Накопители на оптических дисках

Появившийся в 1982 году благодаря фирмам Philips и Sony оптический компакт-диск произвел кардинальный поворот в областях персональных компьютеров и индустрии развлечений. Компакт-диски инициировали появление целого набора областей использования, они оказались тем ранее недостающим звеном, которое соединило информационную технологию с потребительской электроникой. На сегодняшний день компакт-диск - недорогой, массово воспроизводимый, надежный, одним словом, лучший носитель для звуковых записей, компьютерных игр и мультимедийных программ, дистрибутивов и наборов фотографий.

Сегодня накопители на оптических дисках (НОД) - едва ли не обязательный атрибут любого персонального компьютера. Большая их емкость в сочетании с весьма высокой надежностью и невысокой стоимостью как дисководов, так и дисков делает НОД незаменимыми для сохранения и распространения программ (дистрибутивов), а также для долговременного хранения больших объемов информации, баз данных, например. Основными достоинствами НОД являются:

· сменяемость и компактность носителей;

· большая информационная емкость;

· высокая надежность и долговечность дисков и головок чтения/записи (до 50 лет);

· меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

· нечувствительность к электромагнитным полям.

Оптические накопители выпускаются в нескольких модификациях.

1. Классические компакт-диски:

o CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory, неперезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски ПЗУ;

o CD-R - Compact Disk Recordable, компакт-диски с однократной записью (их иногда называют также CD-WORM - CD Write Once, Read Many и CD-WO - CD Write Once);

o CD-RW - CD Rewritable, компакт-диски перезаписываемые, с многократной записью (их раньше называли CD-E - CD Erasable - стираемые)

2. Цифровые универсальные диски:

o DVD-ROM - Digital Versatile Disk Read Only Memory, неперезаписываемые цифровые универсальные диски;

o DVD-R - DVD Recordable, цифровые универсальные диски с однократной записью;

o DVD-RW - DVD Rewritable или DVD-RAM - DVD Read Access Memory, цифровые перезаписываемые универсальные диски.

3. Неперезаписываемые лазерно-оптические диски CD-ROM.

Массовое распространение получили CD-ROM. CD представляет собой пластиковый поликарбонатный диск диаметром 4, 72" (встречаются компакт-диски и диаметром 3, 5", 5, 25", 12" и 14") и толщиной 0, 05", с отверстием в центре диаметром 0, 6", и имеет двухслойное покрытие: тончайший отражающий металлический (обычно алюминиевый) слой и лаковое покрытие. Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на них возможна только вне ПК, в лабораторных условиях, лазерным лучом большой мощности, который оставляет на поликарбонатной основе CD след - дорожку с микроскопическими впадинами (питами, pits). Питы имеют ширину около 0, 5 микрон и следуют друг за другом, образуя единую спиральную дорожку с шагом 1, 6 микрона (для сравнения: тонкий человеческий волос имеет диаметр 75 микрон). Каждый пит, в зависимости от своей длины, может кодировать несколько бит информации. Таким образом, создается первичный "мастер-диск". Процесс массового тиражирования CD-ROM по "мастер-диску" выполняется путем литья под давлением.

Дорожка на CD, в отличие от магнитных дисков, спиральная и очень узкая. Впадины имеют глубину примерно 5 миллиардных долей дюйма и ширину 24 миллиардных долей дюйма; плотность дорожек - 16 000 дорожек на дюйм. Длина всей спиральной дорожки около 5 км. В оптическом дисководе ПК информация с дорожки читается лазерным лучом существенно меньшей мощности. Лазерный луч фокусируется на дорожке диска и отражается от выпуклостей питов, меняя свою интенсивность. Отраженный луч улавливается фотоприемником (фотодиодом) оптической читающей головки.

CD-ROM ввиду весьма плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1, 5 Гбайт (наиболее распространенная емкость 650 Мбайт), время доступа (access time) в разных оптических дисках колеблется от 50 до 350 мс, скорость считывания информации от 150 до 6000 Кбайт/ с. CD-ROM существенно отличаются по скорости передачи данных. Скорость передачи зависит от двух факторов: плотности записи информации на поверхности диска и скорости вращения диска. Последняя является параметром, указываемым в марке дисковода в виде Nx-коэффициента кратности (data-transfer rate), сообщающего, во сколько раз линейная скорость дисковода превышает так называемую "единичную" скорость, равную 150 Кбайт/с. Сейчас имеются модели с любыми четными значениями этого коэффициента от двух (2х) до 56 (56х), последние обеспечивают трансфер более 6 Мбайт/с. Следует заметить, что прямой линейной зависимости между коэффициентом кратности и трансфером нет, например, реальная скорость CD-ROM с кратностью 50х оказывается обычно намного ниже теоретической - часто соответствующей 40х. Дисководы CD-ROM менее чем с двадцатикратным увеличением скорости не позволят качественно реализовать многие современные технологии мультимедиа, да и многие программные приложения вообще, поэтому они сейчас не выпускаются.

Дисковод обеспечивает считывание информации "из глубины" диска, для этого лазер фокусируется не на внешней поверхности, а непосредственно на информационном слое. Грязь и царапины на покрытии, таким образом, оказываются не в фокусе и до определенного предела игнорируются. Кроме того, для обеспечения надежной работы информация на CD кодируется с большой избыточностью с использованием корректирующего кода Рида-Соломона (Reed-Solomon code), обеспечивающего возможность восстановления исходной информации при значительном числе ошибок ее считывания.

К первым, не очень скоростным накопителям предъявлялось требование обеспечения минимальной постоянной линейной скорости считывания данных: CD используются для хранения аудио- и видеоинформации, а для нормального прослушивания аудиоданных скорость считывания должна быть не менее 150 Кбайт/с. Это обусловливало переменную угловую скорость. При считывании информации с внутренней части диска она должна быть 500 оборотов/мин, против 200 оборотов/мин при считывании с внешней, то есть должна меняться в 2, 5 раза. Таким образом, для обеспечения быстрого переключения между областями диска двигатель должен обладать хорошей динамикой. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициента кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому современные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и тем самым непостоянную линейную.

Таким образом, в низкоскоростных накопителях при считывании (записи) угловая скорость CD меняется в зависимости от местонахождения считываемого (записываемого) участка дорожки с целью обеспечить постоянную линейную скорость носителя под головкой - этим обусловливается возможность работы с постоянной оптимальной плотностью записываемых данных и высокая емкость дисков. Высокоскоростные устройства лишены этой благоприятной особенности, но высокая емкость дисков обеспечивается в них иными технологическими приемами, в частности благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity - постоянная угловая скорость). В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, соответственно, на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4-7, 8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинается с внутренних областей.

При выполнении реальных задач разница в производительности приводов, имеющих скорости в диапазоне 24х-50х, для пользователя практически не ощутима и может быть измерена только специальными тестами. Более скоростные приводы обладают преимуществом лишь в случае считывания большого объема непрерывно расположенных данных, например при установке программного обеспечения. В настоящее время максимальная достигнутая скорость составляет 56х, то есть примерно 8000 Кбайт/с. Эта величина соответствует частоте вращения 12000 оборотов/мин. На таких скоростях начинают сильно сказываться дефекты производства дисков - искажения геометрии, неравномерность массы. Чтобы уменьшить паразитные биения, производители прибегают к различным ухищрениям, например оборудуют приводы CD-ROM специальными демпфирующими устройствами.

Следует отметить, что большинство дисководов способно автоматически снижать скорость вращения при появлении большого количества ошибок считывания данных (и не все модели, кстати, способны в дальнейшем при уменьшении числа ошибок ее повышать). Номинальная же скорость, указываемая на дисководе, определяется на эталонном, безошибочном диске, не требующем снижения оборотов. Снижение скорости частично компенсируется наличием в устройствах большого кэша, который, кроме того, хорошо помогает при работе с большим количеством мелких файлов, требующим многократного позиционирования головки считывания/записи. Размер внутренней кэш-памяти, в который считываются данные перед их передачей, в современных накопителях достигает 1 Мбайт, но удовлетворительной величиной является и кэш емкостью 128 Кбайт.

Устройство позиционирования оптической системы ориентируется на специальные метки диска и не требует прецизионной механики, что делает это весьма высокотехнологичное устройство достаточно дешевым в производстве. Изначально приводы CD-ROM имели свой интерфейс, обычно устанавливаемый на звуковой карте, и могли работать только с ним. Современные дисководы CD-ROM имеют IDE-ATAPI- или SCSI-интерфейсы и могут подключаться непосредственно к разъему на материнской плате как IDE- или SCSI устройства. IDE-ATAPI - более распространенный интерфейс. Большинство современных приводов CD-ROM с данным интерфейсом поддерживает протокол Ultra DMA/33 (UDMA), имеющий скорость передачи 33 Мбайт/с. SCSI-интерфейс обеспечивает скорости передачи данных до 80 Мбайт/с (для спецификации SCSI-3) и подключение максимум до 16 устройств. Область применения дисководов CD-ROM с интерфейсом SCSI - графические станции, серверы и другие мощные системы. Пока только SCSI способен поддержать надежное функционирование систем с подключением нескольких дисководов CD-ROM и их работу в многозадачном режиме.

Типовой дисковод состоит из блока электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. В блоке электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной угловой скоростью. Система оптической головки состоит из самой головки и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Лазер имеет длину волны 780 нм (nm).

Конструкции дисководов предусматривают возможность загрузки как одной, так одновременно и нескольких компактных дисков. Последний вариант иногда более удобен, но рекомендовать его безоговорочно нельзя: часто в этом случае снижается качество воспроизведения записи и надежность устройства.

Наконец, следует иметь в виду, что все современные модели CD-ROM позволяют качественно воспроизводить и музыкальные записи. Для обеспечения этой возможности следует установить в ПК необходимые драйверы (при работе в среде MS-DOS, например, это специальная, резидентно устанавливаемая TSR-утилита; при работе под Windows - драйвер CD Audio). В ряде моделей есть кнопка Play для запуска проигрывания аудиодисков. Чаще эта'кнопка является двухфункциональной (например, Play/Next) и служит также для перехода между звуковыми дорожками. Другая кнопка Eject при проигрывании аудиодисков обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В обычном режиме кнопка Eject служит для загрузки/выгрузки диска. Слушать диски можно как через выход для наушников на передней панели CD-ROM, так и через внешнюю акустическую систему. В последнем случае необходима звуковая карта (аудиобластер) с усилителем.