Тема 3.2. Накопичувачі на компакт-дисках

План:

Приводи CD-ROM.

Накопичувачі з одноразовим записом CD-WORM/CD-R та багаторазовим записом інформації CD-RW.

Накопичувачі DVD.

Накопичувачі на магнітооптичних дисках.

Для вирішення широкого кола завдань інформатизації використовуються такі оптичні накопичувачі:

CD-ROM (Compact Disk Read- Only Memory) - запам'ятовуючі пристрої лише зчитування з них інформації;

CD-WORM (Write Once Read Many) - запам'ятовуючі пристрої для зчитування та одноразового запису інформації;

CD-R (CD- Recordable) - запам'ятовуючі пристрої для зчитування та багаторазового запису інформації;

МО – магнітооптичні накопичувачі, на які можливий багаторазовий запис.

Принцип діїВсі оптичні накопичувачі інформації засновані на лазерній технології. Промінь лазера використовується як запису на носій інформації, так зчитування раніше записаних даних, і є, власне, справи своєрідним носієм інформації.

1. Приводи CD-ROM

CD-ROM - компакт-диск (CD), призначений для зберігання в цифровому вигляді попередньо записаної на нього інформації та зчитування її за допомогою спеціального пристрою, що називається CD-ROM-driver, - дисковода для читання компакт-дисків.

До завдань, для вирішення яких призначається пристрій CD-ROM, можна віднести: встановлення та оновлення програмного забезпечення; пошук інформації у базах даних; запуск та роботу з ігровими та освітніми програмами; перегляд відеофільмів; слухати музичні CD.

Історія створення CD-ROM починається з 1980 р., коли фірми Sony та Philips об'єднали свої зусилля зі створення технології запису та виробництва компакт-дисків з використанням лазерів. Починаючи з 1994 р. дисководи CD-ROM стають невід'ємною частиною стандартної конфігурації ПК. Носієм інформації на CD-диску є рельєфна підкладка, на яку нанесений тонкий шар відбиває світло матеріалу, як правило, алюмінію. Запис інформації на компакт-диск є процес формування рельєфу на підкладці шляхом «пропалювання» мініатюрних штрихів-пітів лазерним променем. Зчитування інформації проводиться за рахунок реєстрації лазерного променя, відбитого від рельєфу підкладки. Відображає ділянку поверхні диска дає сигнал «нуль», а сигнал від штриха – «одиницю».

Зберігання даних на CD-дисках, як і магнітних дисках, організується в двійковій формі.

У порівнянні з вінчестерами CD значно надійніше у транспортуванні. Обсяг даних, розміщених на CD, сягає 700 - 800 Мбайт, причому за дотримання правил експлуатації CD мало зношується.

Мал. 3.7. Геометричні характеристики компакт-диску (а)та його поперечний переріз (б)

Процес виготовлення CD-дисків включає кілька етапів. На першому етапі створюється інформаційний файл для наступного запису носія. На другому етапі за допомогою лазерного променя проводиться запис інформації на носій, як який використовується склопластиковий диск з покриттям з фоторезистивного матеріалу. Інформація записується як послідовності розташованих по спіралі поглиблень (штрихів), як показано на рис. 3.7. Глибина кожного штриха-піта (pit) дорівнює 0,12 мкм, ширина (в напрямку, перпендикулярному площині малюнка) – 0,8 – 3,0 мкм. Вони розташовані вздовж спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої становить 1,6 мкм, що відповідає щільності 16000 витків/дюйм (625 витків/мм). Довжина штрихів уздовж запису коливається від 0,83 до 3,1 мкм.

На наступному етапі виробляються прояв фоторезистивного шару та металізація диска. Виготовлений за такою технологією диск називається майстер-диском. Для тиражування компакт-дисків із майстер-диску методом гальванопластики знімається кілька робочих копій. Робочі копії покриваються міцнішим металевим шаром (наприклад, нікелем), ніж майстер-диск, і можуть використовуватися як матриці для тиражування CD-дисків до 10 тис. шт. із кожної матриці. Тиражування здійснюється методом гарячого штампування, після якого інформаційну сторону основи диска, виконану з полікарбонату, піддають вакуумної металізації шаром алюмінію і покривають диск шаром лаку. Диски, виконані методом гарячого штампування, відповідно до паспортних даних забезпечують до 10 000 циклів безпомилкового зчитування даних. Товщина CD-диску 1,2 мм, діаметр – 120 мм.

Привід CD-ROM містить такі основні функціональні вузли:

завантажувальний пристрій;

оптико-механічний блок;

системи управління приводом та автоматичного регулювання;

універсальний декодер та інтерфейсний блок.

На рис. 3.8 дана конструкція оптико-механічного блоку приводу CD-ROM, який працює в такий спосіб. Електромеханічний привід обертає диск, поміщений в завантажувальний пристрій. Оптико-механічний блок забезпечує переміщення оптико-механічної головки зчитування по радіусу диска та зчитування інформації.
Мал. 3.8.Конструкція оптико-механічного блоку приводу CD-ROM

Напівпровідниковий лазер генерує малопотужний інфрачервоний промінь (типова довжина хвилі 780 нм, потужність випромінювання 0,2 - 5,0 мВт), який потрапляє на призму розділення, відбивається від дзеркала і фокусується лінзою на поверхні диска. Серводвигун по командам, що надходять від вбудованого мікропроцесора, переміщає рухливу каретку з дзеркалом, що відбиває, до потрібної доріжки на компакт-диску. Відбитий від диска промінь фокусується лінзою, розташованої під диском, відбивається від дзеркала і потрапляє на роздільну призму, яка спрямовує промінь на другу лінзу, що фокусує. Далі промінь потрапляє на фотодатчик, що перетворює світлову енергію на електричні імпульси. Сигнали з фотодатчика надходять на універсальний декодер.

Системи автоматичного стеження за поверхнею дискаі запис запису даних забезпечують високу точність зчитування інформації. Сигнал з фотодатчика як послідовності імпульсів надходить у підсилювач системи автоматичного регулювання, де виділяються сигнали помилок стеження. Ці сигнали надходять до систем автоматичного регулювання: фокусу, радіальної подачі, потужності випромінювання лазера, лінійної швидкості обертання диска.

Універсальний декодерє процесором для обробки сигналів, лічених з CD. До його складу входять два декодери, оперативний пристрій та контролер управління декодером. Застосування подвійного декодування дозволяє відновити втрачену інформацію обсягом до 500 байт. Оперативний пристрій виконує функцію буферної пам'яті, а контролер керує режимами виправлення помилок.

Інтерфейсний блокскладається з перетворювача цифрових даних аналогові сигнали, фільтра нижніх частот та інтерфейсу для зв'язку з комп'ютером. При відтворенні аудіоінформації ЦАП перетворює закодовану інформацію на аналоговий сигнал, який надходить на підсилювач з активним фільтром низьких частот і далі на звукову карту, яка пов'язана з навушниками або акустичними колонками.

Нижче наводяться експлуатаційні характеристики,які необхідно враховувати при виборі CD-ROM стосовно конкретних завдань.

Швидкість передачі даних(Data Transfer Rate - DTR) - максимальна швидкість, з якою дані пересилаються від носія в оперативну пам'ять комп'ютера. Це найважливіша характеристика приводу CD-ROM, яка завжди згадується разом із назвою моделі. Безпосередньо зі швидкістю передачі пов'язана швидкість обертання диска. Перші приводи CD-ROM передавали дані зі швидкістю 150 Кбайт/с, як і програвачі аудіокомпакт-дисків. Швидкість передачі даних наступних поколінь пристроїв, як правило, кратна цій кількості (150 Кбайт/с). Такі приводи отримали назву накопичувачів із дво-, три-, чотириразовою швидкістю тощо. Наприклад, 60-швидкісний привод CD-ROM забезпечує зчитування інформації зі швидкістю 9000 Кбайт/с.

Висока швидкість передачі даних приводу CD-ROM необхідна перш за все для синхронізації зображення та звуку. При недостатній швидкості передачі можливі пропуск кадрів відеозображення та спотворення звуку.

Однак подальше, понад 72-кратність підвищення швидкості зчитування приводів CD-ROM недоцільно, оскільки при подальшому підвищенні швидкості обертання CD не забезпечується необхідний рівень якості зчитування. І, крім того, з'явилася перспективніша технологія - DVD.

Якість зчитуванняхарактеризується коефіцієнтом помилок(Eror Rate) і є ймовірність отримання спотвореного інформаційного біта при його зчитуванні. Цей параметр відображає здатність пристрою CD-ROM коригувати помилки читання/запису. Паспортні значення цього коефіцієнта - 10 -10 -10 -12. Коли зчитуються дані із забрудненої або подряпаної ділянки диска, реєструються групи помилкових бітів. Якщо помилку не вдається усунути за допомогою стійкого до перешкод коду (застосовуваного при читанні/записі), швидкість зчитування даних знижується і відбувається багаторазовий повтор читання.

Середній час доступу (Access Time - AT) - це час (у мілісекундах), який потрібний приводу, щоб знайти на носії потрібні дані. Очевидно, що при роботі на внутрішніх ділянках диска час доступу буде меншим, ніж при зчитуванні інформації із зовнішніх ділянок. Тому в паспорті накопичувача наводиться середній час доступу, який визначається як середнє значення при виконанні декількох зчитувань даних з різних ділянок диска. У міру вдосконалення приводів CD-ROM середній час доступу зменшується, проте цей параметр значно відрізняється від аналогічного для накопичувачів на жорстких дисках (100 - 200 мс для CD-ROM і 7 - 9 мс для жорстких дисків). Це пояснюється важливими відмінностями конструкцій: в накопичувачах на жорстких дисках використовується кілька магнітних головок і їх діапазон механічного переміщення менше, ніж діапазон переміщення оптичної головки приводу CD-ROM.

Об'єм буферної пам'яті- це обсяг оперативного пристрою приводу CD-ROM, що використовується для збільшення швидкості доступу до даних, записаним на носії. Буферна пам'ять (кеш-пам'ять) є встановлювані на платі накопичувача мікросхеми пам'яті зберігання лічених даних. Завдяки буферній пам'яті, дані, розміщені в різних областях диска, можуть передаватися на комп'ютер з постійною швидкістю. Об'єм буферної пам'яті окремих моделей приводу CD-ROM – 512 Кбайт.

Середнє напрацювання на відмову- Середній час у годиннику, що характеризує безвідмовність роботи приводу CD-ROM. Середнє напрацювання на відмову різних моделей приводів CD-ROM 50-125 тис. год, або 6 - 14,5 років цілодобової роботи, що значно перевищує термін морального старіння накопичувача.

У процесі розвитку накопичувачів на оптичних дисках розроблено цілу низку основних форматів запису інформації наCD.

ФорматCD- DA (Digital Audio) - Цифровий аудіо-компакт диск з часом звучання 74 хв.

ФорматISO 9660 - Найпоширеніший стандарт логічної організації даних.

ФорматHigh Sierra (HSG) запропонований у 1995 р. та забезпечує читання даних, записаних на диск у форматі ISO 9660, за допомогою приводів усіх типів, що призвело до широкого тиражування програм на CD та сприяло створенню компакт-дисків, орієнтованих на різні операційні системи.

ФорматPhoto- CD розроблений у 1990-1992 рр. та призначений для запису на CD, зберігання та відтворення статичної відеоінформації у вигляді високоякісних фотозображень. Диск формату Photo-CD містить від 100 до 800 фотозображень відповідних дозволів - 2048x3072 та 256x384, а також зберігає звукову інформацію.

Будь-який диск CD-ROM, що містить текст та графічні дані, аудіо- або відеоінформацію, відноситься до категорії мультимедіа. Мультимедіа CD існують у різних форматах різних операційних систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

ФорматCD- I (Intractive) розроблений для широкого кола користувачів як стандарт мультимедійного диска, що містить різноманітну текстову, графічну, аудіо- та відеоінформацію. Диск формату CD-I дозволяє зберігати відео зі звуковим супроводом (стерео) і тривалістю відтворення до 20 хв.

ФорматCD- DV (Digital Video) забезпечує запис та зберігання високоякісного відеозображення зі стереозвуком протягом 74 хв. При зберіганні забезпечується стиск за методом MPEG-1 (Motion Picture Експерт Group).

Читання диска можливе за допомогою апаратного або програмного декодера стандарту MPEG.

Формат 3Dрозроблено для ігрових приставок.

Приводи CD-ROM можуть працювати як зі стандартним інтерфейсом для підключення до роз'єму IDE (E-IDE), так і високошвидкісним інтерфейсом SCSI.

Найпопулярніші дисководи CD-ROM в Росії – вироби з торговими марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

Типовий привід CD-ROM складається з друкованої плати з електронікою, шпиндельного двигуна, системи зчитування з оптичною головкою, системи завантаження CD-диска і механізму переміщення рами з механікою приводу. На платі з електронікою розміщено:

Усі схеми управління роботою приводу;

Роз'єм інтерфейсу для підключення до комп'ютера;

аналоговий звуковий вихід (Analog Audio);

Цифровий звуковий вихід S/PDIF (Digital Audio - може бути відсутнім у деяких моделях).

Шпиндельний двигун служить для обертання диска з постійною лінійною (CLV – Constant Linear Velocity) або кутовий (CAV – Constant Angular Velocity) швидкістю. Підтримка постійної лінійної швидкості вимагає зміни кутової швидкості диска залежно від положення оптичної голівки.

На осі шпиндельного двигуна кріпиться підставка, до якої притискається нижній бік диска (при горизонтальному завантаженні). На кінці осі шпиндельного двигуна кріпиться металевий намагнічений наконечник, що має конусоподібну форму. З іншого боку диска - верхнього у разі горизонтального завантаження, тобто над диском, - розміщується намагнічений маховик, який притягує металевий наконечник, в результаті чого диск виявляється затиснутим між підставкою і маховиком, що забезпечує фіксацію диска по вертикалі і хороше зчеплення диска з підставкою, що обертається. під час роботи приводу.

Зчитуюча система складається з оптичної головки та механізму її позиціонування. У головці розміщені лазерний випромінювач на основі інфрачервоного лазерного світлодіода з довжиною хвилі від 770 до 830 нм (зазвичай – близько 780 нм) та потужністю 0,2-0,5 мВт, система фокусування лазерного пучка, фотоприймач та попередній підсилювач. Система фокусування являє собою набір рухомих лінз, що рухаються електромагнітною системою типу «voice coil» (звукова котушка), зробленою за аналогією з рухомою системою гучномовця. Зміна напруженості магнітного поля призводить до пересування лінз та переміщення точки фокусування лазерного променя.

Завдяки малій інерційності така система ефективно відстежує вертикальні биття диска навіть за значних швидкостей обертання. Механізм позиціонування оптичної головки має власний двигун, що приводить у рух каретку з оптичною головкою за допомогою зубчастої або черв'ячної передачі.

Система завантаження диска буває трьох типів:

Caddy - з використанням спеціального футляра для диска, що вставляється у приймальний отвір приводу;

Tray – з використанням висувного лотка, на який кладеться диск;

У приводах типу Caddy і Slot-in диск може завантажуватися як горизонтально, і вертикально - тобто при горизонтальному і, відповідно, вертикальному монтажі приводу.

Після завантаження диск не стосується жодних деталей дисководу, крім підставки та маховика, після чого його можна розкручувати.

На передній панелі приводу зазвичай розташовані:

Кнопка Eject для завантаження/розвантаження диска;

Індикатор звернення до диска Busy (у деяких моделях -Disk On/Busy, індикатор сигналізує не лише про звернення до диска, а й про те, що у приводі знаходиться диск);

Гніздо для підключення навушників із електронним або механічним регулятором гучності.

Для зчитування інформації з диска використовується напівпровідниковий лазер, що випромінює інфрачервоний діапазон - довжина хвилі становить близько 780 нм. Промінь лазера, проходячи через фокусуючу лінзу, падає на шар, що відбиває. Відбитий промінь реєструється фотоприймачем. За зареєстрованим сигналом визначається проходження оптичної головки над пітами та проміжками диска, а також перевіряється якість фокусування плями лазерного променя на поверхні диска та його орієнтації по центру доріжки.

На виході фотоприймача виходить цифровий потік біт, який декодується видаленням додаткових нульових біт. В результаті цього виходить бітовий потік, який являє собою вихідний потік даних, кодований CIRC з доданими субкодами. Тому далі проводиться відділення субкодових каналів та CIRC-декодування. На етапі CIRC-декодування виявляється і виправляється більшість помилок, викликаних дефектами при штампуванні, неоднорідністю матеріалів диска, подряпинами на його поверхні, нечітким визначенням літа/проміжку у фотоприймачі і т.д. Отриманий потік біт є корисною інформацією, що зберігається на диску.

DVD-технологія

Розвиток комп'ютерів та обчислювальних систем дозволило розпочати активне застосування потужних алгоритмів стиснення, що дозволяють вмістити на один диск не годину з чвертю, а від 5 до 10 години музики практично без втрати якості. Однак для відеоіндустрії розмір одного диска виявився замало навіть при використанні стиснення, та й комп'ютерні програми вже переросли можливості накопичувачів на CD-дисках. Вирішити всі ці проблеми була покликана DVD-технологія.

Відповідно був прийнятий єдиний стандарт, названий DVD, або Digital Video Disc (згодом прийняли розшифровку Digital Versatile Disc - цифровий багатоцільовий диск). Далі було опубліковано першу версію специфікації для DVD-ROM і DVD-Video та прийнято схему захисту цифрової копії від несанкціонованого тиражування.

В даний час є стандарти для DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio. Звуковий супровід DVD підтримується стандартами Mono, PCM Stereo, Dolby Surround (Prologic), Dolby Digital AC-3, THX, DTS. Звукові стандарти Dolbv Digital AC-3, THX, DTS визначають шестиканальний звук, тобто. звуковий супровід за схемою: фронтальні колонки, центр, тилові колонки та саббуфер. Зазвичай для позначення шестиканального звуку використовується абревіатура «5.1», що означає використання п'яти основних джерел звуку і окремо - низькочастотного блоку - саббуффера. Dolby ProLogic та Doiby Digital АС-3 відрізняються тим, що Dolby Digital АС-3 має шість незалежно записаних звукових доріжок, а Dolby ProLogic лише спеціальним чином обробляє стереосигнал і є імітацією шестиканального звуку.

Таким чином, звук на DVD-дисках записується в різних форматах, всі вони відтворюють кілька незалежних каналів просторового компресованого звуку, створюючи тим самим реалістичну картину того, що відбувається.

DVD-відео - це цифрове відео, стиснуте за алгоритмом MPEG-2 та записане на DVD-диск. Формат - 25 кадрів в секунду з роздільною здатністю 720 х 576 пікселів при глибині кольору 24-біт (PAL) або 30 кадрів 720 х 480 х 24-біт (NTSC). У стиснутому вигляді це потік 3О МБайт на секунду, а двогодинний фільм займатиме понад 100 гігабайт.

DVD-диски мають ємність від 4,7Gb до 17Gb залежно від типу. При цьому змінюється не густина запису, а тип розміщення інформації. Диски бувають односторонні одношарові, односторонні двошарові, двосторонні одношарові та двосторонні двошарові. Крім того, бувають комбіновані диски, у яких з одного боку два шари, а з іншого – один.

Спосіб зберігання інформації на DVD-ROM практично такий самий, як і у CD-ROM: уздовж металевої підкладки по спіралі розташовані канавки, що становлять так звані треки. Ці канавки несуть у собі інформацію, яка зчитується променем лазера, перетворюючи канавки на одиночки і нулі. Сама підкладка, що відображає, покрита захисним шаром пластику, що оберігає диск від пошкодження.

Відмінність DVD-диска від CD – щільність записаної інформації. Так, наприклад, односторонній та однорівневий DVD-диск зберігає приблизно 4,7 Гбайт інформації (технологія DVD-5), а звичайний CD-диск – лише 650 Мбайт. Було розроблено новий напівпровідниковий лазерний випромінювач, який використовує для роботи меншу довжину хвилі (650-635 нм), ніж лазер дисководу CD-ROM (780 нм). Після цього відстань між треками поменшала, та й самі канавки на диску (зберігачі інформації) значно зменшилися у розмірах.

Після однорівневими дисками з'явилися дворівневі, що вміщають до 8,54 Гбайт інформації. Тут перший рівень знаходився під другим, а зчитування відбувалося шляхом фокусування лазерного променя за рівнями (технологія DVD-9). За технологією DVD-10 зчитування відбувається з двох сторін за одним рівнем. Зберігається обсяг досяг 9,4 Гбайт. Двохрівневий DVD-18 забезпечує зберігання 17,08 Гбайт. Читання відбувається з двох сторін, кожна з яких має два рівні.

Істотними є такі характеристики приводу, як Access Time (час доступу), CPU Utilization (завантаження центрального процесора), Transfer Rate Inside/Outside (внутрішня та зовнішня швидкість передачі).

Показник Access Time (час доступу) відображає суму середнього часу пошуку, необхідну приводу DVD-ROM для позиціонування на потрібний трек і середнього часу запізнення (латентності), протягом якого диск підводиться під потрібний сектор для зчитування. Відповідно, що нижче значення Access Time, то краще. Показник CPU Utilization (завантаження CPU) говорить про те, наскільки DVD-ROM використовує ресурси процесора.

Швидкість передачі характеризується двома показниками: внутрішньої (Inside) і зовнішньої (outside) швидкістю. Внутрішня швидкість передачі є передачу між DVD-диском та внутрішнім буфером DVD-ROM безпосередньо.

Вона визначається багатьма параметрами: якістю та щільністю запису, швидкістю обертання тощо. буд. На ці параметри впливає конструктивна особливість приводу. Зовнішня ж швидкість передачі повністю залежить від використовуваного режиму передачі.

Для того щоб зрозуміти як відбувається зчитування та запис CD-дисків, розглянемо принципову схему пристрою читання CD-дисків. Як основні вузли приводу можна виділити: лазерний діод, який випромінює світло з довжиною хвилі 780 нм; роздільник лазерного променя (інтерференційний поляризатор); систему з двох фокусуючих лінз та приймач відбитого від диска лазерного променя. Для вивчення принципу роботи пристрою розглянемо структурну схему CD-Drive. Привід читання CD-дисків працював наступним чином: 1. Лазер генерує малопотужний пучок, який, проходячи чере: спрямовуючу призму і роздільник променя, потрапляє на дзеркало, що відбиває. 2. Серводвигун за командами мікропроцесора переміщає каретку з дзеркалом, що відбиває, до потрібної доріжки на кому пакт-диску. 3. Промінь, потрапивши на диск, відбивається від нього і, відбившись від дзеркал, потрапляє на роздільник променя. Роздільний куб відображає промінь на іншу спрямовуючу призму. 4. З призми промінь потрапляє до фотодатчика, сигнали від якого декодуються вбудованим мікропроцесором і передаються на комп'ютер у вигляді даних. Мал. 3.2. Структурна схема CD Drive Через обертання диска та рух каретки в приводі виникає вібрація, яка призводить до появи помилок. На відміну від звичайних аудіодисків, де дані можна відновити шляхом інтерполяції сусідніх значень, у CD-ROM використовуються дуже складні методи виявлення та виправлення помилок, оскільки будь-який біт може бути як одиницею, так і банкрутом. При тиражуванні DVD до кожних 2048 інформаційних байтів додається 288 контрольних байт, званих ЕСС (Error Correction Code код виправлення помилок). За допомогою цієї додаткової інформації можна виправити деякі помилки читання. Швидкість роботи приводів Швидкість роботи CD-приводів Одним з головних параметрів, що характеризує приводи читання та запису CD, є швидкість їх роботи. Першим стандартом CD (Red Book) визначено мінімальну швидкість (позначається як 1х) зчитування даних з аудіо компакт-диска для його якісного відтворення. Вона дорівнює 150 Кбайт/с, що становить 75 блоків даних з 2048 інформаційних байт. У стандарті вказана безперервна швидкість зчитування послідовно розміщених даних, і не враховується те, що дані можуть бути розташовані в різних областях диска. У зв'язку з тим, що на комп'ютерних компакт-дисках (Data CD) дані можна зчитувати з більшою швидкістю, були створені швидкісні приводи для читання CD Швидкісні параметри приводів CD-ROM

Очевидно, що вища швидкість зчитування, то вища продуктивність всієї системи. Однак необхідно враховувати, що швидкість роботи приводів також залежить і від якості дисків. При використанні неякісних CD-ROM (наприклад, . тих, у яких центр ваги не збігається з геометричним центром диска), у приводі виникають вібрації, і доводиться знижувати швидкість обертання диска. У більшості випадків такі неякісні диски випускаються компаніями, які нелегально роблять копії програмних продуктів або музичних дисків (так звані пірати). У зв'язку з цим практично всі сучасні пристрої запису та читання дисків мають функцію управління швидкістю. Крім цього, при великих швидкостях обертання диска виникають дуже великі навантаження на диск, що іноді призводить до розриву диска всередині приводу. Необхідно відзначити, що для повсякденної роботи, коли користувач використовує CD-привід для програвання музики, перегляду відеофільмів та ігор, цілком достатньо приводу зі швидкістю від 8х до 24х. Звичайно, при встановленні операційної системи (або іншої великої програми), а також при копіюванні вмісту всього диска (наприклад, фільму), швидкісні ристики приводу грають дуже велику роль. Однак установка програм здійснюється не так часто, тому для роботи цілком достатньо пристрою зі швидкостями від 8 до 24х. ШВИДКІСТЬ РОБОТИ DVD-ПРИВОДІВ Сучасні приводи DVD мають дещо повільнішу швидкість обертання дисків, порівняно з пристроями CD-ROM. Однак завдяки більш щільному розміщенню даних на DVD швидкість передачі інформації відповідає 9-кратної швидкості передачі даних на приводах CD. Важливо те, що відео на DVD-плеєрах програється приблизно з 9-кратною швидкістю (у той час, як відеопрограми на CD зазвичай розраховані на 2- або 4-кратну швидкість). Ось чому при використанні 52-швидкісного приводу CD немає жодного заповітного покращення якості при програванні відео. За рахунок передачі відеоданих у 2,25-4,5 рази швидше, відеофільм, що показується з програвача DVD, має таку якість, що в порівнянні з ним відео з CD програвача нагадує мерехтливе зображення у старовинному кінотеатрі. Якщо запустити один і той же фільм у стандартах VideoCD, VHS або DVD, то різниця в якості буде помітна на око, причому однозначно виграє DVD. Привід Blu-Ray LG Компанія LG Electronics випустила на території Тайваню перший привід Blu-Ray (рис. 3.3). Пристрій записує одношарові диски BD-R на швидкості 4-х, а носії BD-RE пишуться на швидкості 2-х. Мал. 3.3. Привід LG GBW-H10N Модель GBW-H10N випускається з інтерфейсом ATAPI та крім дисків Blu-Ray, сумісна з усіма поширеними форматами оптичних носіїв CD та DVD, включаючи DVD-RAM (запис зі швидкістю 5х). Максимальна швидкість читання DVD-R/RW+R/+RW – 10х, CD-R/RW читаються на швидкості 40х. Запис DVD-RW здійснюється на швидкості 6х, DVD-R – 12х, DVD+R – 12х, DVD+RW – 8х. CD-R та CD-RW записуються на швидкості 8х і 10х, відповідно. PIONEER Оперативність японських інженерів вражає: не встигли ще провідні компанії визначити майбутнє форматів Blu-Ray і HD DVD, як корпорація Pioneer вкотре виправдала своє гучне ім'я, випустивши перший у світі внутрішній привід Blu-Ray зі звичним інтерфейсом ATAPI. Привід Pioneer BDR-101A підтримує запис як дисків BD-R і BD-RE (що записуються та перезаписуються відповідно), так і BD-ROM. Правда, двошарові диски BD-R пристрій може тільки читати. Привід Pioneer BDR-101A Звичайні CD-R та CD-RW диски також підтримуються цим пристроєм. Новинка характеризується габаритними розмірами 148x42,3x198 мм та вагою 1,1 кг. Максимальна швидкість передачі становить 72 Мбайт/с. Об'єм буфера для DVD-дисків дорівнює 2 Мбайт, а для дисків Blu-Ray – 8 Мбайт. Крім того, у пристрої реалізована підтримка технологій, що дозволяють знизити вібрацію диска та значно покращити якість читання/запису інформації. PLEXTOR Модель РХ-В900А, що є внутрішнім AT API-приводом, буде поставлятися в комплекті з програмним забезпеченням для відтворення відеофільмів з дисків Blu-Ray на комп'ютерах, які працюють під управлінням one-рационной системи Windows ХР або Windows Vista. Як обіцяє виробник, новинка буде сумісна з 25- та 50-гігабайтними дисками і зможе записувати інформацію на оптичні носії формату BD-R/RE зі швидкістю 2х (близько 9 Мбайт в секунду). Що стосується DVD, то для них швидкість запису складе 8х для DVD-R та DVD+RW, 6х – для DVD-RW та DVD-ROM, 5х – для DVD-RAM та 4х – для двошарових DVD+/-R. Привід PlextorPX-ВЕООА PHILIPS Привід Philips Компанія Philips оголосила випуск нового приводу Blu-Ray, здатного відтворювати та записувати диски Blu-Ray ємністю до 50 Гбайт. Крім відтворення, він здатний записувати 25-гігабайтний диск за 70 хвилин при швидкості 2х. BENQ Фірма BenQ також оголосила про створення зовнішніх пристроїв відтворення та запису дисків нового формату Blu-Ray (рис. 3.7). Першим приводом став BW 1000. BW 1000 здатний не тільки записувати диски Blu-Ray, але також і диски CD і DVD. Швидкість запису дисків нового покоління становитиме 2х. Тиражування CD сягатиме 32х (що не так і швидко на сьогоднішній день), про швидкість запису на DVD не повідомляється.

Основні функціональні вузли та принцип роботи.

ТЕМА 3.3 Накопичувачі на компакт-дисках

Існують такі носії на компакт-дисках (оптичні):

¾ CD-ROM - пристрій лише для зчитування інформації

¾ CD-R – для зчитування та одноразового запису

¾ CD-RW – для зчитування та багаторазового запису

¾ Магнітооптичні накопичувачі

Приводи: CD-R, CD-RW, CD-ROM, DVD-R, DVD-RW

Принцип дії всіх оптичних накопичувачів інформації заснований на лазерній технології: промінь лазера використовується як для зчитування так і для запису інформації. Приводи CD-ROM.

Носії на диску CD-ROM є рельєфна підкладка. Запис інформації є процес формування рельєфу на підкладці шляхом пропалювання мініатюрних штрихів лазерним променем. Зчитування проводиться щодо реєстрації відображення лазерного променя. Сигнал від штриха 1 від поверхні без штриха 0.

Приводи CD-ROM

· Завантажувальний пристрій

· Оптико-механічний блок

· Системи управління приводом та автономного регулювання

· Універсальний декодер

· Інтерфейсний блок

Електромеханічний привід обертає диск, поміщений в завантажувальний пристрій. Напівпровідниковий лазер генерує малопотужний інфрачервоний промінь, який потрапляє на роздільну призму, відбивається від дзеркала та фокусується на поверхні диска. До потрібної доріжки промінь переміщається наступним чином: спочатку двигун по кому від вбудованого мікропроцесора переміщає рухливу каретку з дзеркалом, що відбиває, і потрібної доріжці. Відбитий промінь фокусується лінзою, відбивається від дзеркала, потрапляє на роздільну призму, і спрямовує промінь на другу лінзу, що фокусується, далі промінь потрапляє на фотодатчик, перетворює світлову енергію в електричні імпульси. Сигнали з фотодатчика надходять на універсальний декодер, який і необхідний для перетворення імпульсів на зрозумілу комп'ютеру цифрову інформацію, є процесором.

Система автономного стеження за поверхнею диска та доріжки запису даних забезпечують високу точність зчитування інформації. Сигнал з фотодатчика як імпульсів надходить у систему автономного регулювання, де виділяються сигнали помилок стеження. Ці сигнали з підсилювача надходять у систему автономного регулювання: фокусу, системи автономного регулювання потужності випромінюваного лазера, швидкість обертання диска, радіальної подачі, потужність випромінювання лазера, лінійної швидкості обертання диска.

Накопичувачі DVD

DVD-диски конструктивно виконуються односторонніми та двосторонніми.

На відміну від CD у DVD дисках відстань між доріжками запису менша та зменшені розміри штрихів запису. Внаслідок чого збільшена ємність. Кількість зображень збережених у форматі DVD можна порівняти з якістю професійних студійних відеозаписів, а якість звуку не поступається студійному.

Накопичувачі з одноразовим та багаторазовим записом

Для одноразового запису використовуються диски CD-R, що являють собою диск, реєстраційний шар якого виконаний з матеріалу, що темніє при нагріванні. Темні та світлі ділянки CD-R аналогічні штрихам та рівним поверхням CD-ROM.

CD-RW-перезаписуються диски, реєструючий шар якого виконаний з органічних з'єднань, здатних змінювати свій фазовий стан з аморфного на кристалічний під впливом лазерного променя.

При нагріванні лазерним променем вище деякої критичної температури, матеріал реєструючого шару перетворюється на аморфний стан і залишається у ньому після остигання. При нагріванні до температури значно нижче від критичної відновлює свій початковий стан (кристалічний).

Лазерний промінь Лазерний промінь

Відбиває шар Реєструючий шар

CD-ROM Захисний лаковий шар

Розділ 4. ПРИСТРОЇ ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

• 
  магнітні диски;
• 
  головки читання/запису;
• 
  механізм приводу головок;
• 
  двигун приводу дисків;
• 
  друкована плата з електронною схемою керування.

Гермоблок заповнюється повітрям під тиском одну атмосферу. У кришках гермоблоків деяких вінчестерів є спеціальний отвір, заклеєний плівкою, що фільтрує, яке служить для вирівнювання тиску всередині блоку і зовні, а також для поглинання пилу.

^ Рисунок 5 – Основні елементи конструкції накопичувача на жорстких дисках
Габаритні розміри вінчестерів стандартизовані за параметром, який називається формфактор (Form-Factor). Наприклад, всі HDD з формфактором 3,5" мають стандартні розміри корпусу 41,6 x101x146 мм.

^ Підкладки магнітних дисків перші вінчестери виготовлялися з алюмінієвого сплаву з додаванням магнію. У сучасних моделях як основний матеріал для дискових пластин використовується композиційний матеріал зі скла та кераміки з малим температурним коефіцієнтом розширення, що робить їх менш сприйнятливими до змін температури, міцнішими. Магнітні диски випускаються таких розмірів: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

^ Диски покриваються магнітною речовиною – робочим шаром. Він може бути або оксидним, або на основі тонких плівок.

Головки читання/записупередбачені кожної сторони диска. Коли накопичувач вимкнено, головки торкаються диска. При розкручуванні дисків зростає аеродинамічний тиск повітря на головки, що призводить до відриву від робочих поверхонь дисків. Чим ближче розташовується головка до поверхні диска, тим вище амплітуда сигналу, що відтворюється.

^ Механізм приводу головок забезпечує переміщення головок від центру дисків до країв та фактично визначає надійність накопичувача, його температурну стабільність та вібраційну стійкість. Усі існуючі механізми приводу головок поділяються на два основні типи: з кроковим двигуном та рухомою котушкою.

^ Двигун приводу дисків приводить пакет дисків у обертання, швидкість якого в залежності від моделі знаходиться в межах 3600 – 7200 об/хв (тобто головки рухаються із відносною швидкістю 60 – 80 км/год). Швидкість обертання дисків деяких вінчестерів сягає 15 000 об/хв. Жорсткий диск обертається безперервно навіть тоді, коли не відбувається звернення до нього, тому вінчестер має бути встановлений лише вертикально чи горизонтально.

^ Друкована плата з електронною схемою управління та інші вузли накопичувача (лицьова панель, елементи конфігурації та монтажні деталі) є знімними. На друкованій платі монтуються електронні схеми керування двигуном та приводом головок, схема для обміну даними з контролером. Іноді контролер встановлюється на цій платі.
Запитання для самоконтролю:

1. 
   Накопичувачі на гнучких дисках. конструкція, принцип дії, основні компоненти, технічні характеристики FDD;
2. 
   Логічна структура дискет;
3. 
   Накопичувачі на жорстких магнітних дисках. Конструкція та принцип роботи HDD, форм-фактори, типи;
4. 
   Основні характеристики та режими роботи накопичувачів на жорстких магнітних дисках. Контролери та підключення HDD;
5. 
   Сучасні моделі накопичувачів;
6. 
   Логічна структура жорсткого диска;
7. 
   Форматування жорстких дисків;
8. 
   Утиліти обслуговування жорстких магнітних дисків.

Тема 4.2. Приводи CD-R (RW). DVD-R (RW)
Студент повинен:
мати уявлення:

• 
  призначення приводів CD-R (RW). DVD-R (RW)

знати:

• 
  принцип дії та основні компоненти приводу CD-ROM;
• 
  експлуатаційні характеристики приводу CD-ROM;
• 
  принцип дії та основні компоненти приводу DVD;

вміти:

• 
  підключати приводи CD та DVD дисків;

Приводи CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип роботи, конструкція та основні компоненти, технічні характеристики.

Методичні вказівки
Приводи CD-ROM

CD-ROM - компакт-диск (CD), призначений для зберігання в цифровому вигляді попередньо записаної на нього інформації та зчитування її за допомогою спеціального пристрою, що називається CD-ROM-driver, - дисковода для читання компакт-дисків.

Процес виготовлення CD-дисків включає кілька етапів.

На першому етапі створюється інформаційний файл для наступного запису носія. На другому етапі за допомогою лазерного променя проводиться запис інформації на носій, як який використовується склопластиковий диск з покриттям з фоторезистивного матеріалу. Інформація записується у вигляді послідовності розташованих по спіралі заглиблень (штрихів), як показано на малюнку 6. Глибина кожного штриха-піта (pit) дорівнює 0,12 мкм, ширина (в напрямку, перпендикулярному до площини малюнка) - 0,8 - 3,0 мкм. Вони розташовані вздовж спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої становить 1,6 мкм, що відповідає густині 16000 витків/дюйм (625 витків/мм). Довжина штрихів уздовж запису коливається від 0,83 до 3,1 мкм.

^ Малюнок 6 - Геометричні характеристики компакт-диска (а) та його поперечний переріз (б)
На наступному етапі виробляються прояв фоторезистивного шару та металізація диска. Виготовлений за такою технологією диск називається майстер-диском. Для тиражування компакт-дисків із майстер-диску методом гальванопластики знімається кілька робочих копій. Робочі копії покриваються міцнішим металевим шаром (наприклад, нікелем), ніж майстер-диск, і можуть використовуватися як матриці для тиражування CD-дисків до 10 тис. шт. із кожної матриці. Тиражування здійснюється методом гарячого штампування, після якого інформаційну сторону основи диска, виконану з полікарбонату, піддають вакуумної металізації шаром алюмінію і покривають диск шаром лаку. Диски, виконані методом гарячого штампування, відповідно до паспортних даних забезпечують до 10 000 циклів безпомилкового зчитування даних. Товщина CD-диску 1,2 мм, діаметр – 120 мм.

Привід CD-ROM містить такі основні функціональні вузли:

• 
  завантажувальний пристрій;
• 
  оптико-механічний блок;
• 
  системи управління приводом та автоматичного регулювання;
• 
  універсальний декодер та інтерфейсний блок.

^ Малюнок 9 - Конструкція оптико-механічного блоку приводу CD-ROM
Системи автоматичного стеження за поверхнею диска та запису даних забезпечують високу точність зчитування інформації. Сигнал з фотодатчика як послідовності імпульсів надходить у підсилювач системи автоматичного регулювання, де виділяються сигнали помилок стеження. Ці сигнали надходять до систем автоматичного регулювання: фокусу, радіальної подачі, потужності випромінювання лазера, лінійної швидкості обертання диска.

Універсальний декодер є процесором для обробки сигналів, лічених з CD. До його складу входять два декодери, оперативний пристрій та контролер управління декодером. Застосування подвійного декодування дозволяє відновити втрачену інформацію обсягом до 500 байт. Оперативний пристрій виконує функцію буферної пам'яті, а контролер керує режимами виправлення помилок.

Інтерфейсний блок складається з перетворювача цифрових даних аналогові сигнали, фільтра нижніх частот та інтерфейсу для зв'язку з комп'ютером. При відтворенні аудіоінформації ЦАП перетворює закодовану інформацію на аналоговий сигнал, який надходить на підсилювач з активним фільтром низьких частот і далі на звукову карту, яка пов'язана з навушниками або акустичними колонками.

^ Нижче наводяться експлуатаційні характеристики, які необхідно враховувати при виборі CD-ROM стосовно конкретних завдань.

Швидкість передачі (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальна швидкість, з якою дані пересилаються від носія в оперативну пам'ять комп'ютера. Висока швидкість передачі даних приводу CD-ROM необхідна перш за все для синхронізації зображення та звуку. При недостатній швидкості передачі можливі пропуск кадрів відеозображення та спотворення звуку.

Якість зчитування характеризується коефіцієнтом помилок (Eror Rate) і є ймовірністю отримання спотвореного інформаційного біта при його зчитуванні.

^ Середній час доступу (Access Time – AT) – це час (у мілісекундах), який потрібен приводу, щоб знайти на носії потрібні дані.

Об'єм буферної пам'яті - це обсяг оперативного пристрою приводу CD-ROM, що використовується для збільшення швидкості доступу до даних, записаним на носії. Буферна пам'ять (кеш-пам'ять) є встановлювані на платі накопичувача мікросхеми пам'яті зберігання лічених даних.

^ Середнє напрацювання на відмову - середній час у годинах, що характеризує безвідмовність роботи приводу CD-ROM.

У процесі розвитку накопичувачів на оптичних дисках розроблено низку основних форматів запису інформації на CD.

^ Формат CD-DA (Digital Audio) – цифровий аудіо-компакт диск з часом звучання 74 хв.

Формат ISO 9660 – найпоширеніший стандарт логічної організації даних.

Формат High Sierra (HSG) запропонований у 1995р. та забезпечує читання даних, записаних на диск у форматі ISO 9660, за допомогою приводів усіх типів, що призвело до широкого тиражування програм на CD та сприяло створенню компакт-дисків, орієнтованих на різні операційні системи.

Формат Photo-CD розроблений у 1990-1992 роках. та призначений для запису на CD, зберігання та відтворення статичної відеоінформації у вигляді високоякісних фотозображень. Диск формату Photo-CD містить від 100 до 800 фотозображень відповідних дозволів - 2048 х 3072 та 256 х 384, а також зберігає звукову інформацію.

Будь-який диск CD-ROM, що містить текст та графічні дані, аудіо- або відеоінформацію, відноситься до категорії мультимедіа. Мультимедіа CD існують у різних форматах різних операційних систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

Формат CD-I (Jntractive) розроблений для широкого кола користувачів як стандарт мультимедійного диска, що містить різноманітну текстову, графічну, аудіо- та відеоінформацію. Диск формату CD-I дозволяє зберігати відео зі звуковим супроводом (стерео) і тривалістю відтворення до 20 хв.

Формат CD-DV (Digital Video) забезпечує запис та зберігання високоякісного відеозображення зі стереозвуком протягом 74 хв. При зберіганні забезпечується стиск за методом MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).

^ Читання диска можливе за допомогою апаратного або програмного декодера стандарту MPEG.

Формат 3DO розроблено для ігрових приставок.

Приводи CD-ROM можуть працювати як зі стандартним інтерфейсом для підключення до роз'єму IDE (E-IDE), так і високошвидкісним інтерфейсом SCSI.

Найпопулярніші дисководи CD-ROM в Росії – вироби з торговими марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

Накопичувачі DVD

Вирішення проблеми збільшення ємності оптичних носіїв інформації на базі вдосконалення технології виробництва CD та приводів, а також наявних науково-технічних рішень у галузі високоякісного цифрового відео призвело до створення CD-дисків підвищеної ємності.

Якість зображення, що зберігається у форматі DVD, можна порівняти з якістю професійних студійних відеозаписів, причому якість звуку також не поступається студійному. Зчитування звукової інформації у форматі DVD здійснюється зі швидкістю 384 Кбайт/с, що дозволяє організувати багатоканальний звуковий супровід.

Такі можливості дисків формату DVD обумовлені покращеними параметрами робочої поверхні дисків. Як і CD, диск формату DVD має діаметр 120 мм. У приводі DVD використовується напівпровідниковий лазер із довжиною хвилі випромінювання у видимій ділянці 0,63 - 0,65 мкм. Таке зниження довжини хвилі (порівняно з 0,78 мкм у звичайного CD-приводу) забезпечило можливість зменшення розмірів штрихів запису (піт) практично вдвічі, а відстань між доріжками запису – з 1,6 до 0,74 мкм. Пити розташовуються по спіралі, як на вінілових довгограючих платівках.

Приводи DVD-ROM поставляються як з апаратним декодером MPEG-2 як карти розширення для шини PCI, і з програмним декодером. Записуючі DVD-R та перезаписуючі дисководи DVD-RW здатні працювати з одношаровими односторонніми дисками ємністю до 4,7 - 5,2 Гбайт при швидкості запису інформації близько 1 Мбайт/с.
Запитання для самоконтролю:

1. 
   Приводи CD-R, (RW), принцип роботи, конструкція та основні компоненти, технічні характеристики;
2. 
   DVD-R (RW): принцип роботи, конструкція та основні компоненти, технічні характеристики.

Тема 4.3 Магнітооптичні накопичувачі. Накопичувачі на магнітних дисках. Зовнішні пристрої зберігання інформації
Студент повинен:
мати уявлення:

• 
  про призначення накопичувачів на компакт-дисках;
• 
  про призначення магнітооптичних накопичувачів;
• 
  про призначення накопичувачів на магнітних дисках;
• 
  про призначення зовнішніх пристроїв для зберігання інформації

знати:

• 
  формати оптичних та магнітооптичних дисків;
• 
  принцип роботи стрімера

вміти:

• 
  записувати інформацію на оптичні та магнітооптичні диски

Накопичувачі на компакт-дисках: формати запису інформації, процес виготовлення CD-дисків, накопичувачі з одноразовим і багаторазовим записом. Магнітооптичні накопичувачі: принципи роботи, конструкція та основні компоненти, технічні характеристики. Логічна структура та формат магнітооптичних дисків. Накопичувачі на магнітних стрічках. Принцип розміщення інформації на магнітних стрічках. Конструкція стрічкопротяжних механізмів. Структура даних магнітних стрічках. Пристрої запису зчитування інформації з магнітних стрічок. Катриджі із магнітними стрічками. Сучасні моделі стримерів. Зовнішні пристрої зберігання інформації: флеш-накопичувачі, ZIP-накопичувачі. Принцип роботи та основні технічні характеристики.
Методичні вказівки