Принципы записи информации на cd dvd диски. Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи

Компакт-диск представляет собой особый вид носителя аудио - и цифровой информации, при изготовлении которого используются последние достижения науки и технологии. Он пред­ставляет собой круглую пластину диаметром 12 или 8 см, состоящую из нескольких слоев. Основным является очень тонкий металлический светоотражающий слой (обычно алюминие­вый), в котором и записана вся информация. Для защиты от внешних воздействий он закрыт с двух сторон довольно толстыми (до 1мм) слоями прозрачного пластика. С тыльной стороны на диске могут быть расположены красочные наклейки, не влияющие на его параметры.

Прежде всего, эти диски изготовляются со вспомогательной разметкой (pregroove), в ней закодирована временная сетка (Actual Time In Pregroove, ATIP - действительное вре­мя по разметке), одновременно служащая и для разбивки диска на кадры (блоки), и допол­нительная информация о диске - коды, рекомендуемые значения скорости вращения и мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и пользовательских областей диска и для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной ин­формационной дорожке.

Кроме этого, диск содержит две служебные области: область калибровки мощности (Power Calibration Area, РСА) и область памяти программы (Program Memory Area, PMA), расположенные внутри от «официального» радиуса начала записи. Первая используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, вторая - для временного хранения параметров и адресов дорожек в случае записи одной сессии в несколько приемов.

РСА и РМА представляют собой таблицы фиксированной длины емкостью по 100 эле­ментов каждая, что ограничивает как общее количество случаев записи, так и этапов фор­мирования незакрытых сессий.

Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area); она мо­жет формироваться в несколько приемов, между которыми адреса и параметры дорожек со­храняются в РМА. На этом этапе доступ к записанным дорожкам имеют только приводы CD-R, так как обычные приводы CD-ROM «не знают» о РМА и требуют, чтобы программная область была обрамлена зонами Lead-In (4500 блоков - 9 Мбайт, время записи 1 мин) и Lead-Out (2250 блоков - 4,5 Мбайт, время записи 30 с), а также наличия ТОС в Lead-In. Структура, состоящая из зон Lead-In, Program Area и Lead-Out, называется сессией, а про­цесс записи Lead-In и Lead-Out вокруг области данных - закрытием сессии.

Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является дорожка (track) в формате CD-DA (Compact Disk-Digital Audio) или CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory). Минимальная длина дорожки - 300 блоков (вместимость данных 600 кбайт, время записи 4 с). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (pre­gap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 кбайт, время записи 2 с) для од­нотипных дорожек и 225 блоков (450 кбайт, время записи 3 с) для дорожек разных типов.

Маркировка дисков: обозначениями CD-R и CD-RW маркируются однократно исполь­зуемые и перезаписываемые диски. Диски CD-R можно применять для записи в приводах CD-RW, но не наоборот.

На всех дисках указывается максимальное гарантированное время записи (обычно 74 мин, 333 000 блоков). В случае, когда предварительная разметка сделана на большее вре­мя, на диск возможна запись более продолжительной программы, однако в случае недоста­точной длины размеченной дорожки диск будет испорчен. Точное количество доступных для записи блоков зависит от модели диска; его можно получить, запросив свойства диска в записывающей программе. Некоторые диски имеют менее 333 000 доступных блоков.

На большинстве дисков указана их максимальная вместимость (обычно 650 Мбайт при размере блока 2048 байт). На дисках некоторых производителей (например, Maxell) вмести­мость в рекламных целях указывается в миллионах байтов (680), что означает те же 650 Мбайт. Отдельные диски маркируются цифрой 780, что обозначает емкость диска в звуковых секторах (74 мин по 176 кб). При записи в формате mode 2 за счет большей величины блока данных возможна запись более 650 Мб ценой снижения корректирующей способности кода.

На диске или коробке сообщается также максимально допустимая скорость записи (1х...6х). Для записи на повышенных скоростях необходим рассчитанный на эти скорости регистрирующий слой. Превышение допустимой скорости записи может привести к смазы­ванию информационных меток и последующей плохой читаемости диска либо к полной его негодности. Отсутствие маркировки скорости или упоминания о ней в сопроводительном тексте говорит о том, что запись на повышенных скоростях не гарантируется.

Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными. Поскольку отра­жающий слой дисков CD-R/RW как правило выполняется из золота и серебра, менее под­верженных окислению, чем алюминий, в большинстве штампованных дисков они тускнеют медленнее обычных. Однако материал регистрирующего слоя CD-R/RW более чувствите­лен к свету и также подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому чувствительна к ударам и деформаци­ям диска, например к его перегибу при извлечении из коробки. Наиболее оптимистичная оценка времени жизни дисков на основе фталоцианина - около 100 лет, однако реальные цифры для большинства современных дисков (цианин и другие материалы) гораздо ниже. Примерная оценка долговечности среднего CD-R на основе массовой статистики - около двух-трех лет и более при аккуратном обращении и около года - при интенсивном использо­вании в сочетании с неаккуратным обращением (удары, перегибы, воздействие тепла, влажно­сти, яркого света и т. п.). Для качественно изготовленных и записанных дисков при полном со­блюдении условий хранения и эксплуатации время жизни оценивается минимум в 10 лет.

Изготовление и тиражирование компакт-дисков. Основной способ изготовления дис­ков - прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высоко­точным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста - материала, изменяю­щего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальва­нопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матри­цей при мелкосерийном производстве либо основой д ля снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.

Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессу­ется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и изображения.

Диски с возможностью записи (CD-R) изготавливаются таким же методом, но между ос­новой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при на­гревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются непрозрачные участки, эквивалентные питам (углублениям). Для облегчения слежения за до­рожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф (разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.

Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player, CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имею­щие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные.

Хотя запись на так называемый мастер-диск осуществляется с помощью лазера, этот способ не пригоден для производства сотен или тысяч копий. Запись одного мастер-диска длится более полутора часов. Кроме того, в качестве основы для мастер-дисков использу­ются материалы, которые недостаточно прочны и надежны. Если необходимо напечатать небольшой тираж компакт-дисков, с оригинала (мастер-диска) методами химического осаж­дения и последующей гальванопластики снимается металлическая копия (матрица). Ее уже

Можно использовать для печати копий (таким способом штампуются виниловые грампла­стинки). Однако этим методом можно получить лишь небольшое количество экземпляров, поскольку матрица постепенно изнашивается. Процесс массового производства дисков со­стоит их трех этапов:

С мастер-диска вышеописанным способом снимается первичная матрица;

С помощью первичной матрицы делают копию мастер-диска, на этот раз из достаточ­но прочного металла;

Эту копию мастер-диска можно многократно использовать для получения вторичных (рабочих) матриц.

При таком способе можно получить множество рабочих матриц с одной копии мастер - диска, причем его оригинал сохраняется практически в неприкосновенности, а в технологиче­ском процессе используются относительно недорогие материалы. Те компакт-диски, которые приобретаются в магазине, отштампованы на поликарбонатной основе, покрытой алюминием и защитным слоем пластика. Тонкое алюминиевое покрытие повторяет профиль поверхности основы, что позволяет по отражению лазерного луча от поверхности определить, есть ли на ней углубление или нет. Описанная технология используется как при производстве звуковых дисков, так и CD-ROM.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивно­сти отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Оно поступает на фо­тодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от гладкой поверхности или был рассеян на неоднородности. Углубления (штрихи), нанесенные на компакт-диск в процессе записи, представляют собой неоднородности. Более сильный сиг­нал с датчика соответствует ровной поверхности («плато»), более слабый - углублению. При прохождении луча вдоль дорожки записи (а точнее, при движении дорожки записи под лучом, поскольку считывающее устройство перемещается вдоль радиуса диска, а вращается сам диск) формируется последовательность импульсных электрических сигналов, преобразуемых затем специализированным процессором либо в форму двоичных данных, либо в звук.

Глубина каждого штриха на диске - 0,12 мкм, ширина - 0,6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет

1, 6 мкм. Это означает, что плотность дорожек (а точнее, витков одной дорожки) достигает 16 ООО дорожек на дюйм (Tracks Per’Inch, TPI, единица измерения плотности их располож­ения). Длина штрихов и участков плато вдоль дорожки записи может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия диска и заканчивается примерно в 5 мм от его внешнего края (т. е., наоборот, по сравнению с грам­пластинками, дискетами и т. д.). Общая длина спирали составляет около 5 км.

Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место записи определенных данных, то его координаты предварительно считываются из оглавле­ния диска, после чего считывающее устройство перемещается к искомому витку спирали и ждет появления определенной последовательности битов.

Запись и воспроизведение данных с компакт-диска происходит с постоянной линейной скоростью перемещения дорожки относительно считывающего устройства. Это означает, что при считывании информации с внутренних витков спирали диск должен вращаться бы­стрее, а с внешних - медленнее. Этот способ воспроизведения достался накопителям на CD-ROM «в наследство» от звуковых проигрывателей, в которых скорость считывания дан­ных должна была быть строго постоянной. По этой же причине все компакт-диски разбива­ются на блоки (секторы), частота следования которых при записи и воспроизведении со­ставляет 75 секторов в секунду, а это означает, что при полном времени «звучания», равном 74 мин, на диске располагается 333 ООО блоков.

На дисках, записанных в формате CD-AD, в каждом блоке содержится 2352 байта дан­ных. На CD-ROM 304 байт из них используются дня синхронизации, идентификации и за­писи кодов коррекции ошибок (Error Correction Code, ЕСС), а оставшиеся 2048 байтов пред­ставляют собой полезную информацию. Поскольку за 1 с считывается 75 блоков, то стан­дартная скорость передачи данных для дисководов CD-ROM составляет 153 600 байт/с, что точно равно 150 кбайт/с. Нетрудно подсчитать, что при общем времени «звучания», равном 74 мин, максимальная емкость CD-ROM составит 650 Мбайт.

Компакт-диски с возможностью записи выпускаются в двух вариантах - на 74 и 63 мин.

Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 г. под названием Red Book (Красная книга).

Стандартный компакт-диск состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформи­рован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака так, чтобы вся металлическая поверх­ность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска - 1,2 мм.

Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорож­ку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений - питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от про­межутка к питу и наоборот означает единицу, а длина пита или промежутка - длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определя­ет расстояние 1,6 мкм.

Методы, используемые для записи информации на DVD-диск, аналогичны принципам записи традиционного CD-диска. В настоящее время производятся CD-диски, предназначенные только для воспроизведения, CD-R-диски с возможностью однократной записи и многократно перезаписываемые диски CD-RW.
СD-ROM, DVD-ROM. Как видно из рис. 1, обычный компакт-диск (CD) состоит из прозрачной полимерной подложки (1), металлизированного отражающего слоя (2) с "дырками" (B), при помощи которых записана цифровая информация, и защитного слоя (3), необходимого для придания диску жесткости. Отражающий слой (2) в обычном CD-диске и является слоем, хранящим информацию. Он изготавливается фабричным методом и представляет собой своеобразную матрицу с "выштампованными" в определенных местах "дырками", которые означают логическую единицу. Отсутствие "дырки" подразумевает логический ноль. Считывание информации происходит при помощи лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. При отражении от "дырки" лазерный луч точно попадает на специальный детектор, который выдает "1". При отражении от поверхности луч проходит мимо детектора, который в этом случае распознает "0". Абсолютно те же принципы записи информации лежат в основе DVD-дисков первого поколения; они предназначены только для считывания информации, записанной на них фабричным способом (так называемый DVD-ROM).
CD-R, DVD-R. В конструкции однократно записываемого компакт-диска (CD-R) между подложкой (1) и отражающим слоем (2) находится пигментный слой (4) из металло-стабилизированного цианида (органическая субстанция). В данном случае именно пигментный слой, на котором фабрично "выдавлены" дорожки (A), вдоль которых движется лазерный луч, сохраняет информацию. При записи такого диска в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности "выжигает" в требуемых местах пигментного слоя "дырки" (B). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь "дырку" в пигментном слое (4), отражается от металлизированного слоя (2) и попадает на детектор, который распознает логическую единицу. При отсутствии "дырки" лазерный луч поглощается пигментным слоем, отражения лазерного луча не происходит, и детектор выдает логический ноль. Следует отметить наличие дополнительного шероховатого слоя для надпечатки (5), на котором пользователь после записи информации может нарисовать свою этикетку при помощи шариковой ручки, фломастера или даже специального струйного принтера.
CD-RW, DVD-RAM. Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество (6), способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками.
Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c.
Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66 mm).
Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти.
Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST "выдавлены" дорожки (A), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое (6), и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).

Однослойные DVD.
Как мы уже отмечали, DVD во многом подобен CD, но значительно отличается от него плотностью записи. Как ясно из описанных выше принципов записи, именно предельное количество "дырок", которое может быть размещено на поверхности диска, определяет его информационную емкость.
Первым шагом к созданию нового стандарта можно считать семикратное увеличение емкости CD-диска за счет увеличения плотности записи, которое стало возможным благодаря применению более совершенных источников лазерного луча.
На рис. 2 показаны различия размеров и плотности расположения "дырок" рабочего слоя у DVD- и CD-дисков.
Обычные дисководы CD-ROM используют источник лазерного излучения с длиной волны 780 нм, излучающий невидимый инфракрасный свет. В DVD-плеерах и в DVD-ROM применен излучающий красный свет лазер с длиной волны 650 (635) нм. Такое уменьшение длины волны позволило считывать более мелкие "дырки" рабочего слоя диска, размещенные в более плотно расположенных треках (дорожках записи). Соответствующее увеличение числовой апертуры линзы (Numerical Aperture - угол между крайними лучами светового конуса, попадающего в оптический прибор) с 0,45 до 0,60 дает возможность фокусировать лазерный луч с гораздо большей точностью. Только за счет повышения плотности записи удалось довести емкость диска до 4,7 Гбайт.
Кроме того, значительной модернизации подверглись схемы цифровой модуляции и коррекции ошибок. Современная высокоэффективная схема модуляции (EFM Plus) работает как в 8-, так и в 16-битном режимах, что обеспечивает совместимость с существующими CD-форматами, одновременно позволяя добиться более высокого качества при применении новых DVD-носителей. Новая схема коррекции ошибок (RS-PC Reed Solomon Product Code) примерно в 10 раз эффективнее той, что используется в современных системах считывания.

Двухслойные DVD.
Дальнейшее увеличение емкости диска достигнуто благодаря разработке двухслойного DVD-диска (стандарт DVD-9). Как видно из рис. 3, у двухслойного диска (нижняя схема) имеются целых два рабочих слоя для записи информации. Чтобы реализовать эту модель, для внешнего информационного слоя был создан специальный полупрозрачный материал. При считывании информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь этот полупрозрачный слой, фокусируясь исключительно на треках внутреннего слоя (принципы считывания описаны выше). Считав всю информацию с первого (внутреннего) слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку, изменяя тем самым "глубину проникновения", и приступает к считыванию информации со второго (внешнего полупрозрачного) слоя. Наличие двух рабочих слоев позволяет увеличить емкость до 8,5 Гбайт. Поскольку фокусировка переключается почти мгновенно, а применение электронного буфера гарантирует отсутствие перерывов в исходящем цифровом потоке, двухслойную модель DVD-диска намечается использовать в приложениях, требующих большой и "непрерывной" емкости.
Первый слой двухслойного DVD-диска штампуется из обычных пластмасс на основе поликарбонатов и несет запись на одной стороне. Затем эта сторона заливается тонким слоем полупрозрачного материала, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала, формирующего наружный рабочий слой. Фотополимерному материалу придается жесткость ультрафиолетовым облучением, и DVD-диск заливается прозрачным пластиком, служащим защитным слоем диска. Основная трудность заключается в создании полупрозрачного материала, разделяющего слои записи, поскольку требования, предъявляемые к нему, довольно противоречивы: он должен хорошо отражать лазерный луч (требуемый коэффициент отражения - около 40%) в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. Приоритет в разработке такого материала принадлежит компании 3M, работавшей по заказу Philips-Sony.

Двухсторонние DVD.
Общая толщина всех слоев DVD-диска (как однослойного, так и двухслойного) составляет всего 0,6 мм, что в два раза меньше толщины CD-диска. Для физической совместимости с традиционными компакт-дисками толщина DVD-диска должна равняться толщине CD-диска, т.е. 1,2 мм. В одностороннем однослойном диске (стандарт DVD-5) с задней стороны (с той, где у CD-диска находится этикетка) приклеивается дополнительная подложка толщиной 0,6 мм.
Но такая толщина позволяет изготовить двухсторонний однослойный диск (стандарт DVD-10). Эта идея была предложена компанией Toshiba. Конструктивно процесс производства выглядит следующим образом: два отдельных односторонних DVD-диска склеивают между собой задними сторонами. В результате общая толщина диска та же, что у стандартного CD, - 1,2 мм, но информации такой диск способен вместить в два раза больше; кроме того, за счет уменьшения толщины защитного слоя снижается вероятность ошибок считывания информации, происходивших в CD-дисках из-за случайных отклонений лазерного луча в прозрачном защитном слое.
Таким образом, комбинируя (да-нет) две технологии "удваивания" числа рабочих поверхностей, мы получаем специфицированные в стандарте четыре конструктивно отличающихся формата DVD.
Однослойный односторонний диск DVD-5, преимущественно используется для видеофильмов, так как его емкости вполне достаточно для 92% фильмов, равно как для большинства компьютерных приложений, которым вполне хватает емкости 4,7 Гбайт. Одновременно такой диск оказывается относительно дешевым носителем - его себестоимость всего на 14% превышает себестоимость изготовления традиционного CD-диска.
Следующий по сложности тип диска - односторонний двухслойный DVD-9. Этот тип диска наиболее широкое применение найдет в приложениях, где необходимым условием является большая емкость при недопустимости в перерывах при считывании.
Формат DVD-10 (двухсторонний однослойный диска), предложенный компанией Toshiba, предполагает переворачивание диска вручную после проигрывания одной стороны; его целесообразно использовать, например, для тиражирования очень длинных фильмов или сериалов, не помещающихся на однослойном одностороннем диске. Впоследствии при дальнейшем уменьшении общей толщины всех рабочих слоев диска возможно создание и сверхъемкого двухстороннего двухслойного DVD-17.

Ей в противовес в 1997 году компания Toshiba предложила карту стандарта Smart Media (далее SM), которую поддержали Olympus, Fuji, Samsung и некоторые другие производители. Ими комплектовались все цифровые фотоаппараты марки Olympus.

Компании Sony и SanDisk объединились для создания группы, которая займется разработкой карт флэш-памяти Memory Stick нового поколения, что может помочь Sony нарастить свой потенциал в борьбе против конкурентноголагеря Secure Digital, возглавляемого Matsushita Electric. Фирма Sony заявила о выпуске в апреле текущего года карты Memory Stick Pro емкостью 1 ГБ. Эта новость последовала сразу после того, как на выставке Consumer Electronics Show Matsushita и другие сторонники SD представляли образцы карт этого формата емкостью 1 ГБ, которые должны будут достигать скорости 20 МБ/сек и поступят в продажу в 4 квартале 2003 года. Давнее противостояние между компаниями Sony и Matsushita Electric (торговая марка Panasonic и Secure Digital), видимо, продолжится в будущем и на рынке компактных карт памяти.

Из твердотельных носителей, ориентированных на использование в цифровых устройствах и ПК, следует отметить появившиеся недавно внешние накопители USB Flash Drive. Это похожие на шариковую ручку устройства, совместимые с платформами Windows и Mac, имеют емкость от 32 МБ до 1 ГБ и могут записывать данные со скоростью 1000 КБ/с. Скорости и емкости этих устройств растут, но производитель на этом не останавливается: в конце прошлого года стали появляться на рынке и устройства, совмещающие в себе дополнительные функции, например, защиты данных, или встроенный MP3-плеер. Немногочисленные исследования данного рынка показывают, что распространение флэш-накопителей в России пока невелико.

Сегодня этот сегмент носителей развивается очень быстро, и можно ожидать, что после закономерного падения цен данный флэш-накопитель полностью закроет потребность в компактном носителе для переноса данных с компьютера на компьютер. Представляя собой весьма удобный вариант решения, будучи свободным от многих недостатков традиционных дисковых носителей информации и отличаясь, при этом, непревзойденной стойкостью к механическим воздействиям, флэш-диски, по-видимому, потеснят CD-RW и окончательно вытеснят с рынка магнитные диски

Внешние устройства (ВУ)

Внешними называются устройства, предназначенные для ввода , вывода и передачи информации, т.е. осуществляющие взаимодействие компьютера с внешним миром. Внешние устройства подключаются к процессору через контроллеры. Адаптеры – специальные устройства для управления работой ВУ на аппаратном уровне. На программном уровне ВУ управляются специальными программами – драйверами .

1) Монитор – устройство диалога для отображения вводимой и выводимой информации.

2) Клавиатура – клавишное устройство ввода числовой, текстовой и управляющей информации

3) Мышь – манипулятор для ввода графической и управляющей информации.

4) Принтер – устройство вывода текстовой и графической информации.

5) Сканер - устройство ввода графической информации.

6) Плоттер - устройство вывода графической информации.

7) Модем – устройство связи и телекоммуникации для дистанционной передачи информации в аналоговой форме.

8) Акустические колонки – устройства вывода звуковой информации.

9) Микрофон – устройство ввода звуковой информации.

10) Цифровая видеокамера – устройство ввода видеоинформации.

В соответствии с принципами фон-неймановской архитектуры компьютер должен иметь устройства для обработки информации (арифметической и логической), хранения, ввода и вывода, а также устройство для управления всей работой компьютера. Каким же образом в персональном компьютере реализуется этот принцип? Устройством, обрабатывающим информацию, является центральный процессор (ЦП). Он также обеспечивает согласование действий всей аппаратуры, входящей в состав компьютера. Располагается процессор в системном блоке. Там же расположены запоминающие устройства (память), предназначенные для хранения информации. Устройства ввода и вывода информации расположены вне системного блока. Они играют посредническую роль, обеспечивая взаимодействие человека и компьютера. Для ПК неотъемлемыми устройствами ввода являются клавиатура и мышь, за вывод отвечает монитор, отображающий на своем экране выводимую информацию.

Компьютер работает под управлением программы. Программа представляет собой последовательность команд, которые "понимает" процессор. Процессор считывает очередную команду, анализирует и выполняет. Считывание входных данных с устройств ввода и отправка результатов их обработки на устройства вывода выполняются под управлением процессора. Для хранения выполняемой команды и обрабатываемых данных в процессоре имеются специальные ячейки, так называемые регистры . Но в нём не предусмотрено место для хранения всей программы. Для этой важной цели служит внутренняя (основная) память компьютера. Наиболее существенную часть этой памяти составляет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Именно в нем хранится выполняемая программа и данные, с которыми она работает. Но информация в ОЗУ хранится лишь до отключения компьютера от электропитания. Для долговременного хранения информации предназначена другая - внешняя память , в которой информация при выключении компьютера не стирается. Из внешней памяти выбирается и загружается в ОЗУ для выполнения программа, указанная пользователем. Носителями внешней памяти компьютера являются, например, магнитные и оптические диски. Все дополнительное оборудование, предназначенное для ввода, вывода, передачи, долговременного хранения информации, называют периферийными устройствами . Набор периферийных устройств современного ПК широк и разнообразен.

Архитектура компьютера

Под архитектурой компьютера понимается его принципы работы, логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе . Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули: шине данных, шине адресов ишине управления . Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине , причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т.е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса . Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры . Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts) . Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Архитектура компьютера строится согласно принципам фон Неймана.

1. Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств.

2. Единственным источником активности (не считая стартового и аварийного вмешательства человека-оператора) в ЭВМ является процессор, который в свою очередь управляется программой, находящейся в памяти компьютера.

3. Память состоит из ячеек, имеющих каждая свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации, причем и команда и информация выглядят одинаково (машинное слово).

4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.

5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.

6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания:

· из каких ячеек памяти взять обрабатываемую информацию;

· какие совершить операции с взятой информацией;

· в какие ячейки памяти направить полученную информацию;

· как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять для выполнения следующую команду.

7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

В настоящее время активно используется принцип открытой архитектуры компьютера, который был заложен при разработке ПЭВМ IBM PC. В IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Этот принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован, известен и доступен всем желающим, был назван принципом открытой архитектуры.

Реализация этого принципа такова. На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате. При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Сейчас многие фирмы производят IBM-совместимые компьютеры и комплектующие к ним.

Состав компьютера

Обычно персональный компьютер состоит из трех частей: системный блок, клавиатура (для организации ввода информации в компьютер), монитор (для отображения текстовой и графической информации).

В системном блоке располагаются электронные схемы (микропроцессор, ОП, контроллеры устройств), блок питания (преобразует напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электрические схемы), НГМД (дисководы), НЖМД (винчестер). К системному блоку можно подключать дополнительные устройства ввода-вывода через специальные гнезда (разъемы) на задней стенке компьютера: принтер, мышь, сканер, графопостроитель, модем, факс- модем, звуковые колонки и т.д. Микропроцессор производит все вычисления и обработку информацию. Контроллеры и шина осуществляют обмен информацией между ОП и внешними устройствами (ВУ). Для каждого ВУ в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Все контроллеры взаимодействуют с МП и ОП через системную магистраль по передаче данных, называемую шиной. Блока питания со встроенным вентилятором для охлаждения устройств внутри системного блока. Его легко определить по заметным размерам. В зависимости от типа компьютера мощность блока питания бывает разной. Энергия расходуется компьютером постоянно и порой совершенно бесполезно, когда компьютер включен, но не используется. Поэтому и появились экономичные модели настольных компьютеров. Проработав некоторое время вхолостую, они впадают "в спячку" - выключается монитор, отключаются и "засыпают" другие энергоемкие устройства. Потребление электроэнергии при этом снижается в несколько раз. Но стоит вам коснуться клавиатуры или мышки, компьютер оживет. Такие компьютеры называют "экономически чистыми", или green - "зелеными".

Микросхемы центрального процессора и оперативной памяти расположены на самой большой электронной плате, которую называют системной или материнской платой (motherboard) . Современный центральный процессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), размещенную на кремниевом кристалле и выполненную в виде микросхемы или чипа (англ. chip - чип), Называется он микропроцессором . А термин "сверхбольшая" относится не к размерам микросхемы, а к количеству заключенных в ней электронных элементов (до нескольких миллионов). В компьютерную систему могут входить и другие процессоры, отвечающие за обработку информации на своих участках, например, математический сопроцессор, ускоряющий некоторые виды математических операций.

Внутренняя память состоит из трех частей: оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ) и кэш -памяти . В отличие от оперативной и кэш-памяти, которые хранят данные, пока есть электропитание, ПЗУ является энергонезависимой и используется для хранения неизменяемой информации. В ней записаны программы, с помощью которых происходит тестирование устройств и загрузка операционной системы. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, и содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Basic Input/Output System , или базовая система ввода/вывода). Объем ПЗУ значительно меньше, чем ОЗУ, не превышает несколько сотен Кбайт. Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь современные технологии позволяют обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.

Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате, снабженной контактами, с помощью которых она вставляется в специальный разъем (слот) на материнской плате. Для расширения возможностей компьютера материнская плата снабжается несколькими такими разъёмами. Кэш-память служит для ускорения работы компьютера (подробнее о ней будет сказано чуть позже). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора, и внешняя, устанавливаемая на системной плате.

Для согласованной работы устройств вывода (монитора, звуковых колонок и других) необходимы средства сопряжения этих устройств с компьютером: контроллеры (адаптеры) , управляющие работой устройства, специальные слоты на материнской плате для установки контроллера и кабели для соединения устройства с контроллером. Все эти средства сопряжения предназначены для стандартизации обмена информацией аппаратуры ПК и называются интерфейсом (по-английски inter - между, face - лицо). Различают аппаратный и программный интерфейс. Для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо иметь соответствующий контроллер и подходящую программу-драйвер. Скорее всего, один или два слота расширения на системной плате будут заняты постоянно - в них "воткнуты" видеоадаптер (от него идет кабель к монитору) и звуковая карта (провода от нее идут к колонкам и микрофону). Внешние по отношению к системному блоку устройства (клавиатура, мышь, принтер и другие) подключаются через порты - разъемы, расположенные на задней панели системного блока. Некоторые из устройств внешней памяти, хотя и размещаются внутри системного блока, оформлены в виде самостоятельных узлов. Широкие и плоские кабели идут от материнской платы к дисководу для 3,5-дюймовых дискет, к жесткому диску, к приводу лазерных компакт-дисков.

Похожая информация.

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров прин­цип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 показаны основные элементы конструкции накопите­ля на жестком диске:

· магнитные диски;

· головки чтения/записи;

· механизм привода головок;

· двигатель привода дисков;

· печатная плата с электронной схемой управления.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколь­кими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Бли­же к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя нахо­дится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмос­феру. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется спе­циальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по парамет­ру, называемому формфактор (Form-Factor). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров из­готовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В со­временных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и ке­рамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температу­ры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой сто­роны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давле­ние воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к повер­хности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

Механизм привода головок обеспечивает перемеще­ние головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и виб­рационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 - 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относи­тельной скоростью 60 - 80 км/ч). Скорость вращения дисков не­которых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вра­щается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только верти­кально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управ­ления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На пе­чатной плате монтируются электронные схемы управления двига­телем и приводом головок, схема для обмена данными с кон­троллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;

2. Логическая структура дискет;

3. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;

4. Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;

5. Современные модели накопителей;

6. Логическая структура жесткого диска;

7. Форматирование жестких дисков;

8. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)

Студент должен:

иметь представление:

· о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)

знать:

· принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;

· эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;

· принцип действия и основные компоненты привода DVD;

уметь:

· подключать приводы CD и DVD дисков;

Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Методические указания

Приводы CD-ROM

CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хране­ния в цифровом виде предварительно записанной на него инфор­мации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.

Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.

На первом этапе создается информационный файл для последу­ющей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штри­хов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плос­кости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спираль­ной дорожки, расстояние между соседними витками которой со­ставляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблет­ся от 0,83 до 3,1 мкм.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой техно­логии диск называется мастер-диском. Для тиражирования ком­пакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимает­ся несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мас­тер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражи­рования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирова­ние осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поли­карбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом го­рячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обес­печивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.

Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональ­ные узлы:

· загрузочное устройство;

· оптико-механический блок;

· системы управления приводом и автоматического регулиро­вания;

· универсальный декодер и интерфейсный блок.

На рисунке 7 дана конструкция оптико-механического блока при­вода CD-ROM, который работает следующим образом. Электро­механический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания порадиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, по­ступающим от встроенного микропроцессора, перемещает под­вижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фоку­сирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразую­щий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фо­тодатчика поступают на универсальный декодер.

Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считы­вания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последователь­ности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линей­ной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для об­работки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декоде­ра, оперативное запоминающее устройство и контроллер управле­ния декодером. Применение двойного декодирования дает возмож­ность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию бу­ферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых дан­ных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформа­ции ЦАП преобразует закодированную информацию в аналого­вый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильт­ром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к кон­кретным задачам.

Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от но­сителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необхо­дима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров ви­деоизображения и искажение звука.

Качество считывания характеризуется коэффици­ентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считыва­нии.

Среднее время доступа (Access Time - AT) - это вре­мя (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.

Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения счи­танных данных.

Средняя наработка на отказ - среднее время в ча­сах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.

В процессе развития накопителей на оптических дисках разра­ботан целый ряд основных форматов записи информации на CD.

Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт ло­гической организации данных.

Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помо­щью приводов всех типов, что привело к широкому тиражирова­нию программ на CD и способствовало созданию компакт-дис­ков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической ви­деоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические дан­ные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории муль­тимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

Формат CD-I (Jntractive) разработан для широкого круга пользо­вателей как стандарт мультимедийного диска, содержащего раз­личную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.

Формат 3DO разработан для игровых приставок.

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интер­фейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высо­коскоростным интерфейсом SCSI.

Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производ­ства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических ре­шений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости.

Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуко­вой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуко­вое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улуч­шенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полу­проводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой об­ласти 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравне­нию с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возмож­ность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоигра­ющих пластинках.

Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декоде­ром MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписы­вающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скоро­сти записи информации около 1 Мбайт/с.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;

2. DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Современные диски чаще всего попадают в одну из двух категорий – CD или DVD. Обе категории основаны на одном принципе записи и в то же время отличаются друг от друга объемом записанной на них информации и другими техническими характеристиками. Аббревиатура CD расшифровывается как Compact Disk – компактный диск, впрочем, обычно говорят «компакт-диск», аббревиатура DVD сначала означала Digital Video Disk – цифровой видеодиск, но впоследствии стала расшифровываться как Digital Versatile Disk – цифровой универсальный диск.

В чем же сходство и отличие компакт-дисков и DVD? Основное и, пожалуй, единственное сходство заключается в том, что они лазерные. Информация на них записывается на спиралевидную дорожку, наподобие обычной виниловой грампластинки. При этом каждый бит информации на дорожке хранится в виде питов – небольших пятен, или углублений на рабочем слое, и лэндов – ровных, нетронутых участков слоя. При считывании луч лазера попадает на питы и лэнды, после чего отражается в приемное устройство, фиксирующее результат чтения. Физический размер самих дисков один и тот же – диаметр CD и DVD составляет 12 см.

Примечание

Термины «пит» и «лэнд» произошли от английских слов pit – «углубление», «ямка», и land – «земля», «почва». Оба этих термина прочно вошли в компьютерную литературу, как и многие другие слова, имеющие англоязычное происхождение.

Список различий CD и DVD значительно обширнее.

Плотность записи информации на DVD значительно выше, чем на CD. На DVD питы физически меньше по размеру, расположены ближе друг к другу, как и соседние кольца спиральной дорожки. Все это в конечном счете дает значительный выигрыш в плотности информации на DVD по сравнению с компакт-дисками.

DVD имеют несколько рабочих слоев, а компакт-диски всегда однослойные. DVD может иметь до четырех рабочих слоев, по два на каждой из сторон диска. Чем больше рабочих слоев, тем больше и объем диска. Емкость стандартного компакт-диска равна 700 Мбайт, а на стандартный однослойный DVD можно записать на домашнем компьютере до 4,7 Гбайт. Отштампованные на заводе DVD на порядок вместительнее CD – их объем достигает 8,5 Гбайт.

Коррекция ошибок, которая присутствует и на CD, и на DVD, у последних на порядок выше.

Все эти различия приводят к тому, что устройства чтения и записи CD не могут читать и записывать DVD. Напротив, современные DVD-устройства могут записывать CD.

CD и DVD подразделяются на множество других категорий.

Созданные на заводе методом штамповки с матрицы, называемые дисками только для чтения и обозначаемые CD-ROM и DVD-ROM (ROM означает read only memory – «только для чтения»).

Позволяющие выполнять однократную запись с привода компьютера. Они обозначаются аббревиатурами CD-R, DVD-R, DVD+R (R означает wRitable – «записываемый»). На записываемые диски можно записать данные либо всего один раз (если «под завязку» заполнить диск информацией), либо в несколько приемов, или, как говорят, сеансов, каждый раз понемногу дописывая информацию, пока все доступное место на диске не заполнится. Стереть что-либо с записываемого диска невозможно.

Допускающие многократную перезапись, которые обозначаются CD-RW, DVD-RW, DVD+RW (RW означает ReWritable – «перезаписываемый»), DVD-RAM. В быту записываемые и перезаписываемые диски часто называют «болванками», или «заготовками». Перезаписываемые диски позволяют записывать и стирать информацию многократно. Производители перезаписываемых дисков гарантируют от 1000 до 100 000 циклов записывания/стирания.

Гарантия на считывание данных с CD-ROM составляет около 10 лет, с записываемых и перезаписываемых дисков – от 10 до 200 лет, хотя на практике это, естественно, пока не проверено. Перезаписываемые диски стоят чуть дороже записываемых, зато служат очень удобной и, главное, емкой заменой дискеты.

В последнее время на рынке появилось новое поколение оптических дисков – Blu-ray и HD DVD (High-Definition DVD – DVD высокого разрешения).

Диски Blu-ray (BD) получили свое название от комбинации слов blue («голубой») и optical rау («оптический луч»). Стандарт Blu-ray был разработан группой компаний по производству бытовой электроники и компьютеров во главе с Sony.

Диск Blu-ray используется для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой четкости, с повышенной плотностью. Основным отличием таких дисков от CD и DVD является большая емкость хранения данных, а также использование технологии голубого лазера с длиной волны всего лишь 405 мкм, в то время как в CD и DVD используется красный лазер с длиной волны 780 мкм и 650 мкм соответственно. Благодаря этому появилась возможность записывать данные более плотно и, таким образом, значительно увеличить емкость диска.

Структурный дизайн диска Blu-ray сильно отличается от структуры CD или DVD. Покрывающий слой CD – 1,2 мм толщиной; аналогичный слой DVD – 0,6 мм. Диск Blu-ray покрыт слоем всего в 0,1 мм толщиной; благодаря чему достигается оптимальная дистанция между дорожками данных и оптической системой устройств для чтения/записи дисков. Расстояние между дорожками на поверхности дисков Blu-ray – 0,32 мкм. Голубой лазер составляет примерно 1/5 ширины красного лазера, используемого в DVD. Отсюда следует, что с помощью голубого лазера можно достичь увеличения емкости хранения данных на 500 %.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 33 Гбайт данных, двухслойный диск может вместить 54 Гбайт – достаточно для записи на него приблизительно восьми часов HD-видео. Кроме того, в разработке находятся диски вместимостью 100 Гбайт и 200 Гбайт с использованием четырех и шести слоев соответственно.

Диск HD DVD имеет такую же базовую структуру, что и DVD, и много общего в технологии производства. Диск диаметром 120 мм состоит из двух склеенных оснований толщиной 0,6 мм. Дорожки на поверхности HD DVD образуются в процессе формовки расплавленного поликарбоната на металлической пластине матрицы. Однако в сравнении с обычным DVD, для HD DVD необходимо, чтобы расстояние между двумя дорожками на поверхности диска было меньше для достижения более высокой плотности записи (DVD – 0,74 мкм, HD DVD – 0,4 мкм).

Однослойный HD DVD имеет емкость 15 Гбайт, двухслойный – 30 Гбайт. Компания Toshiba также заявила о выпуске трехслойного диска, который будет хранить 45 Гбайт данных.

Форматы Blu-ray и HD DVD обратно совместимы с DVD и оба используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2, Video Codec 1 (VC1, базируется на формате Windows Media 9) и H.264/MPEG-4 AVC.

Как записываются компакт-диски

Как уже говорилось, информация на CD и DVD хранится в виде питов и лэндов. В случае CD-ROM и DVD-ROM питы представляют собой углубления в рабочем слое, расположенные вдоль спиралевидной дорожки. Запись на CD-ROM и DVD-ROM производится путем штамповки на специальной пластмассе – поликарбонате. Начало записи находится возле центра диска. При чтении диска луч лазера движется по спирали от центра диска к его краю и при этом по-разному отражается от лэндов и питов. Отраженный луч попадает на приемник, который регистрирует переходы пит-лэнд как логическую единицу, а отсутствие перехода – как логический нуль. Таким образом, с диска считывается последовательность единиц и нулей, составляющих двоичный информационный код – основу основ компьютерной информации.

Запись на диски, как записываемые, так и перезаписываемые, производится лучом лазера. Среди различных слоев, образующих записываемый и перезаписываемый компакт-диск, есть специальный рабочий слой, на который и производится запись или, как иногда говорят, «прожиг» лучом лазера. Считывание информации с записываемых и перезаписываемых дисков происходит аналогично дискам CD-ROM и DVD-ROM, только роль питов при этом играют пятнышки, выжженные лучом лазера.

Большая часть программ, видеофильмов и компьютерных игр распространяются на CD-ROM и DVD-ROM, поскольку именно эти диски производятся промышленным способом. На домашнем же компьютере вы сможете создать только записываемые и перезаписываемые диски, используя для этого специальные устройства чтения и записи CD/DVD. Популярность этих устройств весьма велика, и ими оснащаются все современные персональные компьютеры.

Режимы записи компакт-дисков

CD и DVD могут быть записаны в трех режимах: TAO (track-at-once – «трек (дорожка) за раз»), SAO (session-at-once – «сессия (сеанс) за раз») и DAO (disk-at-once – «диск за раз»). Поясню, что это значит, – при создании дисков программа Nero предлагает выбрать один из этих режимов, и следует знать, что вы получите в результате.

TAO – диск записывается за несколько проходов, каждый раз по одной дорожке. Минимальная длина записанной дорожки – 300 блоков (600 Кбайт для типичного компакт-диска с данными). Максимально – 99 дорожек на диск. Лазер в процессе записи включается и выключается несколько раз, поэтому устройство записи оставляет между треками пару блоков, называемых «выход» и «вступление».

SAO – диск записывается за несколько сеансов (сессий). При этом исключаются разрывы между дорожками, и в то же время после каждой сессии диск остается «открытым» для последующих сессий, что дает возможность пополнять его новыми данными. Например, можно пополнять музыкальный диск аудиозаписями или заносить на архивный диск новые порции данных.

DAO – весь диск записывается целиком за один раз, при этом возможна запись многих дорожек. Запись не должна прерываться, и после завершения информация не может больше добавляться на диск – диск «закрывается» – финализируется.

Во всех этих режимах при каждом сеансе записи компьютерных или аудиоданных на соответствующей части компакт-диска создаются три зоны: Lead-in (вход), Program area (область данных или программ) и Lead-out (выход). У DVD каждая запись имеет практически такую же структуру – Lead-in, Data zone (зона данных) и Lead-out. У двухслойных DVD есть еще Middle zone (промежуточная зона) между слоями. В зонах расположена следующая информация:

В Lead-in и Lead-out – различная служебная информация;

В Program area и Data zone – собственно вся та информация, которая есть на диске в виде аудио-, видео-, текстовых, графических и других данных.

Зона Lead-in может быть стартовой частью либо всего CD или DVD, либо каждой сессии мультисессионного компакт-диска. В CD зона Lead-in содержит оглавление, называемое таблицей TOC (Table of Content – «таблица оглавления»). В частности, для аудиодисков в TOC записывается время начала каждой аудиодорожки, общее время записи. В DVD зона Lead-in содержит информацию, описывающую содержимое и тип диска.

Зона Lead-out – последняя часть CD-ROM или одной из сессий мультисессионного компакт-диска. В DVD она помещается сразу после зоны данных Data zone. Эта зона содержит специальную метку – идентификатор конца записи.

Если записать диск в режиме DAO, то есть весь диск за раз, то на нем будет единственная входная зона Lead-in, единственная выходная зона Lead-out и единственная зона данных Data zone. Если же записать один и тот же диск за несколько раз – в режимах TAO или SAO, то на диске будет создано несколько зон Lead-in и Lead-out, то есть такой диск станет мультисессионным.

Таким образом, выбирая в программе режим записи за множество сессий, можно многократно дописывать на диск порции информации. Если же выбрать режим однократной записи, то диск будет финализирован и на него больше не удастся ничего записать. В процессе знакомства с программой Nero будет описано, как выбирать режим записи при создании собственных дисков.

1.2. Форматы дисков

Итак, вы узнали, что оптические CD/DVD содержат информацию в виде записей, имеющих определенную структуру, или, как иногда говорят, формат . В зоны данных дисков может записываться самая разнообразная информация. Для большинства пользователей компьютеров наибольший интерес представляют аудиодиски с музыкой, диски с какими-то данными и видеодиски с фильмами. Вся полезная информация, хранимая на дисках, записывается на них в определенном формате, чтобы устройства воспроизведения (проигрыватели дисков) могли правильно прочитать и воспроизвести информацию, например показать вам фильм на DVD.

Внимание!

Подчеркнем, что существуют форматы дисков и форматы данных на дисках, хотя подчас эти термины путают. Следует четко отделить одно от другого: формат диска, например DVD-ROM, – это формат самого диска, его структуры, определяемой технологией его изготовления. А формат DVD-Video – это формат данных на диске. Например, DVD-Video можно изготовить на заводе путем штамповки DVDROM или записать на домашнем компьютере, используя заготовки DVD-R, DVDRW и другие с помощью пишущего привода CD/DVD. При этом на диск DVD-R записываются данные в формате DVD-Video.

Форматов записи данных на CD/DVD существует великое множество. Сейчас я вкратце опишу форматы, с которыми вам придется чаще всего сталкиваться при создании собственных компакт-дисков или DVD.

Все компакт-диски ведут свое происхождение от музыкального диска формата Audio CD, который определяет структуру записей цифровых музыкальных дисков. Компакт-диски, записанные в этом формате, будут читаться на бытовых проигрывателях, поэтому при записи музыкальных дисков следует выбирать формат Audio CD. С появлением музыкальных MP3-дисков популярность Audio CD несколько снизилась, но они все еще широко представлены в продаже. Основные характеристики формата Audio CD таковы.

Звук записывается в формате стерео с частотой до 44 КГц, что полностью покрывает весь диапазон частот, слышимых человеком.

На Audio CD можно записать не более 99 звуковых дорожек. Это следует учитывать при записи на диск Audio CD музыкальных файлов из различных источников.

Записывать диски Audio CD лучше в режиме DAO, что абсолютно исключает вероятность появления неприятных щелчков в паузах между записями, характерных при записи в режиме TAO. Переписать уже готовый компакт-диск Audio CD простым копированием в Проводнике Windows не получится. Для этого программа Nero предоставляет специальные инструменты, о которых будет рассказано в этой книге.

Дальнейшим развитием формата Audio CD стал SACD – Super Audio CD. По качеству воспроизведения эти диски выше стандартных компакт-дисков. Обычные проигрыватели компакт-дисков в состоянии воспроизводить гибридные диски Super Audio CD, которые имеют два слоя – один выполнен в обычном формате Audio CD, другой – в формате Super Audio CD.

Для DVD также имеется формат Audio DVD. Качество звука в нем может быть выше, чем у дисков Audio CD, но даже эксперты часто не в состоянии отличить по качеству Audio DVD от Super Audio CD. И тот и другой форматы не пользуются широкой популярностью. Хотя диски в формате Audio DVD выходят, но далеко не столь крупными тиражами, как обычные Audio CD.

CD Extra и Mixed-mode

CD Extra (или Enhanced CD – компакт-диск расширенной архитектуры) представляет собой диск с двумя сессиями записи. Первая сессия содержит звуковые данные, например музыкальные, а вторая сессия – произвольные данные. Обычные бытовые проигрыватели, поддерживающие формат Audio CD, могут прочитать на CD Extra только первую сессию со звуковыми данными.

Mixed-mode CD – диск смешанного формата, на котором могут храниться как аудиозаписи, так и произвольные компьютерные данные. При этом первой на диске располагается запись с компьютерными данными, а вторая и последующие записи содержат аудиоданные. Поэтому бытовые проигрыватели не могут читать такие диски.

Первым форматом хранения видеоданных на компакт-дисках был Video CD (VSD). Такой диск хранит видеоданные в сжатом виде, определяемом специальным форматом MPEG-1, и допускает воспроизведение видео с разрешением 352 x 240 для системы NTSC и 352 x 280 для PAL/SECAM. Качество воспроизведения видео у таких дисков не идет ни в какое сравнение с DVD-Video, и на сегодняшний день диски формата Video CD устарели. Video CD может читаться на проигрывателе CD-Interactive (CD-I) и на всех современных компьютерных приводах.

Более высоким качеством воспроизведения видео – нечто среднее между Video CVD и DVD-Video – обладают диски формата Super Video CD (SVCD). Хотя диски этого формата мало распространены, программа Nero позволяет их создавать.

Формат miniDVD позволяет записать на компакт-диск файлы в формате DVDVideo. Малая емкость компакт-диска позволяет поместить на него видео длительностью проигрывания не более 15–20 минут.

Наиболее распространенным форматом хранения видео является DVD-Video. Диски этого формата могут читаться на всех бытовых проигрывателях DVD. Такие диски могут хранить некоторое количество голливудских блокбастеров и содержать меню, звуковые дорожки на нескольких языках, субтитры, несколько точек съемки под разными углами.

Довольно интересны видеодиски MPEG-4, формат которых пока не признан как официальный формат дисков. Видеофильм в формате MPEG-4 представлен единственным файлом, часто с расширением AVI, который можно записать на любой перезаписываемый диск или отштамповать в формате CD-ROM и далее использовать в качестве носителя видеоданных для проигрывания на компьютере.

Официально диски MPEG-4 выпускаются для просмотра именно на компьютере. Впрочем, можно сказать, что и по телевизору, так как в настоящее время мало найдется видеокарт, не имеющих видеовыхода на телевизор. Таким образом, запускаете фильм на компьютере, а смотрите его на телевизоре.

Диски данных Data CD/DVD

Формат Data CD/DVD предназначен для хранения произвольной информации, то есть для записи произвольных файлов. В качестве этих файлов могут использоваться аудиозаписи, видео, архивные данные. Как правило, диски этого формата используются для работы на компьютере, однако некоторые DVD-проигрыватели могут читать и воспроизводить информацию на дисках, например проигрывать фильмы или музыку, отображать фотогалереи. Чтобы приводы компакт-дисков и DVD могли прочитать файлы на диске данных, в оглавление диска записывается таблица, содержащая адреса всех файлов. С помощью этой таблицы привод находит на дорожке диска начало файла и считывает нужную информацию. Рассмотрим эту технологию подробнее.

1.3. Файловые системы CD и DVD

Чтобы проигрыватель дисков или компьютерный привод мог правильно читать информацию на CD/DVD большинства форматов, на дисках создается файловая система, подобная создаваемой на жестких дисках компьютера. Файловая система представляет собой определенную информацию, добавляемую на диск, с помощью которой формируется структура папок и файлов на диске. Файловая система также хранит вспомогательные данные об информации, расположенной на диске. Все эти данные файловая система предоставляет считывающему устройству, чтобы оно могло получить доступ к файлам на диске. В том или ином виде файловая система присутствует практически на любом компакт-диске или DVD, за исключением Audio CD.

Файловые системы бывают различных типов. Вкратце рассмотрим некоторые из них.

Для CD-ROM стандартной файловой системой является ISO 9660 с различными модификациями. Для других форматов CD файловая система ISO 9660 имеет различные модификации. Не вдаваясь в подробности, хотелось бы только отметить, что файловая система ISO 9660 вначале подразумевала следующие ограничения для папок и файлов:

В имени файла могут употребляться только заглавные буквы, цифры и символ подчеркивания;

Длина имени файла не может быть больше восьми символов, длина расширения – не более трех символов;

Глубина вложения папок, включая корневой каталог, – не более восьми;

У названия папки не может быть расширения.

Таким образом, файловая система ISO 9660 изначально была полностью совместима с операционной системой MS-DOS. В дальнейшем было разрешено увеличить количество символов в имени файла до 32 и более. Поэтому при записи дисков в настоящее время у вас не возникнет проблем с файлами, у которых имена состоят более чем из восьми символов, что часто бывает в операционной системе Windows.

Альтернативной ISO 9660 файловой системой, применяемой для дисков данных, является Joliet, разработанная Microsoft, чтобы обеспечить поддержку длинных имен файлов и кодировку символов Unicode, что важно для международного использования технологий CD/DVD. Файловая система Joliet допускает имена файлов до 64 символов, глубина вложения папок ограничена восемью, а общая длина полного путевого имени не должна превышать 255 символов, включая пробелы.

Для всех DVD используется файловая система UDF (Universal Disk Format – универсальный формат дисков). В соответствии с UDF на самом верхнем уровне иерархии диск представляет собой том, содержащий следующие части:

Видеозону в папке VIDEO_TS , в которой расположены видеоданные;

Аудиозону в папке AUDIO_TS , в которой расположены аудиоданные;

Зону данных, занимающую всю остальную часть диска.

Видеофайлы должны располагаться в папке VIDEO_TS и иметь формат VOB (Video Object – видеообъект). Их размер не может быть более 1 Гбайт, и они должны быть записаны в виде непрерывной последовательности. Имя файлов должно состоять не более чем из восьми символов, расширение – из трех символов. Файлы формата VOB могут включать в себя не только видео– и аудиоданные, но и вспомогательные изображения, а также данные для навигации по записанному видеофильму, позволяющие перемещаться по меню DVDи фрагментам видеофильма.

Файлы, не отвечающие требованиям UDF, не будут считываться бытовым проигрывателем DVD, то есть вы не сможете просмотреть DVD-фильм на бытовом проигрывателе, если он записан на диск с отступлениями от указанных выше правил. Аудиофайлы должны находиться в папке AUDIO_TS . Зона данных может содержать любые папки, хранящие записанную на диск информацию. Максимальная длина имени файлов данных – не более 255 символов.

Средства записи дисков пакета Nero 8 Premium позволяют выбирать файловую систему на записываемом CD/DVD, предлагая при выполнении отдельных операций оптимальный вариант. Как правило, выбранная по умолчанию файловая система оптимальна для решения большинства задач, но в некоторых случаях приходится устанавливать ее вручную.

1.4. Устройства чтения/записи CD и DVD

В настоящее время существуют устройства, которые могут только читать CD и DVD, но не могут их записывать, и устройства, которые могут и читать, и записывать диски. Первый тип устройств называется приводами CD-ROM или DVD-ROM. Они сравнительно дешевы, но им на смену идут устройства второго типа, которые называются пишущими приводами CD и DVD и уже сопоставимы по цене с приводами CD-ROM и DVD-ROM.

В заводских условиях для изготовления компакт-дисков используется специальное оборудование, штампующее диски формата CD-ROM и DVD-ROM. Но в данном случае интерес представляют бытовые устройства записи CD и DVD, в просторечии называемые «драйвами» (от англ. drive – «накопитель»), «приводами», «резаками», «писаками», «писалками». В этой книге они будут называться приводами. Они реализованы в виде компьютерных периферийных устройств, как внешних, так и встроенных в системный блок.

Наиболее распространены в настоящее время приводы CD-RW и DVD-RW. При этом привод CD-RW может записывать CD-RW и CD-R. Привод DVDRW обычно может записывать следующие форматы: CD-RW, CD-R, DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW/-RW. Реже поддерживается запись DVD-RAM, хотя это наиболее распространенный формат в бытовых, не компьютерных устройствах. Существуют также комбинированные приводы, с маркировкой combo – так их обычно помечают в прайс-листах и ценниках магазинов. Они могут читать DVD и записывать CD-R/-RW.

В целом тенденция такова, что не только CD-, но и DVD-записывающие устройства медленно, но неуклонно уходят в прошлое. На смену им идут приводы Blu-ray с объемом записи до 25–50 Гбайт, HD DVD с объемом записи 50 Гбайт. В обоих приводах для записи используется лазер, генерирующий свет синего спектра, что дает возможность выполнять более плотную запись.

Скоростные характеристики CD– и DVD-приводов

Чем быстрее вращается диск в приводе, тем быстрее с него можно считывать данные, конечно, с учетом некоторых других факторов. Если на диске нет никаких дефектов, он будет читаться на максимальной скорости, поддерживаемой приводом.

При записи диска влияние скорости вращения на быстродействие не так просто. С одной стороны, определенную скорость записи поддерживает сама заготовка диска. На более высокой скорости записать диск нельзя, поэтому поддерживающий высокую скорость записи привод не сможет записывать диски быстрее, чем это позволяет заготовка. По этой причине скорость записи на одном и том же приводе будет различной для записываемых и перезаписываемых CD и DVD. Обычно перезаписываемые диски записываются на более медленной скорости, чем записываемые. Таким образом, скоростей всего две:

Скорость чтения данных с диска – зависит от привода;

Скорость записи данных на диск – зависит как от привода, так и от самого диска.

Рассмотрим эти характеристики по отдельности.

Скорость приводов

Часто на передней панели привода компакт-дисков можно встретить надпись вроде 52х – это означает, что максимальная скорость чтения компакт-дисков равна 52. Под этим, в свою очередь, подразумевается, что скорость вращения диска и, как следствие, скорость считывания данных с диска равна 52 единицам. Что же это за единицы?

За однократную скорость компакт-диска, обозначаемую как 1х, принята скорость считывания данных 150 Кбайт/с. Таким образом, десятискоростной привод должен считывать данные со скоростью 1500 Кбайт/с, а 50-скоростной – практически 15 Мбайт/с – чего на практике обычно не бывает.

Для DVD однократная скорость 1х совсем не то же самое, что для компакт-дисков, и равна 1380 Кбайт/с, а для приходящего на смену нового формата Blu-ray скорость 1х равна 300 Кбайт/с.

Внимание!

В погоне за скоростью производители порой забывают о надежности, и тогда диск, раскрутившийся до запредельной скорости, разлетается в приводе на мелкие кусочки. Привод в этом случае тоже, скорее всего, будет испорчен.

Иногда встречаются и 54-скоростные приводы. Но следует учесть, что высокие скорости – это также и повышенный шум, особенно когда производитель не позаботился о надлежащей звукоизоляции. Для этой проблемы есть свое решение – принудительное снижение скорости вращения диска. Для этого нужно, чтобы:

Сам привод поддерживал снижение скорости;

Была программа, позволяющая устанавливать желаемую скорость.

С первым не все так гладко, как хотелось бы. Отдельные приводы содержат чуть ли не полный спектр скоростей от первой до последней, у других – только максимум. Исходя из практики, можно порекомендовать приводы от фирмы ASUSTek (на панели привода чаще написано ASUS), которые поддерживают широчайший диапазон скоростей – от 4х до максимума с шагом в две скорости. Кроме того, хороши приводы от фирмы NEC с шагом в четыре скорости. А вот некоторые модели приводов поддерживают только максимальную скорость и работают очень шумно. Учитывайте эту особенность при выборе нового привода.

Скорость дисков

Часто диски маркируются величинами скоростей записи, которые они поддерживают. Например, на диске написано 2–10х – это значит, что на диск можно записать информацию с максимальной скоростью 10х, а минимальной – 2х. Казалось бы, в чем проблема? Однако она есть. Некоторые компакт-диски имеют относительно высокую скорость перезаписи. Некоторые не такие уж старые приводы CD-RW не могут перезаписывать диски на высоких скоростях. Если это так, то диск останется лежать у вас мертвым грузом «до лучших времен», пока вы не купите новый привод, который поддерживает высокие скорости. Внимательно выбирайте диски для записи, соотносите их с возможностями вашего привода. Программа Nero 8 включает в себя утилиту снижения скорости дисков, и работа с ней еще будет описана в данной книге.

Итак, в этой главе вы познакомились с основами технологий оптических дисков и теперь, вооружившись знаниями, можете приступить к освоению самой программы Nero. По своей мощности и эффективности она не знает себе равных, но и требования, которые она предъявляет к своим пользователям, также достаточно серьезны. Однако мы к этому готовы – множество настроек, предоставляемых программой для эффективного выполнения операций с CD/DVD, не станут препятствием. Тем более что новейшая версия программы Nero 8 Premium Reloaded снабжена так называемой интеллектуальной панелью для управления работой с многочисленными программами пакета Nero 8. Она значительно облегчает выполнение многочисленных операций работы с дисками, позволяя буквально за пару щелчков кнопкой мыши создавать диски профессионального качества. К ее изучению мы и приступим в следующей главе.

Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:

CD - ROM ( Compact Disk Read - Only Memory ) - запоминающие устройства только для считывания с них информации;

CD - WORM ( Write Once Read Many ) - запоминающие устройства для считывания и однократной записи информации;

CD - R ( CD - Recordable ) - запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;

МО - магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.

Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информации.

1. Приводы CD - ROM

CD - ROM - компакт-диск (CD ), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD - ROM - driver , - дисковода для чтения компакт-дисков.

К числу задач, для решения которых предназначается устройство CD - ROM , можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск информации в базах данных; запуск и работу с игровыми и образовательными программами; просмотр видеофильмов; прослушивание музыкальных CD .

История создания CD - ROM начинается с 1980 г., когда фирмы Sony и Philips объединили свои усилия по созданию технологии записи и производства компакт-дисков с использованием лазеров. Начиная с 1994 г., дисководы CD - ROM становятся неотъемлемой частью стандартной конфигурации ПК. Носителем информации на CD -диске является рельефная подложка, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет материала, как правило, алюминия. Запись информации на компакт-диск представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом. Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска дает сигнал «нуль», а сигнал от штриха - «единицу».

Хранение данных на CD -дисках, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме.

По сравнению с винчестерами CD значительно надежнее в транспортировке. Объем данных, располагаемых на CD , достигает 700 - 800 Мбайт, причем при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.

Рис. 3.7 . Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

Процесс изготовления CD -дисков включает несколько этапов. На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рис. 3.7. Глубина каждого штриха-пита ( pit ) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD -дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD -диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.

Привод CD - ROM содержит следующие основные функциональные узлы:

загрузочное устройство;

оптико-механический блок;

системы управления приводом и автоматического регулирования;

универсальный декодер и интерфейсный блок.

На рис. 3.8 дана конструкция оптико-механического блока привода CD - ROM , который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания по радиусу диска и считывание информации

.
.

Рис. 3.8. Конструкция оптико-механического блока привода CD - ROM

Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 - 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер.

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD . В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD - ROM применительно к конкретным задачам.

Скорость передачи данных ( Data Transfer Rate - DTR ) - максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD - ROM , которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска. Первые приводы CD - ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков. Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной скоростью и т.д. Например, 60-скоростной привод CD - ROM обеспечивает считывание информации со скоростью 9000 Кбайт/с.

Высокая скорость передачи данных привода CD - ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.

Однако дальнейшее, свыше 72-кратности, повышение скорости считывания приводов CD - ROM нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении скорости вращения CD не обеспечивается требуемый уровень качества считывания. И, кроме того, появилась более перспективная технология - DVD .

Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок ( Eror Rate ) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD - ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента - 10 -10 -10 -12 . Когда считываются данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить с помощью помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения.

Среднее время доступа ( Access Time - AT ) - это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные. Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных участков диска. По мере совершенствования приводов CD - ROM среднее время доступа уменьшается, но тем не менее этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100 - 200 мс для CD - ROM и 7 - 9 мс для жестких дисков). Это объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки привода CD - ROM .

Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD - ROM , используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в компьютер с постоянной скоростью. Объем буферной памяти отдельных моделей привода CD - ROM - 512 Кбайт.

Средняя наработка на отказ - среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD - ROM . Средняя наработка на отказ различных моделей приводов CD - ROM 50-125 тыс. ч, или 6 - 14,5 лет круглосуточной работы, что значительно превышает срок морального старения накопителя.

В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD .

Формат CD - DA ( Digital Audio ) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт логической организации данных.

Формат High Sierra ( HSG ) предложен в 1995 г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo - CD разработан в 1990-1992 гг. и предназначен для записи на CD , хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo - CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048x3072 и 256x384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD - ROM , содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS , Windows , OS /2, UNIX , Macintosh .

Формат CD - I ( Intractive ) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD - I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD - DV ( Digital Video ) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG -1 ( Motion Picture Expert Group ).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG .

Формат 3D О разработан для игровых приставок.

Приводы CD - ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E - IDE ), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI .

Самые популярные дисководы CD - ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic , Craetive , Samsung , Pioneer , Hitachi , Teac , LG .