Накопители информации на цифровых универсальных дисках
Современные компьютерные накопители информации на цифровых универсальных дисках относятся к комбинированным накопителям, которые позволяют использовать (считывать и записывать информацию) как компакт-диски, так и цифровые универсальные диски (DVD – Digital Versatile Disk). В таких накопителях используется оптический способ записи и считывания информации.
Первая официальная информация о разработке накопителей на DVD появилась весной 1995 г. Представили эту информацию несколько компаний – Sony, Toshiba, Hitachi, NC, Matsushita Electronic Industrial, Mitsubishi Electric, Philips Electronics, Thomson Multimedia и др., принимавших участие в их разработке. Для стандартизации разрабатываемых накопителей эти компании объединились в организацию, которая стала называться DVD Consortium. В задачи консорциума входило продвижение разрабатываемого формата на рынке, согласованная разработка новых спецификаций и лицензирование предприятий, записывающих информацию на DVD, и т. д. Новые оптические диски, которые стали использоваться в таких накопителях, получили название DVD. Первоначально эта аббревиатура означала цифровой видеодиск (Digital Video Disk), поскольку изначально DVD разрабатывали для замены формата VHS (Video Ноте System – формат записи видеоинформации на магнитную ленту). Однако в связи с тем, что данный носитель информации мог использоваться не только для записи и воспроизведения видеофильмов, но и для записи и чтения информации в компьютерах, было решено, не меняя аббревиатуры, изменить ее значение. Так появилось новое значение DVD – Digital Versatile Disk (цифровой универсальный диск). В 1997 г., был создан DVD-форум. Его задачи были такие же, как и у DVD Consortium. В настоящее время в форум входит около 200 официальных членов. Все они заинтересованы в развитии формата DVD и участвуют в разработках новых, более совершенных форматов, таких как: Blue-Ray («синий луч», в накопителях, использующих данный формат, использовуется лазер более коротковолнового – «синего» диапазона с длиной волны 405 нм, в отличие от широко используемых в настоящее время накопителей, где установлен «красный» лазер с диапазоном длин волн от 635 до 780 нм); EVD (Enhanced Versatile Disk – улучшенный универсальный диск) и HD DVD (High Density Digital Versatile Disk).
Накопители информации на цифровых универсальных дисках состоят из дисковода (устройства считывания и записи информации) и носителя информации – цифрового универсального диска. Как уже отмечалось ранее, данные дисководы являются комбинированными, т. е. позволяют и считывать, и записывать информацию как на компакт-диски, так и на цифровые универсальные диски.
Основное отличие данных накопителей от накопителей на компакт-дисках состоит в объеме информации, который можно записать на DVD. Если информационный объем стандартного компакт-диска составляет около 700 Мбайт, то на DVD может быть записана информация объемом от 4,7 до 17 Гбайт. Достигается это несколькими способами. Во-первых, для чтения и записи DVD в таких дисководах используется лазер с меньшей длиной волны, чем для компакт-дисков, что позволило существенно увеличить плотность записи и соответственно информационный объем DVD. Использование лазеров с такими параметрами дало возможность также уменьшить расстояние между дорожками (трековый шаг) до 0,74 мкм по сравнению с шагом 1,6 мкм у компакт-дисков. Кроме того, стандартом на DVD предусмотрены так называемые двухслойные диски, у которых данные записываются на двух отражающих слоях, что, естественно, приводит к увеличению информационного объема DVD.
Применение этих способов отразилось и на требованиях к толщине DVD. Для DVD он составляет 0,6 мм, в отличие от толщины 1,2 мм компакт-дисков. Однако чтобы сохранить стандартные размеры дисков и повысить механическую прочность DVD, они заливаются полимерным материалом (используется в основном поликарбонат) с двух сторон. При этом толщину диска доводят до 1,2 мм, что соответствует толщине компакт-дисков. Диаметр DVD равен 120 мм (основной стандарт) или 80 мм.
Конструктивно дисководы комбинированных накопителей состоят из большого числа механических, оптических и электронных компонентов. Данные дисководы включает в себя следующие основные узлы и блоки:
• электрический двигатель, вращающий компакт-диск;
• систему загрузки компакт-дисков;
• оптико-механический лазерный блок;
• электронный блок, обеспечивающий управление, преобразование, согласование и передачу электрических сигналов.
Однако, поскольку комбинированные дисководы поддерживают работу с большим количеством типов оптических дисков (CD и DVD), то характеристики основных узлов таких дисководов отличаются от характеристик дисководов, поддерживающих работу только с компакт-дисками. В настоящее время существует достаточно много фирм – производителей комбинированных дисководов, таких как Sony, NEC, Toshiba, Hitachi, Panasonic и т. д., производящих различные модели. Технические характеристики конкретных моделей таких дисководов можно посмотреть в соответствующей документации.
Все перечисленные выше компоненты дисковода размещаются в едином корпусе, который может вставляться в соответствующий отсек системного блока компьютера (внутренний дисковод) или представлять собой функционально законченное устройство, которое располагается вне системного блока компьютера (внешний дисковод). В качестве примера внутреннего дисковода укажем дисковод фирмы NEC модели DVD_RW ND-3500AG, который позволяет работать как с компакт-дисками, так и с цифровыми универсальными дисками различных типов. Логотипы оптических дисков, которые поддерживает данный дисковод, указываются на передней панели самого дисковода и в инструкции по эксплуатации. Примером внешнего дисковода может служить дисковод фирмы Sony модели DVD_RWDRU-800A KY03, который также позволяет работать как с компакт-дисками, так и с цифровыми универсальными дисками различных типов.
Система загрузки комбинированного дисковода в зависимости от своего конструктивного исполнения может обеспечивать несколько вариантов загрузки оптических дисков. Однако чаще всего используется выдвижной лоток. С помощью электрического двигателя системы загрузки лоток выезжает и задвигается внутрь после того, как на него положили нужный оптический диск.
Оптико-механический лазерный блок комбинированного дисковода состоит из оптической головки и системы ее перемещения. Данный блок по сравнению с блоком дисковода, работающим только с компакт-дисками, представляет собой более сложное устройство, поскольку в его состав включается дополнительно лазер для работы с DVD. Длина волны, излучаемой лазером, лежит в диапазоне от 635 до 780 нм и зависит от типа дисковода. Длина волны, излучаемой лазером для работы с CD, лежит в диапазоне выше 780 нм и также зависит от типа дисковода. В оптической головке комбинированного дисковода расположены лазеры, 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 комбинированных дисководах также применяются два основных способа вращения компакт-дисков вокруг своей оси и соответственно считывания и записи информации: с постоянной угловой скоростью (CAV) и постоянной линейной скоростью (CLV). Причем в некоторых моделях дисководов находят применение оба этих метода. Но наиболее распространен первый способ, который обеспечивает постоянную угловую скорость вращения диска на всем пути лазерного луча и переменную скорость считывании и записи информации. В комбинированных дисководах данного типа диск вращается с постоянной угловой скоростью на всем пути лазерного луча, а скорость передачи данных меняется. При этом на внутренних витках спиральной дорожки диска скорость передачи данных минимальна, на внешних – максимальна. Поэтому в технической документации на дисководы указывают максимальные скорости записи и считывания информации как для компакт-дисков, так и для цифровых универсальных дисков. Примером такого дисковода является дисковод фирмы Sony модели DVD_RW DRU-800AKY03.
В комбинированных дисководах находит также применение способ вращения компакт-дисков и цифровых универсальных дисков вокруг своей оси с постоянной линейной скоростью, которую поддерживает устройство управления дисковода. Для обеспечения постоянной линейной скорости угловая скорость вращения диска должна уменьшаться в процессе продвижения лазерной головки над спиральной дорожкой, начиная от центральной части диска (начало записи) и перемещаясь к краю диска (окончание записи).
Скорость считывания и записи информации в комбинированных дисководах указываются отдельно для компакт-дисков и цифровых универсальных дисков. При этом отдельно указываются максимальные скорости считывания (Read max) и записи (Write max) данных.
Скорость считывания и записи информации для компакт-дисков измеряется в единицах, кратных базовой скорости – 150 Кбайт/с.
Скорости считывания и записи информации для цифровых универсальных дисков измеряется в единицах, кратных базовой скорости – 1,38 Мбайт/с. Если комбинированный дисковод записывает DVD на двукратной скорости (2х), то это означает, что скорость записи составит 2 х 1,38 = 2,76 Мбайт/с.
Таким образом, однократная скорость записи (считывания) для DVD примерно в 9,4 раза больше, чем однократная скорость записи (считывания) для CD.
Обмен информацией между накопителем информации на цифровом универсальном диске и МП компьютера осуществляется через контроллер накопителя, который входит в состав электронного блока накопителя. В качестве интерфейса для внутренних дисководов в накопителях информации на цифровых универсальных дисках в настоящее время широко используются интерфейс IDE (Integrated Disk Electronic) или интерфейс IDE/ATAPI (Integrated Disk Electronic /Attachment Packet Interface). В качестве интерфейса для внешних дисководов используются интерфейсы IEEE 1394 и USB 2.0.
Основными носителями информации в рассматриваемых накопителях являются цифровые универсальные диски. Однако данные накопители также позволяют считывать информацию с компакт-дисков – CD-ROM, CD-R, CD-RW и записывать информацию на CD-R и CD-RW.
В зависимости от технологии изготовления (строения дисков) DVD различают следующие типы дисков: DVD-5, DVD-9, DVD-10, DVD-14, DVD-18. В табл. 6.8 приведены типы DVD, их структура и информационный объем.
Таблица 6.8
На рис. 6.64 представлено сечение двухстороннего двухслойного диска.
Рис. 6.64. Сечение двухстороннего двухслойного диска
В зависимости от используемого стандарта записи цифровые универсальные диски делятся на диски, предназначенные только для считывания информации, DVD-ROM, поддерживающие однократную запись информации – DVD-R, DVD+R, DVD-R DL, DVD+R DL, и диски, поддерживающие многократную запись (пользователь может стирать и производить перезапись данных на диске до 1000 раз), – DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM.
Цифровые универсальные диски DVD-ROM (Digital Versatile Disk – Read Only Memory, цифровой универсальный диск – память только для чтения) предназначены для длительного хранения информации, записанной в производственных условиях. Информация, записанная на такие диски, не может быть изменена или дополнена, поскольку запись на них, как и на CD-ROM, производится в производственных условиях. При этом в качестве основного метода записи используется метод штамповки. DVD-ROM, на котором записана информация, может состоять из нескольких слоев в зависимости от технологии изготовления. Однако самыми распространенными DVD-ROM в настоящее время являются диски типа DVD-5 и DVD-10.
В качестве материала основания DVD-ROM используется прозрачный поликарбонат. Технология производства DVD-ROM сложнее технологии изготовления CD-ROM, сложность технологии определяется типом диска. При изготовлении основы методом штамповки на нее наносится информационный узор с исходного диска, называемого мастер-диском или матрицей. В результате получается прозрачный пластиковый диск. С одной стороны диск гладкий, 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 только для дисков DVD-5 и DVD-9.
Записанная информация на DVD-ROM в виде последовательности питов и выступов на его поверхности бесконтактно считывается оптико-механическим лазерным блоком дисковода.
Информация в DVD-ROM записывается на спиральную дорожку, расстояние между витками спиральной дорожки 0,74 мкм.
Объем информации, который может быть записан на DVD-ROM, в зависимости от типа диска может составлять от 4,7 Гбайт до 17 Гбайт. Среднее время доступа зависит от параметров дисковода и в среднем для DVD-ROM составляет 150 мс. Диаметр DVD-ROM равен 120 мм (основной стандарт) или 80 мм. Толщина диска – 1,2 мм.
Дальнейшее развитие технологии цифровых универсальных дисков привело к разработке различных стандартов записи информации, позволяющих осуществлять запись непосредственно на ПК пользователя. После записи информации на такие диски ее можно считывать на дисководах DVD-ROM.
Первым стандартом записи стал DVD-R и диски, на которых запись информации осуществлялась в соответствии с этим стандартом, стали называться DVD-R (DVD-Recordable – записываемый цифровой универсальный диск). Такие диски поддерживают однократную запись, на мультисессионные DVD-R можно только дописывать информацию. Данный стандарт был разработан в 1997 г. компанией Pioneer и во многом соответствует стандарту CD-R. Стандарт DVD-R является универсальным для всех дисководов DVD. Диски данного стандарта являются односторонними однослойными дисками, имеющими один информационный слой (тип DVD-5). Информационный объем таких дисков составляет 4,7 Гбайт. Специалисты компании Pioneer утверждают, что диски стандарта DVD-R могут хранить информацию до 100 лет. В отличие от DVD-ROM в дисках стандарта DVD-R имеется информационный слой, который может менять прозрачность под воздействием высокой температуры. При записи данных на такие диски лазер разогревает заданные участки информационного (регистрирующего) слоя, создавая информационный узор дорожки диска. Участки информационного слоя, к которым было применено температурное воздействие, темнеют. Записанная информация на DVD-R 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 DVD-R выше, чем у DVD-ROM, поэтому вместо алюминия в них применяют более дорогие металлы. Дальнейшее развитие стандарта записи DVD-R привело к созданию и ряда других стандартов, поддерживающих однократную запись.
Диски стандарта DVD-R DL (DVD-Recordable Dual Layer – записываемый цифровой универсальный диск, имеющий два информационных слоя) представляют собой двухсторонние диски, которые позволяют записывать информацию на два информационных слоя, по одному на каждой стороне диска (тип DVD-10). Информационный объем таких дисков составляет 9,4 Гбайт.
Диски стандарта DVD+R (DVD-Recordable – записываемый цифровой универсальный диск двухслойный) в отличие от дисков стандарта DVD-R имеют два информационных слоя, расположенных один над другим (тип DVD-9). Первый информационный слой (первый снизу) – полупрозрачный. Это обеспечивает доступ лазерного луча ко второму (верхнему) информационному слою, расположенному на расстоянии 0,3 мм над первым. Расположение рабочих слоев одного над другим позволяет значительно увеличить информационный объем диска. Из-за влияния допусков на точность изготовления двухслойного диска его информационный объем меньше удвоенного объема однослойного DVD-R и составляет 8,5 Гбайт. Многие современные дисководы поддерживают технологию записи двухслойных дисков.
Диски стандарта DVD+R DL (DVD-Recordable Double Layer – записываемый цифровой универсальный диск, имеющий два информационных слоя на каждой стороне) являются двухсторонними двухслойными дисками (тип DVD-18). Условно такой диск можно представить в виде двух односторонних дисков с двумя информационными рабочими слоями, склеенных тыльными сторонами. Информационный объем такого диска достигает 17 Гбайт.
Информацию на DVD-R, DVD+R, DVD-R DL, DVD+R DL, в отличие от DVD-ROM, можно дописать, т. е. создавать на их основе мультисессионные диски.
Кроме перечисленных выше стандартов существуют стандарты записи для перезаписываемых дисков: DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM.
Диски стандарта DVD-RW (Digital Versatile Disk – Rewritable, перезаписываемый цифровой универсальный диск) аналогичны стандарту DVD-R. Отличие состоит лишь в том, что в DVD-RW в качестве информационного (регистрирующего) слоя используются материалы с возможностью многократно менять свою отражающую способность. В DVD-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. В качестве материала для информационного слоя используются сложные органические соединения. Из-за наличия информационного слоя требования к отражающему слою у DVD-RW выше, чем для DVD-ROM, поэтому вместо алюминия в них применяют более дорогие металлы. При записи данных на такие диски лазер разогревает заданные участки регистрирующего слоя, создавая информационный узор дорожки диска. Участки информационного слоя, к которым было применено температурное воздействие, темнеют. Записанная информация на DVD-RW в виде последовательности темных и светлых участков регистрирующего слоя дорожки компакт-диска считывается оптико-механическим лазерным блоком дисковода.
Однако применение материалов с «переменной фазой» имеет существенный недостаток: этот материал в конечном счете теряет свои свойства. По утверждению производителей таких дисков, их можно перезаписывать до 1000–1500 раз. Данный стандарт также разрабатывался компанией Pioneer. Однако, стандарт записи DVD-RW совместим далеко не со всеми дисководами DVD. Информационный объем таких дисков обычно составляет 4,7 Гбайт (тип DVD-5).
Диски стандарта DVD+RW (Digital Versatile Disk – Rewritable, перезаписываемый цифровой универсальный диск) отличаются от дисков стандарта записи DVD-RW используемым в качестве информационного слоя материалом и способами записи. Принцип записи таких дисков аналогичен принципу записи, который используется в DVD-RW. Разработали стандарт DVD+RW несколько членов DVD-форума, включая компанию Microsoft. Информационный объем таких дисков обычно составляет 4,7 Гбайт (тип DVD-5). Данный стандарт поддерживают дисководы, производимые многими компаниями (SONY, NEC, Philips и т. д.).
Диски стандарта DVD-RAM (Digital Versatile Disk – Random Access Memory, перезаписываемый цифровой универсальный диск) разработали компании Hitachi, Panasonic и Toshiba. В связи с тем, что конструкция таких дисков отличается от других DVD (диски помещены в специальный картридж для защиты от физических повреждений), они не совместимы с дисководами других DVD. Преимущество таких дисков по сравнению с DVD-RW и DVD+RW состоит в том, что DVD-RAM можно перезаписывать не менее 100000 раз. Информационный объем таких дисков составляет 9,4 Гбайт (тип DVD-10).
В комбинированных дисководах, так же и в дисководах CD-R и CD-RW, прерывать процесс записи недопустимо, поэтому для защиты от прерывания потока информации используются специальные технологии защиты от опустошения буфера, например JustLink или Burn-Proof.
В комбинированных дисководах применяют два основных способа записи информации на компакт-диски и цифровые универсальные диски: Track-At-Once – запись производится на дорожку компакт-диска или цифрового универсального диска за один прием, т. е. записывается информация порциями, которые называют дорожками; и Disk-At-Once – запись производится на компакт-диск или цифровой универсальный диск за один прием, т. е. записывается вся информация без выключения лазера.
Объем информации, который может быть записан на диски, поддерживающие однократную и многократную запись информации, зависит от типа диска (см. табл. 6.8).
Остальные параметры у них такие же, как у DVD-ROM (среднее время доступа зависит от параметров дисковода и в среднем для таких дисков составляет 150 мс, диаметр 120 мм (основной стандарт) или 80 мм, толщина диска – 1,2 мм).
Максимальные скорости записи информации на DVD и считывания информации с них (для дисководов, в которых используется способ CAV) зависят от многих параметров: типа используемого диска, характеристик дисковода и т. д. В спецификации на конкретную модель дисковода указываются средние скорости записи и считывания, которые получены после их тестирования с помощью дисков, на которые предварительно записаны тесты разных стандартов записи. В качестве примера приведем спецификацию упомянутого дисковода модели DVD-RW DRU-800A KY03 (табл. 6.9).
Таблица 6.9
Тестирование дисковода можно провести самостоятельно, воспользовавшись программой Nero CD-DVD speed, которая входит в пакет сервисных программ Nero Toolkit. Доступ к данной программе открыт в окне менеджера проектов Nero StartSmart.
Цифровые универсальные диски для защиты от внешних неблагоприятных воздействий, также как компакт-диски, 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.
В DVD-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 DVD-ROM спиральная дорожка, представляющая непрерывную последовательность питов и промежутков между ними в зависимости от способа записи информации на исходный диск (Track-At-Once или Disk-At-Опсе), может состоять из отдельных сессий. Сессия может состоять из одного или нескольких витков спиральной дорожки. Если DVD-ROM содержит несколько сессий, то он называется мультисессионным – Multisession DVD-ROM.
Логическая структура DVD-ROM определяется файловой системой UDF. Файловая система добавляет к записанным на дорожке данным каталог, в котором записываются полное имя файла и его местонахождение на DVD, а также служебная информация. Если на DVD записано несколько сессий, то файловая система записывает в каталог информацию о файлах и их местонахождении на всех сессиях диска.
Создание физической и логической структуры на DVD-R, DVD+R, DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM реализуется в процессе записи на них данных, эти структуры аналогичны структурам компакт-дисков.
Существующие в настоящее время специальные программы для записи информации на DVD, такие как Nero Burning Rom, Easy CD Creators т. д., поддерживают различные файловые системы, которые и определяют физическую и логическую структуру таких дисков.
Для записи или считывания информации DVD, также как и компакт-диск, необходимо правильно установить в дисковод. Правильная установка DVD не отличается от правильной установки компакт-дисков.
После загрузки DVD в дисковод многие из них, также как компакт-диски, автоматически запускаются. Автозапуск DVD реализуется посредством размещения в корневом каталоге ОС Windows ХР текстового файла с именем autorun.inf, в котором располагаются команды автозапуска.
Для считывания данных (открытия папок, файлов), находящихся на цифровом универсальном диске, необходимо произвести двойной щелчок мышью на выбранном для чтения (открытия) файле. Для запуска специализированной программы необходимо следовать ее рекомендациям.
В отличие от записи информации на гибкие и жесткие магнитные диски, а также флэш-память, где запись информации производится с помощью стандартных средств ОС Windows ХР, для записи информации на цифровые универсальные используются специальные программы: Nero Burning Rom, Easy CD Creator и т. д.
Процедуры записи данных, создание мультисессионного диска и удаление данных с DVD с помощью этих программ аналогичны процедурам, используемым для CD-R и CD-RW. Однако прежде чем производить указанные выше процедуры, необходимо убедиться в том, что используемый вами дисковод поддерживает тот или иной стандарт записи. Эту информацию можно получить из технической документации.
