate - DTR ) - максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD - ROM , которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска. Первые приводы CD - ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков. Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной скоростью и т.д. Например, 60-скоростной привод CD - ROM обеспечивает считывание информации со скоростью 9000 Кбайт/с.
Высокая скорость передачи данных привода CD - ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.
Однако дальнейшее, свыше 72-кратности, повышение скорости считывания приводов CD - ROM нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении скорости вращения CD не обеспечивается требуемый уровень качества считывания. И, кроме того, появилась более перспективная технология - DVD .
Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок ( Eror Rate ) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD - ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента - 10 -10 -10 -12 . Когда считываются данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить с помощью помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения.
Среднее время доступа ( Access Time - AT ) - это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные. Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных участков диска. По мере совершенствования приводов CD - ROM среднее время доступа уменьшается, но тем не менее этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100 - 200 мс для CD - ROM и 7 - 9 мс для жестких дисков). Это объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки привода CD - ROM .
Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD - ROM , используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в компьютер с постоянной скоростью. Объем буферной памяти отдельных моделей привода CD - ROM - 512 Кбайт.
Средняя наработка на отказ - среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD - ROM . Средняя наработка на отказ различных моделей приводов CD - ROM 50-125 тыс. ч, или 6 - 14,5 лет круглосуточной работы, что значительно превышает срок морального старения накопителя.
В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD .
Формат CD - DA ( Digital Audio ) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт логической организации данных.
Формат High Sierra ( HSG ) предложен в 1995 г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.
Формат Photo - CD разработан в 1990-1992 гг. и предназначен для записи на CD , хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo - CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048x3072 и 256x384, а также сохраняет звуковую информацию.
Любой диск CD - ROM , содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS , Windows , OS /2, UNIX , Macintosh .
Формат CD - I ( Intractive ) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD - I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.
Формат CD - DV ( Digital Video ) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG -1 ( Motion Picture Expert Group ).
Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG .
Формат 3D О разработан для игровых приставок.
Приводы CD - ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E - IDE ), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI .
Самые популярные дисководы CD - ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic , Craetive , Samsung , Pioneer , Hitachi , Teac , LG .
Оптический диск - собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения.
История Первые оптические диски были разработаны на рубеже 70 -80 -х годов совместными усилиями компаний Sony и Phillips. &
История CD (Compact disc) Mini. Disk (MD) DVD (Digital Versatile Disc) HD DVD & Blu-ray (BD) HVD (Holographic Versatile Disc)
Структура CD-диска - Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. - Диаметр компакт-диска 120 мм. - Толщина диска 1, 2 мм.
Однократно-записываемые диски (CD-R). Однократно-записываемый диск состоит из активного, отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основу из поликарбоната.
Принцип записи CD-R Во время записи мощный лазерный луч нагревает небольшие участки активного слоя. Под воздействием высокой температуры меняются свойства вещества регистрирующего слоя в месте нагрева, в результате он перестает пропускать свет.
Принцип записи CD-R Восстановить прозрачность веществ, используемых в качестве активного слоя в дисках CD-R, невозможно. Повредить запись, нанесенную на активный слой, можно только одним способом - сделать прозрачные участки непрозрачными.
Многократно-записываемые диски (CD-RW) Отличие таких дисков от CD-R заключается в устройстве регистрирующего слоя. Промежуточный слой специального органического материала может пребывать либо в аморфном, либо в кристаллическом виде. Луч записывающего лазера
CD-RW Аморфные вещества имеют особенность кристаллизоваться со временем. Как бы мы ни хранили CD-RW, через несколько лет запись будет безвозвратно утеряна. К тому же такие диски легко могут быть стерты простым нагреванием. !
Структура DVD дисков Принцип записи DVD-диска не сильно отличается от принципа записи CD-диска. Основой записи и хранения данных на дисках DVD–RAM и DVD-RW является технология изменения фазового состояния вещества. Послойная структура одной половины диска показана на рисунке.
Принцип записи на DVD-диск Запись аморфных областей показана на этом графике. Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал. Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации. Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии.
Стирание с DVD-диска Для стирания надо вернуть вещество в кристаллическое состояние. Опять же с помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры Т. Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени, достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации.
Запись DVD-дисков При записи дисков используется многоимпульсная стратегия записи. Каждая записываемая метка формируется посредством мощных лазерных импульсов. . После каждого импульса расплавляемый материал охлаждается, формируя область с аморфной фазой.
Запись дисков в домашних условиях Для записи дисков в домашних условиях необходимо иметь не только записывающий CD-привод, но и специальное программное обеспечение.
Запись диска в домашних условиях Процесс записи одной сессии представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен.
Запись диска в домашних условиях Перед началом записи необходимо сформировать полный список входящих в сессию файлов; последующее добавление файлов на диск возможно лишь в виде дополнительных сессий.
Запись диска в домашних условиях Приводы CD-ROM, не поддерживающие многосессионную запись, считывают с диска только первую TOC - соответственно, с их помощью можно считывать лишь файлы первой сессии.
Технология Label. Flash Labelflash - технология, позволяющая наносить свои рисунки на записываемые DVD. Была представлена фирмой NEC в декабре 2005.
Принцип работы Label. Flash Для создания рисунка используется краситель иного типа, обеспечивающий большую контрастность изображения.
Компакт-диск представляет собой особый вид носителя аудио - и цифровой информации, при изготовлении которого используются последние достижения науки и технологии. Он представляет собой круглую пластину диаметром 12 или 8 см, состоящую из нескольких слоев. Основным является очень тонкий металлический светоотражающий слой (обычно алюминиевый), в котором и записана вся информация. Для защиты от внешних воздействий он закрыт с двух сторон довольно толстыми (до 1мм) слоями прозрачного пластика. С тыльной стороны на диске могут быть расположены красочные наклейки, не влияющие на его параметры.
Прежде всего, эти диски изготовляются со вспомогательной разметкой (pregroove), в ней закодирована временная сетка (Actual Time In Pregroove, ATIP - действительное время по разметке), одновременно служащая и для разбивки диска на кадры (блоки), и дополнительная информация о диске - коды, рекомендуемые значения скорости вращения и мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и пользовательских областей диска и для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной информационной дорожке.
Кроме этого, диск содержит две служебные области: область калибровки мощности (Power Calibration Area, РСА) и область памяти программы (Program Memory Area, PMA), расположенные внутри от «официального» радиуса начала записи. Первая используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, вторая - для временного хранения параметров и адресов дорожек в случае записи одной сессии в несколько приемов.
РСА и РМА представляют собой таблицы фиксированной длины емкостью по 100 элементов каждая, что ограничивает как общее количество случаев записи, так и этапов формирования незакрытых сессий.
Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area); она может формироваться в несколько приемов, между которыми адреса и параметры дорожек сохраняются в РМА. На этом этапе доступ к записанным дорожкам имеют только приводы CD-R, так как обычные приводы CD-ROM «не знают» о РМА и требуют, чтобы программная область была обрамлена зонами Lead-In (4500 блоков - 9 Мбайт, время записи 1 мин) и Lead-Out (2250 блоков - 4,5 Мбайт, время записи 30 с), а также наличия ТОС в Lead-In. Структура, состоящая из зон Lead-In, Program Area и Lead-Out, называется сессией, а процесс записи Lead-In и Lead-Out вокруг области данных - закрытием сессии.
Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является дорожка (track) в формате CD-DA (Compact Disk-Digital Audio) или CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory). Минимальная длина дорожки - 300 блоков (вместимость данных 600 кбайт, время записи 4 с). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (pregap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 кбайт, время записи 2 с) для однотипных дорожек и 225 блоков (450 кбайт, время записи 3 с) для дорожек разных типов.
Маркировка дисков: обозначениями CD-R и CD-RW маркируются однократно используемые и перезаписываемые диски. Диски CD-R можно применять для записи в приводах CD-RW, но не наоборот.
На всех дисках указывается максимальное гарантированное время записи (обычно 74 мин, 333 000 блоков). В случае, когда предварительная разметка сделана на большее время, на диск возможна запись более продолжительной программы, однако в случае недостаточной длины размеченной дорожки диск будет испорчен. Точное количество доступных для записи блоков зависит от модели диска; его можно получить, запросив свойства диска в записывающей программе. Некоторые диски имеют менее 333 000 доступных блоков.
На большинстве дисков указана их максимальная вместимость (обычно 650 Мбайт при размере блока 2048 байт). На дисках некоторых производителей (например, Maxell) вместимость в рекламных целях указывается в миллионах байтов (680), что означает те же 650 Мбайт. Отдельные диски маркируются цифрой 780, что обозначает емкость диска в звуковых секторах (74 мин по 176 кб). При записи в формате mode 2 за счет большей величины блока данных возможна запись более 650 Мб ценой снижения корректирующей способности кода.
На диске или коробке сообщается также максимально допустимая скорость записи (1х...6х). Для записи на повышенных скоростях необходим рассчитанный на эти скорости регистрирующий слой. Превышение допустимой скорости записи может привести к смазыванию информационных меток и последующей плохой читаемости диска либо к полной его негодности. Отсутствие маркировки скорости или упоминания о ней в сопроводительном тексте говорит о том, что запись на повышенных скоростях не гарантируется.
Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными. Поскольку отражающий слой дисков CD-R/RW как правило выполняется из золота и серебра, менее подверженных окислению, чем алюминий, в большинстве штампованных дисков они тускнеют медленнее обычных. Однако материал регистрирующего слоя CD-R/RW более чувствителен к свету и также подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому чувствительна к ударам и деформациям диска, например к его перегибу при извлечении из коробки. Наиболее оптимистичная оценка времени жизни дисков на основе фталоцианина - около 100 лет, однако реальные цифры для большинства современных дисков (цианин и другие материалы) гораздо ниже. Примерная оценка долговечности среднего CD-R на основе массовой статистики - около двух-трех лет и более при аккуратном обращении и около года - при интенсивном использовании в сочетании с неаккуратным обращением (удары, перегибы, воздействие тепла, влажности, яркого света и т. п.). Для качественно изготовленных и записанных дисков при полном соблюдении условий хранения и эксплуатации время жизни оценивается минимум в 10 лет.
Изготовление и тиражирование компакт-дисков. Основной способ изготовления дисков - прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высокоточным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста - материала, изменяющего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальванопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матрицей при мелкосерийном производстве либо основой д ля снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.
Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и изображения.
Диски с возможностью записи (CD-R) изготавливаются таким же методом, но между основой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при нагревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются непрозрачные участки, эквивалентные питам (углублениям). Для облегчения слежения за дорожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф (разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.
Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player, CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имеющие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные.
Хотя запись на так называемый мастер-диск осуществляется с помощью лазера, этот способ не пригоден для производства сотен или тысяч копий. Запись одного мастер-диска длится более полутора часов. Кроме того, в качестве основы для мастер-дисков используются материалы, которые недостаточно прочны и надежны. Если необходимо напечатать небольшой тираж компакт-дисков, с оригинала (мастер-диска) методами химического осаждения и последующей гальванопластики снимается металлическая копия (матрица). Ее уже
Можно использовать для печати копий (таким способом штампуются виниловые грампластинки). Однако этим методом можно получить лишь небольшое количество экземпляров, поскольку матрица постепенно изнашивается. Процесс массового производства дисков состоит их трех этапов:
С мастер-диска вышеописанным способом снимается первичная матрица;
С помощью первичной матрицы делают копию мастер-диска, на этот раз из достаточно прочного металла;
Эту копию мастер-диска можно многократно использовать для получения вторичных (рабочих) матриц.
При таком способе можно получить множество рабочих матриц с одной копии мастер - диска, причем его оригинал сохраняется практически в неприкосновенности, а в технологическом процессе используются относительно недорогие материалы. Те компакт-диски, которые приобретаются в магазине, отштампованы на поликарбонатной основе, покрытой алюминием и защитным слоем пластика. Тонкое алюминиевое покрытие повторяет профиль поверхности основы, что позволяет по отражению лазерного луча от поверхности определить, есть ли на ней углубление или нет. Описанная технология используется как при производстве звуковых дисков, так и CD-ROM.
Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Оно поступает на фотодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от гладкой поверхности или был рассеян на неоднородности. Углубления (штрихи), нанесенные на компакт-диск в процессе записи, представляют собой неоднородности. Более сильный сигнал с датчика соответствует ровной поверхности («плато»), более слабый - углублению. При прохождении луча вдоль дорожки записи (а точнее, при движении дорожки записи под лучом, поскольку считывающее устройство перемещается вдоль радиуса диска, а вращается сам диск) формируется последовательность импульсных электрических сигналов, преобразуемых затем специализированным процессором либо в форму двоичных данных, либо в звук.
Глубина каждого штриха на диске - 0,12 мкм, ширина - 0,6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет
1, 6 мкм. Это означает, что плотность дорожек (а точнее, витков одной дорожки) достигает 16 ООО дорожек на дюйм (Tracks Per’Inch, TPI, единица измерения плотности их расположения). Длина штрихов и участков плато вдоль дорожки записи может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия диска и заканчивается примерно в 5 мм от его внешнего края (т. е., наоборот, по сравнению с грампластинками, дискетами и т. д.). Общая длина спирали составляет около 5 км.
Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место записи определенных данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к искомому витку спирали и ждет появления определенной последовательности битов.
Запись и воспроизведение данных с компакт-диска происходит с постоянной линейной скоростью перемещения дорожки относительно считывающего устройства. Это означает, что при считывании информации с внутренних витков спирали диск должен вращаться быстрее, а с внешних - медленнее. Этот способ воспроизведения достался накопителям на CD-ROM «в наследство» от звуковых проигрывателей, в которых скорость считывания данных должна была быть строго постоянной. По этой же причине все компакт-диски разбиваются на блоки (секторы), частота следования которых при записи и воспроизведении составляет 75 секторов в секунду, а это означает, что при полном времени «звучания», равном 74 мин, на диске располагается 333 ООО блоков.
На дисках, записанных в формате CD-AD, в каждом блоке содержится 2352 байта данных. На CD-ROM 304 байт из них используются дня синхронизации, идентификации и записи кодов коррекции ошибок (Error Correction Code, ЕСС), а оставшиеся 2048 байтов представляют собой полезную информацию. Поскольку за 1 с считывается 75 блоков, то стандартная скорость передачи данных для дисководов CD-ROM составляет 153 600 байт/с, что точно равно 150 кбайт/с. Нетрудно подсчитать, что при общем времени «звучания», равном 74 мин, максимальная емкость CD-ROM составит 650 Мбайт.
Компакт-диски с возможностью записи выпускаются в двух вариантах - на 74 и 63 мин.
Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 г. под названием Red Book (Красная книга).
Стандартный компакт-диск состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска - 1,2 мм.
Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений - питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от промежутка к питу и наоборот означает единицу, а длина пита или промежутка - длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние 1,6 мкм.