Некоторые технические характеристики оптических дисков.

1. Расстояние между оптической головкой и поверхностью дис­ка составляет величину около 1 миллиметра.

2. Луч лазера дает на поверхности диска пятно размером около 1 мм. На запоминающем слое за счет фокусировки пятно уменьша­ется до микронных размеров.

3. Расстояние между дорожками составляет 1,1-1,6 микрон.

4. Один бит информации занимает на дорожке расстояние 0,31­ - 0,52 микрон.

5. Размер сектора на оптическом диске может быть 512 или 2048 байтов.

6. Скорость вращения диска от 3000 до 4500 об/мин.

7. Задержка доступа около 7 мс, среднее время поиска 20­ – 30 мс.

 

Физические основы записи-считывания на оптических дисках

Оптический диск в разрезе представляет собой многослойную структуру, схема которой представлена на Рис. 4.

Отверстие для шпинделя Защитный слой

Подложка Слой хранения

Рис. 4. Оптический диск в разрезе

 

При работе с оптическими дисками используется запись инфор­мации с помощью лазерного луча - оптический метод записи и считывания. Оптические технологии записи-считывания позволяют ввести в систему различные способы автоподстройки; что обеспе­чивают высокую точность нахождения дорожки и высокую попе­речную плотность размещения информации на диске.

Существенной особенностью некоторых типов оптических дис­ков является использование спиральной дорожки вместо множе­ства концентрических дорожек как на магнитных дисках. Спи­ральная дорожка обеспечивает одно важное преимущество при воспроизведении аудио- и видеозаписей - непрерывность потока информации.

С другой стороны, такая форма дорожки создает проблемы, ко­гда необходимо вести запись отдельных порций данных на диск при наличии между операциями записи больших временных про­межутков - например, при выполнении периодической архива­ции данных на персональном компьютере. Размещенные на дорожке секторы нумеруются последовательно, начиная от центра диска.

Существуют несколько режимов записи и чтения информации на оптический диск:

· Режим однократной записи и многократного считывания.

· Режим многократной записи со стиранием ин­формации.

 

Режим однократной записи и многократного считывания допускает два варианта записи - считывания:

· Абляционная запись - удаление участка рабочего (запоми­нающего) слоя при нагреве его лазерным лучом.

· Образование вспучивания рабочего слоя при нагреве.

 

Схема реализации этих двух вариантов записи считывания при­ведена на Рис. 5. На левой части рисунка (а) приведена схема за­писи. Мощный луч от лазера (И1) через фокусирующую систему (ФС) попадает через защитный прозрачный слой диска (ЗСл) на тонкий слой хранения (СлХр), лежащий на подложке (П), и обра­зует «ямку» - удаляет часть слоя хранения. Во втором варианте луч лазера разогревает участок слоя хранения и образует «вспучива­ние» вещества слоя хранения. Таким образом, обеспечивается запись бита информации. Удалить ямку или вспучивание невозмож­но, поэтому такой способ записи является однократным - возмож­но только многократное считывание.

Схема считывания приведена на правой части рисунка (б).

Ме­нее мощный лазер (лазерный диод) через фокусирующую сис­тему ФС 1 «ощупывает» своим лучом поверхность диска. От тех участков диска, на которых информация не записана (светлые уча­стки слоя хранения) луч лазера отражается по оптическим зако­нам - угол падения луча равен углу отражения. Отраженный луч через фокусирующую систему (ФС2) попадает на фотодетектор ФД, на выходе которого не формируется сигнал считывания. Если луч попадает в «ямку» или на «вспучивание», на выходе фотодетектора формируется бит данных.

 

В режиме многократной записи со стиранием используется технология изменения фазового состояния участка битовой ин­формации, приводящая к изменением оптических констант - ко­эффициента преломления или коэффициента поглощения. Благо­даря использованию магнитного поля, создаваемого специальной головкой, удается получить реверсивный (стираемый) диск. Запись осуществляется термомагнитным способом.

Магнитное поле головки способно перемагнитить только

микроскопиче­скую зону носителя, разогреваемую лазерным лучом до температу­ры точки Кюри (порядка 200⁰С).

 

б)

 

Рис. 5. Схема реализации двух вариантов записи - считывания

 

Эта температура придает сплаву слоя хранения возможность изменить ориентацию вектора намаг­ниченности под воздействием слабого внешнего магнитного поля головки.

Зона, сформированная лучом лазера «замораживает» полу­ченное состояние намагниченности.

Схема записи-считывания приведена на Рис. 6. На левой части рисунка (а) приведена схема записи с использованием термомаг­нитного способа. Луч лазера генерируется лазерным диодом; луч подается на коллиматор, который превращает расходящийся ла­зерный луч в параллельный пучок. Зеркало направляет лазерный пучок на фокусирующую систему (ФС), которая фокусирует луч на слое хранения диска (СлХр).

В зоне разогрева температура подни­мается до точки Кюри.

Домены зоны разогрева при подаче на об­мотку магнитной головки напряжения ±U ориентируются опреде­ленным образом и остаются в этом состоянии при выходе зоны разогрева из - под луча лазера.

Если сменить полярность напряже­ния, подаваемого на магнитную головку, на обратную, то можно стереть записанную информацию, то есть привести домены зоны разогрева в исходное состояние. Это является основой процесса стирания ранее записанной информации.

 

Рис. 6. Схема записи-считывания

Считывание информации, записанной на диск, осуществляется аналогично тому, как это было рассмотрено выше.

Единственное отличие заключается в том, что отраженный от доменов, содержа­щих, записанный бит информации, луч лазера изменяет угол поля­ризации, что приводит появлению на выходе фотодетектора (ФД) сигнала.

В магнитооптике традиционно используют двухпроходную за­пись, для того, чтобы записать информацию в секторе, после пози­ционирования головки за первый оборот, сектор стирают. для это­го головка создает постоянное магнитное поле, а лазер включается на полную мощность, когда под ним проходит требуемый сектор (требуемые секторы). В результате все «засвеченные» области дан­ных переводятся в состояние с одним и тем же направлением на­магниченности. На следующем обороте выполняется собственно запись - направление магнитного поля головки меняется на проти­воположное и формируются мощные импульсы лазера над теми точками, состояние которых нужно изменить, чтобы закодировать требуемую информацию. для большей достоверности на третьем обороте выполняется верификация - считывание записанной ин­формации.

В принципе возможна и однопроходная запись, если модулиро­вать магнитное поле (переключать его направление) над каждой битовой областью. Однако в данной технологии (на большом рас­стоянии головки от диска, которое уменьшать не хотят принципи­ально) из-за явления индукции магнитная модуляция при больших скоростях записи требует непомерных затрат энергии.

Считываниеинформации с магнитного слоя диска выполняет­ся тоже с помощью лазера (при малой мощности излучения) и ос­новано на эффекте Керра - изменение поляризации света под дей­ствием магнитного поля.

Отраженный от поверхности диска луч проходит через поляризационную оптику, в результате на фото­приемник приходит луч, интенсивность которого модулирована (по амплитуде) в соответствии с записью на магнитном слое. Раз­решающая способность оптики и фотоприемника определяют достижимую плотность хранения информации.

Магнитооптические диски организованы так же, как и магнит­ные - у них имеются дорожки, разбитые на секторы, только нуме­рация дорожек начинается от центра диска.

Размер сектора может быть стандартным (512 байт данных) или увеличенным (2048 байт данных).

 

 

Количество секторов на дорожке (треке) переменно­, здесь тоже применяется зонная запись.

Магнитооптические диски бывают двух размеров - 5,25" (дву­сторонние) емкостью 650 Мбайт; 1,3; 2,6; 4,6 Гбайт и 3,5" (одно­сторонние) емкостью 128,230,540,640 Мбайт и 1.3 Гбайт.

По формату дорожек оптические диски могут быть двух типов:

· диски с концентрическими дорожками;

· диски со спиралевидными дорожками.

 

Диски первого типа дешевле, но время доступа к информации в таких дисках больше.

Диски второго типа не разрывают длинных файлов, но механизм позиционирования у таких дисков сложнее и дороже.

По способу записи диски могут быть отнесены к трем разно­видностям.

1. CD ROM(Compact Disk - Read Only Memory) - компакт­диск только для чтения. Запись на этот диск производится в про­цессе его изготовления на заводе.

2. CD R(CD Recordable) - компакт-диск однократно запи­сываемый. Запись на него производится в дисководе компьютера.

3. CD RW (CD ReWritable) - перезаписываемый компакт­ - диск.

 

Дисководы для упомянутых выше дисков получили те же названия, что и диски для них:

- читающие дисководы (СD-RОМ);

- пишущие дисководы (CD R);

- перезаписывающие дисководы (CD RW).

 

Кроме указанных выше разновидностей используются диски DVD-типа.

DVD-диск (Digital Video Disk) - цифровой видеодиск или цифровой универсальный диск.

Эти диски имеют те же внешние размеры, однако представляют собой «бутерброд» из двух пластин. для повышения емкости ширина дорожки и продольный размер битовой ячейки уменьшены примерно вдвое, снижены издержки избыточного кода коррекции ошибок.

Кроме того, могут использо­ваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в двух слоях. Таким образом, один диск может иметь уже четыре рабочих плоскости.

Запись информации на оптический диск имеет свою специ­фику, связанную как с организацией диска (одна спиральная до­рожка), так и с особенностями управления лазером.

В дисках CD-R в течение всего времени записи, когда работает прожигающий лазер, на устройство записи в требуемом темпе должна поступать записываемая информация. Опустошение буфе­ра устройства записи недопустимо - в режиме записи устройство не может ждать. Прерывание процесса записи (приостановка пото­ка данных), как правило, губит болванку диска.

С появлением пе­резаписываемых дисков CD-RW появился пакетный режим записи, позволяющий снять эти ограничения. Для устройств и дисков CD-R возможны следующие режимы записи.

1. Весь диск сразу (режим DAO – Disk At Once). В этом режиме лазер включается на все время записи от начала до конца. Вся информация записывается на диск, включая, вводную и выводную зоны, и последующая запись на эту болванку невозмож­на, даже если остается место на диске. для записи в режиме DAO требуются чистые болванки.

2. Потрековая запись (режим ТАО - Track At Опсе) В этом ре­жиме лазер включается на время записи одного трека. В начале каждого трека записывается предзазор длительностью 2 секунды (150 секторов). Этот режим применяется как для односеансовой, так и для многосеансовой записи. Режим пригоден для любого назначения (аудио, CD-ROM и т.п.). Нормально записанные диски будут читаться на любых приводах.

3. Пакетная запись (р ежим Packet writing). В этом режиме за одно включение лазера записывается произвольное количество блоков информации – пакет.

 

Структура данных на компакт-дисках

Физически для встроенного контроллера дисковода единицей представления данных на компакт-диске является «малый кадр». Запись дан­ных на компакт-диск выполняется в виде непрерывного потока малых кадров.

 

Каждый байт малого кадра записывается на диск в 14-битном коде EFM; всего в малом кадре содержится 588 EFM битов.

Малые кадры для программиста недоступны: минимально адре­суемой единицей данных на компакт-диске является кадр (Framе). Один кадр компакт-диска содержит 98 последовательно располо­женных малых кадров. Кадр содержит 24 х 98 = 2352 байт данных основного канала и 98 байт субканала (2 байта синхронизации и 96 байт данных).

Дорожка диска, записанного за одну операцию записи (сес­сию) состоит из 3-х последовательно расположенных зон.

· Вводная зона - разделительная область диска, которая долж­на предшествовать каждой области (зоне) программ, размещенных на диске. Вводная зона закодирована, как трек 0.

· Программная зона - эта область диска, именуемая в доку­ментации также областью пользователя, содержит записанные на диск данные.

· Выводная зона - эта область диска следует за каждой про­граммной зоной. Она закодирована как трек AAh.

Сессией называют набор треков (от 1 до 99), которому предше­ствует вводная зона, содержащая таблицу содержимого (ТОС), в которой описаны координаты каждого трека и выводной зоны. За последним треком имеется и выводная зона, начало которой также задано в таблице.

Каждая сессия (структура, записанная за один сеанс) выглядит как обычный CD-ROM, но есть нюансы в записях вводной зоны. Сессия называется закрытой, когда ее программная область об­рамлена вводной и выводной зонами.

Когда указатель указывает на конец вводной зоны, на диск воз­можна запись последующей сессии (если хватает ресурсов: места на диске, места в области сохранения координат (РМА) и номеров треков).

Более подробно механические носители рассмотрены в книге Ю.В. Огородова «Системы ввода – вывода и периферия компьютеров».

Далее перейдем к рассмотрению флэш – памяти. Следует отметить, что это наиболее перспективное направление внешней памяти на текущий момент, поэтому рассмотрение будет подробным.

 

Флэш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно конечное число раз (десятки и сотни тысяч раз). Несмотря на ограничение, такое количество циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Флэш-память не содержит подвижных механических частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Флэш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Название «флэш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash), или как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти "in a flash" - в мгновение ока. Масуока представил свою разработку на традиционной международной конференции по электронным приборам International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния.