Занятие 2. Накопители на оптических носителях

 

Цели и задачи:

Цели и задачи изученияданной темы – получение сведений о назначении и принципах работы устройств хранения данных на оптических носителях, физических основах чтения/записи на оптические носители, классификации и технических параметрах соответствующего аппаратного обеспечения и носителей.

 

В результате успешного изучения темы Вы:

Узнаете:

· классификацию устройств хранения данных на оптических носителях;

· классификацию оптических носителей данных;

· устройство и принципы работы накопителей на оптических носителях;

· технические параметры накопителей на оптических носителях;

 

Приобретете следующие профессиональные компетенции:

· умение определять наиболее оптимальный интерфейс для подключения устройства хранения данных на оптических носителях;

· умение определять технические параметры устройства хранения данных на оптических носителях по его описанию из прайс-листа;

· способность формировать комплекс устройств хранения данных на оптических носителях исходя из критериев стоимости, сохранности данных и обеспечения безопасности доступа.

 

В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях:

Пит (pit) дословно - ямка, углубление в дорожке CD-DVD диска размещаемой в его прозрачной основе за которой расположен светоотражающий слой. В перезаписываемых CD-DVD дисках для формирования питов используется регистрирующий слой, который может менять свое состояние между поликристаллическим и аморфным. Под воздействием нагрева лучом записывающего лазера состояние изменяется, а новое состояние фиксируется при остывании.

 

Лэнд (land) дословно – равнина представляющая собой пространство между питами. Логический ноль кодируется как лэндом так и питом, т.е. последовательность нулей определяется длиной участка без изменений. Логическая единица кодируется моментом перехода между питом и лэндом, т.е. краями ямок – питов. Например, комбинация «1, 0, 0, 1, 1 может быть представлена следующим образом: лэнд, пит (переход дает «1»), пит, пит (три последовательных пита дают два «0»), лэнд (переход дает «1»), пит (переход дает «1»). Наглядно запись данных на CD-DVD диск представлена на рисунке ниже.

Штамповка – метод записи данных на CD-DVD когда «рельеф» лэдов и питов сразу наносится на верхнюю сторону прозрачной основы, покрытую светоотражающим напылением.

 

Фотохромизм это явление изменения физических свойств (появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазерного луча.

 

Теоретический материал по теме

 

Данный тип накопителей называется оптическим потому, что в основе своей работы они используют свойства материалов, связанные с отражением или преломлением световых лучей. Для считывания или записи информации используется луч лазера, поэтому оптический носитель совершенно невозможно размагнитить. Кроме того, не требуется и абсолютной чистоты носителя. Всем хорошо известный CD не пострадает от небольшого количества пыли на нем, в отличие от дисков HDD (последние вообще приходится помещать в герметичную упаковку).

Если же говорить о принципе восприятия информации устройством, то тут все и везде одинаково. Все те же нули и единицы, только если в магнитных накопителях они определялись по направлению «магнитной стрелки», то здесь мы можем условно принять за единицу тот факт, что луч отразился, а за ноль – то, что он рассеялся или поглотился.

Основными накопителями на оптических носителях являются:

· CD - Compact Disc (компактный диск);

· DVD - Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск);

· Blu-Ray Disc;

· FMD Fluorescent Multilayer Disc.

 

СD - диски

Compact Disc (рис. 2.1) представляет собой пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором записана информация. Это покрытие состоит из цианина (Cyanine) или фталоцианина (phtalocyanine). По оценке производителей первые из них имеют срок жизни 50, а вторые 100 лет.

 

 

Рис. 2.1 Устройство CD диска

 

Диаметр компакт-диска равен 120 мм, толщина – 1,2 мм, диаметр центрального отверстия – 15 мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называется зоной крепления (clamping area). За ней следует заголовочная область (lead in area), содержащая оглавление диска (table of content). Далее расположена область шириной 33 мм, предназначенная для хранения данных и физически представляющая собой единый трек. Завершающей является терминальная область (lead out) шириной 1 мм. Внешний обод диска имеет ширину 3 мм. Общая длина концентрических дорожек диска равна 5 км. Воспроизведение CD производится по спиральной дорожке от центра диска (50 мм) против часовой стрелки. Благодаря изменению скорости вращения диска дорожка относительно считывающего луча лазера движется с постоянной линейной скоростью. У центра диска скорость его вращения больше, у края – медленнее (1,2–1,4 м/сек). Кстати, когда говорят про скорость CD-привода (напр. 4x или 8х), то имеется ввиду не скорость вращения диска, а скорость передачи данных с диска на компьютер. Скорость в 1х соответствует 150 кб/сек.

Существует четыре основных вида CD:

· CD-ROM, на которые запись осуществляется фабрично методом штамповки с матрицы;

· CD-R, используемые для однократной или многократной лазерной записи сессиями;

· CD-RW, предназначенные для многократных циклов записи-стирания;

· Mini-CD – те же CD, но уменьшенные в размерах.

 

CD-ROM – Compact Disc Read Only Memory - компакт-диск только для чтения.

Их изготовляют из прозрачного пластика диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм. На поверхность напыляется слой алюминия, реже серебра или золота. При массовом производстве запись информации происходит путем выдавливания на поверхности диска ряда углублений. Логический нуль может быть представлен как питом (pit — углубление), так и лэндом (land — поверхность). От центра к краю компакт-диска нанесена одна-единственная дорожка в виде спирали шириной 4 микрона с шагом 1,4 микрона.

CD-R – Compact Disc Recordable - записываемый компакт диск, точнее сказать, однократно записываемый.

Запись производится лазером за счет потемнения (изменения прозрачности) участков материала, который находится между покрытием и поликарбонатной основой. При записи лазер нагревает участки материала, они меняют прозрачность, и образуют подобие питов. На CD-R организуется такая же информационная структура, как на CD-ROM. Отличие заключается в том, что запись таких дисков можно производить с помощью домашней бытовой техники.

CD-RW – Compact Disc Rewritable - перезаписываемый компакт-диск.

При его изготовлении используется промежуточный слой из органической пленки, способной менять свое фазовое состояние (с аморфного на кристаллическое и обратно) под воздействием луча лазера. При нагреве свыше критической температуры материал переходит в стабильное аморфное состояние и остается в нем, а при нагреве значительно ниже критической возвращается в стабильное кристаллическое состояние. За счет этого изменяется прозрачность материала.

На данный момент CD-RW-диски поддерживают несколько тысяч перезаписей. Однако их отражающая способность ниже, чем у CD-R-дисков, так что для чтения этих дисков необходим привод с Auto Gain Control — автоматической регулировкой усиления фотоприемника. Некоторые бытовые проигрыватели (на данный момент почти все) также способны читать CD-RW-диски. Что касается формата данных, то CD-RW имеет аналогичную CD-R структуру, но также может быть отформатирован под файловую систему UDF (Universal Disc Format), позволяющую работать с диском как с обычной дискетой, т. е. динамически создавать и уничтожать файлы. Срок жизни CD-RW в среднем составляет 2-3 года со дня изготовления.

Некоторые наверняка встречались с обозначением на CD-RW приводе, которое выглядело приблизительно как 8х/4x/32x. Полезно знать, что соответственно этим обозначениям, 8х - максимальная скорость записи, 4х-максимальная скорость перезаписи и 32х-максимальная скорость чтения данных.

Mini-CD - это компакт-диски диаметром 80 мм (размером со стандартную трёхдюймовую дискету). Такие диски прекрасно считываются большинством компьютерных CD-приводов и музыкальных центров (исключение составляют приводы с фронтальной загрузкой, как, например, во многих CD-автомагнитолах). Кстати, существуют устройства, которые работают только с мини-CD - например, некоторые портативные MP3-плееры. Объём информации - до 200 мегабайт.

На основе мини-CD также создана такая замечательная вещь, как CD – визитка. С технической точки зрения - это обыкновенный компакт диск, вырезанный по форме пластиковой карточки. А, по сути, это огромное "хранилище", где возможно разместить сотни страниц текста и иллюстраций, рисунки, графики, таблицы. Все это может сопровождаться музыкой анимацией и дикторским текстом. Но самое главное, что вся эта информация легко считывается обыкновенным CD-приводом, даже самым "древним".

 

DVD - диски

DVD, ныне именуемый как Digital Versatile Disc на самом деле изначально назывался Digital Video Disc но эта расшифровка так и не устоялась, поскольку DVD подходит для хранения не только видео но и вообще любой мультимедийной информации.

Этот носитель имеет до 4-х регистрирующих слоёв и ёмкость от единиц до десятков Гб. При этом длительность записи видеоинформации возрастает до 8 часов. 4-х слойные DVD изготавливаются из двух склеенных дисков толщиной по 0,6 мм каждый. Повышение информационной ёмкости диска достигается за счёт использования лазера с более короткой длиной волны излучения (0,635–0,66 вместо 0,78 мкм), что позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить геометрические размеры пит (с 0,28 до 0,15 мкм) и шаг дорожки (с 1,6 до 0,74 мкм), а также за счёт использования технологии сжатия данных, чего нет на обычных CD. В основном для сжатия видеоинформации используется стандарт MPEG-2, а для сжатия аудио – форматы AC-3 или PCM.

Поскольку на DVD можно разместить значительный объем компаниями-производителями предпринимаются попытки изначально взять под свой контроль процессы копирования информации, записанной на DVD. Основным средством защиты от несанкционированного копирования является региональное кодирование DVD.

Региональное кодирование предполагает под собой следующее: на каждом DVD находится 1 байт, который соответствует тому региону, в котором был произведен диск. Если, например, региональный код DVD диска с музыкой не будет соответствовать региональному коду плеера, то последний не будет проигрывать диск. Кроме того, существует возможность не устанавливать региональный код вообще, тогда в этом случае диск будет возможно проиграть на любом плеере.

Некоторые плееры могут быть модифицированы таким образом, чтобы они могли воспроизводить диски независимо от указанной зоны. Такая модификация ведет к потере гарантии на устройство, но не является противозаконной. Некоторые диски от «Fox», «Buena Vista/Touchstone/Miramax», «MGS/Universal» и «Polygram» содержат программные фрагменты, которые проверяют региональный код плеера. У плеера, "освобожденного" от региональной защиты, код равен 0, и такие диски отказываются воспроизводиться. Проигрыватели, в которых можно самостоятельно переключать регион, могут без проблем решить это препятствие.

Почти так же, как и CD, DVD имеет три основных вида:

· DVD-ROM (только чтение)

· DVD-R (возможность одноразовой записи)

· DVD-RW (возможность многократной перезаписи)

Для работы с DVD применяют DV-магнитофоны (в том числе компактные, например DV Walkman с ЖК-мониторами) и DVD драйверы, устанавливаемые в ПК. DV-магнитофоны, оснащённые специальными монтажными устройствами, позволяют осуществлять полнофункциональный монтаж аудиовидеоданных.

Blu - Ray Disc

Технология Blu - ray Disc разработана в конце 2001 года. Её спецификация с февраля 2002 года поддерживается рядом известных зарубежных компаний. Диски диаметром 12 мм имеют ёмкость 23,3; 25 и 27 Гбайт. Такой диск имеет толщину прозрачного защитного слоя 0,1 мм, а ширину дорожки – 0,32 мм, что позволило не только обеспечить большую ёмкость, но и повысить скорость чтения/записи. Его базовая скорость (1х) составляет 36 Мбит/с (5580 Кбайт/с). У DVD этот параметр составляет 1385, а у CD – 150 Кбайт/с соответственно. По мнению разработчиков, эти диски хорошо подходят для записи телевизионных и видеопрограмм, транслируемых в цифровом формате.

В технологии Blu-Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в два раза больше, чем у обычного DVD-диска до 0,32 микрон, и увеличить плотность записи данных.

Одновременно с Blu-ray Disc компании NEC Toshiba предложили диск с названием Advanced Optical Disk System. Он использует тот же тип лазера (сине-фиолетовый), но прозрачный защитный слой шире (0,6 мм, как у DVD), при этом ёмкость однослойного такого носителя составляет 15 и 20 Гбайт. В дальнейшем предполагается создать односторонний двухслойный диск с ёмкостью 40 Гбайт. Эти диски будут максимально совместимы с DVD-носителями.

FMD

Другим способом увеличения ёмкости является принцип фотохромизма, используемый во флуоресцентных дисках FMD (Fluorescent Multilayer Disk) и заключающийся в изменении физических свойств (появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазерного луча (рис 2.2).

 

 

 

 

Рис. 2.2 Принцип чтения/записи во флуоресцентных дисках FMD

 

Такие диски изготавливаются из прозрачного фотохрома. Под воздействием мощного лазерного излучения в них происходит химическая реакция, в результате которой отдельные участки информационного слоя (по аналогии с CD – «питы») приобретают флуоресцентные свойства (в отличие от CD и DVD свет не отражается, а излучается непосредственно информационным слоем).

Данная технология позволяет создавать 120 мм диски ёмкостью в десятки терабайт. Кроме того, возможно параллельное считывание данных с разных слоёв, что позволяет увеличить скорость считывания информации до 1 Гбита в секунду. Таким образом, этот метод может считаться методом объёмной записи данных. В большей степени такая запись возможна при использовании трёхмерной голографии, позволяющей в кристалле размером с сахарный кубик, разместить до 1 Тб. Заметим, что голографический метод не требует применения систем вращения.

Предполагается, что в данной технологии будет поддержана совместимость с форматами CD и DVD за счёт использования аналогичной системы распределения данных на каждом слое дисков.