Оптические технологии на DVD дисках

DVD (Digital Versatile Disc) – это цифровой универсальный диск или, проще говоря, компакт – диск высокой емкости. Фактически каждый накопитель DVD – ROM является дисководом CD – ROM, т.е. накопители этого типа могут читать как обычные компакт – диски, так и DVD. Цифровые универсальные диски используют ту же оптическую технологию, что и компакт – диски, и отличаются только более высокой плотностью записи. Стандарт DVD значительно увеличивает объем памяти и, следовательно, объем приложений, записываемых на компакт – дисках. DVD могут содержать до 4,7Гбайт (однослойный диск) или 8,5Гбайт (двухслойный диск) данных на каждой стороне, что примерно в 11,5 раза больше по сравнению со стандартными компакт – дисками. Емкость двухсторонних дисков DVD, конечно, в два раза выше односторонних. Однако в настоящее время для считывания данных со второй стороны приходится переворачивать диск.

В соответствии с оригинальным стандартом, DVD является односторонним, однослойным диском и содержит 4,7Гбайт информации. Новый диск имеет такой же диаметр, как современные компакт – диски, однако он в два раза тоньше (0,6мм). Применяя сжатие MPEG – 2, на новом диске можно разместить 135 минут видео – полнометражный фильм с тремя каналами качественного звука и четырьмя каналами субтитров. Значение емкости диска не случайно: стандарт создавался в ответ на требования представителей киноиндустрии, давно искавших недорогую и надежную замену видеокассетам.

Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию компакт – дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же размера (наружный диаметр 120мм, диаметр центрального отверстия 15мм, толщина 1,2мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. DVD, в отличие от обычных компакт – дисков, могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одно – или двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2мм. Технологический процесс изготовления дисков практически не отличается, помимо того, что слои и стороны DVD штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с другом, формируя законченный диск. Основным различием стандартных компакт – дисков и DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с более короткой длиной волны. Как уже отмечалось, компакт – диски являются односторонними и имеют только один слой записи. В отличие от них, DVD могут быть двухсторонними и иметь два слоя записи на каждой стороне.

По аналогии с компакт – дисками каждый слой DVD содержит одну физическую дорожку, которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней части. Цифровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Спиральные дорожки, как и на компакт – дисках, образованы впадинами (штрихами) и площадками (плоскими участками). Каждый записанный слой покрывается тонкой металлической пленкой, отражающей лазерный луч. Благодаря тому, что внешний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него и считывает данные, которые записаны на внутреннем слое. Этикетка обычно располагается на верхней части одностороннего диска; на двухстороннем диске для этого отводится узкая кольцевая поверхность в центральной части.

Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор улавливает уже отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается.

Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт – диска, равна 0,105 микрона, а ширина – 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет примерно 0,4 микрона, максимальная — 1,9 микрона (на однослойных дисках).

На рисунке 3 сравниваются диски CR – ROM и DVD.

 

Рисунок 3 – Структура дорожек дисков CD и DVD

В накопителе DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет считывать более короткие штрихи. Для удвоения размера в накопителе DVD можно использовать две стороны диска и, кроме того, записывать данные на два отдельных слоя каждой из сторон.

Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку (в каждом слое) с расстоянием 0,74 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 1351 виток на миллиметр, или 34324 витка на дюйм. В целом это составляет 49324 витка, а общая длина дорожки достигает 11,8км (или 7,35 мили). Дорожка разбита на секторы, каждый из которых содержит 2048 байт данных. Диск разделен на четыре основные области (рисунок 4).

Рисунок 4 – Области DVD диска в разрезе

 

1.  Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт – диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой – либо информации или данных.

2.  Начальная область. Включает в себя буферные зоны, код ссылки, а также, главным образом, зону служебных данных, содержащую информацию о диске. Зона служебных данных состоит из 16 секторов, продублированных 192 раза, что составляет в целом 3072 сектора данных. В этих секторах расположены данные о диске, в частности указана категория диска и номер версии, размер и структура диска, максимальная скорость передачи данных, плотность записи и распределение зоны данных. В целом начальная область занимает до 196607 (2FFFFh) секторов диска. Базовая структура всех секторов DVD, в отличие от компакт – дисков, одинакова. Секторы буферной зоны начальной области содержат только символы 00h (шестнадцатеричные нули).

3.  Область данных. Содержит видео -, аудио - или данные другого типа и начинается с сектора под номером 196608 (30000h). В общей сложности область данных однослойного одностороннего диска может содержать до 2292897 секторов.

4.  Конечная (или средняя) зона. Отмечает завершение области данных. Секторы конечной зоны содержат только значения 00h. В том случае, если диск имеет два слоя записи и записан в режиме обратного считывания (Opposite Track Path – OPT), где второй слой начинается с внешней стороны диска и считывается в противоположном по отношению к первому слою направлении, эта зона называется средней.

Как правило, спиральная дорожка стандартного DVD начинается с нулевой области и заканчивается конечной (средней) зоной, расположенной на расстоянии 58,5мм от центра диска или 1,5мм от его внешнего края. Длина одной спиральной дорожки достигает 11,84км (или 7,35 мили). Интересно то, что при считывании внешней части дорожки посредством накопителя 20x CAV, имеющего постоянную угловую скорость (Constant Angular Velocity – CAV), перемещение данных по отношению к лазеру происходит со скоростью 156миль/ч (251км/ч). И несмотря на столь высокую скорость перемещения данных, лазерный датчик безошибочно считывает значения битов (переходы впадина/площадка), размеры которых не превышают 0,4 микрона, или 15,75 миллионной доли дюйма.

Существуют однослойные и двухслойные, а также односторонние и двухсторонние версии дисков DVD. Двухсторонние диски, в сущности, представляют собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами друг с другом. Между двух- и однослойными версиями имеется более существенное различие. Длина впадин (штрихов) двухслойных дисков немного больше, что приводит к незначительному уменьшению емкости диска.

Диски DVD отличаются от обычных компакт – дисков более совершенными кодами коррекции ошибок. Как уже отмечалось, компакт – диски имеют различные уровни коррекции ошибок, которые зависят в первую очередь от характера записанных данных (аудио-, видео - или информационные данные). Цифровые универсальные диски, в свою очередь, обрабатывают всю информацию одинаково, применяя полный цикл коррекции ошибок ко всем секторам.

В DVD обработка ошибок происходит главным образом в кадрах ЕСС. Для выявления и исправления ошибок в кадры данных были введены биты верхнего (столбец) и нижнего (строка) контроля четности. Несмотря на кажущуюся простоту такого решения, оно достаточно эффективно. Информация, находящаяся в кадрах данных, вначале разбивается на 192 строки по 172 байт в каждой. После этого с помощью полиномиального уравнения высчитываются 10 байт контроля четности PI, которые добавляются к каждой строке, увеличивая тем самым их длину до 183 байт. С помощью второго полиномиального уравнения вычисляются 16 байт контроля четности PO, которые, в свою очередь, добавляются к каждому столбцу. Таким образом, при добавлении байтов контроля четности PI и PO объем кадров ЕСС, содержавших вначале 192 строки по 172 байт в каждой, увеличивается до 208 строк по 182 байт.

Для того чтобы объяснить функцию байтов верхнего (PO) и нижнего (PI) контроля четности, воспользуемся следующим примером. Рассмотрим два байта, в которых записаны символы “N” и “O” (N = 01001110, О = 01001111). Чтобы ввести код коррекции ошибок, указанные байты организованы в строки, как показано ниже.

 

Теперь с помощью функции проверки на нечетность к каждой строке добавляется 1 бит PI. Это значит, что нужно подсчитать количество единичных битов, а затем прибавить бит, имеющий соответствующее значение. Количество единиц в первой строке равно 4, следовательно, для получения нечетной суммы значение бита контроля четности должно быть равно 1. Сумма битов второй строки является нечетными числом, поэтому значение бита контроля четности должно быть равно 0. Посмотрим, что получается в результате.

Значения битов контроля четности для каждого столбца вычисляются точно так же, после чего добавляются к столбцу. Другими словами, значение бита контроля четности должно быть таким, чтобы сумма единиц каждого столбца была нечетным числом.

Теперь код завершен и дополнительные биты сохранены вместе с данными. Таким образом, к 2 байтам данных добавлены еще 11 бит, предназначенных для коррекции ошибок. Во время считывания данных происходит повторное вычисление битов коррекции ошибок и проверка соответствия условиям нечетности. Теперь в качестве примера изменим значение одного из битов данных (тем самым допустим, что произошла ошибка считывания) и повторим вычисление битов коррекции ошибок.

 

Как видно, изменились значения битов PI и PO, вычисленные после считывания данных. В частности, это относится к значениям бита PI в строке 1 и бита PO в столбце 6. Это дает возможность точно определить строку и столбец, где была совершена ошибка. В данном случае это байт 1 (строка 1), бит 6 (столбец 6). Теперь известно, что этот бит был по ошибке прочитан как 0, поэтому его необходимо изменить на 1. Перед тем как передать данные в систему, схема коррекции ошибки исправляет ошибочное значение. Таким образом, код коррекции ошибок благодаря некоторым дополнительным данным, введенным в каждую строку и столбец, может прямо “на лету” выявлять и исправлять ошибки.

Помимо организации кадров ЕСС, в DVD также проводится шифрование данных с помощью технологии сдвига разрядов и чередования частей кадров ЕСС во время их записи на диск. Эти схемы предназначены для непоследовательного сохранения данных на дисках, что позволяет избежать их повреждения при загрязнении или появлении царапин.

В настоящее время существует четыре основных типа дисков DVD, которые классифицируются по количеству сторон (одно - или двухсторонние) и слоев (одно - и двухслойные).

1. DVD – 5 – односторонний однослойный диск емкостью 4,7Гбайт. Состоит из двух соединенных друг с другом подложек. Одна из них содержит записанный слой, который называется нулевым слоем, вторая совершенно пуста. На однослойных дисках обычно используется алюминиевое покрытие.

2.  DVD – 9 – односторонний двухслойный диск емкостью 8,5Гбайт. Состоит из двух штампованных подложек, соединенных таким образом, что оба записанных слоя находятся с одной стороны диска; с другой стороны располагается пустая подложка. Внешний (нулевой) штампованный слой покрыт полупрозрачной золотой пленкой, которая отражает лазерный луч, сфокусированный на данном слое, и пропускает луч, который сфокусирован на нижнем слое. Для считывания обоих слоев используется один лазер с изменяемой фокусировкой.

3.  DVD – 10 — двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4Гбайт. Состоит из двух штампованных подложек, соединенных друг с другом тыльными сторонами. Записанный слой (нулевой слой на каждой стороне) обычно имеет алюминиевое покрытие.

4.  DVD – 18 – двухсторонний двухслойный диск емкостью 17,1Гбайт. Объединяет в себе два слоя записи на каждой стороне. Стороны диска, каждая из которых формируется двумя штампованными слоями, соединяются друг с другом тыльными частями. Внешние слои (слой 0 на каждой стороне диска) покрыты полупрозрачной золотой пленкой, внутренние слои (слой 1 на каждой стороне) имеют алюминиевое покрытие. Отражательная способность однослойного диска составляет 45–85%, двухслойного – 18–30%. Различные отражающие свойства компенсируются схемой автоматической регулировки усиления (АРУ).

Конструкция дисков DVD различных типов показана на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Типы и конструкции DVD

 

Хотя на рисунке 5 изображены два лазера, считывающие данные нижней части двухслойных дисков, фактически используется только один. Для чтения данных, расположенных на разных слоях, изменяется только фокусировка лазера.

Существует два способа записи слоев двухслойных дисков: противоположное (ОТР) или параллельное (РТР) направление дорожек. Метод OTP позволяет минимизировать время, затрачиваемое во время чтения диска, при переходе с одного слоя на другой. При достижении внутренней части диска (конца слоя 0) лазерный датчик остается практически в том же положении и лишь немного перемещается для фокусировки на слое 1. Конечная область диска при его записи в режиме OTP называется средней зоной.

Запись (и чтение) спиральных дорожек дисков DVD, записанных в режиме PTP, происходит по – другому. При переходе от слоя 0 к слою 1 лазерный датчик должен переместиться с наружной части диска (т.е. с конца первого слоя) на его внутреннюю часть (на начало второго слоя). Кроме того, необходимо изменить фокусировку лазера. Для ускорения перехода практически все диски DVD записываются в режиме OTP.

Отличается и направление спиральных дорожек различных слоев, записанных в режиме РТР. Это позволяет упростить процесс считывания дорожек, расположенных одна над другой. Спиральная дорожка слоя 0 направлена по часовой стрелке, а дорожка слоя 1, в свою очередь, – против часовой стрелки. Поэтому для чтения второго слоя необходимо изменить направление вращения диска, но в дисках OTP считывание спирали происходит снаружи внутрь. Таким образом, спиральная дорожка слоя 0 направлена изнутри наружу, а дорожка слоя 1 – снаружи внутрь.

Емкость двухслойных дисков, немногим меньше емкости двух однослойных дисков, даже несмотря на то, что слои дисков занимают примерно одинаковое пространство (длины спиральных дорожек дисков разных типов одинаковы). Это было сделано для улучшения читаемости слоев дисков в двухслойной конфигурации. Расстояние между витками дорожек было немного увеличено, что повлекло за собой увеличение длины впадин и площадок. Чтобы это компенсировать, частота вращения накопителя при чтении двухслойного диска увеличивается, в результате чего скорость передачи данных остается постоянной. Но, поскольку спиральная дорожка считывается быстрее, общая емкость диска немного уменьшается.

Помимо перечисленных типов стандартной емкости, могут изготавливаться и двухсторонние диски, имеющие один слой на одной стороне и два слоя на другой. Диски этого типа обозначаются как DVD – 14 и имеют емкость 13,2Гбайт или примерно 6 часов и 15 минут видеоданных формата MPEG – 2. Существуют также 80 – миллиметровые диски, емкость которых меньше, чем стандартных 120 – миллиметровых дисков той же конфигурации.

 

Характеристики НОД

Скорость передачи данных

Этот параметр определяет объем данных, который может считывать накопитель с компакт – диска на компьютер за одну секунду. При этом речь идет о непрерывном считывании данных, а не считывании с различных мест диска.

Существует два способа измерения скорости передачи. Один из них, обычно применяемый к накопителям CD/DVD, представляет собой относительную скорость “ х ”, которая определена как множитель стандартной основной скорости. Например, в соответствии с исходным стандартом, скорость передачи накопителя CD – ROM равна 153,6Кбайт/с. Накопители, скорость которых в 2 раза больше, указываются как накопители 2х, в 40 раз – как 40х и т.д. Исходная скорость передачи данных накопителей DVD равна 1,385Кбайт/с. В соответствии с этим накопители, скорость которых в 20 раз выше, определяются как 20х. Следует заметить, что почти все быстрые современные накопители имеют постоянную угловую скорость (CAV), поэтому их скорость, определенная множителем “ х ”, является максимальной скоростью, которая достигается при считывании данных с внешней части (с конца) диска. Скорость считывания данных, расположенных на внутренней части диска (в начале), примерно вдвое меньше. Следовательно, средняя скорость передачи данных находится где – то между максимальной и минимальной скоростями.

Дисководам перезаписываемых компакт – дисков, как правило, определяются скорости передачи различных режимов работы. Для накопителей CD – R обычно указываются две скорости (скорость записи и скорость считывания данных). Скорость дисковода CD – RW указывается в виде A / B / C, где А – скорость записи дисков CD – R, B – скорость записи дисков CD – RW, C – скорость считывания данных. Первый накопитель CD – RW имел скорости 2/2/6; скорость современных накопителей достигает 54/24/52.

8.3.2 Скорость накопителей на компакт – дисках

При поиске определенного сектора данных или музыкальной дорожки на диске, накопитель находит адрес данных в оглавлении TOC, которое записано на нулевой дорожке компакт – диска, после чего лазерный луч перемещается к нужному витку спирали и ожидает появления нужной последовательности битов.

Компакт – диски первоначально разрабатывались для записи звуковых файлов, поэтому скорость считывания данных накопителем должна быть постоянной. Для того чтобы поддерживать постоянную скорость считывания, данные на дисках CD – ROM записываются с использованием метода, получившего название записи с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity – CLV). Это означает, что дорожка (и соответственно данные) по отношению к считывающему устройству всегда перемещаются с одной и той же скоростью, равной 1,3м/с (метров в секунду). Дорожка представляет собой спираль, витки которой по мере приближения к центру диска располагаются более компактно. Поэтому для обеспечения постоянной линейной скорости необходимо, чтобы скорость вращения диска изменялась по определенному закону. Другими словами, при считывании данных с внутренней дорожки диск должен вращаться быстрее, а при считывании информации с внешней – медленнее. Скорость вращения диска в накопителе 1х (линейная скорость накопителя 1х равна 1,3м/с) изменяется от 540об/мин при считывании данных, расположенных в начале дорожки (на внутренней части диска), до 212об/мин при чтении дорожки на внешней части диска.

Одним из способов повышения эффективности CD – ROM стало увеличение скорости дисководов, т.е. повышение частоты вращения. Дисководы, скорость вращения которых стала вдвое или вчетверо выше первоначальной, получили название накопителей 2х и 4х. Последним устройством, созданным по этой технологии, стал дисковод 12х, скорость вращения диска в котором изменялась в пределах от 2568 до 5959об/мин, что позволяло поддерживать постоянную скорость передачи данных. При дальнейшем увеличении скорости вращения производители столкнулись с определенными проблемами, связанными с созданием двигателя, позволяющего быстро изменять скорость при считывании данных с различных частей диска. Именно поэтому большинство дисководов со скоростью выше 12x имеют постоянную скорость вращения (при этом линейная скорость не является постоянной). Так как угловая скорость (скорость вращения) остается неизменно постоянной, этот метод получил название записи с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Velocity – CAV).

Дисководы CAV, как правило, работают тише, чем дисководы CLV. Это связано с тем, что двигателю не приходится постоянно увеличивать или уменьшать частоту вращения. Дисководы (в основном перезаписывающие), использующие технологии CLV и CAV, получили название Partial – CAV или P – CAV (частично постоянная угловая скорость). Например, большинство перезаписываемых дисководов при записи диска работают в режиме CLV, а при считывании данных — в режиме CAV. В таблице 4 приведена сравнительная характеристика CLV и CAV.

Скорости дисководов CD – ROM могут быть самыми разными – от 1х до 56х и выше. В не перезаписываемых накопителях, скорость которых не более 12х, как правило, используется технология CLV; большинство накопителей со скоростью 16x и выше являются устройствами CAV.

 

Таблица 1 - Сравнительная характеристика технологий CLV и CAV

Характеристика накопителя	CLV	CAV
Скорость вращения диска   Скорость передачи данных   Уровень шума	Различная, в зависимости от положения данных на диске (быстрее на внутренних дорожках, медленнее – на внешних).   Постоянная   Высокий	Постоянная   Различная, в зависимости от положения данных на диске (быстрее на внутренних дорожках, медленнее – на внешних).   Низкий

 

Вибрации, возникающие при чтении дисков, могут привести к снижению скоростей быстродействующих накопителей до уровня, обеспечивающего их минимальную надежность. Часто причиной разбалансировки CD – ROM становится маленькая бумажная этикетка с серийным номером, наклеенная на поверхность компакт – диска. Поэтому во многие высокоскоростные накопители CD и DVD встраиваются механизмы автобалансировки или амортизации, позволяющие решить подобные проблемы. Единственный недостаток таких механизмов состоит в том, что при возникновении вибрации они замедляют вращение диска, снижая тем самым скорость передачи данных.

Скорость накопителей DVD

Подобно компакт – дискам, DVD вращаются против часовой стрелки (если смотреть со стороны считывающего лазера) и обычно записываются с постоянной скоростью передачи данных, называемой CLV (Constant Linear Velocity). Это означает, что дорожка (а значит, и данные) по отношению к считывающему устройству всегда перемещается с одной и той же скоростью, равной 3,49м/с (или 3,84м/с на двухсторонних дисках). Дорожка представляет собой спираль, витки которой располагаются более компактно по мере приближения к центру диска. Поэтому для обеспечения постоянной линейной скорости дорожки, скорость вращения диска должна изменяться по определенному закону. Другими словами, при считывании данных с внутренней дорожки диск должен вращаться быстрее, а при считывании информации с внешней – медленнее. Скорость вращения диска в накопителе 1х (линейная скорость накопителя 1х равна 3,49м/с) изменяется от 1515 об/мин при считывании данных, расположенных в начале дорожки (на внутренней части диска), до 570об/мин при чтении конца дорожки (на внешней части диска).

Односкоростные (1х) накопители DVD – ROM обеспечивают скорость передачи данных, равную 1,385Мбайт/с, что эквивалентно скорости передачи данных 9х CD – ROM (скорость передачи данных дисковода 1х CD – ROM составляет 153,6Кбайт/с или 0,1536Мбайт/с). Хотя это не означает, что накопитель 1х DVD – ROM может читать компакт – диски в девять раз быстрее: скорость вращения накопителей DVD лишь в три раза больше скорости вращения подобных накопителей CD – ROM. Таким образом, накопитель 1х DVD имеет примерно ту же скорость вращения, что и накопитель 2,7х CD – ROM. В технических характеристиках DVD – ROM обычно указываются два параметра, один из которых определяет скорость чтения DVD, а второй — скорость чтения компакт – дисков. Например, если накопитель DVD – ROM имеет параметр 16х/40х, то он определяет скорость чтения DVD и компакт – дисков соответственно.

Одним из способов повышения эффективности стало увеличение скорости дисководов, что выразилось в повышении частоты вращения. Дисковод, скорость вращения которого стала вдвое выше первоначальной, получил название накопителя 2х; дисковод, скорость вращения которого была увеличена в четыре раза, был назван накопителем 4х и т.д. При дальнейшем увеличении скорости вращения производители столкнулись с определенными проблемами, связанными с созданием двигателя, позволяющего очень быстро изменять скорость работы при считывании данных с различных частей диска. Это стало причиной того, что большинство быстрых накопителей DVD имеют постоянную скорость вращения (причем линейная скорость не является постоянной). Так как угловая скорость (скорость вращения) остается постоянной, то этот метод, как уже упоминалось, получил название записи с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Velocity – CAV).

Накопители, имеющие более высокую скорость, больше подходят для считывания данных, чем для воспроизведения видеофрагментов. Высокая скорость накопителя позволяет при считывании диска уменьшить время перехода с одного слоя на другой, при этом, совершенно не влияя на качество видеоизображения.

Практически все существующие DVD – ROM, имеющие скорость 20х и более, являются накопителями CAV, поэтому объявленная скорость передачи достигается только при считывании данных, расположенных на внешней части диска.

Время доступа

Время доступа к данным для накопителей CD – ROM/DVD определяется так же, как и для жестких дисков. Оно равняется задержке между получением команды и моментом считывания первого бита данных. Время доступа измеряется в миллисекундах, и его стандартное паспортное значение для накопителей 24x приблизительно равно 95мс. При этом имеется в виду среднее время доступа, поскольку реальное время зависит от расположения данных на диске. Очевидно, что при работе на внутренних дорожках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних дорожек. Поэтому в паспортах на накопители приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких случайных считываний данных с диска.

Разумеется, чем меньше время доступа, тем лучше, особенно в тех случаях, когда данные нужно находить и считывать быстро. Время доступа к данным на CD – ROM/DVD постоянно сокращается. Заметим, что этот параметр для накопителей CD – ROM намного хуже, чем для жестких дисков (100–200мс для CD – ROM и 8мс для жестких дисков). Столь существенная разница объясняется принципиальными различиями в конструкциях: в жестких дисках используется несколько головок, и диапазон их механического перемещения меньше. Накопители CD – ROM/DVD используют один лазерный луч, который перемещается вдоль всего диска. К тому же данные на компакт – диске записаны вдоль спирали и после перемещения считывающей головки для чтения данной дорожки необходимо ждать, когда лазерный луч попадет на участок с нужными данными. При чтении внешних дорожек время доступа больше, чем при чтении внутренних дорожек.

Время доступа к данным в современных накопителях CD – ROM/DVD существенно снизилось по сравнению с первыми односкоростными моделями. Обычно, когда увеличивается скорость передачи данных, соответственно уменьшается и время доступа. В таблице 2 приведены стандартные значения этого параметра для накопителей CD – ROM различных типов.

 

Таблица 2 - Стандартное время доступа к данным в накопителях CD – ROM

Тип накопителя	Время доступа к данным, мс
Односкоростной (1х) Двухскоростной (2х) Трехскоростной (3х) Четырехскоростной (4х) Шестискоростной (6х) Восьмискоростной – двенадцатискоростной (8х – 12х) Шестнадцатискоростной – двадцатичетырехскоростной (16х – 24х) Тридцатидвухскоростной – пятидесятидвухскоростной и выше (32х – 52х)	400 300 200 150 150 100 90 85 – 75 и меньше

 

Приведенные данные характерны для устройств высокого класса. В каждой категории накопителей (с одинаковой скоростью передачи данных) могут быть устройства с более высоким или с более низким значением времени доступа. Повышение точности позиционирования и увеличение общей длины дорожки привело к тому, что в технических характеристиках накопителя обычно указывается две величины времени доступа: одна из них относится к чтению дисков DVD, а вторая – к считыванию данных с компакт – дисков. Время доступа к данным DVD обычно на 10–20мс больше, чем для компакт – дисков.

8.3.5 Кэш – память

Во многих накопителях CD/DVD-ROM имеются встроенные буфера, или кэш – память. Эти буферапредставляют собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для записи считанных данных, что позволяет передавать в компьютер за одно обращение большие массивы данных. Обычно емкость буфера составляет 256Кбайт, хотя выпускаются модели как с б о льшими, так и с меньшими объемами. Емкость буфера накопителей перезаписываемых CD/DVD дисков достигает 2 – 8Мбайт и более, что позволяет избежать проблем с “недобором” данных и обеспечить более плавное выполнение записи. Как правило, в более быстродействующих устройствах емкость буферов больше.

Накопители, в которых есть буфер (кэш – память), обладают рядом преимуществ. Благодаря буферу данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью. Например, данные для считывания обычно разбросаны по диску, и, поскольку оптические накопители имеют относительно большое время доступа, это может привести к задержкам поступления в компьютер считываемых данных. Это практически незаметно при работе с текстами, но, если у накопителя большое время доступа и нет буфера данных, то при выводе изображений или звукового сопровождения возникающие паузы очень раздражают. Кроме того, если для управления накопителями используются достаточно сложные программы – драйверы, то в буфер может быть заранее записано оглавление диска и обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит намного быстрее, чем при поиске “с нуля”.

 

Конструкция НОД

Существует три принципиально разных типа загрузки компакт – дисков: в контейнеры накопителя, в выдвижные лотки и механизмы автозагрузки. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

В большинстве простых накопителей на компакт – дисках для установки диска используются выдвижные лотки. Это такие же устройства, которые применяются в проигрывателях звуковых компакт – дисков класса CD – DA. Поскольку диски не нужно укладывать в отдельные контейнеры, механизм загрузки получается более дешевым. Правда, каждый раз при установке новый диск необходимо брать в руки, что повышает риск испачкать или поцарапать его.

Пользоваться накопителями с лотками не так удобно, как накопителями с контейнерами. Для того чтобы заменить диск, необходимо выдвинуть лоток из накопителя, вынуть диск, положить его в прозрачную пластмассовую коробочку, вынуть новый диск из другой такой же коробочки, положить в лоток и задвинуть его обратно.

Лоток сам по себе весьма ненадежная конструкция. Его довольно легко сломать, например, неосторожно задев локтем или уронив что–нибудь сверху в тот момент, когда он выдвинут из накопителя. Кроме того, любая грязь, попавшая на диск или на лоток, втягивается внутрь устройства при возврате механизма в рабочее положение. Поэтому накопители с лотками нельзя применять в промышленных или иных неблагоприятных внешних условиях. К тому же на лотке диск не располагается так безопасно, как в контейнере. Если компакт – диск уложен на лоток с перекосом, то при загрузке может быть поврежден и диск и накопитель. Как отмечалось выше, устройства с лотками не могут быть установлены вертикально – диск просто выпадет из предназначенного для него углубления.

Основным преимуществом выдвижных лотков, которое выделяет их из числа других механизмов, является их низкая стоимость, которая играет определяющую роль. В настоящее время во многих накопителях при работе с дисками используются в основном выдвижные лотки.

Контейнер использовался в большинстве высококачественных накопителей на компакт – дисках, а также в дисководах CD – R и DVD – RAM. Диск устанавливается в специальный, плотно закрывающийся контейнерс подвижной металлической заслонкой. У него есть крышка, которую откидывают исключительно для того, чтобы поместить диск в контейнер или вынуть его; все остальное время крышка остается закрытой. При установке контейнера в накопитель металлическая заслонка специальным механизмом сдвигается в сторону, открывая лазерному лучу путь к поверхности компакт – диска.

Накопители, снабженные механизмом загрузки дисков, в свое время получили весьма широкое распространение, что объяснялось удобством использования контейнеров для каждого диска. Тем не менее ситуация кардинально менялась при наличии всего лишь одного контейнера и нескольких накопителей. Контейнеры вставляются в накопитель примерно так же, как и 3,5 – дюймовая дискета в дисковод, и защищают компакт – диски от царапин, загрязнения и случайных повреждений.

Недостаток контейнеров – высокая стоимость. Кроме этого, к накопителю прилагается только один контейнер,

В некоторых моделях накопителей используется механизм автозагрузки, т.е. компакт – диск помещается в щель на передней панели, а механизм автозагрузки самостоятельно “засасывает” его внутрь. Однако этот механизм не позволяет использовать диски диаметра 80мм, а также прочие диски с модифицированными физическими форматами или формами.

На рисунке 6 показана упрощенная структурная схема НОД.

Рисунок 6 – Упрощенная структурная схема НОД

 

При записи луч полупроводникового лазерного диода, управляемого данными записи через коллиматор, а также через зеркало и линзу объектива, прожигает отверстие в информационном слое диска. Наличие отверстия соответствует записи логической единицы. При считывании неуправляемый (получаемый из делителя луча) лазерный луч, имеющий пониженную мощность, выходит на рабочую поверхность диска через другой делитель луча и зеркало, используя тот же объектив (в режиме чтения зеркало вращается и перемещается). Отраженный свет через делитель луча попадает на фотодиод, сигнал которого обрабатывается электронными схемами считывания. Точная установка луча на дорожке диска обеспечивается сервоблоком дорожки, фокусировка - сервоблоком фокусировки, а постоянное число оборотов – сервоблоком вращения диска.

Оптическая головка, как правило, содержит объектив, электромеханические элементы линейного двигателя, осуществляющего фокусировку, и электротехнические элементы «точной» установки на дорожку. Грубое перемещение оптической головки выполняется блоком позиционирования головки с помощью сервоблока головки.

Помимо амбляционного способа записи, широко используется способ, связанный с формированием вздутий (микропузырьков) в локальных областях, засвечиваемых лазерным лучом. Структура такого оптического диска подобна структуре для записи амбляционным способом, но имеет принципиальные отличия. В данном случае собственно информационным слоем служит диэлектрик с низкой температурой испарения, на поверхность которого фокусируется лазерный луч при записи информации. Поверх него нанесен слой тугоплавкого металла с высокой теплопроводимостью и прозрачностью. Образующиеся при нагреве поверхности информационного диэлектрического слоя газы воздействуют на металлический слой, приводя к возникновению в локальных областях микровздутий. В местах вздутий имеет место сильное отражение лазерного луча от поверхности, что позволяет получать при считывании высокое отношение сигнал – шум.

Большинство современных НОД могут использовать перезаписываемые диски. В таких дисках используется эффект термического перехода аморфной фазы вещества в кристаллическую под действием световой энергии. При этом изменяются оптические свойства вещества. В аморфных полупроводниках, при облучении сдвигается край оптического поглощения, что может быть использовано для записи информации. При записи лазерный луч переводит выбранную микрообласть на носителе из кристаллического состояния, при котором коэффициент отражения велик, в аморфное с малым коэффициента отражения. Стирание осуществляется более мощным световым лучом, возвращающим микрообласть в кристаллическое состояние.