В период 1994-1995 гг. в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них ввели накопители CD-ROM, имеющие такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска (рис. 2.8). Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа. Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, j называют мультимедийными изданиями. Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий. Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM. Основным недостатком стандартных дисководов CD -ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disc Recorder), и устройства многократной записи CD-RW. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью - 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи - до 4х.

Видеоадаптер (из книги "Экономическая информатика")

Видеоадаптер (рис. 3.17) представляет собой специальное устройство, сконструированное в виде отдельной платы расширения. Видеоадаптер управляет выводом информации на монитор. Характеристики видеосистемы зависят как от параметров используемого монитора, так и от установленного в компьютере видеоадаптера.

Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных точек из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора. С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с построением изображения, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640x480, 800x600, 1024x768, 1152x864; 1280x1024 точек и далее).

Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало. Если программа имеет сложную систему управления и большое число экранных элементов, то они не полностью помещаются на экране. Это приводит к снижению производительности труда и неэффективной работе.

Таким образом, для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер (табл. 2.1).

Для работы с неформатированными текстовыми документами достаточно иметь разрешение экрана 640x480. При работе с форматированными документами необходимое разрешение определяет сам документ: чем больше его линейные размеры, тем больше требуется экранное разрешение. Для работы с документами, подготовленными для печати на стандартных листах бумаги формата А4, необходимо экранное разрешение не менее 1024x768 и, соответственно, рекомендуется размер монитора 17 дюймов. В принципе, такое разрешение обеспечивают и мониторы размером 15 дюймов, но при этом утомляются органы зрения.

Для работы в Интернете параметр разрешения зависит от способа оформления Web-страниц. Всего лишь несколько лет назад абсолютное большинство Web-страниц успешно воспроизводилось на экранах размером 640x480. Однако с развитием средств вычислительной техники после 1998 г. большинство Web-страниц рассчитаны на работу с разрешением экрана 800x600, а некоторые даже и на 1024x768.

В том, что касается прикладных программ, то их большинство рассчитано на работу с разрешением 1024x768 и более, хотя в случае необходимости программы, как правило, допускают настройку своих панелей управления, делающую возможной работу с разрешением 800x600. Надо понимать, что при этом снижается производительность труда.

Таким образом, в настоящее время для работы с документами и службами Интернета достаточным считается размер мониторов 15 дюймов, а комфортным -17 дюймов. Размеры экранов более 17 дюймов и разрешения выше, чем 1024x768, применяют при работе с компьютерной графикой, системами автоматизированного проектирования и системами компьютерной верстки изданий.

Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана. Максимально возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком разрешении экрана на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти, так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной.

Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день - 256 цветов, хотя большинство программ требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Color). Наиболее комфортная работа достигается при глубине цвета 16,7 млн. цветов (режим True Color).

Работа в полноцветном режиме True Color с высоким экранным разрешением требует значительных размеров видеопамяти. Современные видеоадаптеры способны также выполнять функции обработки изображения, снижая нагрузку на центральный процессор ценой дополнительных затрат видеопамяти. Еще недавно типовыми считались видеоадаптеры с объемом памяти 2-4 Мбайт, но уже сегодня обычным считается объем 16 Мбайт.

Видеоускорение - одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем - преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя. Видеоускорители могут входить в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения), но могут поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемой к видеоадаптеру.

Различают два типа видеоускорителей - ускорители плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые наиболее эффективны для работы с прикладными программами (обычно офисного применения) и оптимизированы для операционной системы Windows, а вторые ориентированы на работу мультимедийных развлекательных программ, в первую очередь компьютерных игр, и профессиональных программ обработки трехмерной графики.

Казалось бы - банальная вещь: оптический привод (он же - CD Rom, Dvd Rom или Blu-ray). Все это - устройства разных поколений для чтения-записи оптических лазерных дисков. Лазерных потому, что считывание и запись на них производится именно сфокусированным лазерным лучом.

В этой статье мы будем рассматривать устройство DVD Rom, так как оно - наиболее распространено на данный момент, но затронем и другие разновидности приводов. На самом деле оптический привод - достаточно технологичная вещь. Лазерный луч должен быть очень точно и направлено сфокусирован на отражающем слое диска, чтобы считывать отраженный сигнал на его микроскопических впадинах.

Но не будем забегать вперед! Будем продвигаться постепенно.

Для начала разберемся с аббревиатурами (принятыми сокращениями).

• CD Rom - (Compact Disc Read-Only Memory) - компакт диск только для чтения
• DVD Rom - (Digital Versatile Disc read only memory) - цифровой универсальный диск только для чтения
• Blu-ray - (голубой луч) - запись с помощью коротковолнового сине-фиолетового лазера

Вот фото DVD оптического привода:

Красным обозначена кнопка для извлечения лотка.

Сама (RW) не вызовет каких-либо трудностей. Единственно на что надо обратить внимание - на стандарт подключения устройства. Это может быть либо вариант подключения «IDE» (устаревший), либо современный - «SATA».

Посмотрим на заднюю панель оптического привода DVD Rom с «IDE» разъемом, которая представлена на фото ниже:

Давайте коротко рассмотрим числовые обозначения:

1. Секция «master/slave»
2. 19-ти штырьковый интерфейс подключения « » устройств
3. Четыре контакта для «molex» разъема питания

Теперь посмотрим на тыльную сторону DVD Rom привода стандарта «SATA»:

1. Длинный плоский (15-ти контактный) кабель питания
2. Короткий плоский (7-ми контактный) кабель передачи данных (шлейф, подключающийся к SATA контроллеру на )

Нельзя обойти вниманием такую разновидность оптических приводов, как USB DVD Rom (RW). Подобные устройства, к примеру, очень помогают в ситуациях, если нужно установить операционную систему на устройство, не имеющее оптического привода. К таковым можно отнести всевозможные планшеты и нетбуки.

В нашем IT отделе мы регулярно прибегаем к помощи такого USB привода. Вот - фото установки Windows XP на нетбук от фирмы «Asus».

На этом, собственно, можно было бы и закончить эту статью, но хотелось бы еще рассмотреть сам принцип записи лазерных дисков и их устройство. Для полноты картины, так сказать:)

Устройство оптических DVD дисков и принцип записи.

Первые CD записывались наподобие грампластинок: один раз и навсегда. Они назывались CD-R (Recordable). Но очень скоро появились диски для многократной перезаписи - CD-RW (ReWritable). Технология изготовления их иная. Информация записывается не на слой пластмассы, а на пленку из специального металлического сплава, меняющего свои свойства под воздействием лазерного нагрева и образующего чередование темных и светлых участков. Их можно перезаписывать до тысячи раз.

Записываемые и перезаписываемые диски имеют на верхней стороне пластины тонкий записываемый слой. В дисках однократной записи он состоит из органического красителя, необратимо меняющего свои свойства под действием лазерного луча. В перезаписываемых же вместо этого слоя располагается пленка специального сплава, изменяющая свою отражающую способность в зависимости от нагрева и остывания (под воздействием того же лазера).

Внешне все (стандартные) лазерные диски выглядят одинаково. В их основе лежит поликарбонатная пластина, которая имеет диаметр в 120 мм и толщину всего 1,2 мм . В ее центре находится отверстие диаметром в 15 мм . Кроме того, на внешней поверхности носителя имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм , позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться ее, что предотвращает оцарапывание поверхности.

Удивительно то, что в толщину чуть больше миллиметра может вмещаться множество отражающих слоев и различных типов поверхностей. Внутри носитель похож на слоеный пирог, каждый слой в котором выполняет строго отведенную для него роль. Вот как схематично выглядит устройство стандартного оптического диска.

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки. Дорожка эта состоит из питов (pit - углублений), выдавленных в поликарбонатной основе Промежутки ровной поверхности между питами называются лендом (land).

Оптический привод фокусирует луч лазера на поверхности диска. Углубления (pits) и площадки (lands) отражают свет по-разному, и оптический датчик фиксирует эту разницу. Результаты измерений можно преобразовать в исходный цифровой (двоичный) вид. Грубо говоря: бугорок это - цифровая единица, а впадина - ноль.

Вот как выглядит поверхность DVD оптического носителя под электронным микроскопом.

Здесь мы четко видим эти самые углубления и бугорки.

Для считывания и записи DVD Rom использует красный лазер с длиной волны 650 нм. (нанометров) и шагом дорожки - 0,74 мкм. (микрометра). Это более чем в два раза меньше, чем у обычного CD компакт-диска. Именно уменьшение длины волны лазера (что позволяет считывать более мелкие детали поверхности диска) и размера "питов" дало возможность, в свое время, уместить на DVD диске 4,7 гигабайта данных.

Чтобы представить, с насколько миниатюрными вещами имеет дело оптический привод (DVD Rom), приведем некоторые цифровые данные. В DVD диске (по сравнению с CD) размеры "питов" уменьшились с 0,83 до 0,4 микрон, а ширина спиральной дорожки - с 1,6 до 0,74 микрона. Отсюда - повышение плотности записи.

Мало того, диски могут быть:

1. двусторонними
2. двухслойными
3. двусторонними и двухслойными одновременно

Это увеличивает полный объем одного такого "бутерброда" до 17 гигабайт!

Технология изготовления двухслойных DVD дисков сводится к тому, что первый слой получают прессованием, а второй, дополнительный полупрозрачный, напыляют поверх него. При воспроизведении записи считывающий лазер переходит с одного слоя на другой, автоматически меняя фокусировку.

Оптический привод также может работать с двусторонними дисками. Каждый из них имеет толщину 0,6 мм (с двумя слоями), затем с помощью укрепляющего состава они склеиваются между собой, что дает в сумме нужную толщину - 1,2 мм. Получается что-то вроде виниловой двусторонней двухслойной пластинки, которую можно переворачивать.

Вот как все описанное выше можно изобразить схематически:

В завершении, хотелось бы пару слов сказать о технологии оптических дисков «Blu-ray». Здесь для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD Rom и CD Rom (RW) используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно. Но эта технология на базе красного лазера постепенно приблизилась к своим физическим пределам, поэтому потребовался новый качественный скачок вперед.

Уменьшение ширины луча лазера позволило сузить дорожку записи вдвое по сравнению с обычным DVD-диском, чем еще больше увеличить плотность записи данных. Поскольку рельеф несущей информацию поверхности диска стал еще мельче и данные на большой скорости стало труднее считывать, разработчикам пришлось уменьшить толщину защитного поликарбонатного слоя в шесть раз (с 0,6 до 0,1 мм). Это дало возможность физически приблизить информационный слой к самому лазеру, повысив скорость и точность работы последнего.

Скорости работы Blu-ray оптических приводов представлены в таблице ниже:

После этого фирмой TDK было разработано специальное защитное покрытие под названием «Durabis», которое позволило защитить данную разновидность оптических носителей от механических повреждений.

На однослойный Blu-ray можно записать 25 гигабайт данных, двухслойный может вместить, соответственно - 50 Гб, двухслойный двусторонний может вместить 128 гигабайт. Японская компания «Pioneer» продемонстрировала экспериментальные 16 и 20-ти слойные конструкции!

Как видите, тема DVD Rom и оптических приводов не так скучна, как может показаться на первый взгляд:) Будем надеяться, что разработчики и дальше будут радовать нас техническими новинками в данной области. А на этом - разрешите на сегодня откланяться:)

Рефераты на технические темы

Дисковод CD-ROM

Принцип работы дисковода CD-ROM

Принцип работы дисковода напоминает принцип работы обычных дисководов для гибких дисков. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощью катушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркое излучение преобразуется в нули слабое - в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы Производительность дисководов CD-ROM.

Производительность CD-ROM обычно определяется его скоростными характеристиками при непрерывной передаче данных в течение некоторого промежутка времени и средним временем доступа к данным, измеряемыми соответственно в Кбайт/с и мс. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти, шести и восьмискоростные дисководы, обеспечивающие считывание данных со скоростью 150,300,450,600,750,900,1200 Кбайт/с соответственно. В настоящий момент распространены двух- и четырехскоростные дисководы. В общем случае дисководы с четырехкратной скоростью обладают более высокой производительностью, однако, оценить чистое преимущество дисковода с четырехкратной скоростью по сравнению с дисководом с удвоенной скоростью бывает не так просто. Прежде всего, это зависит от того с какой операционной системой и с каким типом приложения ведется работа. При высокой интенсивности повторяющегося доступа к CD-ROM и считывании небольшого количества данных (например, при работе с базами данных) “импульсная” скорость считывания информации приобретает важное значение. Например, по данным журнала InfoWorld, производительность дисководов с четырехкратной скоростью, по сравнению с дисководами с удвоенной скоростью, в случае операции доступа к базе данных в среднем повышается вдвое. В случае простого копирования данных выигрыш составляет от 10 до 30%. Однако наибольшее преимущество получается при работе с полноформатным видео.

Для повышения производительности дисководов их снабжают буферной памятью (стандартные объемы кэша: 64,128,256,512,1024 Кбайт) . Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных. Например, согласно требованиям стандарта MPC уровня 2 накопитель CD-ROM удвоенной скоростью должен занимать не более 60% ресурсов ЦП.

Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера, которая влияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Эта величина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер из накопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, к общему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степень заполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугой стороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать больше внимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывам изображения во время воспроизведения.

Конструктивные особенности приводов CD-ROM Как известно, большинство накопителей бывают внешними и встраиваемыми (внутренними) . Приводы компакт-дисков в этом смысле не являются исключением. Большинство предлагаемых в настоящее время накопителей CD-ROM являются встраиваемыми. Внешний накопитель стоит заметно дороже. Это легко объяснимо, так как в этом случае накопитель имеет собственный корпус и источник питания. Форм-фактор современного встраиваемого привода CD-ROM определяется двумя параметрами: половинной высотой (Half-High, HH) и горизонтальным размером 5.25 дюйма.

На передней панели каждого накопителя имеется доступ к механизму загрузки компакт-диска. Одним из самых распространенных является механизм загрузки CD-ROM с помощью caddy. Caddy представляет из себя пластмассовый прозрачный контейнер, в который кладется компакт-диск перед загрузкой непосредственно в привод. Другим способом является загрузка с помощью tray-механизма. Tray-механизм действительно похож на поднос, который выдвигается из накопителя обычно после нажатия кнопки Eject. На него устанавливается компакт-диск, после чего “поднос” в накопитель задвигается в ручную. Существуют разновидности tray-механизма, например pop-up. В этом случае загрузка диска на” подносе” происходит полуавтоматически, после легко касания.

На передней панели привода, кроме того, расположены: индикатор работы устройства (busy) , гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков) , регулятор громкости звука (также для аудио CD) . Для системы caddy предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject.

Устройство и технология производства CD-ROM.

Устройство CD-ROM.

Все CD-ROM имеют один и тот же физический формат изготовления и емкость 650 Мбайт. Диск диаметром 120 мм, толщиной 1,2 мм и центральным отверстием диаметром 15 мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называется зоной крепления (clamping area) . За ней непосредственно следует заголовочная область (lead in area) , содержащая оглавление диска (table of content) . Далее расположена область шириной 33 мм, предназначенная для хранения данных и физически представляющая собой единый трек. Завершающей является терминальная область (lead out) шириной 1 мм. Внешний обод диска шириной 3 мм.

Область хранения данных логически может содержать от 1 до 99 треков, однако разнородная информация не может быть смешанна на одном треке. Цифровая информация хранится на CD-ROM в виде чередующихся по ходу спирали ямок, нанесенных на поверхность полиуглеродного пластика. Ямка воспринимается лучом лазера как логический ноль, а гладкая поверхность как логическая единица.

СD-ROM изготавливается методом штамповки. Со стеклянной матрицы изготавливают пластиковую основу, после этого поверх пластика для отражения лазерного луча наносится слой алюминия, который в свою очередь покрывается защитным слоем лака. В CD-R для увеличения коэффициента отражения лазерного луча на пластик наносят слой золота, который покрывают красителем, затем на краситель наносят защитный слой лака.

В отличии от CD-R запись информации на CD-ROM производится в момент его изготовления т.е. штамповки. На СD-R информация записывается при помощи CD рекордера. Луч лазера выжигает на “тарелке” отверстие колоколообразной формы, что дает преимущество перед обычным CD-ROM, так как в такой ямке луч лазера рассеивается сильнее и меньшая часть излучения попадает в приемник. Однако после записи информации на CD-R, он фактически становится обычным компакт диском.

Подключение дисководов CD-ROM Цифровые интерфейсы.

В настоящее время наиболее распространенными являются SCSI и IDE интерфейсы. Помимо этих интерфейсов существует масса других стандартов конкретных производителей, таких как Sony, Panasonic, Mitsumi, Matsushita, однако их роль весьма мала. В свою очередь оба интерфейса SCSI и IDE имеют усовершенствованные версии. Для SCSI это SCSI-2 и Fast SCSI-2, для IDE - интерфейс EIDE. Последний поддерживает два параллельных канала и по характеристикам занимает промежуточное место между SCSI и IDE. Интерфейс SCSI по сравнению с IDE в принципе является более быстрым по потенциальной скорости обмена данными с диском, однако, реально это не дает преимущества, поскольку даже дисководы CD-ROM с четырехкратной скоростью не могут передавать данные быстрее 700 Кбайт/с. Все же, если учесть, что общая концепция вычислений постепенно сдвигается в сторону мультизадачной среды, когда одновременно требуется доступ как к жесткому диску, так и к устройству типа CD-ROM, использование интерфейса SCSI в будущем может оказаться более предпочтительным.

Подключение дисководов CD-ROM.

На сегодняшний день существует несколько способов подключения дисководов CD-ROM. Первый способ основан на том, что один канал интерфейса IDE может поддерживать два встроенных устройства. Накопитель CD-ROM подключают к плате ввода-вывода через интерфейс IDE вместе с жестким диском по принципу master/slave. Однако в этом случае снижается скорость обмена данными с жестким диском. Одним из способов решения этой проблемы является подключение устройств CD-ROM к различным каналам одного интерфейса EIDE или к двум различным котроллерам IDE. Если CD-ROM имеет SCSI интерфейс, то его соответственно подключают к SCSI контроллеру. Другим подходом является применение 32- битных драйверов дисководов CD-ROM вместо используемых в настоящее время 16- битных. Существует также возможность подключения дисководов CD-ROM через контроллер звуковой карты. Также не следует забывать, что современные материнские платы могут содержать встроенные контроллеры SCSI и IDE, что вообще исключает необходимость в дополнительной плате ввода-вывода для подключения дисководов CD-ROM.

Подключение аудиоканалов.

Практически каждый дисковод CD-ROM обладает встроенным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) , а также выходным разъемом для вывода стереофонических сигналов. На внешней панели дисководы CD-ROM (как внешние так и внутренние) , кроме того, имеют разъем, для головных телефонов (наушников) . Если на компакт-диске находится аудиоинформация, ЦАП преобразует ее в аналоговую форму и подает сигнал на разъем, предназначенный для головных телефонов, а так же на выходные аудио-разъемы дисковода, с которых в свою очередь, сигнал поступает на усилитель и акустическую систему непосредственно или через звуковую карту. Преимущество активного выхода заключается в том, что аудио сигнал с CD-ROM дополнительно обрабатывается звуковой картой.

Одной из основных, встречающихся при работе с аудио сигналами, проблем является физическая несовместимость аудио-разъемов для встраиваемого дисковода CD-ROM и звуковой карты. Как правило, и дисковод, и звуковая карта имеют аудио-разъемы с четырьмя выводами (два стереоканала и по одному заземляющему контакту для каждого из них) . Назначение контактов обычно одинаково на обоих типах устройств, однако, проблема состоит в том, что эти разъемы могут иметь различные размеры. Еще одна неприятность связана с тем, что, если ЦАП конструктивно расположен внутри самого дисковода, это может негативно отразиться на качестве воспроизведения звука. В свою очередь физическое разделение дисковода CD-ROM и ЦАП, с которым он работает, позволяет избежать дополнительных шумов.

Стандарты на компакт-диски.

Все стандарты на компакт-диски больше известны по цветам библиотек, в которых они описываются. В 1980 году была принята серия стандартов под названием Red Book, относящихся к аудио компакт-дискам. Согласно этому документу частота дискретизации при считывании аудио сигналов с диска CD-ROM должна быть равна 44,1 КГц. Амплитудное разрешение представляется 16- битной величиной. Так как стандарт определяет стереозвук, то каждую секунду должна считываться не одна, а две 16- битные величины.

Первый стандарт под названием Yellow Book для компакт-дисков с разнородной информацией был принят в 1985 году. Это было одним из первых шагов компьютерной индустрии в сторону технологии мультимедиа. Согласно этому стандарту все диски были поделены на две категории: Mode1 и Mode2. Носители, относящиеся к первой категории, записывались с битами коррекции ошибок, а скорость передачи полезной информации составляла при этом 150 Кбайт/с. Для дисков второй группы она была выше 170 Кбайт/с за счет отсутствия корректирующих битов.

Режим Mode2 в первоначальном виде так и не был реализован. Аудио- и видеоинформация хранилась в разных частях диска, в результате чего лазерный луч вынужден был постоянно “бегать” от одной области диска к другой. Хотя стандарт определил процесс коррекции ошибок, используемый при считывании данных с CD-ROM, он в тоже время не давал достаточной спецификации относительно структуры хранимого файла, которую более четко определил вышедший в 1988 году стандарт ISO 9660.

Стандарт Green Book, принятый в 1986 году посвящен интерактивным компакт дискам СD-i (CD-interactive) . В нем была заложена концепция заголовков для упрощения работы с постоянно перемежающейся видео- и аудиоинформацией. В стандарте Green Book идея построения Mode2 была формально переработана. Компакт-диски группы Mode2 были подразделены на две подгруппы: Form1 и Form2. Первая, как и в случае категории Mode1 стандарта Yellow Book, определяла процесс коррекции ошибок за счет дополнительных битов и скорость передачи информации 150 Кбайт/с. Вторая подгруппа позволяла иметь скорость считывания 170 Кбайт/с за счет отсутствия кодов коррекции ошибок.

Стандарт XA (Extended architecture) был разработан в 1990 году совместно фирмами Philips, Sony и Microsoft и устанавливал критерии совместимости между компакт дисками CD-ROM, удовлетворяющими стандартам Green Book и Yellow Book. Он определяет способ индексирования мультимедиа-информации - графики, текста, растровых картинок, звука. Диск, отвечающий стандарту XA, может быть воспроизведен на устройстве считывания интерактивных дисков CD-i, совместимых со стандартом Green Book, или с помощью дисковода CD-ROM, который удовлетворяет стандарту Yellow Book, поддерживает ХА- операции и управляет специальным програмным драйвером.

Наконец, в 1991 году появился стандарт Orange Book, посвященный компакт-дискам с возможностью многократной записи.

Динамические изображения и стандарт White Book Экспертная группа по стандартизации (MPEG - Moving Picture Expert Group) , разработала стандарт MPEG-1, касающийся вопросов сжатия полноформатного видео (Full-Motion Video) . Следует заметить, что этот стандарт не определяет формата хранения данных. Данные в нем могут быть воспроизведены на устройстве считывания интерактивных дисков CD-i, которое оборудовано MPEG- декодером. Другим вариантом является хранение сжатого по стандарту MPEG полноформатного видео на устройстве CD-ROM, отвечающем стандарту Yellow Book.

Стандарт White Book, принятый в 1993 году, ввел некоторые интерактивные возможности, позволяющие производить быстрый поиск информации по отдельным кадрам в режиме прямого доступа. Первые диски со стандартом White Book и называемые Video-CD появились в 1994 году. В настоящее время некоторые компакт-диски типа Video-CD могут быть воспроизведены на компьютерах IBM PC и Macintosh посредством распаковки по стандарту MPEG, если установить плату, аппаратно выполняющую MPEG- преобразования. Однако многие дисководы CD-ROM не считывают информацию в непрерывном режиме, что не позволяет воспроизводить эти диски даже после установки MPEG- платы. К тому же процессор должен быть не ниже 386/25.

Все компакт-диски для современных мультимедиа-систем, включая интерактивные компакт диски CD-i и Video-CD, записываются в стандарте Mode2/Form2, т.е. без использования коррекции. Возникающий при этом выигрыш в скорости 20 Кбайт/с используется для улучшения качества видео изображения. В данном классе приложений отсутствие коррекции ошибок не отражается на качестве, чего никак нельзя сказать о бизнес приложений.

Диски Photo CD и мультисессии Одним из типов CD-ROM с возможностью дозаписи информации являются так называемые Photo CD. Единовременная запись информации на диск называется сессией (session) . Соответственно многократная запись называется мультисессией (multisession) . Необходимо учитывать, что каждая сессия требует своего оглавления, поэтому чем большее количество сессий используется, тем меньшее количество информации на диске. В настоящее время уже появились дисководы, обрабатывающие мультисессии и позволяющие проигрывать диски Photo CD.

Фирма Kodak разработала устройства типа Photo CD, позволяющие хранить снимки, сделанные на 35-миллиметровой пленке в количестве до 100 кадров. Идея состоит в том, чтобы потребитель мог сканировать снимки, полученные при помощи оборудования фирмы Kodak, а в последствии воспроизводить на любом дисководе. Реально на диске могут храниться пять различных версий одного и того же слайда при разном разрешении 24- битной палитры.

С помощью сжатия (без потери разрешающей способности) данные пяти изображений могут быть упакованы в файл размером 6 Мбайт. Таким образом, на компакт-диске емкостью 600 Мбайт может храниться до 100 фотоснимков.

Будущее CD-ROM приводов и CD дисков В настоящий момент емкости CD-ROM не хватает для мультимедиа продуктов нового поколения. Для увеличения емкости CD-ROM, способного хранить больший объем данных, упакованных по стандарту MPEG-2, необходимы более высокие скорости считывания. Разрабатываемый сейчас новый формат CD-ROM (HD-CD или High Density CD) способен обеспечить пятикратное увеличение объема компакт-дисков без каких-либо особых технических ухищрений. При этом ужесточаются требования на физическую разметку диска, а именно уменьшается расстояние между соседними треками и размер ямок. Длина волны считывающего луча уменьшается с 780 нм до 635 нм, однако, возможность использования все тех же дешевых лазеров, работающих в красной области спектра, остается. Структура данных также становится более эффективной за счет более совершенной логической системы коррекции ошибок, что увеличивает информационную емкость диска на 10-15%. Комбинация указанных новшеств позволит довести объем записываемой информации до 3,7 Гбайт.

В технологию HD-CD так же вводится концепция переменной скорости считывания информации с компакт-диска. Вместо того чтобы заносить на диск какую-либо короткую видео запись, оставляя на нем массу свободного места, можно будет записывать данные с меньшей плотностью. При этом предусматривается возможность динамического регулирования этого процесса. Например, плотность записи может быть изменена для различных последовательностей битов в случае различной сложности кодирования информации.

По мнению специалистов, процесс производства HD-CD мало чем будет отличаться от производства обычных компакт-дисков, за исключением гораздо более сложных допусков. Наибольшую трудность, вероятно, будет представлять изготовление матрицы компакт-диска высокой плотности. Дисководы HD-CD появятся, по всей видимости, в этом году.

В настоящее время ведутся работы над мультиповерхостным CD-ROM. Суть этой технологии заключается в наличии двух слоев, содержащих записанные данные и находящихся один над другим. Лазерный луч может фокусироваться как на нижнем так и на верхнем слое. Первый вариант таких систем, выпущенных фирмой 3М, вмещает до 7,8 Гбайт информации при двухслойной записи, хотя не существует никаких препятствий, мешающих дальнейшему увеличению количества слоев.

В свою очередь основная идея дальнейшего повышения скорости работы дисководов CD-ROM связана с использованием двух лазерных лучей. Это может сделать данные устройства значительно дороже, поэтому некоторые производители считают целесообразным усовершенствовать технологию производства приводов CD-ROM и выпуск в ближайшее время относительно дешевых моделей с 8-ми кратной скоростью при использовании одного считывающего луча. Наличие дисков с высокой плотностью записи в сочетании имеющихся дисководов с четырех-, шести- и восьмикратной скоростью дает возможность встраивать мультимедиа данные в любые приложения.

Список литературы

1. CompUnity N1(2) 1995

3. PC Magazine Russian Edition N6 1994

Когда в начале 80-х годов прошлого века компании Sony и Philips выпустили звуковые компакт-диски (Compact Disc - CD), никто не мог предположить, каким ценным носителем информации они станут в недалеком будущем. Долговечность, возможность произвольного доступа и высокое качество звука CD привлекли к ним всеобщее внимание и способствовали их широкому распространению. Первый накопитель CD-ROM (CD-ROM drive) для РС был выпущен в 1984 г., но прошло несколько лет прежде чем он стал почти обязательным компонентом высококачественных РС. Сейчас же на CD-ROM распространяются игры, программные приложения, энциклопедии и другие мультимедийные программы (образно говоря, сейчас "из дорогой роскоши накопитель CD-ROM превратился в дешевую необходимость"). Собственно, "мультимедийная революция" многим обязана дешевым CD-ROM большой емкости. Если звуковой CD был рассчитан на воспроизведение высококачественного цифрового звука в течение 74 минут, то компьютерный CD-ROM может хранить 660 МБ данных, более 100 фотографий высочайшего качества или телефильм продолжительностью 74 минуты. Многие диски хранят все эти виды информации, а также и другую информацию.

Накопители CD-ROM играют важную роль в следующих аспектах вычислительной системы:

• Поддержка программного обеспечения : Самая важная причина того, что современный РС должен иметь накопитель CD-ROM, является огромное число программных приложений, распространяемых на компакт-дисках. Сейчас гибкие диски для этого практически не применяются.
• Производительность : Поскольку сейчас много программ используют накопитель Cd-ROM, важное значение приобретает производительность накопителя. Конечна, она не столь критична, как производительность жесткого диска и таких компонентов РС, как процессор и системная память, но все же имеет важное значение.

Благодаря массовому производству современные накопители CD-ROM стали быстрее и дешевле, чем раньше. Сейчас на CD-ROM распространяется подавляющее большинство программных приложений, а многие программы (например, базы данных, мультимедийные приложения, игры и фильмы) можно выполнять непосредственно с CD-ROM, причем часто в сети. Современный рынок накопителей CD-ROM предлагает внутренние, внешние и портативные устройства, однодисковые и многодисковые устройства с автоматической сменой дисков, накопители с интерфейсами SCSI и EIDE, а также множество стандартов.

Большинство накопителей CD-ROM имеют на лицевой панели удобные органы управления, позволяющие использовать накопитель для воспроизведения и прослушивания звуковых компакт-дисков. Обычно имеются такие органы управления:

• Выход на стерео-наушники : Небольшое гнездо (джек - jack) для подключения наушников и прослушивания звукового CD.
• Поворотная ручка для управления громкостью : Для регулировки громкости звукового выхода.
• Кнопки Start и Stop : Предназначены для того, чтобы начать и остановить воспроизведение звукового CD. В некоторых накопителях эти кнопки являются единственными органами управления.
• Кнопки Next Track и Previous Track : Эти кнопки позволяют перейти к следующей дорожке и предыдущей дорожке звукового CD.

Накопители CD-ROM появились после того, как отсеки накопителей в РС были стандартизованы, поэтому они рассчитаны на стандартный отсек накопителя 5.25". Высота накопителя CD-ROM составляет 1.75", что соответствует стандартному отсеку "половинной высоты" (half-height). Большинство накопителей имеют металлический кожух, в котором имеются отверстия для крепящих винтов, что обеспечивает простой монтаж накопителя в отсеке. Для установки диска обычно применяется выдвижной лоток (tray).

Структура диска CD-ROM

Накопитель CD-ROM можно сравнить с накопителем на гибком диске, так как в обоих накопителях применяется сменный (removable) носитель. Его можно сравнить и с накопителем на жестких дисках, так как оба накопителя имеют большую емкость. Однако CD-ROM не является ни гибким, ни жестким диском. Если в накопителях на гибком и жестких дисках используется магнитный (magnetic) носитель, то в CD-ROM применяется оптический (optic) носитель. Базовый CD-ROM имеет диаметр 120 мм (4.6") и представляет собой своеобразный "сэндвич" толщиной 1.2 мм из трех покрытий: задний слой прозрачного поликарбонатового пластика, тонкая алюминиевая пленка и лаковое покрытие для защиты диска от внешних царапин и пыли.

В традиционном производственном процессе на чистом поликарбонатовом пластике штампуются миллионы крошечных впадин, называемых питами (pits), на спирали, которая разворачивается от центра диска наружу. Затем питы покрываются тонкой алюминиевой пленкой, которая придает диску характерный серебряный цвет. Типичный пит имеет ширину 0.5 мкм, длину от 0.83 до 3 мкм и глубину 0.15 мкм. Расстояние между дорожками (шаг дорожек - pitch) составляет всего 1.6 мкм. Плотность дорожек составляет более 16 000 дорожек на дюйм (Tracks Per Inch - TPI); для сравнения - у гибкого диска TPI равно 96, а у жесткого диска 400. Длина развернутой и вытянутой спирали составляет около четырех миль.

Конечно, с компакт-дисками необходимо обращаться аккуратно. Наиболее чувствительна к повреждениям рабочая сторона диска. Несмотря на то, что алюминиевый слой защищен от повреждений и коррозии лаковым покрытием, толщина этого защитного слоя составляет всего 0.002 мм. Неосторожное обращение или пыль могут привести к появлению небольших царапин и тончайших трещин, через которые проникает воздух и окисляет алюминиевое покрытие, превращая диск в неработоспособный.

Принцип работы накопителя CD-ROM

За исключением очень сложных способов контроля ошибок работа накопителя CD-ROM очень похожа на работу плейера звуковых компакт-дисков. Данные хранятся так же, как на всех CD. Информация хранится в секторах емкостью 2 КБ на спиральной дорожке, которая начинается в центре диска и "раскручивается" к внешнему краю диска. Секторы можно считывать независимо.

Плейер считывает информацию с питов и лэндов (lands) спиральной дорожки CD, начиная от центра диска и двигаясь к внешнему краю. Для считывания используется инфракрасный лазерный луч с длиной волны 780 нм, который генерирует маломощный арсенид-галлиевый полупроводник. Луч проходит через слой прозрачного покрытия на металлическую пленку. Несмотря на то, что лазер маломощный, он может повредить сетчатку, если попадет в незащищенный глаз. При вращении диска со скоростью от 200 до 500 оборотов в минуту (Rotations Per Minute - RPM) луч отражается от питов и частота света изменяется.

Области вокруг питов, называемые лэндами , также участвуют в процессе считывания. Отраженный свет проходит через призму на фотодатчик, выходной сигнал которого пропорционален объему воспринятого света. Свет, отраженный от питов, отличается по фазе на 180 градусов от света, отраженного от лэндов, и разности в интенсивности измеряются фотоэлектрическими ячейками и преобразуются в электрические импульсы. В результате последовательность питов и лэндов переменной длины, отштампованная на поверхности диска, интерпретируется как последовательность единиц и нулей, из которых восстанавливаются хранящиеся на диске данные (с помощью цифро-аналогового преобразователя цифровые данные звукового CD превращаются в звуковые сигналы). Так как поверхности носителя непосредственно "касается" только лазерный луч, износа носителя не происходит.

Все было бы относительно просто, если бы поверхности дисков CD-ROM были абсолютно плоскими и могли вращаться без горизонтальной девиации. Фактически же в составе накопителя потребовались сложные электронные схемы, обеспечивающие фокусировку лазерного луча на поверхности диска и направления его точно на считываемую дорожку.

Было разработано несколько методов обеспечения радиального слежения за дорожкой, но наиболее распространен трехлучевой метод. Лазерный луч не просто направляется на поверхность диска, а излучается полупроводниковым устройством и проходит через дифракционную решетку, которая формирует два дополнительных источника света с каждой стороны основного луча. При пропускании через коллиматорные линзы три луча становятся параллельными, а затем они проходят через призму, которая называется поляризующим расщепителем луча (polarised beam splitter). Расщепитель разрешает прохождение входящих лучей, а возвращающиеся отраженные лучи поворачиваются на 90 градусов на фотодиод, который интерпретирует сигнал.

Измеряются интенсивности двух боковых лучей, которые должны быть одинаковыми пока лучи остаются на каждой стороне дорожки. Любое боковое смещение диска приводит к разбалансу и серво-двигатель корректирует объектив. Вертикальное смещение учитывается разделением приемного фотодиода на четыре квадранта и размещением их посередине между горизонтальными и вертикальными фокальными точками луча. Любое отклонение диска приводит к тому, что пятно становится эллиптическим, вызывая разбаланс токов между противоположными парами квадрантов. При этом объектив перемещается вверх или вниз, обеспечивая круговую форму пятна.

Технология компакт-дисков предусматривает встроенные системы исправления ошибок, которые способные скорректировать большинство ошибок, вызываемых физическими частицами на поверхности диска. В каждом накопителе CD-ROM и каждом плейере звуковых компакт-дисков для обнаружения ошибок применяется перекрестно-перемежающийся код Рида-Соломона (Cross Interleaved Reed Solomon Code - CIRC), а стандарт CD-ROM обеспечивает второй уровень исправления с помощью алгоритма Layered Error Correction Code. В коде CIRC кодер добавляет информацию о двумерном паритете для исправления ошибок, а также перемежает данные на диске для защиты от пакетных ошибок. Возможно исправлять пакеты ошибок до 3500 битов (длина 2.4 мм) и компенсировать пакеты ошибок до 12 000 битов (длина 8.5 мм), вызываемые небольшими царапинами.

Цифровой звук

На пластинках и магнитофонных кассетах звуковой сигнал записывается как аналоговый сигнал . Поэтому все несовершенства записи мы слышим как помехи (шипение и свист) или другие дефекты. Для устранения этих дефектов в компакт-дисках применяются цифровые способы хранения "отсчетов" (samples) как чисел. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется дискретизацией (sampling), или оцифровкой (digitising). Аналоговый сигнал опрашивается много раз в секунду и при каждом опросе амплитуда измеряется и округляется до ближайшего представимого значения. Очевидно, чем выше частота дискретизации (sampling rate) и чем точнее присваиваемые амплитудам значения (динамический диапазон - (dynamic range), тем лучше представление оригинала.

Для CD применяются частота дискретизации 44.1 кГц и 16-битовый динамический диапазон. Это означает получение 44 100 отсчетов в секунду и амплитуда сигнала в момент каждого отсчета описывается 16-битовым числом, что дает 65 536 возможных значений. Такая частота дискретизации обеспечивает частотную характеристику, достаточную для звуков с высотой 20 кГц. Однако некоторые "аудиофилы" (audiophiles) считают, что этого недостаточно для передачи психоакустических эффектов, которые возникают за пределами восприятия слухом человека. Звук записывается на двух дорожках для достижения стереоэффекта.

Несложные вычисления показывают (44 100 отсчетов в секунду * 2 байта * 2 канала), что одна секунда звука описывается 176 400 байтами с соответствующей скоростью передачи данных 176.4 КБ/с. Односкоростной накопитель CD-ROM передает данные именно с такой скоростью, но часть потока данных содержит информацию для исправления ошибок, что уменьшает эффективную скорость передачи данных до 150 КБ/с. Компакт-диск может хранить 74 минуты закодированных данных стереозвука, что с учетом служебных потерь на обнаружение и исправление ошибок дает стандартную емкость компакт-диска 680 МБ. В таблице приведены все рассмотренные параметры.

Скорость вращения

Постоянная линейная скорость

Первое поколение односкоростных накопителей CD-ROM опиралось на конструкцию плейеров звуковых CD. Для вращения диска применялась технология постоянной линейной скорости (Constant Linear Velocity - CLV), т.е. диск вращался так же, как звуковой CD, что обеспечивало скорость передачи данных 150 КБ/с. Дорожка данных должна проходить под головкой считывания с одной и той же скоростью на внутренних и внешних частях диска. Для этого приходится изменять скорость вращения диска в зависимости от позиции головки. Чем ближе к центру диска, тем более быстрее должен вращаться диск, чтобы обеспечить постоянный поток данных. Скорость вращения диска в плейерах звуковых CD составляет от 210 до 540 об/мин.

Поскольку на внешнем краю диска имеется больше секторов, чем в центре, в технологии CLV используется серво-двигатель, который замедляет скорость вращения диска при переходе на внешние дорожки, чтобы поддерживать постоянную скорость передачи данных от лазерной головки считывания. Внутренняя буферная память накопителя управляет скоростью вращения, используя кварцевый генератор для тактирования данных на выходе буфера с определенной скоростью и поддержания буфера заполненным на 50%, когда в него считываются данные. Если данные считываются слишком быстро, порог заполнения 50% превышается и посылается команда замедления скорости вращения шпиндельного двигателя.

Если звуковые CD необходимо считывать с постоянной скоростью, то такое требование для дисков CD-ROM совсем не обязательно. По существу, чем быстрее считываются данные, тем лучше. По мере совершенствования технологии CD-ROM скорость постоянно повышалась и в 1998 г. появились накопители с 32-кратной скоростью передачи данных в 4.8 МБ/с.

Например, четырехскоростной накопитель, использующий технологию CLV, должен вращать диск со скоростью около 2120 об/мин при считывании внутренних дорожек и 800 об/мин при считывании внешних дорожек. Переменная скорость вращения необходима также при считывании звуковых данных, которые всегда считываются с постоянной скоростью (150 КБ/с) независимо от скорости передачи компьютерных данных. Важнейшими факторами в накопителях с переменной скоростью вращения диска являются качество шпиндельного двигателя, вращающего диск, и программа, которая управляет работой накопителя, а также система позиционирования, которая должна быстро и точно перемещать головку считывания в нужную позицию для доступа к данным. Простого повышения скорости вращения недостаточно.

Еще одним фактором оказывается уровень использования времени центрального процессора: при повышении скорости вращения и, следовательно, скорости передачи данных, увеличивается и то время, которое процессор должен расходовать на обработку данных от накопителя CD-ROM. Если одновременно время процессора требуют и другие задачи, то накопителю CD-ROM доступны меньшие возможности обработки данных и скорость передачи данных будет снижаться. Правильно спроектированный накопитель CD-ROM должен минимизировать время использования процессора при заданных скорости вращения и скорости передачи данных. Ясно, что внутренняя производительность быстрого накопителя должна быть больше, чем у медленного.

Для накопителей CD-ROM всегда приводится емкость буфера данных. Конечно, буфер емкостью 1 МБ определенно лучше буфера емкостью 128 КБ с точки зрения скорости передачи данных. Однако без хорошей программы управления накопителем незначительное повышение производительности почти не оправдывает расходов на дополнительную буферную память.

Постоянная угловая скорость

Технология CLV оставалась доминирующей технологией накопителей CD-ROM до тех пор, пока компания Pioneer, выпустившая первый четырех-скоростной накопитель, не выпустила в 1996 г. десяти-скоростной накопитель DR-U10X. Этот накопитель работал не только в режиме с обычной постоянной линейной скоростью, но и в режиме с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Velocity - CAV). В этом режиме накопитель передает данные с переменной скоростью, а шпиндельный двигатель вращается с постоянной скоростью, как жесткий диск.

На общую производительность сильное влияние оказывает время доступа (access time). По мере повышения скорости CLV-накопителя время доступа часто ухудшается, так как труднее обеспечить резкие изменения скорости вращения шпиндельного двигателя, необходимые для поддержания постоянной и высокой скорости передачи данных из-за инерции самого диска. В CAV-накопителе поддерживается постоянная скорость вращения, что повышает скорость передачи данных и снижает время поиска, когда головка перемещается к внешнему краю. Если в первых CLV-накопителях время доступа составляло 500 мс, то в современных CAV-накопителях оно уменьшилось до 100 мс.

Революционная конструкция накопителя компании Pioneer позволяла работать в режимах CLV и CAV, а также в смешанном режиме. В смешанном режиме режим CAV применялся для считывания вблизи центра диска, а при подходе головки к внешнему краю накопитель переключался в режим CLV. Накопитель компании Pioneer означал конец эры накопителей только с режимом CLV и переход к так называемым накопителям Partial CAV как основному виду накопителей Cd-ROM.

Такое положение сохранялось до разработки нового поколения цифровых сигнальных процессоров (Digital Signal Processor - DSP), которые могли обеспечить 16-кратную скорость передачи данных, и осенью 1997 г. компания Hitachi выпустила первый накопитель CD-ROM, использующий только технологию CAV (Full CAV). В нем были преодолены многие проблемы накопителей Partial CAV, в частности, необходимость контролировать позицию головки и изменять скорость вращения для поддержания постоянной скорости передачи данных и поддерживать примерно постоянное время доступа. В новом накопителе не требовалось ожидать успокоения скорости вращения шпиндельного двигателя между переходами.

Большинство 24-скоростных Full CAV накопителей CD-ROM в конце 1997 г. использовало постоянную скорость вращения диска 5000 об/мин со скоростью передачи данных 1.8 МБ/с в центре и повышением ее до 3.6 МБ/с на внешнем краю. К лету 1999 г. была достигнута 48-кратная скорость передачи данных с внешней дорожки в 7.2 МБ/с при скорости вращения диска 12 000 об/мин, которая соответствовала скорости вращения многих скоростных жестких дисков.

Однако при вращении диска с такой высокой скоростью возникли проблемы чрезмерного шума и вибрации часто в виде свистящего звука, вызываемого выбрасыванием воздуха из корпуса накопителя. Поскольку диск CD-ROM зажат в центре, самая сильная вибрация возникает на внешнем краю диска, т.е. там, где скорость передачи данных максимальна. Так как только в небольшом числе CD-ROM данные хранятся на внешнем краю, большинство скоростных накопителей на практике редко обеспечивали теоретическую максимальную скорость передачи данных.

Применения

Вскоре возник вопрос о том, какие приложения используют достоинства скоростных накопителей CD-ROM. Большинство мультимедийных дисков были оптимизированы на использование 2-скоростных и, в лучшем случае, 4-скоростных накопителей. Если видео записано так, чтобы воспроизводиться в реальном времени при скорости передачи данных 300 КБ/с, то превышать двукратную скорость не нужно. Иногда более быстрый накопитель мог быстро считывать информацию в буферный кэш, откуда затем она воспроизводилась, освобождая накопитель для другой работы, но этот прием применялся редко.

Считывание огромных изображений с дисков PhotoCD оказывается идеальным применением скоростного накопителя CD-ROM, но необходимость распаковки изображений при считывании с диска требует только 4-кратной скорости передачи данных. Фактически единственным применением, в котором действительно необходима высокая скорость передачи данных, является копирование последовательных данных на жесткий диск, т.е., другими словами, инсталлирование программных приложений.

Быстрые накопители CD-ROM оказываются действительно быстрыми только при передаче последовательных данных, но не произвольном доступе. Идеальным применением для высокой продолжительной скорости передачи данных является высококачественное цифровое видео, записанное с соответствующей высокой скоростью. Видео стандарта MPEG-2, реализованное в цифровых универсальных дисках (Digital Versatile Disc - DVD), требует скорости передачи примерно 580 КБ/с, а стандарт MPEG-1 согласно Белой Книге для VideoCD требует скорость всего 170 КБ/с. Таким образом, стандартный CD-ROM емкостью 660 МБ будет считан всего за 20 минут, поэтому высококачественное видео будет иметь практический интерес только на дисках DVD со значительно большей емкостью.

Интерфейсы

Сзади накопителей CD-ROM имеются три основных подключения: питание, звуковой выход на звуковую карту и интерфейс данных.

Сейчас в большинстве накопителей CD-ROM применяется интерфейс данных IDE, который теоретически можно подключить к IDE-контроллеру, имеющемуся практически в каждом РС. Оригинальный жесткий диск с интерфейсом IDE был рассчитан на шину AT и старый интерфейс IDE позволял подключать два жестких диска - ведущий (master) и ведомый (slave). Впоследствии спецификация ATAPI разрешила одному из них стать накопителем IDE CD-ROM drive. Интерфейс EIDE сделал еще один шаг вперед, добавив второй канал IDE еще для двух устройств, которыми могли быть жесткие диски, накопители CD-ROM и ленточные накопители.

Работа с одним из этих устройств должна быть закончена до обращения к любому другому устройству. Подключение накопителя CD-ROM к тому же каналу, к которому подключен жесткий диск, снизит производительность РС, так как более медленный накопитель CD-ROM будет блокировать обращения к жесткому диску. В РС с двумя жесткими дисками IDE накопитель CD-ROM необходимо изолировать, подключая его ко вторичному каналу IDE, а жесткие диски следует подключить как ведущий и ведомый к первичному каналу. Жесткие диски будут конкурировать друг с другом, но без участия медленного накопителя CD-ROM. Недостаток интерфейса EIDE состоит в ограничении числа подключаемых устройств четырьмя и все устройства должны монтироваться как внутренние, поэтому возможность расширения может быть ограничена размером корпуса РС.

Стандарт SCSI-2 допускает подключение к одному хост-адаптеру до 12 устройств, которые могут быть внутренними и внешними. SCSI позволяет всем устройствам на шине быть активными одновременно, хотя передавать данные может только одно устройство. Физическая локализация данных в устройствах требует относительно много времени, поэтому пока одно устройство использует шину, любое другое устройство может позиционировать головки для производства операций считывания и записи. Новейшая спецификация Fast Wide SCSI поддерживает максимальную скорость передачи данных 20 МБ/с по сравнению со скоростью EIDE 13 МБ/с, а благодаря наличию встроенного "интеллекта" SCSI-устройства требуют меньшего внимания процессора по сравнению с IDE-устройствами.

Преимущества интерфейса SCSI по сравнению с IDE проявляются и при использовании ресурсов РС, в частности линий запросов прерываний IRQ. Из-за большого числа дополнительных карт и устройств современные РС предъявляют повышенные требования к использованию IRQ, оставляя мало места для дальнейшего расширения. Для первичного интерфейса EIDE обычно выделяется линия IRQ 14, а для вторичного IRQ 15, поэтому четыре устройства добавляются за счет двух линий прерываний. Интерфейс SCSI менее требователен к ресурсам, так как независимо от числа устройств на шине требуется только одна линия IRQ для хост-адаптера.

В общем, интерфейс SCSI предоставляет больший потенциал для расширения РС и обеспечивает лучшую производительность, но он значительно дороже интерфейса IDE. Современное предпочтение внутренним EIDE-накопителям оказывается более удобным и дешевым, чем техническое совершенство, поэтому интерфейс SCSI выбирается только для внешних накопителей CD-ROM.

Сравнение DMA и режима PIO

Традиционно в накопителях CD-ROM для передачи данных применялся программируемый ввод-вывод (Programmable Input/Output - PIO), а не прямой доступ к памяти (Direct Memory Access - DMA). Это было оправдано в первых разработках, потому что аппаратная реализация была проще и подходила для устройств с малой скоростью передачи данных. Недостаток этот способа заключается в том, что передачей данных управляет процессор. По мере повышения скорости передачи данных в накопителях CD-ROM возрастала и нагрузка на процессор, поэтому 24- и 32-скоростные накопители полностью занимали процессор в режиме PIO. Нагрузка на процессор зависит от нескольких факторов, в частности, от используемого режима PIO, схемы моста IDE/PCI в компьютере, емкости и схемы буфера накопителя CD-ROM и драйвера устройства накопителя CD-ROM.

Передача данных с использованием DMA всегда эффективнее и занимает только несколько процентов времени процессора. Здесь специальный контроллер управляет передачей данных прямо в системную память и от процессора требуется только начальное распределение памяти и минимальное квитирование (handshaking). При этом производительность зависит от устройства, а не от системы. DMA-устройства должны обеспечивать одну и ту же производительность независимо от системы, к которой они подключены. DMA давно был стандартным средством большинства SCSI-систем, но только недавно он стал широко применяться для интерфейсов и устройств IDE.

Технология TrueX

Чтобы разрешить пользователям выполнять приложения прямо с компакт-диска без передачи на жесткий диск, компания Zen Research при разработке технологии TrueX предприняла оригинальный подход для повышения производительности накопителей CD-ROM - улучшить скорость передачи данных и время доступа, а не просто вращать диск быстрее. В обычном CD-ROM используется один сфокусированный лазерный луч для считывания цифрового сигнала, закодированного дорожками крошечных питов на поверхности диска. В методе компании Zen Research применяются специализированная большая интегральная схема (Application-Specific Integrated Circuit - ASIC) для освещения нескольких дорожек, одновременного обнаружения их и параллельного считывания с дорожек. В составе ASIC имеются аналоговые интерфейсные элементы, например цифровая фазовая подстройка частоты (Digital Phase-Locked Loop - DPLL), цифровой сигнальный процессор, контроллер серво-двигателя, преобразователь параллельных данных в последовательные и интерфейс ATAPI. При необходимости можно подключить внешнюю схему интерфейса SCSI или IEEE 1394.

Расщепленный лазерный луч, используемый совместно с матрицей детекторов нескольких лучей, освещает и обнаруживает несколько дорожек. Обычный лазерный луч пропускается через дифракционную решетку, которая расщепляет его на семь дискретных лучей (такие накопители называются многолучевыми - multibeam), освещающих семь дорожек. Семь лучей подаются через зеркало на объектив и далее на поверхность диска. Фокусировка и слежение обеспечиваются центральным лучом. Три луча с каждой стороны от центра считываются матрицей детекторов, когда центральный луч находится на дорожке и сфокусирован. Отраженные лучи возвращаются по тому же тракту и направляются зеркалом на матрицу детекторов. В многолучевом детекторе имеются семь детекторов, выровненных с отражающими дорожками. Для фокусировки и слежения предусмотрены обычные детекторы.

Несмотря на то, что механические элементы накопителя CD-ROM несколько изменены (вращение диска и движение головки считывания остались теми же самыми), формат носителя диска соответствует стандарту CD или DVD, а для поиска и слежения применяется обычный подход. Технологию TrueX можно использовать в накопителях CLV и CAV, но компания Zen Research ориентируется на CLV, чтобы обеспечить постоянную скорость передачи данных для всего диска. В любом случае, более высокая скорость передачи достигается при меньшей скорости вращения диска, что снижает вибрацию и повышает надежность.

Компания Kenwood Technologies выпустила первый 40-скоростной накопитель TrueX CD-ROM в августе 1998 г., а через полгода разработала 52-скоростной накопитель. В зависимости от рабочей среды и качества носителя накопитель Kenwood 52X TrueX CD-ROM обеспечивает скорость передачи данных 6.75 - 7.8 МБ/с (45х - 52х) по всему диску. Для сравнения укажем, что обычный 48-скоростной накопитель CD-ROM обеспечивает на внутренних дорожках скорость 19х и достигает скорости 48х только на внешних дорожках. При этом его скорость вращения более чем в два раза выше по сравнению с накопителем компании Kenwood Technologies.

Стандарты CD-ROM

Чтобы разобраться в самих компакт-дисках и в том, какие накопители их могут читать, необходимо прежде всего познакомиться с форматами дисков. Обычно стандарты на CD выпускаются в виде книг с цветными обложками и сам стандарт называется по цвету обложки. Все накопители CD-ROM совместимы со стандартами Желтой Книги (Yellow Book) и Красной Книги (Red Book), а также имеют встроенные цифро-аналоговые преобразователи (Digital-to-Analog Converter - DAC), что позволяет прослушивать звуковые диски Красной Книги через наушники или звуковой выход.

Красная Книга (Red Book)

Красная Книга является самым распространенным стандартом CD и описывает физические свойства компакт-диска и кодирование цифрового звука. Он определяет:

• Спецификацию звука для 16-битовой импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation - PCM).
• Спецификацию диска, включая его физические параметры.
• Оптические стили и параметры.
• Отклонения и частоту блоковых ошибок.
• Систему модуляции и исправления ошибок.
• Систему управления и отображения.

Каждый фрагмент музыки, записанный на CD, удовлетворяет стандарту Красной Книги. Он, в основном, допускает звучание в течение 74 минут и разбиение информации на дорожки (tracks - трэки). Более позднее добавление к Красной Книге описывает опцию CD Graphics с использованием каналов субкода (subcode) от R до W. Добавление описывает различные применения каналов субкода, включая графику и MIDI.

Желтая Книга (Yellow Book) Желтая Книга выпущена в 1984 г. для описания расширения CD для хранения компьютерных данных, т.е. CD-ROM (Compact-Disc Read-Only Memory). Эта спецификация содержит следующее:

• Спецификацию диска, которая является копией части Красной Книги.
• Систему модуляции и исправления ошибок (из Красной Книги).
• Оптические стили и параметры (из Красной Книги).
• Систему управления и отображения (из Красной Книги).
• Структуру цифровых данных, которая описывает структуру сектора, ECC и EDC для диска CD-ROM.

CD-ROM XA

Как отдельное расширение Желтой Книги спецификация CD-ROM XA содержит следующее:

• Формат диска, включая канал Q и структуру сектора при использовании секторов Режима 2.
• Структура поиска данных, опирающаяся на формат ISO 9660, включая чередование файлов, которое недоступно для Режима данных 2.
• Кодирование звука с использованием уровней В и С модуляции ADPCM.
• Кодирование видеоизображений, т.е. неподвижных изображений.

Сейчас применяются только такие форматы CD-ROM XA, как форматы CD-I Bridge для Photo CD VideoCD plus системы Playstation компании Sony.

Зеленая Книга (Green Book)

Зеленая Книга описывает диск CD-Interactive (CD-I), плейер и операционную систему и содержит следующее:

• Формат диска CD-I (структура дорожки и сектора).
• Структура поиска данных, опирающаяся на формат ISO 9660.
• Звуковые данные с использованием уровней А, В и С модуляции ADPCM.
• Кодирование в реальном времени неподвижных видеоизображений, декодер и визуальные эффекты.
• Compact Disc Real Time Operating System (CD-RTOS).
• Базовая (минимальная) спецификация системы.
• Расширение для видеофильмов (картридж MPEG и программное обеспечение).

Диск CD-I может хранить 19 часов звука, 7500 неподвижных изображений и 72 минуты полноэкранного полнодвижущегося видео (MPEG) в стандартном формате CD. Сейчас диски CD-I устарели.

Оранжевая Книга (Orange Book)

Оранжевая Книга определяет диски CD-Recordable с многосеансовой (multisession) возможностью. Часть I определяет магнитооптические перезаписываемые диски CD-MO (Magneto Optical); часть II определяет однократно записываемые диски CD-WO (Write Once); часть III определяет перезаписываемые диски CD-RW (Rewritable). Все три части содержат следующие разделы:

• Спецификация диска для незаписанных и записанных дисков.
• Pre-groove модуляция.
• Организация данных, включая связывание.
• Многосеансовые и гибридные диски.
• Рекомендации по измерению отражательной способности, управлению мощностью и др.

Белая Книга (White Book)

• Формат диска, включая использование дорожек, информационную область VideoCD, область воспроизведения сегмента, аудио/видео дорожки и дорожки CD-DA.
• Структура поиска данных, удовлетворяющая формату ISO 9660.
• Кодирование MPEG аудио/видео дорожки.
• Кодирование элемента сегмента воспроизведения для видео-последовательностей, неподвижного виде и дорожек CD-DA.
• Дескрипторы последовательности воспроизведения для запрограммированных последовательностей.
• Поля пользовательских данных для сканирования данных (допускается быстрое сканирование вперед и назад).
• Примеры последовательностей воспроизведения и управления воспроизведением.

До 70 минут полнодвижущегося видео закодированы в стандарте MPEG-1 со сжатием данных. Белая Книга называется также Digital Video (DV). Диск VideoCD содержит одну дорожку данных, записанную в режиме CD-ROM XA Mode 2 Form 2. Она всегда является первой дорожкой на диске (Track 1). На этой дорожек записываются структура файла ISO 9660 и прикладная программа CD-I, а также VideoCD Information Area, которая содержит общую информацию о диске VideoCD. После дорожки данных записывается видео на одной или нескольких последующих дорожках во время одной и той же сессии. Эти дорожки также записываются в режиме Mode 2 Form 2. Сессия закрывается после записи всех дорожек.

Синяя Книга (Blue Book)

Синяя Книга определяет спецификацию Enhanced Music CD для многосессионных прессованных дисков (т.е. незаписываемых дисков), содержащих сессии звука и данных. Диски могут воспроизводиться любым плейером звуковых компакт-дисков и на РС. Синяя Книга содержит следующее:

• Спецификация диска и формат данных, включая две сессии (звук и данные).
• Структура каталогов (ISO 9660), включая каталоги для информации CD Extra, изображения и данные. Определяются также формат информационных файлов CD Plus, форматы файлов изображений и другие коды и форматы файлов.
• Формат данных неподвижных изображений MPEG.

Компакт-диски, соответствующие спецификации Синей Книги, называются также CD-Extra или CD-Plus. Они содержат смесь данных и звука, записанных в отдельных сессиях для предотвращения воспроизведения дорожек данных и возможного повреждения высококачественных домашних стерео-систем.

CD-I Bridge

CD-I Bridge представляет собой спецификацию компаний Philips и Sony для дисков, предназначенных для воспроизведения на плейерах CD-I и в РС. Она содержит следующее:

• Формат диска, определяющий диски CD-I Bridge как удовлетворяющие спецификации CD-ROM XA.
• Структура поиска данных в соответствии с ISO 9660. Обязательно требуется прикладная программа CD-I, которая хранится в каталоге CDI.
• Кодирование звуковых данных, которое включает в себя ADPCM и MPEG.
• Кодирование видеоданных для совместимости с CD-I и CD-ROM XA.
• Многосессионная структура диска, включая адресацию секторов и пространство тома.
• Данные для CD-I, так как все плейеры CD-I должны считывать данные CD-I Bridge.

Photo CD

Спецификация Photo CD определена компаниями Kodak и Philips на основе спецификации CD-I Bridge. Она содержит следующее:

• Общий формат диска, включая компоновку программной области, индексную таблицу, дескриптор тома, область данных, перекос субкода Q-канала, клипы CD-DA и читаемые микроконтроллером секторы.
• Структуры поиска данных, включая структуру каталогов, файл INFO.PCD и систему читаемых микроконтроллером секторов.
• Кодирование данных изображений, включая описание кодирования изображений и пакеты изображений.
• Файлы ADPCM для одновременного воспроизведения звука и изображений.

Очень много информации по накопителям CD-ROM содержится на сайте http://www.cd-info.com/ .

В отличие от НМД оптический диск, имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от внутреннего диаметра к наружному. Но физическая дорожка может быть разбита на несколько логических. Если для НМД возможна запись на разные дорожки, то запись на оптические диски происходит последовательно по спирали.

Участок на оптическом СD-диске, на котором размещаются данные, называют Іпfоrтаtіоп Аrеа (информационным участком). Этот участок начинается с диаметра 44 мм, заканчивается за 2 ... 3 мм до края диска и содержит такие три зоны (по порядку их размещения от центра диска):

1) зону входного каталога (Lead-іn Zопе);
2) зону данных (Data Zопе), в которой размещаются данные, записанные на диск;
3) зону исходного каталога (Lead-out Zопе) с меткой конца диска.

В конце внешней дорожки и в начале внутренней дорожки размещается средняя зона (MiddleZопе), которая не содержит данные. Эту зону используют для того, чтобы луч лазера мог изменять фокусирование для считывания данных из внутренней дорожки.

Зона входного каталога в СD-дисках содержит содержание ТОС (Таblе оf Соntents), адреса записей, количество заголовков, суммарное время записывания, объем и название диска. Зона данных СD-диска имееет следующую структуру данных. Базовой единицей данных СD-диска есть кадр (frате), который содержит 24 кодированных байта, один байт управления и восемь байтов для корректировки ошибок. Фрейму предшествует 24 бит, любой из которых имеет фиксированное значение (шаблон) и три бита слияния (merge bits). Во время подведения лазера к фрейму именно по шаблону определяется начало фрейма; 98 кадров образовывают сектор, наименьшую адресную единицу данных СD-диска. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байтов и 882 байта корректировки ошибок и управления). Из 2352 байт пользовательская информация может занимать 2048 (в режиме «1») или 2336 байт (в режиме «2»). Такая организация записи данных на СD-дисках и использование алгоритмов корректировки ошибок позволяет обеспечить качественное считывание информации с вероятностью ошибки на один бит 10-10.

Обобщенная структура накопителя на оптических дисках

Упрощенная структура НОД приведена на рис. 3.
Для НОД применяются несколько способов записи: абляционный - путем прожигания отверстий в непрозрачной среде носителя; с помощью локального изменения коэффициента отражения среды; перевод запоминающей среды из кристаллической фазы в аморфную и наоборот; трансформирование магнитного состояния структуры; изменение цвета локальной области. Первые два способа используются при «не стираемой» записи, а остальные - для многократной перезаписи информации на НОД.

При записи луч полупроводникового лазерного диода, управляемого данными записи через коллиматор, зеркало и линзу объектива прожигает отверстие в информационном слое диска. Наличие отверстия соответствует записи «1». При считывании неуправляемый лазерный луч (получаемый из делителя луча) выходит на рабочую поверхность через другой делитель луча, зеркало и объектив.
В режиме чтения зеркало перемещается. Свет от лазера проходит через поляризационно-разделительную призму, попадает на поляризационный фильтр (при этом свет поляризуется в определенной плоскости) , а потом фокусируется на поверхности оптического диска. Если луч лазера попадает на плоскую поверхность (lands) диска СD-RОМ или DVD-RОМ, свет отражается почти целиком. Если же свет попадает у углубления (ріts), то большая часть света рассеивается. Отраженный свет через делитель луча попадает на фотодиод, сигнал с которого обрабатывается электронными схемами считывания. Точная установка луча на дорожке обеспечивается сервоблоком дорожки, фокусировка - сервоблоком фокусировки, а постоянное число оборотов - сервоблоком вращения диска (см.рис. 3).

По возможностям записывания дисков дисководы оптических дисков разделяют на дисководы с возможностью как считывания, так и записывание дисков (записывающие дисководы) и дисководы только для считывания, а по типам дисков - на дисководы СD и дисководы DVD.

Рисунок 4

Оптический дисковод состоит из таких основных функциональных узлов:

- загрузочного устройства;
- привода диска;
- оптического блока;
- привода дорожки;

- блока кодирования-декодирования данных;
- системы автоматического регулирования;
- аудиоблока;
- разъемов.

Загрузочное устройство дисководов бывает двух типов: контейнерный (caddy) и лоточный (tray). В дисководе первого типа загрузки в контейнерное устройство диск помещают в пластиковый контейнер и вставляют в дисковод (этот контейнер выполняет такие же функции, что и контейнер гибкого диска 3,5 дюйма). В дисководе второго типа диск помещают на лоток (рис. 3), который выдвигается после нажатия кнопки Еjесt. После повторного нажатия кнопки или легкого нажатия на лоток он всовывается в дисковод (pop-up-механизм).

На передней панели привода, кроме того, расположены: индикатор работы устройства (busy, лампочка), гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков), регулятор громкости звука (также для аудиоCD).
Предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject. В это отверстие необходимо ввести тонкий стержень на 2-3 см, тогда лоток выдвинется.

Оптический блок содержит оптическую систему дисковода, изображенную на рис. 4. Для считывания данных из дисков СD используют лазер с длиной волны 780 нм (в инфракрасном диапазоне), а для считывания из DVD-дисков - лазер с длиной волны 650 нм (красного цвета). Поэтому дисководы DVD, которые считывают из СD-дисков и DVD-дисков, обычно содержат два лазера с отдельными оптическими системами или общей оптической системой (с переключением на один или второй лазер).

Рисунок 5. Устройство оптического дисковода: 1 - лоток; 2 - привод дорожки; 3 - интерфейсна шина управления; 4 - оптическая система; 5 - привод дисковода; 6 - диск

Для записывания данных на диск используют отдельный записующий лазер, который работает в импульсном режиме с изменяемой мощностью (для «прожигания» диска, изменения фазового состояния из кристаллического на аморфный и для возвращения в кристаллическое состояние). Обычно записующий и считываемый лазеры имеют общую оптическую систему. Поверхность оптического диска перемещается относительно лазерной головки c постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Таким образом, чтение внутренних дорожек осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на дорожку. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия, серебра или золота на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку (пит), он рассеивается, и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические- яркое излучение преобразуется в “1”, слабое – в “0”. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы. Отметим, что сформированные лазерным лучом питы очень малы по размеру. Примерно 30-40 впадин соответствуют толщине человеческого волоса, а это примерно 50 мкм.

Привод дорожки по командами, которые поступают от встроенного микропроцессора, перемещает оптическую систему к нужной дорожке на диске для записывания или считывания. Во время записывания лазер выполняет нужную операцию («прожигание» или смену фазы) по командам блока кодирование-декодирование, а во время считывания отраженный от диска луч попадает на фотодетектор, сигналы из которого поступают в блок кодирования-декодирования и систему автоматической слежения.

Блок кодирования-декодирования представляет собой обработчик сигналов, записываемых на диск, или считываемых из диска. В его состав входят устройство кодирования, декодер, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления. Устройство кодирования подготавливает данные для записывания на диск, выполняя перекодировки символов соответственно кодированиям ЕFМ (для СD-дисков) или RLL (2,10) (для DVD-дисков) и добавляет в данные синхросигналы и служебную информацию. Декодер выделяет из цифрового потока данные, восстанавливая их первоначальный вид. Оперативное запаминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер руководит режимами исправления ошибок данных, записанных во всех поддерживаемых дисководом форматах.

Во время записывания или считывание данных из диска возможны нарушения в позиционировании луча лазера вследствие радиальных биений диска. Для того чтобы избежать потерь данных, в оптических дисководах применяют систему автоматического слежения с помощью управляющих сигналов. Для выделения этих сигналов существует несколько способов. Однако наиболее распространенный - это способ, при котором луч лазера после первой линзы (см. рис. 1.) поступает на дифракционные решетки, где расщепляется на три луча, один из которых используется для считывания данных, а два другие применяются системой слежения за дорожкой. Импульсные сигналы из фотодетектора поступают в усилитель системы автоматического регулирования, где отделяются сигналы ошибок слежения и осуществляется корректирование считывающего сигнала.

Аудиоблок оптический дисковод унаследовал от СD-плейеров. Он превращает аудиоданные из цифровой формы в аналоговую. После усиления эти данные передаются или на внешнее устройство, или на наушники.

Рядом с разъемом интерфейса с компьютером и разъемом электропитания оптические дисководы имеют также разъемы для подключения к звуковой карте или аудиоблоку материнской платы.

На передней панели привода, кроме того, расположены: индикатор работы устройства (busy, лампочка), гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков), регулятор громкости звука (также для аудиоCD).
Предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject. В это отверстие необходимо ввести какую-нибудь тонкую палочку примерно на 2-3 см, тогда лоток выдвинется.

Характеристики оптических дисков и дисководов

Оптический диск характеризуется своим типом (СD-диск или DVD-диск) и емкостью . Емкость диска определяют по его типу и размеру (диаметру). Выпускаются оптические диски диаметром 120 мм (4,7 дюйма) и 80 мм (3,1 дюйма).
СD-диски размером 120 мм имеют емкость 650 или 700 Мбайт (в зависимости от режима записывания), а диски размером 80 мм - емкость 185 Мбайт. Для записывания данных иногда используют оптические визитные карточки (орtісаlbusiness саrds) - диски СD-R прямоугольной формы размером 80 х 61 мм и емкостью 50 Мбайт.

Оптические дисководы имеют такие основные характеристики:

Совместимость;
- скорость передачи данных;
- среднее время доступа;
- емкость кэш-памяти;
- коэффициент ошибок;
- надежность;
- тип устройства;
- тип интерфейса;
- перечень поддерживаемых форматов;
- параметры аудиотракта.

Все дисководы оптических дисков имеют форм-фактор 5,25 дюйма и совместимы по размерами дисков, то есть могут считывать как 120-миллиметровые, так и 80-миллиметровые диски, а также оптические визитные карточки (для считывания дисков последних двух типов в лотке дисковода предусмотрено специальное углубление).

Совместимость разных типов дисководов означает возможность считывания и записывания других типов дисков.
Скорость передачи данных - это максимальная скорость, по которой выполняется обмен данных между дисководом и компьютером. Это важнейшая характеристика оптического дисковода, который почти всегда приводится вместе с названием модели, причем ее задают не количеством мегабайтов за секунду, как для других устройств внешней памяти, а коэффициентом увеличения относительно базовой скорости. Первые дисководы СО имели скорость передачи данных 150 кбайт/с, как и СD-плейери. Эта базовая скорость явным образом недостаточна для считывания, например, видеоданных. Поэтому скорости вращения дисководов и, соответственно, скорости передачи данных стали увеличиваться (сначала в два раза). Такие дисководы (со скоростью передачи данных 300 кбайт/с) стали называть дисководами 2х. В дальнейшем скорости дисководов еще большее повысились. Теперь дисководы имеют максимальную скорость передачи 54х (16,2 Мбайт/с) и выше (до 76х).

Для дисководов DVD вследствие большей плотности данных и высшей скорости вращения значение 1х соответствует скорости передачи данных 1,32 Мбайт/с, то есть дисковод DVD 1x приблизительно соответствет дисководу СD 9х. Максимальное значение для дисководов DVD теперь составляет 16х ли 21,13 Мбайт/с.

Приведенные цифры действительны для считывания данных. Для записывания данных максимальные скорости передачи данных ниже и теперь равняются 40х для записывания дисководов СD-R, 24х - для СD-RW и от 2х до 8х - для DVD. Обычно для дисководов СD-RW указывают в отдельности как скорость записывания, так и скорость считывания, а для записывающих дисководов DVD - скорость записывания DVD-дисков, скорость записывания СD-дисков, скорости считывания DVD-дисков и СD-дисков.

Для записывающих оптических дисков (R ли RW) обычно указывают максимально допустимую скорость их записывания или диапазон допустимых скоростей (например, 24х или 1х-24х).

Среднее время доступа - это время (в миллисекундах), нужен дисководу для пребывания на носителе нужных данных. Очевидно, что работа на внутренних участках диска требует меньшего времени доступа, чем считывание информации из внешних участков. Поэтому в паспорте дисковода приводится среднее время доступа, как среднее значение для выполнения нескольких считываний данных с разных (избранных случайно) участков диска. Среднее время доступа для дисководов СD-RОМ составляет 100 ... 200 мс, а для дисководов новых моделей DVD - 40 ... 250 мс.

Емкость кэш-памяти - это емкость оперативного запоминающего устройства оптического дисковода, используемого для увеличения скорости доступа к данных, записанных на носителе (буферная память). Если для управления дисководом использовать специальные программы-драйверы, то в кэш-память можно заранее записывать содержимое диска. Тогда обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит значительно быстрее. Емкость кэш-памяти современных устройств - от 64 до 2,048 Мбайт.

Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных. Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера , которая влияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Эта величина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер из накопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, к общему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степень заполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугой стороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать больше внимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывам изображения во время воспроизведения.

На пишущих приводах CD-ROM буферная память очень важна, так как она обеспечивает равномерность поступления информации на CD-R или CD-RW. Это позволяет более надёжно производить запись, так как нельзя допускать остановки записи дорожки, иначе может испортиться весь диск.

Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Еror Rate). Этот параметр отображает способность оптического дисковода корректировать ошибки записывания-считывания. Обычно значение коэффициента ошибок составляет 10-10...10-12. Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита во время его считывания. Если привод считывает данные из загрязненного или исцарапанного участка диска, он регистрирует группу ошибочных бит. Если ошибку не удается устранить за счет чрезмерности помехоустойчивого кода (применяемого во время записывания-считывания), то привод снижает скорость считывания данных с многоразовым его повторением. Если механизм корректирования ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден» (Sector not found). В случае устранения сбоя дисковод переключается на максимальную скорость считывания данных.

Надежность оптических дисководов, выраженная через МТВF (средняя наработка на отказ - MeanTimeBetweenFailure) , составляет 50...125 тыс. ч, что почти на порядок превышает срок морального старения устройства.

Диски, выполненные методом горячего штампования (СD-RОМ и DVD-RОМ), обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Диски DVD-RАМ можно перезаписывать до 100 000 раз.

По типу устройства дисководы оптических дисков, как и другие устройства внешней памяти, могут быть как внутренними, так и внешними.

Подключение дисководов CD-ROM. Первый способ подключения основан на том, что один канал интерфейса IDE может поддерживать два встроенных устройства. Накопитель CD-ROM подключают к плате ввода-вывода через интерфейс IDE вместе с жестким диском по принципу master/slave. Однако в этом случае снижается скорость обмена данными с жестким диском. Одним из способов решения этой проблемы является подключение устройств CD-ROM к различным каналам одного интерфейса EIDE или к двум различным котроллерам IDE. Если CD-ROM имеет SCSI интерфейс, то его соответственно подключают к SCSI контроллеру. Существует также возможность подключения дисководов CD-ROM через контроллер звуковой карты. Также не следует забывать, что современные материнские платы могут содержать встроенные контроллеры SCSI и IDE, что вообще исключает необходимость в дополнительной плате ввода-вывода для подключения дисководов CD-ROM.

Подключение аудиоканалов. Практически каждый дисковод CD-ROM обладает встроенным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), а также выходным разъемом для вывода стереофонических сигналов. Если на компакт-диске находится аудиоинформация, ЦАП преобразует ее в аналоговую форму и подает сигнал на разъем, предназначенный для наушников, а так же на выходные аудио-разъемы дисковода, с которых в свою очередь, сигнал поступает на усилитель и акустическую систему непосредственно или через звуковую карту. Преимущество активного выхода заключается в том, что аудиосигнал с CD-ROM дополнительно обрабатывается звуковой картой.
Важной характеристикой дисковода СО-RОМ есть перечень поддерживаемых им форматов записывания данных на компакт-диски. Записывать данные на оптические диски можно в разных форматах. Для записывания таких данных, как документы, программы используют форматы СD-ROM (ISO) и DVD-ROM (ISO), а также СО-DОМ (UDF) и DVD-RОМ (UDF).

Форматы СD-RОМ (1S0) и DVD-RОМ (IS0), иногда их называют форматами СD-RОМ и DVD-RОМ, определены в стандарте IS0 9660. В этом стандарте приведены три уровня формата. Формат уровня 1 (lеvеl 1) определяет имена записываемых файлов как имена файлов МS DOS, то есть имена файлов могут содержать до восьми символов по заданным трем символам расширения. Записываемые файлы должны занимать несколько следующих один за одним секторов (нефрагментовання запись). Формат уровня 2 (lеvеl 2) разрешает использовать длинные имена файлов, а формат уровня 3 (lеvеl 3) дополнительно допускает записывать файлы на нескольких участках диска (фрагментированная запись) в пакетном режиме. Для того чтобы можно было записывать длинные имена, определенные в операционной системе Windows, фирма Місrosofі дополнила формат ISO 9660 уровня 1 спецификацией Joliet. Разновидностями формата IS0 9660 являются форматы СD-RОМ (Вооt) и DVD-RОМ (Вооt), в которых записывается на диск (кроме содержания) специальный участок (в начале диска), что разрешает использовать оптический диск как загрузочный.

Если стандарт ISO 9660 предназначен для обеспечения совместимости между дисками СD-RОМ и DVD-RОМ, используемыми в разных компьютерных системах, то формат UDF (UniversalDiskFormatі - универсальный формат дисков) разработан для совместимости оптических дисков только для считывания (RОМ) и записываемых оптических дисков (R или RW) в разных операционных системах. Этот формат, так же, как и IS0 9660, разрешает использовать длинные имена файлов и записывать данные. Данные на оптический диск записывается небольшими порциями в режиме Расket Writing (для СD-дисків) или Іncremental Writing (для DVD-дисков).
Форматы Аиdіо СD и Аиdіо DVD используются для записывания музыки. Это два разных формата. Формат Аиdіо DVD обеспечивает более качественное записывание музыки.

Форматы Video СD (VCD) и VideoDVD используют для записывания фильмов. Это также два разных формата с разными дополнительными возможностями (например, относительно выбора языка озвучивание фильма). Формат VideoDVD обеспечивает блее качественное записывание фильмов. Качественное воспроизведение фильма на СD-дисках обеспечивает формат Super Vіdео СD. Для записывания фильмов в формате Vіdео DVD на СО-диски используют формат mini-DVD.

Приведенные форматы - наиболее распространенные, поскольку разрешают записывать на оптические диски как музыку и фильмы, так и текстовые данные, графические данные и программы. Эти форматы поддерживают большинство дисководов и программы записывания на оптические диски. Существуют также и другие форматы, рассчитанные большей частью на такие виды данных, которые используются намного реже, например Photo СD фирмы Коdak, записывание и воспроизведение высококачественных цифровых фотографий. И фотографии, и музыку можно записывать в форматах IS0 9660 или UDF как обычные графические или звуковые файлы.

Новым, перспективным форматом есть формат Мt. (Моunt) Rаіnіеr , известный также как формат ЕаsуWrіtе. Этот формат записывает данные на оптический диск так же, как и на гибкий. Используя этот формат, к оптическому диску можно обращаться (для считывания или записывания) из любой прикладной задачи без вызова специальных программ считывания-записывания на оптические диски.

Форматы СD-дисков называют иногда по цвету обложки книг, в которых эти форматы описаны. Так, самый первый формат СD - Аudio СD описан в «красной» книге. В «желтой» книге описывается формат СD-RОМ (IS0), в «оранжевой» - форматы СD-R и СD-RW, в «зеленой» - формат СD-I (теперь почти не используют), в «голубой» - Еnhanced СD и в «белой» - Video СD.