Накопители информации на компакт-дисках
В 1980 г. известные фирмы в области разработки и производства электронной техники Philips и Sony совместно разработали и представили стандарт хранения информации на оптических дисках (компакт-дисках). Поскольку размеры компакт-дисков были значительно меньше (диаметр большинства компакт-дисков равен 120 мм), чем размеры выпускаемых в то время виниловых пластинок, их стали называть компакт-дисками, или сокращенно CD. Первым был разработан оптический диск для хранения звуковой информации, позволяющий хранить до 74 минут высококачественного стереозвука. Запись и чтение осуществлялись в соответствии со стандартом CD-DA (Compact Disk Digital Audio, компакт-диск – цифровой звук). Опубликован был данный стандарт в книге (документе), названном Red Book (красная книга). Все дальнейшие стандарты компакт-дисков вошли в книги: Yellow Book (Желтая книга), Orange Book (Оранжевая книга), White Book (Белая книга), Blue Book (Синяя книга), Green Book (Зеленая книга). По аналогии с грампластинками звуковая информация на компакт-диск записывается и считывается с одной и той же спиральной дорожки. Дальнейшие разработки в области технологии компакт-дисков привели к тому, что они стали использоваться и на компьютерах.
Накопители информации на компакт-дисках состоят из дисковода (устройства считывания и записи информации) и носителя информации – компакт-диска. Дисководы в свою очередь можно подразделить на дисководы, только считывающие информацию, и комбинированные, которые позволяют как считывать, так и записывать информацию на компакт-диски. В комбинированных дисководах используется более мощный лазер (мощность его приблизительно в 10 раз больше мощности лазера, устанавливаемого в дисковод только для считывания информации). Однако в настоящее время в ПК устанавливаются в основном комбинированные дисководы.
Конструктивно дисковод состоит из большого числа механических, оптических и электронных компонентов и включает в себя:
• электрический двигатель, вращающий компакт-диск;
• систему загрузки компакт-дисков;
• оптико-механический лазерный блок;
• электронный блок, обеспечивающий управление, преобразование, согласование и передачу электрических сигналов.
Все эти компоненты размещаются в едином корпусе, который вставляется в соответствующий отсек системного блока ПК. Внешние дисководы компакт-дисков выполнены в виде функционально законченного устройства.
Система загрузки компакт-дисков в зависимости от своего конструктивного исполнения может обеспечить несколько вариантов загрузки компакт-дисков. Однако чаще всего используется выдвижной лоток, называемый tray-лоток. С помощью электрического двигателя системы загрузки лоток выезжает и задвигается внутрь после того, как на него поместили нужный компакт-диск.
Оптико-механический лазерный блок состоит из оптической головки и системы ее перемещения. В оптической головке расположены лазер, система линз и приемник отраженного сигнала. Основой системы перемещения головки является высокоточный двигатель, позволяющий перемещать оптическую головку точно над информационной дорожкой диска. Электронный блок обеспечивает совместную работу всех устройств дисковода, распознает команды компьютера и передает полученную информацию с диска.
В дисководах компакт-дисков применяются два основных способа вращения компакт-дисков вокруг своей оси и соответственно считывания и записи информации: с постоянной угловой скоростью и с постоянной линейной скоростью. Первый метод называется CAV (Constant Angular Velocity – постоянная угловая скорость), второй – CLV (Constant Linear Velocity – постоянная линейная скорость).
Первый способ обеспечивает постоянную угловую скорость вращения диска на всем пути лазерного луча. При этом, если не предпринимать определенных мер, скорость чтения (записи) данных в процессе продвижения лазерной головки над поверхностью компакт-диска от центра диска к краю диска будет изменяться от минимальной скорости до максимальной, поскольку линейная скорость вращения точки на краю диска будет больше, чем внутри. В физике соотношение между линейной и угловой скоростью вращения точки вокруг своей оси определяется соотношением:
V = ? · R,
где V и ? – соответственно линейная и угловая скорость точки; R – текущий радиус точки.
Дисководы, в которых реализован способ постоянной угловой скорости, подразделяются на дисководы с постоянной и переменной скоростью считывании и записи информации.
В дисководах первого типа для компенсации изменения линейной скорости, необходимой для считывания (записи) данных с постоянной скоростью, используется способ, аналогичный тому, который используется для магнитных дисков, т. е. посредством увеличения пространства между битами данных, записанных в сегментах диска. Это пространство на краю диска больше, чем внутри. При использовании такого способа данные могут быть считаны (записаны) с постоянной скоростью при постоянной угловой скорости вращения компакт-диска. На рис. 6.18 приведена схема распределения данных на компакт-диске при использовании постоянной угловой скорости и постоянной скорости считывания и записи информации. Компакт-диск при форматировании делится на концентрические дорожки с определенным количеством секторов. Преимущество дисководов данного типа состоит в возможности непосредственной адресации к отдельным блокам данных путем указания адреса дорожки и сектора на компакт-диске. Существенный недостаток такого способа в том, что суммарное количество данных, которые хранятся на внешней дорожке, такое же, как и на внутренней дорожке компакт-диска. Поскольку при размещении небольшого объема информации на участке внешней дорожки неэкономно расходуется пространство дорожки, то способ постоянной угловой скорости и постоянной скорости считывания и записи не нашел широкого распространения при чтении (записи) данных с компакт-дисков.
Рис. 6.18. Схема распределения данных при постоянной угловой скорости
В дисководах второго типа диск вращается с постоянной угловой скоростью на всем пути лазерного луча, а скорость считывания и записи данных меняется. При этом на внутренних витках спиральной дорожки скорость минимальна, на внешних – максимальна. Эта максимальная скорость и указывается в основных параметрах на дисковод. Эти дисководы достаточно перспективны, но требуют высокоскоростных каналов передачи данных.
Второй способ обеспечивает постоянную линейную скорость вращения диска на всем пути лазерного луча и широко применяется в дисководах компакт-дисков. Для обеспечения постоянной линейной скорости угловая скорость вращения диска должна уменьшаться в процессе продвижения лазерной головки над дорожкой, начиная от центральной части диска (начало записи) и перемещаясь к краю диска (окончание записи). Такой способ позволяет достичь более высокой плотности записи и соответственно большего объема записываемой информации, но не обеспечивает непосредственной адресации к отдельным блокам данных компакт-диска путем указания адреса дорожки и сектора. При таком способе запись и считывание информации производятся на одной спиральной дорожке, идущей от центра диска к его периферии.
Устройство управления поддерживает постоянную линейную скорость вращения диска равной 1,2 м/с.
Скорость считывания (записи) компакт-дисков в дисководах измеряется в единицах, кратных базовой (единичной) скорости (150 Кбайт/с) считывания информации бытового CD-плеера. Например, если в техническихарактеристиках на дисковод записаны цифры 24/10/40, то это означает, что данный дисковод может записывать информацию на компакт-диски со скоростью 24 х 150 = 3600 Кбайт/с, перезаписывать со скоростью 10 х 150 = 1500 Кбайт/с и считывать информацию со скоростью 40 х 150 = 6000 Кбайт/с.
Обмен информацией между накопителем информации на компакт-диске и МП компьютера осуществляется через контроллер накопителя, который входит в состав электронного блока накопителя. В качестве интерфейса в накопителях информации на компакт-дисках в настоящее время широко используются интерфейсы IDE (Integrated Disk Electronic) и быстродействующий интерфейс SCSI (Small Computer System Interface).
В качестве носителей информации в таких накопителях используются компакт-диски. Первые компьютерные компакт-диски были названы CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory, что переводится как компакт-диск – память только для чтения). Информация, записанная на такие диски, не может быть изменена или дополнена, поскольку запись на них производится в производственных условиях. При этом в качестве основного метода записи используется метод штамповки. На рис. 6.19 представлено сечение CD-ROM.
Рис. 6.19. Сечение CD-ROM
CD-ROM, на котором информация записана в производственных условиях, состоит из трех слоев. В качестве материала основания компакт-диска используется прозрачный поликарбонат. При изготовлении основы методом штамповки на нее наносится информационный узор с исходного диска, называемого мастер-диском. В результате получается прозрачный пластиковый диск. С одной стороны диск гладкий, а с другой – на него нанесено множество микроскопических углублений (питов). На эту сторону затем напыляется отражающий металлический (алюминиевый) слой. Сверху на диск наносится защитный слой из тонкой пленки поликарбоната или специального лака. На защитный слой наносится полиграфия.
Записанная информация на оптическом диске в виде последовательности питов и выступов на его поверхности бесконтактно считывается оптико-механическим лазерным блоком дисковода.
Информация в CD-ROM записывается на спиральную дорожку, которая проходит 20 344 оборота вокруг диска и имеет общую длину, равную приблизительно 5300 м. Расстояние между витками спиральной дорожки составляет 1,6 мкм.
Объем информации, который может быть записан на CD-ROM, составляет около 700 Мбайт. Среднее время доступа для CD-ROM около 120 мс. Диаметр CD-ROM – 120 мм (основной стандарт) или 80 мм. Толщина диска – 1,2 мм.
По сравнению с гибкими магнитными дисками CD-ROM имеет ряд преимуществ и недостатков.
К преимуществам можно отнести:
• значительно больший объем хранимой информации;
• возможность воспроизведения вместе с хранимой на них информацией в массовых количествах, при небольших денежных затратах, в отличие от гибких магнитных дисков.
К недостаткам можно отнести:
• невозможность обновлять и дополнять информацию;
• большее время доступа, чем у гибких магнитных дисков.
Дальнейшее развитие технологии компакт-дисков привело к разработке стандарта записи информации на специальные компакт-диски. После записи информации на такие диски ее можно было считывать на дисководах CD-ROM. К таким дискам стали относить компакт-диски, поддерживающие однократную запись и названные CD-R (Compact Disk—Recordable – записываемый компакт-диск), а также компакт-диски, поддерживающие многократную (пользователь может стирать и производить перезапись данных на диске до 1000 раз) и названные CD-RW (Compact Disk—Rewritable – перезаписываемый компакт-диск).
Информация, записанная на такие диски, в отличие от информации на CD-ROM, может быть изменена или дополнена, поскольку запись и перезапись на них производится с помощью комбинированных дисководов. На рис. 6.20 представлены сечения CD-R и CD-RW.
Рис. 6.20. Сечения CD-R и CD-RW
CD-R– и CD-RW-компакт-диски по сравнению с CD-ROM имеют дополнительно еще один слой – регистрирующий. Основа у них не имеет информационного узора, но между основой и отражающим слоем расположен регистрирующий слой. Он может менять прозрачность под воздействием высокой температуры. При записи данных на такие диски лазер разогревает заданные участки регистрирующего слоя, создавая информационный узор дорожки диска. Участки регистрирующего слоя, к которым было применено температурное воздействие, темнеют. Записанная информация на CD-R и CD-RW в виде последовательности темных и светлых участков регистрирующего слоя дорожки компакт-диска считывается оптико-механическим лазерным блоком дисковода.
В качестве материала для регистрирующего слоя используются сложные органические соединения. Из-за наличия регистрирующего слоя требования к отражающему слою у CD-R и CD-RW выше, чем у CD-ROM, поэтому вместо алюминия в них применяют более дорогие металлы. Отличие между CD-R и CD-RW состоит в применении различных материалов в качестве регистрирующего слоя. В CD-RW применяются материалы, имеющие отражательную способность, значительно отличающуюся в двух различных фазовых состояниях: аморфном, в котором молекулы ориентированы случайно и отражение луча света слабое, и кристаллическом, хорошо отражающем свет. Лазерный луч может изменить фазу таких материалов с одной на другую. Однако применение материалов с переменной фазой имеет существенный недостаток: этот материал в конечном счете, теряет свои свойства.
При записи информации на CD-R и CD-RW лазер оптико-механического блока дисковода включается на повышенную мощность излучения и перемещается вдоль дорожки. Прерывать этот процесс записи недопустимо, поэтому если поток данных, передаваемый на дисковод для записи, прервется, то используемая заготовка компакт-диска будет испорчена. Для защиты от прерывания потока информации в современных дисководах используются специальные технологии, например технология Burn-Proof, разработанная фирмой Sanyo.
Существуют три основных способа записи информации на компакт-диски CD-R и CD-RW: Track-At-Once (запись производится на дорожку компакт-диска за один прием, т. е. записывается информация порциями, которые называют дорожками); Disk-At-Once (запись производится на компакт-диск за один прием, т. е. записывается вся информация на компакт-диск, без выключения лазера); Packet Writing (пакетная запись, т. е. запись информации производится на компакт-диск небольшими порциями).
CD-RW обладают очевидным преимуществом перед CD-ROM и CD-R, которое состоит в том, что информация на них может быть перезаписана (т. е. на такой диск можно записывать и стирать информацию много раз), и поэтому CD-RW могут использоваться как информационные носители для вспомогательного хранения данных. Однако CD-RW имеют и недостатки: надежное считывание информации с них возможно только компьютерными CD-дисководами, кроме того, скорость записи на CD-RW ниже, чем на CD-R, чтобы впоследствии не возникало ошибок при чтении.
Информация на CD-R и CD-RW в зависимости от выбранного способа (с постоянной линейной или угловой скоростью вращения компакт-дисков в дисководе) может записываться соответственно на одну спиральную дорожку или на концентрические дорожки. Выбор того или иного способа определяется предварительным форматированием диска и конструкцией дисковода, однако чаще всего используется запись на одну спиральную дорожку, которая имеет примерно такие же характеристики, как и для CD-ROM.
Объем информации, который может быть записан на CD-R и CD-RW, составляет около 700 Мбайт. Время доступа для CD-R и CD-RW – от 150 до 300 мс. Максимальная скорость записи – 52х (52x150 = 7800 Кбайт/с).
Максимальная скорость перезаписи (для CD-RW-дисководов) 32х (32 х 150 = 4800 Кбайт/с).
Диаметр CD-R (CD-RW) равен 120 мм (основной стандарт) и толщина 1,2 мм.
По сравнению с гибкими магнитными дисками CD-R и CD-RW имеют значительно больший объем хранимой информации, но и значительно большее время доступа.
Для защиты от внешних неблагоприятных воздействий CD-ROM, CD-R и CD-RW помещаются в специальную пластиковую упаковку, из которой при необходимости они изымаются.
Перед считыванием и записью информации на компакт-диски они должны быть отформатированы, т. е. на них должна быть создана физическая и логическая структура. Формирование физической структуры компакт-диска состоит в создании на диске спиральной дорожки, идущей от центра диска к его периферии, и размещения на дорожке служебной информации. Эта структура одинакова для всех компакт-дисков.
В CD-ROM физическое и логическое форматирование, а также запись данных реализуются в процессе его изготовления путем переноса информации со штампа на заготовку компакт-диска в производственных условиях. Штамп изготавливается на основе исходного диска, называемого мастером, на котором уже находится пользовательская и служебная информация. В CD-ROM спиральная дорожка, представляющая непрерывную последовательность питов и промежутков между ними, в зависимости от способа записи информации на исходный диск (Track-At-Once, Disk-At-Опсе, Packet Writing) может состоять из отдельных сессий. В начале сессии располагается специальная начальная запись, которая называется Lead In (Ввести). В конце сессии располагается запись Lead Out (Вывести). Сессия может состоять из одного или нескольких витков спиральной дорожки. Однако чаще всего она состоит из одного витка. Если CD-ROM содержит несколько сессий, то он называется мультисессионным (Multisession CD-ROM). Кроме того, CD-ROM могут содержать данные различных типов (текстовые, звуковые и т. д.), такие диски называются Mixed-mode CD, т. е. компакт-диски смешанного типа, и используются они в основном для хранения мультимедийных игр.
Логическая структура CD-ROM определяется файловой системой CDFS (см. п. 6.6.4) или UDF (см. п. 6.6.5). Файловая система добавляет к записанным на дорожке данным каталог. В каталоге записываются полное имя файла и его местонахождение на компакт-диске, а также служебная информация. Кроме того, файловая система при записи данных (файлов) на компакт-диски разбивает сессию на сектора с информационным объемом 2 Кбайт. Если на компакт-диске записано несколько сессий, то файловая система записывает в каталог информацию о файлах и их местонахождении на всех сессиях компакт-диска.
В CD-R и CD-RW создание физической и логической структуры компакт-диска реализуется в процессе записи на него данных, эти структуры аналогичны структурам CD-ROM. Однако заготовки для записи компакт-дисков имеют предварительную разметку, которая содержит специальные информационные метки и записанные сигналы синхронизации. Эта предварительно записанная информация позволяет оптико-механическому лазерному блоку дисковода перемещаться по нужной траектории. Некоторые параметры этих заготовок можно прочитать перед записью информации на компакт-диски, что позволяет более точно настроить программу для записи.
Существующие в настоящее время специальные программы для записи информации на CD-R и CD-RW, такие как Nero Burning Rom, Easy CD Creator, WinOnCD и т. д., поддерживают различные файловые системы, которые и определяют физическую и логическую структуру компакт-дисков. Например, в программном пакете Easy CD Creator имеется переключатель Physical format of CD (Физический формат CD) который позволяет установить физическую структуру (форматы записи) компакт-дисков Mode 1: CDROM или Mode2:CDROMXA.
Для записи или считывания информации с компакт-диска его необходимо правильно установить в дисковод. Правильная установка зависит от расположения дисковода в системном блоке – горизонтальном или вертикальном. При горизонтальном расположении дисковода компакт-диск устанавливается этикеткой вверх, на выдвижной лоток дисковода и задвигается внутрь дисковода. Выдвижной лоток может задвигаться внутрь дисковода аппаратным способом, с помощью специальной кнопки, установленной на передней панели дисковода, или программным, с помощью программ записи и считывания данных с компакт-диска. С помощью этой же кнопки или программным путем можно также дать команду в систему загрузки дисковода для выдвижения лотка.
После загрузки компакт-дисков в дисковод многие из них автоматически запускаются и на экране монитора компьютера рядом с курсором мыши появляется пиктограмма (небольшой рисунок) диска. Затем после загрузки информации с компакт-диска на экране появляется окно менеджера файлов (например, окно программы «Проводник» ОС Windows ХР), в котором отображаются данные (папки, файлы), записанные на компакт-диск, или окно специализированной программы. На рис. 6.21 и 6.22 представлены примеры таких окон.
Рис. 6.21. Окно менеджера файлов с отображением данных на компакт-диске
Рис. 6.22. Окно специализированной программы, записанной на компакт-диске
Автозапуск компакт-дисков реализуется посредством размещения в корневом каталоге ОС Windows ХР текстового файла с именем autorun.inf, в котором располагаются команды автозапуска. Если информация не записана на компакт-диск (заготовка компакт-диска чистая), то, естественно, в окне менеджера файлов папки и файлы не отображаются.
Для считывания данных (открытия папок, файлов), находящихся на компакт-диске, необходимо произвести двойной щелчок мышью на выбранном для чтения (открытия) файле. Для запуска специализированной программы необходимо следовать ее рекомендациям.
Если автозапуск не предусмотрен, то для чтения содержимого компакт-дисков можно воспользоваться первым или вторым способом, описанным в п. 6.7.1, для чтения информации с гибких магнитных дисков.
Для записи информации на компакт-диск ее необходимо предварительно представить в электронном виде, а затем сохранить на любом внешнем ЗУ.
В отличие от записи информации на гибкие и жесткие магнитные диски, а также на флэш-память, где запись информации производится с помощью стандартных средств ОС Windows ХР, для записи информации на компакт-диски, как уже отмечалось, используются специальные программы: «Мастер записи компакт-дисков» ОС Windows ХР, Easy CD Creator, Nero Burning Rom, Win-OnCD и т. д. Однако необходимо отметить, что некоторые специальные программы, например, пакет программ Easy CD Creator, содержат в своем составе программу Direct CD, которая позволяет форматировать компакт-диски так же, как и магнитные диски. При этом физическая и логическая структура такого компакт-диска будет определяться файловой системой UDF. Такое форматирование позволяет записывать и удалять файлы с компакт-диска аналогично тому, как это производится в НГМД, НЖМД и накопителях на основе флэш-памяти. И в данном случае оно может рассматриваться как преимущество по сравнению с обычным форматированием. Имеются при таком форматировании и недостатки: необходимо наличие такой программы, а также меньший объем информации, который может быть записан на компакт-диск.
