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.

Принципы записи информации на DVD-диск

Методы, используемые для записи информации на DVD-диск, аналогичны принципам записи традиционного CD-диска. В настоящее время производятся CD-диски, предназначенные только для воспроизведения, CD-R-диски с возможностью однократной записи и многократно перезаписываемые диски CD-RW.

Принципы записи информации на CD-диски, СD-ROM, DVD-ROM.

Как показано на рисунке 1 - обычный компакт-диск (CD) состоит из прозрачной полимерной подложки (1 ), металлизированного отражающего слоя (2 ) с "дырками" (B ), при помощи которых записана цифровая информация, и защитного слоя (3 ), необходимого для придания диску жесткости. Отражающий слой (2 ) в обычном CD-диске и является слоем, хранящим информацию. Он изготавливается фабричным методом и представляет собой своеобразную матрицу с "выштампованными" в определенных местах "дырками", которые означают логическую единицу. Отсутствие "дырки" подразумевает логический ноль.
Считывание информации происходит при помощи лазерного луча, отражающегося от
поверхности диска. При отражении от "дырки" лазерный луч точно попадает на специальный детектор, который выдает "1". При отражении от поверхности луч проходит мимо детектора, который в этом случае распознает "0". Абсолютно те же принципы записи информации лежат в основе DVD-дисков первого поколения; они предназначены только для считывания информации, записанной на них фабричным способом (так называемый DVD-ROM),CD-R, DVD-R.
В конструкции однократно записываемого компакт-диска (CD-R) между подложкой (1 ) и отражающим слоем (2 ) находится пигментный слой (4 ) из металло-стабилизированного цианида (органическая субстанция). В данном случае именно пигментный слой, на котором фабрично "выдавлены" дорожки (A ), вдоль которых движется лазерный луч, сохраняет информацию. При записи такого диска в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности "выжигает" в требуемых местах пигментного слоя "дырки" (B ). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь "дырку" в пигментном слое (4 ), отражается от металлизированного слоя (2 ) и попадает на детектор, который распознает логическую единицу. При отсутствии "дырки" лазерный луч поглощается пигментным слоем, отражения лазерного луча не происходит, и детектор выдает логический ноль. Следует отметить наличие дополнительного шероховатого слоя для надпечатки (5), на котором пользователь после записи информации может нарисовать свою этикетку при помощи шариковой ручки, фломастера или даже специального струйного принтера.

CD-RW, DVD-RAM.
Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество (6 ), способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками.
Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c.
Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66 mm).
Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти.
Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST "выдавлены" дорожки (A ), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое (6 ), и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).
Однослойные DVD. Как мы уже отмечали, DVD во многом подобен CD, но значительно отличается от него плотностью записи. Как ясно из описанных выше принципов записи, именно предельное количество "дырок", которое может быть размещено на поверхности диска, определяет его информационную емкость.
Первым шагом к созданию нового стандарта можно считать семикратное увеличение емкости CD-диска за счет увеличения плотности записи, которое стало возможным благодаря применению более совершенных источников лазерного луча. различия размеров и плотности расположения "дырок"

Первый слой двухслойного DVD-диска штампуется из обычных пластмасс на основе поликарбонатов и несет запись на одной стороне. Затем эта сторона заливается тонким слоем полупрозрачного материала, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала, формирующего наружный рабочий слой. Фотополимерному материалу придается жесткость ультрафиолетовым облучением, и DVD-диск заливается прозрачным пластиком, служащим защитным слоем диска. Основная трудность заключается в создании полупрозрачного материала, разделяющего слои записи, поскольку требования, предъявляемые к нему, довольно противоречивы: он должен хорошо отражать лазерный луч (требуемый коэффициент отражения - около 40%) в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. Приоритет в разработке такого материала принадлежит компании 3M, работавшей по заказу Philips-Sony.

Двухсторонние DVD.
Общая толщина всех слоев DVD-диска (как однослойного, так и двухслойного) составляет всего 0,6 мм, что в два раза меньше толщины CD-диска. Для физической совместимости с традиционными компакт-дисками толщина DVD-диска должна равняться толщине CD-диска, т.е. 1,2 мм. В одностороннем однослойном диске (стандарт DVD-5) с задней стороны (с той, где у CD-диска находится этикетка) приклеивается дополнительная подложка толщиной 0,6 мм.

Технические характеристики с спецификации DVD дисков

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.

Устройство чтения дисков CD и DVD состоит из двигателя, вращающего компакт-диск, системы загрузки дисков, оптической считывающей системы и устройства управления. Все эти компоненты размещаются в едином корпусе, который вставляется в пятидюймовый отсек корпуса компьютера. Внешние дисководы CD-ROM, а также DVD-ROM выполнены в виде отдельного устройства.

В бытовых устройствах двигатель должен вращать компакт-диск с постоянной линейной скоростью, чтобы скорость считывания информации не менялась. Современные компьютерные устройства меняют скорость считывания в зависимости от качества используемого диска. На оси двигателя находится площадка, к которой прижимается диск. Диски вращаются со значительными скоростями, что вызывает достаточно громкий неприятный шум. В последнее время ведутся работы по снижению шума скоростных дисководов СD-ROM.

Имеется несколько вариантов загрузки дисков. Чаще всего используется выдвижной лоток, называемый tray - лоток. С помощью специального двигателя лоток выезжает и убирается внутрь после того, как на него положили нужный компакт-диск (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. Дисковод компакт-дисков

В некоторых устройствах имеются дополнительные фиксаторы, позволяющие устанавливать дисковод в корпус компьютера вертикально. Эти фиксаторы удерживают диск при загрузке и выгрузке.

Реже встречается способ загрузки дисков slot-in, что можно приблизительно перевести как «входная щель». При использовании этого способа диск непосредственно вставляется в щель дисковода. Никакие лотки или коробки не используются. Работа с компакт-диском напоминает работу с обычной дискетой. Еще реже используется специальная коробка, называемая caddy -помощник. Диск вставляется в эту коробку, а она, в свою очередь, вставляется в приемное устройство дисковода. Такой способ загрузки надежнее, но менее удобен.

Современные технологии позволяют достичь приемлемой надежности и точности позиционирования при использовании выдвижного лотка.

Оптическая система состоит из оптической головки и системы ее перемещения. В оптической головке расположен лазер, система линз и приемник отраженного сигнала. Основой системы перемещения головки является высокоточный двигатель, позволяющий перемещать оптическую головку точно по информационной дорожке диска. Устройство управления обеспечивает совместную работу всех устройств, распознает команды компьютера и передает полученную с диска информацию.

На передней панели дисковода расположена кнопка открытия и закрытия лотка, а также светодиоды, показывающие режим текущей работы устройства. Кроме того, на передней панели расположено гнездо для подключения наушников и регулятор громкости. Следует отметить, что качество звука, получаемого с этого разъема, достаточно посредственное. В некоторых моделях на передней панели расположены дополнительные органы управления.

Многие дисководы имеют на передней панели небольшое отверстие для аварийного извлечения диска. Разогнув канцелярскую скрепку и вставив ее конец в отверстие, вы приоткроете дисковод, после чего сможете вручную достать диск. Разогнутый конец скрепки должен быть достаточно длинным, чтобы достать до механизма. Этим способом следует пользоваться только в случае поломки дисковода и невозможности достать диск обычным путем. В обычной работе использовать данный способ извлечения диска недопустимо.

Устройства для работы с компакт-дисками могут быть внутренними и внешними. Наиболее распространены внутренние устройства с интерфейсом IDE, но иногда используются устройства с интерфейсом SCSI. Внешние устройства подключаются через шину USB, USB 2.0 или FireWire. Ранее использовался еще параллельный порт, но в настоящее время он не используется из-за низкой скорости. Некотор"ые внешние модели подключаются по интерфейсу SCSI.

Все внутренние дисководы компакт-дисков имеют звуковой выход, подключаемый к звуковой плате компьютера. При воспроизведении аудиодисков звуки передаются именно через этот интерфейс. Современные устройства имеют дополнительно цифровой выход в стандарте SPDLF. Ьсли ваша звуковая плата имеет вход этого стандарта, лучше подключить дисковод по данному интерфейсу. При этом качество воспроизведения звука может несколько повыситься.

Устройства для записи компакт-дисков внешне почти не отличаются от устройств чтения. Однако лазер, используемый в оптической системе, может нагревать участки заготовки, чтобы в этом месте регистрирующий слой темнел. Мощность лазера при записи примерно в десять раз больше, чем при чтении.

В настоящее время дисководы CD-R устарели, и им на смену пришли дисководы CD-RW. Технически они мало различаются, однако с помощью дисковода CD-RW можно не только записывать компакт-диски, но и выполнять повторную запись, используя для этого специальные заготовки. Запись на диски CD-RW выполняется с использованием эффекта перехода рабочего слоя диска под действием луча лазера в кристаллическое или аморфное состояние с разной отражательной способностью.

При записи компакт-диска лазер включается на повышенную мощность. Лазер перемещается вдоль дорожки, записывая нужную информацию. Прервать этот процесс невозможно. Если компьютер не успеет передать очередную порцию информации для записи, процесс будет прерван и используемая заготовка испорчена. Для защиты прерывания потока информации в современных устройствах имеется буфер размером в несколько мегабайт. Кроме того, во многих современных моделях CD-RW используется специальная технология, позволяющая временно прервать запись и возобновить ее после поступления очередной порции данных.

Заготовки для записи компакт-дисков имеют предварительную разметку. Она содержит специальные метки и сигналы синхронизации. Предварительная разметка помогает движению лазера по нужной траектории. Кроме того, перед записью можно прочитать некоторые параметры используемой заготовки. Это поможет точнее настроить программу для записи. Сигналы записаны с пониженной амплитудой и впоследствии перекрываются записываемым сигналом.

Первые дисководы CD-ROM, а также устройства чтения компакт-дисков в музыкальных центрах, считывают информацию со скоростью около 150 килобайт в секунду. Эта скорость принята за единицу. Скорость чтения, записи и перезаписи задается в единицах, кратных данной скорости. Например, если говорят, что запись идет на восьмикратной скорости, это значит, что реальная скорость равна 150x8=1200 килобайт в секунду. Сорокоскоростной CD-ROM читает информацию со скоростью 150x40=6000 килобайт в секунду. Скорость чтения современных скоростных устройств может различаться для различных частей компакт-диска. В характеристиках обычно указывается максимальная скорость. Средняя скорость чтения при этом бывает меньше раза в два.

Для дисководов DVD-ROM принята иная единица скорости чтения. Она равна восьми скоростям чтения CD-ROM. Таким образом, если в документации к устройствту указана четвертая скорость чтения DVD, это соответствует скорости передачи 4800 Кб/с.

Для устройств CD-RW указываются три различных скорости. Первой принято указывать максимальную скорость записи компакт-дисков. Для современных CD-RW эта скорость колеблется от 24 до 52. На втором месте стоит скорость перезаписи. Обычно эта скорость несколько меньше, чем скорость записи и равняется от 10 до 24. Последней указывается скорость чтения CD-ROM. У большинства моделей эта цифра колеблется от 32 до 52. Таким образом, устройство с обозначением 52/24/52 может записывать диски на скорости 52x150=7800 Кб/с, перезаписывать на скорости 24x150=3600 Кб/с, а читать компакт-диски со скоростью 52x150=7800 Кб/с. Скорость чтения указана максимальная, достигаемая только на внешней стороне диска. Если скорость записи на диск меньше 24, то она является постоянной и не меняется при записи всего диска. При более высоких скоростях используется технология, когда скорость записи меняется от центра к краю диска.

Устройства для записи DVD-дисков являются обычно комбинированными, то есть позволяют записывать, как DVD, так и CD-R и CD-RW. Скорость записи на DVD в таких устройствах указывается в разах чтения DVD, то есть скорость записи на DVD 2,4 составляет 3312 Кб/с. Типичная формула современных устройств записи на DVD составляет 16/10/2,4, соответственно на CD-R, CD-RW и DVD-RW или DVD+RW. Для устройств записи формата DVD-RAM скорость несколько ниже - от 1 до 1,5. Современные устройства записи DVD-R позволяют писать на скорости 4. Скорость чтения обычно составляет 34 - 48 для CD-R, CD-RW и 6 - 16 для DVD.

Кроме максимальных скоростей записи, устройства записи CD и DVD могут записывать информацию также и на меньшей скорости.

Стандартный компакт-диск, размером 650 Мб, можно записать на восьмой скорости примерно за десять минут. Если же вы используете двадцать четвертую скорость, то для записи потребуется немногим более трех минут. При этом ваш компьютер должен обеспечивать нужную скорость подачи информации для записи. Запись заготовки DVD при скорости 2,4 займет около 20 минут.

Скорость записи зависит не только от используемого устройства, но и от заготовок. Если у вас заготовка, поддерживающая скорости 2, 4 и 8, то на десятой скорости вы записывать не сможете, даже при наличии соответствующего устройства CD-RW. Скорость записи обязательно указывается на упаковке заготовок компакт-дисков.

Различаются несколько разных скоростей современных устройств. Если вместе с цифрой написано обозначение CLV (Constant Linear Velocity - постоянная линейная скорость), то устройство не меняет линейную скорость, для чего приходится менять скорость вращения. Обозначение CAV (Constant Angular Velocity - постоянная угловая скорость) говорит, что скорость вращения постоянна, но меняется линейная скорость. Обозначением ZCLV (Zone Constant Linear Velocity - зонная постоянная линейная скорость) описывается постоянная линейная скорость на некоторых участках диска. Благодаря постоянной линейной скорости достигается высокое качество записи и воспроизведения, а благодаря постоянной угловой скорости достигается быстрый доступ к нужному фрагменту. В характеристиках устройства может быть написано, например, 16х CLV и 18х - 24х CAV, что означает, что в разных режимах поддерживается разная скорость.

Имеется несколько способов записи информации на диск. В зависимости от используемого формата, можно записать диск целиком или по частям. Соответственно, различают три метода записи: Track at Once (Дорожку за раз), Disk at Once (Диск за раз), и Packet Writing (Пакетная запись).

В режиме записи отдельных дорожек записывающий лазер выключается после записи каждой дорожки. Для записи другой дорожки лазер снова включается. Выключение и включение происходит всегда, даже если требуется записать подряд несколько дорожек. Записанные таким образом дорожки разделены промежутками, длительностью две - три секунды. Этот метод является основным для записи большинства дисков. Часто при этом записывается всего одна дорожка.

Если вы записываете CD и DVD диск целиком, лазер не выключается, пока не будут записаны все нужные дорожки. При этом нельзя использовать мультисессионные диски. Весь диск должен быть записан за один раз. Этот режим иногда применяется для записи звуковых компакт-дисков без промежутков между дорожками. Кроме того, часто промышленное оборудование производителя штампованных дисков требует в качестве образца диски, записанные данным способом.

Пакетная запись подразумевает запись информации на компакт-диск небольшими порциями. При этом отсутствуют многие ограничения. Этот метод, вместе с файловой системой UDF, можно использовать для работы с устройством CD-RW как с обычным жестким диском, записывая, редактируя и удаляя файлы и каталоги на компакт-диске.

В последнее время стали появляться устройства, поддерживающие новейший стандарт Mount Rainier, разработанный фирмами Philips, Compaq, Sony и Microsoft. С его помощью можно работать с компакт-дисками, как с обычной дискетой, то есть записывать и читать информацию без использования каких-либо специальных программ. При использовании устройств CD-MRW (Mount Rainier RW) выполняется аппаратное управление дефектными зонами носителя, значительно улучшена адресация, используется фоновое форматирование диска, не заметное пользователю. Стандарт Mount Rainier используется также в новых устройствах DVD+RW - формат DVD+MRW, что позволяет работать с DVD-дисками большого объема, как с обычными сменными носителями информации. Хотя пока этот стандарт слабо распространен, безусловно, он является чрезвычайно перспективным.

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.