Лазерные накопители CD-ROM

Введение

В конце 70-х годов прошедшего века две компании, Philips и Sony, серьезно заня­лись вопросом цифрового звуковоспроиз­ведения. Они приступили к разработке но­вого типа носителей, базирующихся на оп­тической тех-нологии записи и считывания данных, который был приз-ван прийти на смену виниловым грампластинкам. В ре­- зультате в 1982 г. появились привычные нам сегодня музыкальные компакт-диски CD Digital Audio (CD-DA), спустя два года вышли и компьютерные CD-ROM. Их ха­рактеристики были определены исходя из поставленной первоначально задачи — за­писи музыки. С этим связан выбор концен­трической дорожки (собственно, как и на грампластинках), более пригодной для по­следователь-ного, а не для произвольного доступа к данным, характер-ного для ком­пьютерных систем. Емкость дисков, перво­на-чально составлявшая 650 Мбайт, была выбрана с точки зрения возможности запи­си 74 мин. музыки.

Похоже, неожиданно для самих создате­лей новинка пришлась ко двору в ПК. Именно благодаря приводам CD-ROM воз­никло понятие «мультимедиа», в компьюте­рах платформы PC появились аудиофункции, пришли большие деньги в игровую индустрию. Технология развивалась, вслед за «штампованными» заводскими CD-ROM были созданы диски с однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записью.

Дальнейшая эволюция технологий записи информации на оптические носители информации привели к созданию DVD приводов и дисков с возможностью записи еще боль-шего количества информации (до 17 Гбайт на двуслойный двусторнний диск). Предпосылкой для разработки такого типа оптических носителей, сначала называвшихся Digital Video Disc и потом пере­именованных в Digital Versatile Disc, что подчеркивает их универсальность, послу­жило желание вслед за музыкой «перело­жить на цифру» и фильмы.

Следующим этапом развития технологий оптических дисков вероятно станет применение новых стандартов последнего поколения DVD с еще более высокой плот-ностью записи: HD DVD или Blu-Ray. Исход борьбы

между сторонниками котрых пока неизвестен.

В настоящее время наиболее интересной разработкой

является новейший тип носителей информации, под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), то есть флуоресцентный многослойный диск с уже сегодня достигнутой вместимостью 140 Гбайт, что не является теоретическим пределом. К сожалению из-за высокой стоимости оборудования, реализующего технологии FMD, говорить об их практическом применении еше преждевре-

менно.

Лазерные накопители CD-ROM, CD-R и CD-RW

Лазерные накопители CD-ROM

На диске CD-ROM промышленным способом записы-вается информация, и про­извести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получи­ли 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записы-ваются в виде спирали (в отличие от винчестера, данные на котором распо­лагаются в виде концентрических окруж-ностей). С точки зрения физики лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей, записан-ных на CD, по форме микроскопических ямок (пит, pit) на его спирали. Принцип считывания информации с оптичес-кого диска можно приближенно разбить на четыре этапа.

1. Луч слабого лазера испускается лазер-диодом привода CD-ROM. Проходя через систему линз, он фокусируется на областях спирали данных компакт-диска, двигаясь по траекториям, задаваемым сервоприводом. Сервопривод служит для перемещения направляющей линзы.

2. Луч производит считывание, отражаясь с различной интенсивностью от pit-слоя компакт-диска.

3. Отраженный луч возвращается, попадая в группу призм. Там происходит его преломление и отражение на фотодетектор.

4. Фотодетектор определяет интенсивность светового потока и переправляет эту информацию к микропроцессору дисковода, который завершает ее анализ, пре­образуя в цифровую последовательность.

Основу компакт-диска диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм составляет слой оптически чистой поликарбонатной пластмассы — это нижняя сторона подложка (back layer). На нее нанесен тонкий слои алюминия, придающий диску необходи­мые отражающие свойства. От окисления и механических повреждении его защищает лакировка. Поверх лакового слоя печатается этикетка диска.

Главное характеристикой привода CD-ROM является скорость чтения данных, поднять которую можно только единственным способом - увеличением частоты вращения диска. Поскольку для CD-ROM изначально принята постоянная линей­ная скорость чтения (Constant Linear Velocity - CLV), то частота вращения диска является переменной величиной, обратно пропорциональной расстоянию от счи­тывающей головки до центра. Для первого поколения устройств со скоростью чтения 150 Кб/с (односкоростные, или 1Х) она лежит в диапазоне от 200 об/мин для внешней части дорожки диска до 530 об/мин для внутренней. В следующих поколениях частоты вра-щения, а с ними скорость чтения, просто увеличивались в целое число раз (двухскоростные - 2 X, четырехскоростные - 4Х и т. д.).

Так продолжалось довольно длительное время, пока скорость высококлассных моделей не достигла 12Х (1800 Кб/с), а массовых - 8Х (1200 Кб/с). Для 12-скоростных моделей диапазон частот вращения составляет от 2400 до 6360 об/мин. Понятно, что 6360 об/мин - это очень боль-шая скорость для сменного но­сителя, которую технически трудно поддерживать. Еще труднее быстро раскрутить диск до этой скорости, если головка для считывания очеред­ной порции информации перескаки­вает, например, с внешней части дис­ка на внутреннюю. Время раскрутки накладывается на время перемеще­ния и для быстрого доступа должно быть минимальным. Трудности мно­гократно возрастают при попытке еще больше повысить частоту вращения, поэтому 12-кратная скорость являет­ся предельной для режима CLV.

Дальнейшее увеличение скорости чтения возможно только при отказе от режима CLV, поэтому в последую­щих моде-лях приводов CD-ROM все ведущие производители вместо «чи­стого» CLV начали использовать в той или иной мере режим с постоянной угловой скоростью (Constant Angular Velocity - CAV), в котором частота вра­щения постоянна (и близка к макси­мально возможной), а скорость чтения пропорциональна радиусу, Режим CAV используется либо для всей поверхности диска, либо комбинируется с CLV. Комбинированный режим, когда для централь­ной части диска используется CAV, для периферийной CLV, называют CAV| CLV, Partial CAV или Р-CAV.

Новые модели приводов CD-ROM позиционируются по максимальному значе­нию скорости чтения как 32-50-ти скоростные, что не дает, однако, адекватного представ-ления о реальном быстродействии.

Что касается расположения информации на диске, то следует учитывать, что, во-первых, заполнение диска начинается от центра, и, во-вторых, большинство дисков заполнены не полностью (в среднем только наполовину). То есть решающей для общего быстродействия является скорость чтения на внутренней части диска. На­пример, популярный тест CD-TACH при оценке скорости учитывает внутреннюю часть (0-215 Мб) диска с весовым коэффи-циентом 60%, среднюю (1215-430 Мб) -30% и внешнюю (430-615 Мб) - 10%.

Приводы CD-ROM высшего класса имеют скорость чтения для внутренней час­ти диска 12Х, массовые модели - 8-10Х. Скорость чтения внешней части достигает в некото-рых моделях 50Х.

Переход от режима CLV к режимам Р-CAV и CAV не потребовал от производи­телей особых затрат, так как максимальная частота вращения не увеличилась, и механическая часть, включая двигатель, не подверглась существенным изменени­ям. Поэтому цены на новые устройства, несмотря на значительно улучшенные па­раметры, остались на прежнем, весьма невысоком уровне.

Причем покупать лучше устройства со скоростями начиная от 24х. Несмотря на незначительный прирост реального быстродействия, только они поддерживают стан­дарт MultiRead, дающий возможность чтения перезапи-сываемых дисков CD-RW.

Появившиеся на рынке в 1997 году 24-скоростные CD-ROM работали по пол­ной CAV-технологии при частоте вращения диска 5000 об/мин., и скорость считы­вания данных у них лежала в пределах от 1,8 до 3,6 Мбайт/с. При 50-ти кратной скорости, как у самых новых накопи-телей, частота вращения достигает 12 тыс. об./ мин., что пока не используется даже в самых современных жестких дисках. Поток данных при этом составляет 7,2 Мб/с.

Однако шум, издаваемый приводом на таких скоростях не выдерживает никакой критики. Дошло до того, что некото-рые пользователи стали выбирать дисководы 24-32х. Пусть немного медленнее, зато тихо. Кроме того, появились специальные программы, позволяющие ограничивать скорость любого привода не более желае­мой.

Дисководы CD-ROM могут иметь различные интерфейсы. Подавляющее боль­шинство подключаются к обычному IDE выходу на материнской плате.

Несмотря на то что процесс установки привода CD-ROM с интерфейсом IDE весьма прост, стоит обратить внимание на следующие моменты. Как известно, лю­бой адаптер Enhanced IDE имеет два 40-контактных разъема, к кото-рым подключа­ются по два устройства: Primary Master и Slave и Secondary Master и Slave. По понятным причинам Primary Master - это всегда загрузочный жесткий диск (С:). Таким образом, привод CD-ROM может быть либо Primary Slave, либо Secondary Master, либо Secondary Slave. Итак, перед подключением кабелей питания, интер­фейса и аудио на задней стенке накопителя следует соответ-ствующим образом установить перемычки Master и SLave (но лучше всё же, подключить CD-ROM ко второму IDE, отдельным шлейфом).

Диски CD-R

Цены на средства записи компакт-дисков наконец снизи-лись (от 50$), а это значит, что теперь даже частное лицо может попытаться выпустить небольшим тиражом свой диск.

Чтобы записать один-единственный компакт-диск, семь лет назад потребовались бы це­лая комната аппаратуры, два квалифицированных специалиста и восемь часов работы. Се­годня, имея компьютер с записывающим дисководом CD-R, можно сделать диск менее чем за час. Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптичес­кой записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков для серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. На CD-R, в частности, основана система Photo CD фирмы Kodak.

Назначение устройства CD-R - запись данных на компакт-диски CD-R, которые потом можно читать на накопителях CD-R, CD-ROM и CD-RW. До недавнего времени они использо­вались в основном для создания и тиражирования аудио-, видеодисков и дистрибутивов программного обеспечения. Однако, если посмотреть на эти устройства с иной точки зре­ния, то оказывается, что накопители CD-R - идеальный выбор в качестве устройства для архивирования данных.

Если говорить о скорости чтения/записи, то накопители CD-R сильно проигрывают тра­диционным накопителям на жестких магнитных дисках, имеют примерно одинаковые воз­можности с JomegaZip с интерфейсом SCSIn значительно превосходят JomegaZip с интер­фейсом LPT.

Скорость записи для недорогих моделей составляет 32Х, скорость чтения - 42-50Х. Не слишком высокие скорости записи связаны с определенными техническими трудностями. В моделях более высокого класса скорость записи доведена до 40 -50Х. Получение более высоких скоростей сопряжено со значительными трудностями, так как резко возрастают требования к стабильности меха-нического тракта.

Скорость чтения/записи, безусловно, важный, но не единственный показатель, который определяет выбор накопителя для архивации данных. Не менее важна удельная стоимость одного мегабайта хранимых данных. И носители CD-R здесь вне конкуренции - при объеме в 650 Мбайт эти диски стоят в розницу около 0,4$ за штуку, что дает рекордно низкую удельную стоимость одного мегабайта хранимых данных. Следует также отметить, что ком­пакт-диски более надежны при длительном хранении информации, чем магнитные носите­ли: последние весьма чувствительны к электромагнитным полям и ударным нагрузкам.

В любом компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и неотражающих участков. При записи CD-R сфокусированным мощным ла­зерным лучом нагреваются небольшие области слоя красителя. Краситель передает тепло смежной с ним подложке, под действием которого она изменяет свои свойства и начинает рассеивать свет. В областях, не нагревающихся лазером, подложка остается прозрачной и при считывании данных пропускает луч. Последний проходит до металлического слоя, отра­жается от него и через подложку попадает на светочувствитель-ный датчик.

Хотя способы записи информации на обычные компакт-диски и на диски CD-R различны, результат мы имеем один и тот же - последовательность отражающих и неотражающих участков, которую может прочесть любой дисковод CD-ROM. При чтении диска на него направляет-ся маломощный лазерный луч, и светочувствительный датчик воспринимает после­довательность отраженных сигналов.

Еще один фактор, который необходимо учитывать, - режим записи. Существуют два ре­жима: односеансный и многосеансный. В односеансном режиме запись всего диска должна осуществляться за один проход без переры-вов. В многосеансном режиме данные записы­ваются за несколько сеансов, в результате чего информация на диске представляется в виде нескольких отдельных томов. Не все накопители CD-ROM способны читать диски, запи­санные подобным способом. Режим многосеансной записи позволяет записать часть дан­ных, остановиться, а затем продолжить запись.

Одно из достижений технологии записи CD-дисков — способ "записи пакетами" (Packet Writing). При использовании пакетной записи у пользователя создается полная иллюзия работы с обычным жестким диском: вы можете скопировать файл на диск, отредактировать или удалить его, создать еще несколько файлов на диске и т. д.

Для записи данных в пакетном режиме необходимо установить дополнительное про­граммное обеспечение — например, один из программных пакетов - Adaptec DirectCD или CeQuadrat PacketCD. При этом форматы пакетной записи Adaptec DirectCD и CeQuadrat PacketCD совместимы друг с другом — то есть диски, записанные с помощью одного пакета, могут быть прочитаны и дописа-ны с помощью другого.

При использовании этого режима, часть объёма лазерного диска становится недоступ­ной (остаётся около 550 Мб).

Данные, записанные в режиме Packet Writing на одном дисководе, не всегда будут читать­ся на другом. Так что об универсальности этого способа записи пока говорить не приходит­ся.

Одной из наиболее острых проблем, стоявших до недав-него времени перед разработчи­ками накопителей CD-R и CD-RW, была проблема возможной нехватки данных в буфере, приводящей к ошибке, именуемой Buffer Underrun. Причиной этой ошибки могут быть недо­статочная мощность компьютера или одновременное выполнение нескольких задач, из-за чего он не успевает доставлять в буфер такое количество данных, которое необходимо для обеспечения гладкой непрерывной записи. Ну а результат хорошо известен тем, кто с Buffer Underrun сталкивался не понаслышке, — диск становится непригодным для записи.

Указанная ошибка по определению не может возникать, если объем записываемых дан­ных не превышает емкости буфера. Однако вряд ли разумно увеличивать объем буфера до 650 Мбайт. Другое решение проблемы — технология BURN-Proof, которая становится все более популярной у производителей устройств CD-R и CD-RW. Суть ее заключается в том, что, постоянно контролируя содержимое буфера, CD-рекордер может останавливать про­цесс записи, если объем данных в буфере резко падает (в типичном случае — до отметки 10% от макси-мальной емкости буфера). При этом устройство продол-жает запрашивать данные от компьютера и буфер может заполняться. Тем временем контроллер BURN-Proof определяет, где находится последний записанный сектор. Оптическая головка перемещает­ся в нужное место, и после заполнения буфера запись информации на диск возобновляется. Естественно, учитывается в технологии BURN-Proof и ограничение на расстояние между последним записанным и новым секторами. В соответствии со спецификациями "Оранжевой книги" оно не должно превышать 100 мкм.

Торговая марка BURN-Proof принадлежит японской компании Sanyo Electric. Она же зап­равляет и процессом авторизации накопителей других фирм, в которых реализована эта технология. Кроме того, Sanyo предпринимает усилия, чтобы BURN-Proof была включена в качестве стандарта в «Оранжевую книгу». Сегодня, уже все пишущие дисководы выпускают­ся по этой технологии.

Помимо уже перечисленных способов использования дисководов CD R/RW, последние позволяют также копировать CD носители, записывать аудио диски в формате CD-DA, а так­же CD-диски в других форматах: Hybrid CD, CD Extra, CD Text, Video CD и т. д. Естественно, все устройства CD-R/CD-RW могут работать и как обычные дисководы CD-ROM — то есть читать CD диски.

Здесь упоминаются CD-RW, т. к. все описанное выше (включая «запись пакетами») отно­сится и к ним.

Вообще, накопители CD-RW отличаются от накопителей CD-R лишь дополнительной воз­можностью (кроме записи на диски CD-R) записывать многократно перезаписываемые дис­ки CD-RW. Подробнее о них мы поговорим далее. Причем необходимо отметить, что сегодня накопители только CD-R (без возможности RW) уже практически не выпускаются.