Оптический принцип чтения и записи информации

Оптический диск (англ. optical disc) - собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков чтение, с которых ведётся с помощью оптического излучения (рис.3).

Рис. 3. Оптический диск

Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде. Диск стал основным носителем для переноса информации между компьютерами.

Первые оптические диски появились в 1979 г. Фирма «Philips» создавала их для записи и воспроизведения звука. Оптический диск состоит из жёсткой, оптически прозрачной основы, на которую нанесён тонкий рабочий слой и дополнительный защитный слой (рис.4). Благодаря оптическому методу считывания оптические диски гораздо долговечнее грампластинок. Диаметр стандартного компакт-диска составляет 120 мм (4.5 дюйма), толщина - 1.2 мм, диаметр центрального отверстия - 15 мм.

 

Рис. 4. Считывание информации с компакт-диска: 1 - компакт-диск; 2 – светопрозрачное покрытие (защищающее нанесённую на CD информацию от повреждения); 3 - отражающее покрытие (собственно носитель записи); 4 – защитный слой; 5 – фокусирующий объектив; 6 – лазерный луч; 7 – оптический расщепитель; 8 – фотодетектор; 9 - лазер; 10 – электродвигатель, вращающий диск

Изготавливаются CD-диски из очень прочной прозрачной пластмассы - поликарбоната или полихлорвинила. На одной стороне диска помещается этикетка, а другая сторона имеет зеркальную поверхность, переливающуюся цветами радуги. Это зона записи, спиральная дорожка которой состоит из питов - углублений различной длины. Расстояние между двумя соседними дорожками спирали - 1.6 мкм, то есть плотность записи по сравнению с обычной грампластинкой больше в 100 раз. Ширина питов составляет 0,6-0,8 мкм, а длина их переменная (рис.5). Она отражает длину последовательностей одного записанного цифрового сигнала и может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. По сравнению с механической звукозаписью имеет ряд преимуществ: очень высокую плотность записи и полное отсутствие механического контакта между носителем и считывающим устройством в процессе записи и воспроизведения. Музыкальные CD-диски записываются в заводских условиях. Подобно грампластинкам, их можно только прослушивать. С помощью лазерного луча сигналы записываются на вращающийся оптический диск цифровым кодом. В результате записи на диске образуется спиральная дорожка, состоящая из миниатюрных углублений и гладких участков. В режиме воспроизведения лазерный луч, сфокусированный на дорожку, перемещается по поверхности вращающегося оптического диска и считывает записанную информацию. При этом впадины считываются как единицы, а ровно отражающие свет участки - как нули.

Рис. 5. Питы в увеличенном виде

Бесконтактное считывание информации с компакт-диска осуществляется с помощью оптической головки или лазерного звукоснимателя. Оптическая головка состоит из полупроводникового лазера, оптической системы и фотоприёмника, преобразующего световой сигнал в электрический. Считывающий лазерный луч фокусируется на спиральной дорожке с питами, находящийся в глубине диска. Головка никогда не соприкасается с диском - она находится всегда на строго определённом расстоянии от него, обеспечивающем нахождение дорожки из питов в фокусе оптической системы.

Технология мультимедиа позволяет объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - то есть память на компакт-диске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.

Ёмкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по ёмкости он занимает промежуточное положение между дискетами и жёстким магнитным диском (винчестером). Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на персональном компьютере её можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объёма памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объёму Большую советскую энциклопедию.

Информационные оптические CD-диски предназначены для однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записи информации на персональном компьютере, оснащённом специальным дисководом. Это даёт возможность, подобно магнитофону, делать на них записи в домашних условиях. На диски CD-R можно сделать запись только один раз, а на CD-RW - многократно, как на магнитном диске или ленте, можно стирать предыдущую запись и на её место делать новую.

На смену существующим компакт-дискам приходит новый стандарт носителей информации - DVD (Digital Versatilе Disc или цифровой диск общего назначения). На вид они ничем не отличаются от компакт-дисков. Их геометрические размеры одинаковы. Основное отличие DVD-диска - в десятки раз более высокая плотность записи информации. Это достигнуто благодаря более короткой длине волны лазера и меньшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность уменьшить вдвое расстояние между дорожками. Стандарт DVD определён таким образом, что будущие модели устройств считывания будут разрабатываться с учётом возможности воспроизведения всех предыдущих поколений компакт-дисков, то есть с соблюдением принципа «обратной совместимости». В 1995 г. фирма «Philips» разработала технологию компакт-дисков для повторных записей. Стандарт DVD позволяет значительно увеличить время и улучшить качество воспроизведения видеофильмов по сравнению с существующими СD-RОМ. Дисководы DVD представляют собой усовершенствованные дисководы CD-ROM.

DVD-диски имеют другие режимы записи: DVD-RAM пишется посекторно так же, как и жесткий диск или дискета, DVD+RW тоже поддерживает такое, но только после форматирования, DVD-RW поддерживает два режима - Sequential и Restricted Overwrite, DVD+R поддерживает единственный режим записи, по последовательности команд более всего похожий на Track-At-Once для CD.

В начале и конце CD-диска существуют так называемые lead-In и lead-Out зоны, по 150 блоков каждая. В однобитовых дополнительных каналах информации (1 бит на сектор) этих зон записывается окончательное оглавление диска. CD-R и CD-RW также поддерживают временное оглавление диска, находящееся в специальной перезаписываемой (даже на CD-R) области.

Не пишущие CD-устройства обычно не способны читать временное оглавление, то есть вообще читать диск, если на нем нет окончательного оглавления, то есть, не записаны lead-in и lead-out. Такие же ограничения бывают и у CD-R/RW приводов при использовании стандартной последовательности команд от CD-стека операционной системы. Чтение возможно только с помощью специального ПО, умеющего формировать специальные последовательности команд.

Таким образом, для возможности чтения диска такими устройствами необходимо сформировать lead-in и lead-out (на основании временного оглавления и данных, посланных хостом), что есть процесс небыстрый.

Методы записи отличаются тем, на кого возложена обязанность этого формирования - на прошивку привода или же на ПО хоста.

При записи диска с использованием Track-At-Once (Дорожка за раз) метод пишущий лазером записывает каждую дорожку по отдельности, оставляя при этом между дорожками промежутки в 2 секунды. Когда все дорожки на диск успешно записаны, по команде CLOSE TRACK/SESSION начинается запись служебной информации: Lead-In (в начале сессии) и Lead-Out (в конце сессии).

Название связано с тем, что пауза между записью двух дорожек может быть любой длительности и даже включать в себя перенос диска с одного компьютера на другой. Как правило, незакрытые сессии не доступны ни CD-плеерам, ни обычному CD-стеку операционной системы - только специальным программам записи на CD. Фиксация - когда на диске закрывается только сессия. Впоследствии на такой диск можно добавить ещё несколько сессий.

Финализирование - когда весь диск закрывается, и добавление на него новых сессий становится невозможным. Безфинализирования - когда на диск записываются одна или более дорожек и сессия остаётся открытой (в этом случае служебные области Lead-In и Lead-Out не записываются).

Такой диск будет нечитаемым на других компьютерах, пока сессия на нём не будет закрыта. Зато впоследствии на него можно дописать новые дорожки, и закрыть при этом сессию или весь диск, сделав его читаемым. При этом и старые и новые дорожки будут находиться в первой сессии.

Преимуществом метода является то, что на момент начала записи не нужно знание размера будущей дорожки - ее можно закрыть в любой момент.

Временное оглавление диска строится «на лету» операциями открытия дорожки и CLOSE TRACK/SESSION в режиме Close Track, lead-in и lead-out диска записываются на основе временного оглавления командой CLOSE TRACK/SESSION в режиме Close Session и Finalize Disc.

Существует две разновидности метода - Disc-At-Once (Диск за раз) и Session At Once (Сессия за раз) с дополнительным CLOSE TRACK/SESSION Finalize Disc в конце. В первом методе есть совсем иной режим, в которой содержимое lead-in и lead-out формируется программным обеспечением хоста и шлется приводу командами WRITE. Во всех иных режимах lead-in и lead-out формируются прошивкой привода.

В методе Session-At-Once (Сессия за раз) длительность и типы данных каждой дорожки сводят ПО хоста в таблицу, называемую cue sheet и представляющую собой оглавление будущей сессии.

Недостаток режима в том, что на момент начала записи необходимо знать длину всех дорожек. При использовании этого метода оглавление сессии известно из cue sheet с самого начала записи, что дает возможность записать lead-in перед записью данных.

Пишущий лазер включается, пишет служебную область Lead-In, затем пишет дорожки с пользовательской информацией, затем пишет Lead-Out и выключается. Диск при этом финализируется (то есть впоследствии на него невозможно добавление данных). При использовании этого метода лазер не оставляет промежутков в 2 секунды между дорожками (промежутки управляются ПО хоста в cue sheet). Поэтому этот метод хорошо подходит для создания матриц.

Packet Writing (Пакетнаязапись) в основе этого метода лежит запись информации на диск не дорожками, как в методах TAO, SAO и DAO, а порциями (пакетами). Таким образом, вы можете записывать, удалять и изменять файлы на перезаписываемых оптических дисках точно так же, как это делаете с дискетами, жёсткими дисками и Flash-носителями.

Термин относится только к CD, однако аналогичные режимы есть и у DVD так, например, DVD-RW в режиме Restricted Overwrite после полного форматирования есть устройство с произвольным доступом блоками по 64K. DVD+RW после форматирования и вовсе поддерживает блоки в 2K, а DVD-RAM и BD-RE вообще поставляются от производителя уже форматированными (повторное форматирование тоже поддерживается).

Поддержка дисков, используемых пакетный метод записи данных. Перед использованием RW-носителя в режиме пакетной записи нужно выполнить его форматирование. Во время форматирования диск проверяется на наличие повреждённых секторов, а после проверки плохие сектора помечаются особым образом (чтобы впоследствии в эти сектора не производилась запись), и на диск производится запись файловой системы - UDF. DVD+RW после форматирования поддерживает и создает на себе файловую систему FAT32, то же верно и для DVD-RAM и BD-RE.

Пакетная запись возможна только на перезаписываемых носителях, однако существуют программы (например, Roxio DirectCD), которые для таких целей могут использовать и однократно записываемые диски, однако физически удалять файлы с таких дисков всё равно нельзя (можно только убрать соответствующие ссылки на них в таблице размещения файлов, сделав их невидимыми).

Диски могут храниться долго, однако, нужно не забывать о способах хранения. Это должно быть сухое, темное место. Желательно хранить диски в боксах (рис.6). Обращаться с ними нужно осторожно, так как царапины могут сделать его нечитаемым. Не допускайте попадания пыли на рабочую область диска, вообще это самая нежная часть носителя.

Рис. 6. Боксы для дисков

Перед тем как вставлять диск в лоток привода, внимательно осматривайте его внутреннее кольцо на наличие трещинок. Их появление может привести к тому, что в самый ответственный момент ваш носитель информации просто разлетится на части прямо в приводе.

Нужно также помнить, что даже без повреждений диски, пролежав год другой, могут становиться нечитаемыми. Поэтому если у вас есть очень важная информация, лучше периодически пересохранять ее.

Писать на диске можно только специальным маркером и только на верхней, нерабочей поверхности. На сохранность информации влияют и другие факторы. Например, какой привод используется, какие программы для записи дисков используется.