Компакт-диски. Классификация
Читайте также
CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) – диск только для чтения.
Размер: 120 мм, толщина 1,2 мм (5”) 640-700 МБ (из них 8 МБ служебная информация)
Структура диска:
Поликарбонатная пластмасса (Back layer)
Тонкий слой алюминия
Защитный слой (лаковое покрытие/лакировка)
Этикетка диска (декоративное покрытие)
Информация на диске записывается вдоль одной спиральной дорожки (как на грампластинке), начало дорожки отсчитывается от центра диска к краю, т.е. дорожки диска имеют форму спирали. Лазерный луч определяет цифровую последовательность 0 и 1, записанных на CD, по форме микроскопических ямок (Pit-слой) на его спирали.
Принцип считывания информации c CD-ROM 4 этапа:
Лазерный луч, попадая на отражающий свет островок(возвышенность), отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную 1. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается, фотодетектор фиксирует двоичный 0.
- луч слабого лазера дисковода двигается через систему линз и фокусируется на спирали диска
- луч «считывает», отражаясь от pit-слоя диска с разной интенсивностью
- отраженный луч попадает в группу призм, преломляется и отражается на фотодетекторе
- фотодетектор определяет интенсивность светового потока и передает микропроцессору дисковода, тот переводит все в цифровую последовательность (0 или 1).
Принцип записи на CD-ROM:
CD-ROM изготавливаются только в заводских условиях на специализированном промышленном оборудовании в 2 этапа:
- Создается мастер-диск (матрица). На заготовке диска (рельефная подложка из поликарбоната, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет металла — алюминия) формируется спиралевидная дорожка вдоль которой лазерный луч «прожигает» в ней крохотные ямки. (pit-участки).
- Штамповка тиража с мастер-диска. Матрица отправляется в производственный цех, где с нее штампуется множество копий. Потом рельефная основа металлизируется, добавляется еще один более тонкий слой лака, защищающего металлическую поверхность, сверху наносятся рисунки (этикетка).
Информация с лазерного диска считывается с помощью привода (CD-дисковода) Конструкция привода:
- Плата электроники (Размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала)
- Шпиндельный двигатель (электродвигатель) – служит для вращения диска в дисководе с постоянной или переменной линейной скоростью
- Оптическая система считывающей головки состоит из оптической головки и системы ее позиционирования. В головке размещены маломощный лазерный излучатель, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель.
Система загрузки диска — может быть в двух вариантах:
- специальный футляр для диска (caddy), вставляемый в приемное отверстие привода (как floppy-disk)
- выдвижной лоток подноса (tray-механизм), который выдвигается из накопителя после нажатия кнопки Eject. На него устанавливается диск, задвигается диск повторным нажатием кнопки Eject (задвигать tray-механизм «в ручную» не следует, можно повредить дисковод.
На передней панели дисковода имеются:
- кнопка Eject для выгрузки и загрузки диска
- гнездо для подключения наушников (с электронным или механическим регулятором громкости)
- индикатор обращения к приводу
- в ряде моделей может быть кнопка Play/Next –для проигрывания звуковых дисков (при этом кнопка Eject используется для остановки проигрывания). Качество воспроизведения музыкальных дисков уступает стационарному проигрывателю, т.к. это вспомогательная функция CD-ROM, а не основная – качество близко к плееру.
- небольшое отверстие для аварийного извлечения диска, (например, при выходе из строя лотка дисковода, при аварийном отключении питания). В отверстие нужно вставить шпильку (распрямленную скрепку) и аккуратно нажать, при этом снимается блокировка лотка и его можно выдвинуть вручную и извлечь диск.
На задней панели:
Почти все CD-приводы имеют на задней панели добавочно к обычному аналоговому выходу (в виде импульсов тока) цифровой выход для прямого подключения к звуковой карте, что позволяет обойти звуковую часть привода и использовать соответствующие схемы звуковой карты (звук качественнее).
Характеристики дисковода:
Главной характеристикой является скорость чтения данных , зависит от скорости вращения диска, увеличив скорость вращения можно повысить скорость чтения данных. В CD-ROM (2,4,8 скоростных) постоянная линейная скорость(CLV — Constant Linear Velocity), частота вращения является переменной величиной и обратно пропорциональна расстоянию от считывающей головки до центра. Пример: 2-х скоростной привод 200 об/мин (внутр. дорожка) 530 об/мин (внешняя дорожка) Начиная с 12 скоростных CD-приводов диапазон частот составляет 2400-6360 об/мин, эту скорость на сменном носителе реализовать тяжело, поэтому используется другой режим CAV (Constant Angular Velocity) – режим с постоянной угловой скоростью, в котором частота вращения постоянна и близка к max, а скорость чтения пропорциональна радиусу. На этом режиме работают 16, 24, 32, 40, 50 скоростные СD- дисководы. Скорость вынесенная в маркировку дисковода – это max скорость чтения, а не усредненная – а это значит что перед вами не 24 скоростной дисковод, а 14-16 скоростной (по среднему значению). Совет высокоскоростными приводами не увлекаться, т.к. чем выше скорость чтения данных тем меньше качество, надежность чтения, тем больше вылезает ошибок (особенно с пиратских копий). 40-50 скоростных приводов вполне достаточно.
Интерфейс подключения CD-привода к материнской плате:
- EIDE (вторым с винчестером на одном шлейфе) или отдельно в IDE
- SCSI (устанавливается в гнездо расширения ПК материнской платы) Вместе с CD-ROM.- поставляется дискета с программным обеспечением для установки CD-ROM под операционную систему- специальный шнур для подключения к звуковой карте- комплект крепежных винтов
Фирмы-производители: NEC, ASUSTEK, Toshiba, Sony, Pioneer, Panasonic Правила эксплуатации дисководов и дисков:
- Боятся пыли и грязи на поверхности дисков, это может повредить систему линз и приведет к отказу от чтения (проскакивание дорожек). Недопустимы отметины от рук(отпечатки), царапины, грязь.
- Нельзя хватать за поверхность диска пальцами, только за боковые поверхности.
- Если диск грязный, существует единственный способ его очистить: диск смочить чистящим составом (на основе изопропилового спирта), провести салфеткой из микрофибры от центра к краю, ни в коем случае по окружности, вдоль дорожек.
- Существуют специальные платформы (приводы) для чистки дисков.
- Осторожно относится к эксплуатации в дисководе дисков сомнительного производства (случаи разрыва дисков в дисководе при раскручивании и как следствие поломка привода)
CD-R — Compact Disk Recordable – диск с однократной записью и многократным чтением
Для записи информации на такой диск необходимы: специальный пишущий привод, заготовка диска (болванка или матрица CD-R), специальное ПО. Эти диски используются для создания архива данных, аудио-видео-диски, дистрибутив программного обеспечения Емкость такая же как у CD-ROM. Есть 780-800 МБ для записи звука 74 мин по 176 КБ
Структура диска:
Прозрачный защитный слой
Краситель (регистрирующий слой – цианин или фталоцианин)
Подложка
Металлическое покрытие (алюминий, серебро, золото и др. сплавы)
Защитный слой лака с этикеткой
Цианиновый краситель обладает сине-зеленым (цвет «морской волны») или насыщенно синим оттенком рабочей поверхности, фталоцианин, в большинстве случаев, практически бесцветен, с бледным оттенком салатового или золотистого цвета. Цианиновый краситель более терпим к предельным сочетаниям мощности чтения/записи, чем «золотой» фталоцианиновый, поэтому зачастую диски на основе цианинового слоя проще считывать на некоторых дисководах. Фталоцианин — несколько более современная разработка. Диски на основе этого активного слоя менее чувствительны к солнечному свету и ультрафиолетовому излучению, что способствует увеличению долговечности записанной информации и несколько более надежному хранению в неблагоприятных условиях.
Принцип записи на CD-R:
Сфокусированным мощным лазерным лучом (CD — рекодером) нагреваются небольшие области слоя красителя. Краситель предает тепло смежной с ним подложке, под действием тепла подложка изменяет свои свойства и начинает рассеивать свет (темнеет и становится непрозрачной). В областях, не нагреваемых лазером, подложка остается прозрачной и при считывании данных пропускает луч. Последний проходит до металлического слоя, отражается от него и через подложку попадает на светочувствительный датчик. Способ записи информации отличается от CD-ROM, результат же один и тот же – последовательность отражающих и неотражающих участков (Образуются pit-участки подобно CD-ROM), которые читает любой CD-ROM Считываются такие CD-R немного хуже, чем обычные CD-ROM диски, из-за наличия дополнительного слоя, уменьшающего коэффициент отражения. Большое значение имеет и качество формирования «питов» на диске, что зависит как от свойств органического красителя, так и от самого CD рекордера. Конструкция привода такая же, отличие структура диска и мощность лазера. Как выбрать CD-R диск При выборе болванки для записи лучше всего ориентироваться на производителя диска. Именно на производителя, а не на торговую марку продавца (например диски Taiyo Yuden (TY) продаются под торговыми марками как самой Taiyo Yuden, так и Sony, Philips, Hewlett Packard, TDK, Basf и некоторых других). На нашем рынке наиболее распространены диски следующих производителей (в скобках указаны некоторые торговые марки):
- Taiyo Yuden Company Limited (Taiyo Yuden,Sony, Philips, Hewlett Packard, TDK, Basf)
- Mitsui Chemicals (Hewlett Packard, Mitsui, Philips, Sony)
- TDK Corporation (3M, TDK)
- SKC Company Limited (SKC)
- Multi Media Masters & Machinery SA (Mirex, BASF)
- Mitsubishi Chemicals Corporation (Traxdata, Verbatim)
- Ritek Co. (Dysan, FujiFilm, Memorex, MMore, Philips, BASF, TDK, Samsung, Targa, Traxdata)
- Fuji Photo Film Co, Ltd.(FujiFilm)
- Kodak Japan Limited (BASF & Kodak)
- Princo Corporation (BTC, Princo & KingTech)
- CMC Magnetics Corporation (BASF, MMORE, Imation, Memorex)
Для записи аудиодисков стоит обратить внимание на качественные цианиновые CD-R. При выборе CD-R для записи данных, чтобы информация хранилась на них максимально долгое время, следует отдать предпочтение качественным фталоцианиновым дискам.
CD-RW — Compact Disk ReWritable – многократно записываемый диск.
Структура диска:
Защитный прозрачный слой
Комбинированный слой
Металлическое покрытие (алюминий и др.)
Защитный слой
Принцип записи на CD-RW: Запись информации производится специальным комбинированным слоем, который реверсивно изменяет свои характеристики. Записывающий слой изменяет свое состояние (из кристаллического — прозрачного в аморфное непрозрачное). Такой процесс называется фазовым переходом и широко применяется в магнитооптических устройствах. Запись на CD-RW основана на изменении отражающей способности поверхности. Эти диски более «капризны» при чтении, т.к. изменение отражательных свойств у них намного ниже, чем у CD-R CD-RW показывают более низкую скорость работы, в отличии от CD-R, но справляется со всеми задачами что и CD-R и дополнительно можно перезаписывать диски. Скорость 4-8-12-16-24x Запись на CD-R (RW) может производиться в 2-х режимах:
- режим (односеансный) DAO (Disk At Once –весь диск за один сеанс) – записывается (нарезается) весь диск за 1 сеанс без перерывов. После записи на такой диск на него невозможно будет дописать новые данные.
- режим (многосеансный) TAO (Track At Once – одна дорожка за один сеанс) – данными заполняется за несколько сеансов, информация в виде отдельных томов или пакетов (пакетный режим).
Существуют CD-рекордеры – это привод способный писать на CD и читать их. Все современные рекордеры работают с CD-R и CD-RW. Скорость вращения указывается в трех числах: Например 50x/24х/16x/ 50х — скорость чтения CD 24x — скорость записи на CD-R 16x- скорость записи на СD-RW
DVD-Диски Digital Video Disk (цифровой видеодиск)
Дисковый DVD-накопитель имеет более коротковолновый лазер, чем CD, поэтому дорожки на диске размещаются ближе к друг другу, а также увеличивается объем информации, хранящейся на участке дорожки данной длины. В результате на одной стороне DVD-диска можно записать до 4,7Гб данных. Существуют двухслойные диски с возможностью записи 8,5Гб данных на одной стороне, а также двухсторонние «перекидные» (Flippy) диски с записью на обеих сторонах емкость 17Гб.
Существуют следующие структурные типы DVD:
1. Single Side/Single Layer (односторонний/однослойный) – самый простой тип дисков емкость 4,7 Гб
2. Single Side/Dual Layer (односторонний/двухслойный) . Диски имеют два слоя данных, один из которых полупрозрачный. Оба слоя считывают с одной стороны и на таком диске можно разместить 8,5 Гб данных, то есть на 3,5 Гб больше, чем на однослойном/одностороннем диске
3. Double Side/Single Layer(двухсторонний/однослойный) . На таком диске помещается 9,4 Гб данных. Не трудно заметить что на таком диске вдвое больше емкости. Данные располагаются с двух сторон, придется переворачивать диск или использовать устройство, которое может прочитать информацию с обеих сторон диска самостоятельно
4. Double Side/Double/Layer (двухсторонний/двухслойный) . Самый сложный вариант. Обеспечивает возможность разместить на диске 17 Гб данных. Понятно, что такой диск по сути представляет собой два сложенных вместе односторонних/двухслойных.
Запись DVD-R (Digital Versatile Disc Recordable) DVD-R — формат однократной записи, разработанный компанией Pioneer. Технология записи аналогична используемой в CD-R и базируется на необратимом изменении под воздействием лазера спектральных характеристик информационного слоя, покрытого специальным органическим составом. Односторонние диски DVD-R вмещают 4,7 или 3,95 ГБ на сторону. Двусторонние диски выпускаются только общей емкостью 9,4 ГБ (4,7 ГБ на сторону).
Для защиты от нелегального копирования разработаны две спецификации: DVD-R(A) и DVD-R(G). Две эти версии одной спецификации используют различную длину волны лазера при записи информации. DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW.
Все известные спецификации перезаписываемых DVD дисков используют технологию многократной записи, основанную на физическом принципе смены фазового состояния (кристаллическое /аморфное) информационного слоя под воздействием лазера с длиной волны 650 (635) нм (phase-change recording). Считывание информации осуществляется путем определения оптических характеристик информационного слоя в различных его фазовых состояниях при отражении лучей лазера (того же, что и при записи).
DVD-RAM (Digital Versatile Disc Random Access Memory) — перезаписываемый формат, разработанный компаниями Panasonic, Hitachi, Toshiba. Формат одобрен DVD-форумом в июле 1997 г. На сегодня это самый распространенный DVD формат в компьютерной индустрии. Диски современного — второго — поколения несут 4.7 ГБ на стороне или 9.4 ГБ для двусторонней модификации. Главной особенностью DVD-RAM являются специальные метки, нанесенные на матрицу диска при его производстве. Эти метки отмечают начало секторов. Особенность DVD-RAM в том, что его можно отформатировать в обычную файловую систему FAT32. Для записи диск DVD-RAM должен быть в картридже, причем зачастую картриджи намертво запаяны. Если все же извлечь диск DVD-RAM из картриджа, то появляется возможность использовать его в обычном приводе DVD-ROM.
DVD-RW (Digital Versatile Disc ReWecordable) — встречаются другие названия этого формата: DVD-R/W и реже DVD-ER. DVD-RW — формат многократной записи, разработанный компанией Pioneer. Диски формата DVD-RW вмещают 4,7 ГБ на одну сторону, выпускаются в односторонней и двусторонней модификациях и могут быть использованы для хранения видео, аудио и других данных.
DVD+RW . Этот стандарт без благословения DVD Форума, является конкурирующим перезаписываемым форматом, предлагаемым Philips, Sony, Hewlett-Packard и другими, основана на технологии CD-RW. Дисководы DVD+RW будут читать диски DVD-ROM и CD, но не будут совместимы с DVD-RAM. Диски DVD+RW, способны хранить 2.8 гигабайта (3G) данных, используют технологию изменения фазы. DVD+RW приводы поддерживают запись в несколько сеансов. Благодаря более точному позиционированию лазера в процессе записи привод позволяет перезаписывать любую часть содержимого диска прямо на верх, не стирая старого содержимого. Это же позволяет осуществить и уникальную коррекцию ошибок при записи – плохо записавшийся сектор автоматически перезаписывается заново.
DVD+R. Технология записи DVD+R построена на тех же принципах, что и DVD+RW. Единственное отличие состоит в том, что для отражающего слоя используется материал, сходный с используемым на простых CD-R. По сравнению с DVD+RW недостатком DVD+R является то, что на них не работает коррекция ошибок, основанная на простой перезаписи сбойного сектора. Зато диски DVD+R лучше читаются на стационарных плеерах и простых DVD-ROM за счет более высокой отражающей способности записываемого слоя. Kodak Japan Limited.
Лабораторная работа №5
Компакт-диски (CD). Способ изготовления и принцип хранения информации. Принцип чтения информации. Технология CD-R. Принцип оптической записи. Технология CD-RW. Принципы записи и перезаписи. Отличия CD-RW от CD-R и CD. DVD диски. Основные отличия от компакт-дисков. Виды DVD дисков.
Компакт-диски – это носители информации, предназначенные для хранения информации в цифровой форме (в виде набора чисел). Семейство компакт-дисков включает в себя носители различных типов, оптимизированных для хранения и использования специфичных видов информации. Несмотря на разнообразие типов КД, всем им присущи общие черты, или характеристики.
Физические характеристики компакт-диска: Геометрические размеры. Все члены семейства КД представляют собой диск диаметром 120 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм. Толщина диска – 1.2 мм.
Конструкция компакт-диска: Конструктивно диск представляет собой трехслойный «пирог»:
Подложка из оптически прозрачного материала (поликарбонат), которая изготавливается методом литья под давлением. При изготовлении подложки на одной из ее поверхностей формируется информационный рисунок, состоящий из ямок (питов) и промежутков между ямками (лэндов). На информационный рисунок напыляется тонкий отражающий слой. Поверх отражающего слоя наносится слой лака, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится лейбл.
Способы изготовления:
Существует два принципиально разных метода нанесения информации на кусок пластика, который впоследствии становится полноценным компакт-диском. Это штамповка (репликация) и запись на болванки .
1.1. Метод заводского штампа (для CD и DVD). Другие названия этого метода - штамповка, литьё, репликация. Самый распространенный метод производства компакт-дисков. Информационная спираль, которая содержит Вашу информацию, физически выжигается лазерным лучом на куске металла. Этот кусок металла называется "матрица" или "стампер" и используется как пресс-форма для выпрессовывания информационной спирали в куске горячего поликарбоната. Далее, поликарбонат охлаждается, покрывается слоем металлизации и слоем защитного лака. После этого на нерабочую поверхность диска наносится изображение (накатка), и компакт-диск готов.
Достоинства: Информационная спираль физически "выбита" в пластике и её дальнейшая сохранность определяется лишь аккуратностью хранения и правильностью обращения с компакт-диском. Все диски в пределах одного тиража будут абсолютно одинаковы. Низкая себестоимость больших тиражей.
Недостатки: Высокая стоимость матрицы делает экономически нецелесообразным изготовление штампованных тиражей компакт-дисков количеством менее 500 штук. Нет никакой возможности изменить информацию на середине тиража или дописать что-то на диск впоследствии.
1.2. Запись на болванки (для CD и DVD). Другие названия этого метода - нарезка, прожиг. Метод записи на болванки дешев, доступен в домашних условиях и позволяет добавлять информацию. Однако, по всем техническим параметрам (как по качеству, так и по скорости) он существенно уступает методу заводской штамповки. Болванка - это компакт-диск содержащий внутри, помимо поликарбоната и металлизации, специальный слой, чувствительный к лучу лазера определенной мощности и длины волны. На слой поликарбоната уже нанесена информационная спираль, но она не содержит конкретной информации, а является лишь направляющей для лазерного луча.
Существует два, основных, вида болванок - это записываемые и перезаписываемые.
Записываемые - предназначены для одноразовой записи, хотя существует возможность производить дозапись (при условии, наличия свободного места, и открытой мультисессии). Перезаписываемые - предназначены для многократной перезаписи. При записи, огромное значение имеет качество используемых болванок. Нанесение изображения (накатка) на нерабочую поверхность болванки, тоже может производиться в домашних условиях, при условии использования специальных "Printable" болванок, или при помощи специальных наклеек.
Достоинства: Доступность и возможность делать очень маленькие, и даже единичные тиражи. Возможность самостоятельного нанесения изображения на диск.
Недостатки: Метод записи на болванки не даёт того уровня качества и физической стабильности носителя, как метод заводского штампа.
Принцип хранения информации на компакт-диске (CD и DVD). Информация кодируется с помощью последовательности нулей и единиц. Физически это углубления различного вида на спиралевидной дорожке диска. Лазерный луч, проходящий по дорожке, отклоняется на разные углы, и читающий привод принимает решение о том, был ли это ноль или единица. Нули и единицы (биты) объединяются в байты, байты в сектора, к секторам добавляются служебные коды и контрольные суммы для проверки правильности и корректировки ошибок чтения. На более высоком уровне эта информация объединяется в набор файлов и папок, в музыкальные треки и т.п.
Принцип считывания информации: Для чтения информации с КД используется луч лазера инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска.
Особенности оптического способа считывания информации - Успешное считывание информации зависит от состояния поверхности КД. Царапины, пыль и загрязнения затрудняют, а иногда и делают невозможным считывание информации с КД.
- Применение лазера ИК-диапазона позволяет использовать для изготовления КД не только прозрачный поликарбонат, но и цветной тоже, вплоть до очень темных. При этом темные материалы являются светонепроницаемыми только в видимом диапазоне светового спектра. В ИК-диапазоне такой материал остается прозрачным.
Технология CD - R :
CD-R (Compact Disc-Recordable, Записываемый Компакт-Диск) - разновидность компакт-диска (CD), разработанная компаниями PhilipsиSonyдля однократной записи информации. CD-R поддерживает все возможности стандарта «Red Book» и плюс к этому позволяет записать данные.
Технические детали: Обычный CD-R представляет собой тонкий диск из прозрачного пластика - поликарбоната - толщиной 1,2 мм, диаметром 120 мм (стандартный)вес 16-18гр. или 80 мм (мини) . Ёмкость стандартного CD-R составляет 74 минуты аудио или 650 МБ данных.
Поликарбонатный диск имеет спиральную дорожку для направления луча лазера при записи и считывании информации. С той стороны, где находится эта спиральная дорожка, диск покрыт записывающим слоем, который состоит из очень тонкого слоя органического красителя и затем отражающим слоем из серебра , его сплава или золота . Этот отражающий слой покрывается защитным фотополимеризуемым лаком и отверждается ультрафиолетовым излучением . И уже на этот защитный слой наносятся различные надписи краской.
Чистый CD-R не является полностью пустым, на нём имеется служебная дорожка с сервометками ATIP - Absolute Time In Pregroove - абсолютное время в служебной дорожке. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи (то есть следит, чтобы длина пита была постоянной). Помимо функций синхронизации, служебная дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т. п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск и многие системы защиты от копирования используют её для того, чтобы отличить оригинал от копии.
Методы записи
Чистые «болванки» CD-R имеют служебную дорожку с записанными данными. Эта дорожка содержит временны́е метки и используется при записи, чтобы луч лазера записывал по спиральной дорожке как и на обычных компакт дисках. Вместо печати питов как физических углублений в материале «болванки» как в случае CD, при записи CD-R данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. Таким образом при записи, управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование тёмных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы.
При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отражённый от отражающего слоя луч попадает на фотодиод , а если луч попадает на тёмный - «прожжённый» - участок, то луч почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Во время чтения «болванка» в приводе крутится на шпинделе, а читающий луч остаётся неподвижным и направляется следящей системой на дорожку с данными. Чередующиеся светлые и тёмные участки дорожки порождают изменение светового потока отражённого луча и переводятся в изменение электрического сигнала, который далее и преобразуется в биты информации электрической системой привода - «декодируется».
Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, то есть однократным. Поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть, в отличие от CD-RW. CD-R, однако, можно записывать по частям, которые называют сессиями.
Существует несколько методов записи данных на CD-R:
Disc-At-Once, DAO (Диск за раз) - весь диск записывается одной сессией, от начала до конца без перерывов. Сначала на диск записывается специальная информация, обозначающая начало записи (англ. lead-in), после этого «прожигаются» данные, а затем диск «закрывается», то есть записывается специальная последовательнось битов, которая сообщает о невозможности добавления информации на эту «болванку» (англ. lead-out). Такой способ хорошо подходит для записи концертных выступлений «вживую», без пауз между песнями, а также в качестве мастер-дисков для последующего тиражирования на заводе.
Track-At-Once, TAO (Дорожка за раз) - данные пишутся по одной дорожке (сессии) за раз и оставляется «открытым» (то есть запись о «закрытии» диска не делается), что говорит о возможности дальнейшей записи информации на этот диск. Кроме того, это позволяет записывать аудио-диски с дополнительной «компьютерной» дорожкой. Аудио-диск сможет читаться на CD-плеере только после того, как будет записана таблица содержания (TOC - Table Of Content). После записи TOC добавление дорожек становится невозможным.
Packet Writing(Пакетная запись) - не очень распространённый вид записи, при котором диск «форматируется» и в дальнейшем на него можно записывать данные или делать ранее записанные данные «невидимыми», то есть такой CD-R становится похожим на диски с произвольным чтением и записью. Однако при любом изменении данных (удаление, запись, изменение) на диске необходимо записывать дополнительные пакеты, и после того как все пакеты будут записаны, диск станет недоступным для дальнейших изменений - только для чтения. Поддерживается не всеми приводами, что приводит к проблемам совместимости.
Session-At-Once, SAO (Сессия за раз) - режим SAO применяется при записи форматаCD-Extra . При использовании данного формата, на диске возможна запись как аудио-информации (CD-DA), так и программной части. При записи сначала «прожигаются» аудио-треки, а затем данные.
Multisession(Мультисессия) - режим записи, позволяющий в дальнейшем добавлять информацию на диск. Каждая сессия содержит информацию начала сессии (lead-in), затем данные и информацию о конце сессии (lead-out). При записи в режиме мультисессии, информация о структуре предыдущих записей копируется в новую сессию и может быть отредактирована. Таким образом, пользователь может уничтожить информацию о структуре уже ненужных или устаревших записей, не включив её в новую таблицу содержания (TOC - Table Of Content). Есть возможность «стирать» ненужную ему информацию с компакт-диска, хотя на самом деле физически она продолжает оставаться на CD диске. Информация может быть восстановлена с помощью специального программного обеспечения.
Технология CD-RW (Compact Disc-Rewritable , Перезаписываемый компакт-диск) - разновидность компакт-диска (CD), разработанный в 1997 году для многократной записи информации.
Технические детали: CD-RW является дальнейшим логическим развитием записываемого лазерного компакт-диска CD-R, однако, в отличие от него, позволяет многократно перезаписывать данные. Этот формат был представлен в 1997 году и в процессе разработки назывался CD-Erasable (CD-E, Стираемый Компакт-Диск). CD-RW во многом похож на своего предшественника CD-R, но его записывающий слой изготавливается из специального сплава халькогенидов, который при нагреве выше температуры плавления переходит из кристаллического агрегатного состояния в аморфное. Фазовые переходы между различными состояниями вещества всегда сопровождаются изменением физических параметров среды. Нормальным состоянием твердых тел и основным в окружающей нас природе является кристаллическое. В этом отношении аморфные тела - редкость, так как стеклообразное (аморфное) состояние реализуется только при затвердевании переохлажденного расплава. От других аморфных состояний стекла отличаются тем, что процессы перехода расплав - стекло и стекло - расплав обратимы. Эта их особенность чрезвычайно важна для создания реверсивных носителей оптической записи, то есть обеспечивающих многократную перезапись. Основным условием образования стекловидных состояний, в том числе металлов, является охлаждение, настолько быстрое, что атомы не успевают занять отведенные им места в кристаллических ячейках и «замирают» как попало, когда тепловая релаксация атомов сопоставима или становится меньше межатомных расстояний. При толщине активного слоя оптического диска в 0,1 мкм создать условия для сверхбыстрого охлаждения не трудно. Полный цикл: запись - многократное воспроизведение - стирание - новая запись выглядит следующим образом. Подогревая лазером, рабочий слой оптического диска, находящийся в кристаллическом состоянии, переводят в расплав. За счет быстрой диффузии тепла в подложку расплав быстро охлаждается и переходит в фазу стекла. Считывание производится при пониженной интенсивности излучения лазера, не влияющей на фазовые переходы. Для новой записи необходимо вернуть рабочий слой в исходное кристаллическое состояние. Для этого используется двухступенчатая модуляция (короткий мощный импульс для расплава активного слоя и длинный импульс для постепенного охлаждения вещества) мощности лазера. Перегрев замедлит процесс диффузии тепла и создаст условия для возврата в кристаллическую фазу. Активный слой обычно изготовляют из халькогенидного стекла- сплава серебра (Ag), индия (In), сурьмы (Sb) и теллура (Te).
Современные CD-RW диски позволяют перезаписывать информацию порядка 1000 раз.
DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск) - носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо́льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков.
Отличия DVD от обычных CD-ROM: Самое основное отличие - это, естественно, объем записываемой информации. Если на обычный CD-диск можно записать 640 Мб (хотя в последнее время встречаются болванки и на 800 Мб, но далеко не все приводы смогут прочитать то, что записано на таком носителе), то на один DVD-диск влезет от 4,7 до 17 Гб.
В DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволило существенно увеличить плотность записи, а кроме того, DVD подразумевает возможность двухслойной записи информации, то есть на поверхности компакта находится один слой, поверх которого наносится еще один, полупрозрачный, и первый считывается сквозь второй параллельно. В самих носителях тоже отличий больше, чем кажется на первый взгляд.
Из-за того, что плотность записи существенно возросла, а длина волны стала меньше, изменились и требования к защитному слою - для DVD он составляет 0,6 мм против 1,2 мм у обычных CD. Естественно, что диск такой толщины будет значительно более хрупким, по сравнению с классической болванкой.
Поэтому еще 0,6 мм обычно заливаются пластиком с двух сторон, чтобы получились те же 1,2 мм. Но самый главный бонус такого защитного слоя в том, что благодаря его малому размеру на одном компакте стало возможным записывать информацию с двух сторон, то есть удваивать его емкость, при этом оставляя размеры практически прежними.
Виды DVD дисков.
Однослойные DVD (DVD-5). Это самый простой и самый распространенный вид DVD. По своей внутренней структуре диски напоминают обычные CD. Они содержат один информационный слой, на который помещается 4.7Gb информации (отсюда и название - DVD-5). Это почти в 7 раз больше объема стандартного CD.
Двуслойные DVD (DVD-9). Эти диски устроены значительно сложнее, чем DVD-5. Они содержат два информационных слоя. Лазерный луч считывающего устройства, фокусируясь на разной глубине диска, в состоянии получить доступ к обоим слоям. Суммарный объем помещающейся на двух слоях информации составляет 8.5Gb (отсюда и название - DVD-9). Это более, чем в 12 раз больше объема стандартного CD. Технология штамповки этих дисков, хотя по своей сути такая же, тем не менее значительно сложнее технологии штамповки CD или DVD-5. В двух разных кусках пластика при помощи двух разных матриц (стамперов) выпрессовываются два информационных слоя, которые покрываются определенными промежуточными слоями, а после этого склеиваются. Помимо необходимости изготовления второй матрицы, само используемое оборудование также значительно сложнее и дороже, чем оборудование для штамповки однослойных дисков. Поэтому диски DVD-9 существенно дороже дисков DVD-5. Что касается записи на болванках, то этот вид оптических носителей, стремительно набирает популярность.
Двусторонние DVD (DVD-10). Двусторонние диски - это не что иное, как два диска DVD-5, склеенные между собой нерабочими поверхностями (естественно, с соответствующей корректировкой толщины пластика, чтобы диск DVD-10 получился аналогичной толщины, что и DVD-5). Суммарный объем, помещающейся на обе стороны диска DVD-10, информации в точности равен удвоенному объему DVD-5, т.е. 9.4Gb (отсюда и название - DVD-10). Это почти в 14 раз больше объема стандартного CD. Как и при штамповке DVD-9, для диска DVD-10 необходимо изготовить две матрицы (стампера) и совершить два цикла штамповки с этих матриц, поэтому стоимость DVD-10 и DVD-9, как правило, одинаковая. Несмотря на все минусы (необходимость переворачивать компакт-диск в ручную, невозможность нанесения полноценного изображения), этот вид оптических носителей отлично подходит для записи методом нарезки (благодаря большой емкости, при относительно недорогой цене болванки).
Двусторонние двуслойные DVD (DVD-18). Двусторонние двуслойные диски - два диска DVD-9, склеенные между собой нерабочими поверхностями (по аналогии с DVD-10). Суммарный объем информации, помещающейся на обе стороны диска DVD-18, равен 17Gb!
Новые форматы:
Blu - ray Disc , BD (англ.blue ray - голубой луч и disc - диск) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включаявидео высокой чёткостис повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумомBDA.
Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового(405нм) «синего» (технически сине-фиолетового)лазера. На международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе2006 года, было объявлено о том, что коммерческий запуск формата Blu-ray пройдёт весной 2006 года.
Защита Blu-ray была взломана 20 января 2007 года. В ответ на это Ассоциация BDA ускорила время выпуска BD-Plus (Blu-Disc +), который был взломан в сентябре 2008 года
HD DVD (англ.High-Density DVD - DVD высокой ёмкости) - технология записи оптических дисков, разработанная компанией Toshiba,NECиSanyo. HD DVD (как иBlu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и голубой лазер сдлиной волны405нм.
19 февраля2008 годакомпания Toshiba объявила о прекращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить конец войне форматов
Однослойный диск HD DVD имеет ёмкость 15 GB , двухслойный - 30 GB. Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который может хранить до 45 GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного соперника Blu-ray , который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2 , Video Codec 1 (VC1, базируется на формате Windows Media 9) и H.264 . Важным фактором привлекательности HD DVD по сравнению с Blu-ray является также тот факт, что большая часть оборудования для производства DVD может быть переоснащена для производства HD DVD, так как использует ту же технологию производства.
Кинокомпания Warner Bros, принадлежащая американской медиакомпании Time Warner Inc., объявила о том, что откажется от формата HD DVD в пользу конкурирующей технологии Blu-ray
Война форматов
Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray , неофициально названное «Война форматов» разрешилась в пользу последнего. Компания Toshiba (основной сторонник HD DVD) официально отказалась от данного формата и прекращает его производство. Важным аргументом в этом споре выступило то, что ряд голливудских киностудий и, в частности, Warner Bros отказались от формата HD DVD в пользу Blu-ray.
Министерство образования РФ
Иркутский государственный технический университет
Кафедра АС
Курсовая работа
«Компакт-диски. Классификация. Принципы чтения и записи »
Выполнил: ст. гр. АСУ-99-1
Беляев В. А.
Принял: Бахвалов С. В.
Иркутск, 2002 год
Общие сведения о компакт-дисках………………3
Формат компакт-диска……………………………4
Классификация…………………………………….5
Принцип записи CD-R…………………………….6
Принцип записи CD-RW………………………….7
Способы записи……………………………………8
Литература…………………………………………11
В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков – оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, «впадина» - как ноль. Приведу некоторые технические параметры компакт-дисков. Рабочая длина волны лазера - 780 нм. Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 680 Мб (74 мин аудио). Вес 14-33 г. Цепочка углублений (pits) расположена по спирали как в грампластинке, но в направлении от центра (фактически CD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой). Интервал между витками - 1.6 мкм, ширина пита - 0.5 мкм, глубина - 0.125 мкм (1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина - 0.83 мкм (рис. 1).
Рис. 1. Поверхность компакт-диска.
Существуют модификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99 минут (870 MB). Номинальная (1x) скорость передачи данных - 150 КБ/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4.3 Мбит/сек "физических" данных). В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.
Рассмотрим формат компакт-диска.
Поверхность диска разделена на области:
PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.
PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда).
Область данных (program area, user data area).
Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5 минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).
Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе (кодировка EFM). Символы отделяются 3-битными промежутками, выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.
Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:
синхронизация (24 бита носителя)
символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
12 символов данных
4 символа контрольного кода
12 символов данных
4 символа контрольного кода
При декодировании могут использоваться различные стратегии обнаружения и исправления групповых ошибок (вероятность обнаружения против надежности коррекции).
Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352 информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time - mm:ss:ff (минуты:секунды:доли, доля в секунде от 0 до 74). Отсчет начинается с начала программной области, т.е. адреса секторов вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова для каждого субканала (из них 2 бита - синхронизация). Используются субканалы:
число каналов
данные или звук
можно ли копировать
признак частотных предыскажений (pre-emphasis): искусственный подъем высоких частот на 20 дБ
режим использования подканала
q-Mode 1: во вводной области здесь хранится TOC, в программной области - номера дорожки, адреса, индексы и паузы
q-Mode 2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-коде) - 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) - код страны, владельца, год и серийный номер записи
P - маркировка окончания дорожки (min 150 секторов) и начала следующей (min 150 секторов).
Q - дополнительная информация о содержимом дорожки:
Последовательность секторов одного формата объединяется в дорожку (трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:
пауза - только информация субканалов, нет пользовательских данных
pre-gap - начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет "отстроиться" от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека
post-gap - конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд
Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не содержит предзазора.
Существует множество стандартов и форматов компакт-дисков – в зависимости от назначения и производителей. Приведу для примера далеко не все существующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание их займет слишком много места, и это не является целью написания данной работы.
В зависимости же от количества возможных операций записи компакт-диски разделяются на: CD-ROM (read only memory), CD-R (recordable), они же CD-WORM (write once read many), CD-RW (rewritable). Соответственно, СD-ROM изготавливается на заводе, и дальнейшая запись на него невозможна; CD-R предназначен для однократной записи в домашних условиях; CD-RW допускает множество операций записи. Диски CD-ROM представляют собой поликарбонат, покрытый с одной стороны отражающим слоем (алюминий или - для ответственных применений - золото) и защитным лаком с другой. Смена отражающей способности осуществляется за счет штамповки углублений в металлическом слое. На заводе их просто штампуют с матрицы. Это для нас не очень интересно, и мы подробнее остановимся на дисках, запись на которые можно сделать на домашнем компьютере.
Начнем с однократно-записываемых дисков (CD-R).
По своему
внутреннему
строению CD-R диск
напоминает
слоеный пирог,
"начинка"
которого состоит
из активного,
отражающего
и защитного
слоев, которые
последовательно
наносятся на
основу из
поликарбоната.
При этом основа
CD-R диска ничем
не отличается
от той, что
применяется
в технологии
изготовления
компакт-дисков
литьем: характеристики
пластмассы
должны быть
таковы, чтобы
луч лазера,
проходящий
сквозь нее,
должным образом
фокусировался
и не вызывал
разрушения
диска. На основу
наносится
активный (или
регистрирующий)
слой, на котором,
собственно,
и происходит
запись информации.
Во время записи
мощный лазерный
луч нагревает
небольшие
участки активного
слоя. Под воздействием
высокой температуры
меняются свойства
вещества
регистрирующего
слоя в месте
нагрева, в результате
он перестает
пропускать
свет. В других
местах, которые
не разогревались
лазером, свет
по-прежнему
беспрепятственно
проходит через
регистрирующий
слой. В качестве
материалов
для регистрирующего
слоя обычно
используются
цианин и фталоцианин.
Осталось разобраться с отражающим слоем. Итак, отражающий слой - это тончайшая пластинка из золота или серебра. Причем из серебра лучше, потому что у него больший коэффициент отражения. Но, тем не менее, диски с золотым отражающим слоем продолжают выпускаться, хотя они хуже и значительно дороже. Как обычно, приходится жертвовать одним качеством в угоду другому: золото - очень долговечный материал, а серебро со временем окисляется. Поэтому в тех случаях, когда требуется длительное хранение данных, применяются диски с золотым отражающим слоем. Ну и последний слой, защитный, наносится поверх отражающего, и служит для механической защиты CD-R диска и нанесения на него этикетки. Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Не самый лучший вариант защиты. Лак можно ободрать, и, что еще хуже, возможна химическая реакция между лаком и различными веществами, которые на него попадают (например, с чернилами, которыми Вы сделаете надпись на обратной стороне диска). Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность. Более надежные защитные покрытия - дополнительный слой специального пластика. Кроме защиты, такой способ еще и делает внешний вид диска более привлекательным по сравнению с лаковым.
Восстановить прозрачность веществ, используемых в качестве активного слоя в дисках CD-R, невозможно. С одной стороны, это дает некоторую гарантию того, что записанная информация будет надежно сохранена. Действительно, повредить запись, нанесенную на активный слой, можно только одним способом - сделать прозрачные участки непрозрачными. Что и может произойти под воздействием, например, яркого солнечного света. С другой стороны, один раз записанный диск переписать невозможно. К сожалению, решить это противоречие пока не удалось. На сегодняшний день мы вынуждены выбирать между возможностью перезаписи и надежностью хранения информации.
И если мы выбираем перезапись, то придется использовать диск CD-RW. Единственное отличие таких дисков от CD-R заключается в устройстве регистрирующего слоя. У CD-R дисков запись основана на изменении оптических свойств слоя под действием температуры - при нагревании слой мутнеет. Принцип записи CD-RW дисков чуть сложнее, здесь используется явление фазового перехода. Промежуточный слой специального органического материала может пребывать либо в аморфном, либо в кристаллическом виде.
Аморфное вещество, как известно из курса физики, это такое вещество, которое при нагревании не превращается в жидкость, а постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Примером такого вещества может быть всем известный пластилин. Или мед. Кстати, на примере меда хорошо видно общее свойство аморфных веществ - с течением времени они переходят в кристаллическую форму. Поставьте банку прозрачного свежего меда в шкаф, и не трогайте года 2. Потом достаньте, и вы увидите, что мед загустел, а то и вовсе стал твердым, "засахарился". И стал непрозрачным! Вот на этом принципе и основана запись на CD-RW. Прозрачность регистрирующего слоя CD-RW зависит от того, в каком состоянии это вещество находится, в аморфном или в кристаллическом. И мы можем управлять процессом перехода из одного состояния в другое. Если нагреть регистрирующий слой до достаточно высокой температуры и затем резко охладить его, то вещество переходит в аморфную форму. Именно так происходит процесс записи. На чистом диске CD-RW регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Мощный луч записывающего лазера разогревает участок поверхности и выключается, диск быстро остывает и в этом месте часть активного слоя переходит в аморфную форму. Для того, чтобы вернуть вещество активного слоя в кристаллическое состояние, его опять нагревают, но до меньшей температуры (менее интенсивным лучом). И вещество возвращается в кристаллическое состояние. Такую операцию можно проводить около 1000 раз, именно столько циклов перезаписи выдерживают CD-RW диски.
И все было бы хорошо, если бы не та самая особенность аморфных веществ кристаллизоваться со временем. Как бы мы ни хранили CD-RW, через несколько лет запись будет безвозвратно утеряна. К тому же такие диски легко могут быть стерты простым нагреванием. Зато можно перезаписывать.
Еще одна особенность дисков CD-RW проявляется при чтении. Если в дисках CD и CD-R мы четко выделяли два типа участков поверхности - отражающие свет и неотражающие, то в CD-RW вся поверхность является отражающей, хотя и в разной степени. Поэтому при чтении диска CD-RW информация считывается в тот момент, когда луч лазера попадает на участок перехода между кристаллическим и аморфным веществом. Лазер во всем этом процессе используется стандартный, с длиной волны 780 нанометров. Считывание производится тоже стандартным лазером, но разница в уровнях сигналов: для CD-RW-дисков меньше, чем для CD-ROM.
Рис. 2. Структура дисков CD, CD-R, CD-RW
Рассмотрим способы записи компакт-дисков в домашних условиях. Для этого необходимо иметь не только записывающий CD-привод, но и специальное программное обеспечение. Они обычно поставляются вместе. Примером таких программ могут служить Easy CD, CD Creator, CD Publisher. В операционной системе Windows XP встроена поддержка записи компакт-дисков.
Процесс записи одной сессии представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен. Для обеспечения равномерности поступления записываемой информации на лазер все приводы имеют буфер, исчерпание данных в котором (Underrun) приводит к аварийному прерыванию записи. Исчерпание данных в буфере может быть вызвано запуском параллельных процессов, работой системы виртуальной памяти (swapping), захватом процессора "нечестными" драйверами устройств, зависанием программы или операционной системы. К сбою записи приводят также механические толчки привода.
Различается два основных режима записи CD-R: DAO (Disk At Once - весь диск за один прием) и TAO (Track At Once - одна дорожка (сессия) за один прием). При записи методом TAO лазер включается в начале каждой дорожки и отключается в ее конце; в точках включения и выключения лазера формируются серии специальных кадров - run-in, run-out и link, предназначенные для связывания дорожек между собой. Стандартный промежуток содержит 150 таких кадров (2 секунды). При записи методом DAO лазер включен на протяжении записи всего диска.
Диск, записанный за один прием, является наиболее универсальным и считывается любыми CD-ROM с любым файловым диспетчером, однако после записи невозможно дописывание новых данных на диск, а режим DAO поддерживается не всеми записывающими приводами. Этот режим также желателен для записи мастер-дисков для последующего тиражирования путем штамповки - большинство типовых станков для изготовления матриц воспринимают только непрерывно записанные оригиналы.
В режиме TAO пишутся многосессионные диски, допускающие последующую дозапись данных; при этом для сессии записывается только зона Lead In (открытая сессия). При записи каждой последующей сессии предыдущая закрывается путем записи зоны Lead Out, за которой следует Lead In новой сессии. На эти две зоны расходуется дополнительно 13.5 Мб (6750 кадров) дискового пространства.
По стандарту, чтобы нормально считываться во всех устройствах, диск должен быть закрыт (Closed) путем записи выводной зоны. Закрытие диска повышает вероятность его успешного считывания в других приводах (подавляющее большинство современных приводов не обращают внимания на закрытость диска), однако лишает возможности дописывания дополнительных сессий.
Перед началом записи необходимо сформировать полный список входящих в сессию файлов; последующее добавление файлов на диск возможно лишь в виде дополнительных сессий. Приводы CD-ROM, не поддерживающие многосессионную запись, считывают с диска только первую TOC - соответственно, с их помощью можно считывать лишь файлы первой сессии. Многосессионные CD-ROM считывают только последнюю TOC, поэтому последняя TOC в многосессионном диске должна содержать ссылки и на файлы предыдущих сессий. Для этого при записи очередной сессии применяется опция импортирования сессий (Import Track) для создания полной общей TOC. Совпадающие по именам каталоги при этом объединяются, как при дописывании на обычный диск. Адресация файлов в любом случае ведется в пределах всего диска, поэтому объединению подвергаются только TOC. Файлы сессий, которые не были импортированы при создании очередной, в результирующем каталоге присутствовать не будут и обычное обращение к ним будет невозможным, однако многие программы записи на CD-R позволяют выборочно считывать отдельные сессии диска. Если запись на однократный многосессионный диск по какой-либо причине была прервана, в ряде случаев имеется возможность использовать оставшееся свободным пространство диска. Для этого требуется программа записи, имеющая опцию закрытия сессии (Close Track/Session), после чего нужные данные записываются очередной сессией без импорта прерванной сессии (предшествующие ей сессии могут быть импортированы).
Поскольку конечная видимость каждого файла определяется процессом импорта TOC, возможно исключение из каталога отдельных файлов и выборочная замена файлов с совпадающими именами. Старая копия файла продолжает оставаться на диске в одной из предшествующих сессий, однако в новый каталог помещается ссылка на новый экземпляр. Выборочное исключение файлов предыдущих сессий в каталог новой сессии дает эффект их "удаления". Видимость "удаленных" таким образом файлов впоследствии может быть "восстановлена" путем их импорта в новые сессии.
Для записи CD-RW может применяться их предварительное форматирование - разбивка на секторы, подобно магнитным дискам. После форматирования диск CD-RW может использоваться, как обычный сменный диск - стандартные файловые операции копирования, удаления и переименования преобразуются драйвером привода CD-RW в серии операций перезаписи секторов диска. Благодаря этому для работы с дисками CD-RW не требуется специального программного обеспечения, кроме драйвера привода с поддержкой UDF и программы начальной разметки.
Некоторые версии записывающих программ позволяют записывать загружаемые диски. Загружаемая часть CD-ROM записывается в виде образа загрузочной дискеты или винчестера, из которого при загрузке BIOS системной платы эмулирует диск A:.
Литература
people.kstu.edu/CSN/CDR/rab.htm
kstu.kz/~yas/theory_lw/opt_70.htm
bog.pp/hard/cdrom.html
Похожие рефераты:
Наличие активного (регистрирующего) слоя в диске CD-R (заготовка для записи). Точные значения ширины, глубины и угла наклона боковых стенок. Требуемая мощность лазера при записи. Типы красителей, отражающий, защитный и декоративный слои компакт-диска.
В первых моделях жестких, в качестве магнитного покрытия использовался материал на основе окиси железа. Сейчас производители используют окись хрома, которая имеет большую износостойкость.
Принцип работы дисковода CD-ROM Принцип работы дисковода напоминает принцип работы обычных дисководов для гибких дисков. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального полож...
Методы, используемые для записи информации на DVD-диск, аналогичны принципам записи традиционного CD-диска. В настоящее время производятся CD-диски, предназначенные только для воспроизведения, CD-R-диски с возможностью однократной записи и многократно перезаписываемые диски CD-RW.
СD-ROM, DVD-ROM.
Как видно из рис. 1, обычный компакт-диск (CD) состоит из прозрачной полимерной подложки (1), металлизированного отражающего слоя (2) с "дырками" (B), при помощи которых записана цифровая информация, и защитного слоя (3), необходимого для придания диску жесткости. Отражающий слой (2) в обычном CD-диске и является слоем, хранящим информацию. Он изготавливается фабричным методом и представляет собой своеобразную матрицу с "выштампованными" в определенных местах "дырками", которые означают логическую единицу. Отсутствие "дырки" подразумевает логический ноль. Считывание информации происходит при помощи лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. При отражении от "дырки" лазерный луч точно попадает на специальный детектор, который выдает "1". При отражении от поверхности луч проходит мимо детектора, который в этом случае распознает "0". Абсолютно те же принципы записи информации лежат в основе DVD-дисков первого поколения; они предназначены только для считывания информации, записанной на них фабричным способом (так называемый DVD-ROM).
CD-R, DVD-R.
В конструкции однократно записываемого компакт-диска (CD-R) между подложкой (1) и отражающим слоем (2) находится пигментный слой (4) из металло-стабилизированного цианида (органическая субстанция). В данном случае именно пигментный слой, на котором фабрично "выдавлены" дорожки (A), вдоль которых движется лазерный луч, сохраняет информацию. При записи такого диска в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности "выжигает" в требуемых местах пигментного слоя "дырки" (B). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь "дырку" в пигментном слое (4), отражается от металлизированного слоя (2) и попадает на детектор, который распознает логическую единицу. При отсутствии "дырки" лазерный луч поглощается пигментным слоем, отражения лазерного луча не происходит, и детектор выдает логический ноль. Следует отметить наличие дополнительного шероховатого слоя для надпечатки (5), на котором пользователь после записи информации может нарисовать свою этикетку при помощи шариковой ручки, фломастера или даже специального струйного принтера.
CD-RW, DVD-RAM.
Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество (6), способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками.
Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c.
Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66 mm).
Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти.
Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST "выдавлены" дорожки (A), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое (6), и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).
Однослойные DVD.
Как мы уже отмечали, DVD во многом подобен CD, но значительно отличается от него плотностью записи. Как ясно из описанных выше принципов записи, именно предельное количество "дырок", которое может быть размещено на поверхности диска, определяет его информационную емкость.
Первым шагом к созданию нового стандарта можно считать семикратное увеличение емкости CD-диска за счет увеличения плотности записи, которое стало возможным благодаря применению более совершенных источников лазерного луча.
На рис. 2 показаны различия размеров и плотности расположения "дырок" рабочего слоя у DVD- и CD-дисков.
Обычные дисководы CD-ROM используют источник лазерного излучения с длиной волны 780 нм, излучающий невидимый инфракрасный свет. В DVD-плеерах и в DVD-ROM применен излучающий красный свет лазер с длиной волны 650 (635) нм. Такое уменьшение длины волны позволило считывать более мелкие "дырки" рабочего слоя диска, размещенные в более плотно расположенных треках (дорожках записи). Соответствующее увеличение числовой апертуры линзы (Numerical Aperture - угол между крайними лучами светового конуса, попадающего в оптический прибор) с 0,45 до 0,60 дает возможность фокусировать лазерный луч с гораздо большей точностью. Только за счет повышения плотности записи удалось довести емкость диска до 4,7 Гбайт.
Кроме того, значительной модернизации подверглись схемы цифровой модуляции и коррекции ошибок. Современная высокоэффективная схема модуляции (EFM Plus) работает как в 8-, так и в 16-битном режимах, что обеспечивает совместимость с существующими CD-форматами, одновременно позволяя добиться более высокого качества при применении новых DVD-носителей. Новая схема коррекции ошибок (RS-PC Reed Solomon Product Code) примерно в 10 раз эффективнее той, что используется в современных системах считывания.
Двухслойные DVD.
Дальнейшее увеличение емкости диска достигнуто благодаря разработке двухслойного DVD-диска (стандарт DVD-9). Как видно из рис. 3, у двухслойного диска (нижняя схема) имеются целых два рабочих слоя для записи информации. Чтобы реализовать эту модель, для внешнего информационного слоя был создан специальный полупрозрачный материал. При считывании информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь этот полупрозрачный слой, фокусируясь исключительно на треках внутреннего слоя (принципы считывания описаны выше). Считав всю информацию с первого (внутреннего) слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку, изменяя тем самым "глубину проникновения", и приступает к считыванию информации со второго (внешнего полупрозрачного) слоя. Наличие двух рабочих слоев позволяет увеличить емкость до 8,5 Гбайт. Поскольку фокусировка переключается почти мгновенно, а применение электронного буфера гарантирует отсутствие перерывов в исходящем цифровом потоке, двухслойную модель DVD-диска намечается использовать в приложениях, требующих большой и "непрерывной" емкости.
Первый слой двухслойного DVD-диска штампуется из обычных пластмасс на основе поликарбонатов и несет запись на одной стороне. Затем эта сторона заливается тонким слоем полупрозрачного материала, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала, формирующего наружный рабочий слой. Фотополимерному материалу придается жесткость ультрафиолетовым облучением, и DVD-диск заливается прозрачным пластиком, служащим защитным слоем диска. Основная трудность заключается в создании полупрозрачного материала, разделяющего слои записи, поскольку требования, предъявляемые к нему, довольно противоречивы: он должен хорошо отражать лазерный луч (требуемый коэффициент отражения - около 40%) в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. Приоритет в разработке такого материала принадлежит компании 3M, работавшей по заказу Philips-Sony.
Двухсторонние DVD.
Общая толщина всех слоев DVD-диска (как однослойного, так и двухслойного) составляет всего 0,6 мм, что в два раза меньше толщины CD-диска. Для физической совместимости с традиционными компакт-дисками толщина DVD-диска должна равняться толщине CD-диска, т.е. 1,2 мм. В одностороннем однослойном диске (стандарт DVD-5) с задней стороны (с той, где у CD-диска находится этикетка) приклеивается дополнительная подложка толщиной 0,6 мм.
Но такая толщина позволяет изготовить двухсторонний однослойный диск (стандарт DVD-10). Эта идея была предложена компанией Toshiba. Конструктивно процесс производства выглядит следующим образом: два отдельных односторонних DVD-диска склеивают между собой задними сторонами. В результате общая толщина диска та же, что у стандартного CD, - 1,2 мм, но информации такой диск способен вместить в два раза больше; кроме того, за счет уменьшения толщины защитного слоя снижается вероятность ошибок считывания информации, происходивших в CD-дисках из-за случайных отклонений лазерного луча в прозрачном защитном слое.
Таким образом, комбинируя (да-нет) две технологии "удваивания" числа рабочих поверхностей, мы получаем специфицированные в стандарте четыре конструктивно отличающихся формата DVD.
Однослойный односторонний диск DVD-5, преимущественно используется для видеофильмов, так как его емкости вполне достаточно для 92% фильмов, равно как для большинства компьютерных приложений, которым вполне хватает емкости 4,7 Гбайт. Одновременно такой диск оказывается относительно дешевым носителем - его себестоимость всего на 14% превышает себестоимость изготовления традиционного CD-диска.
Следующий по сложности тип диска - односторонний двухслойный DVD-9. Этот тип диска наиболее широкое применение найдет в приложениях, где необходимым условием является большая емкость при недопустимости в перерывах при считывании.
Формат DVD-10 (двухсторонний однослойный диска), предложенный компанией Toshiba, предполагает переворачивание диска вручную после проигрывания одной стороны; его целесообразно использовать, например, для тиражирования очень длинных фильмов или сериалов, не помещающихся на однослойном одностороннем диске. Впоследствии при дальнейшем уменьшении общей толщины всех рабочих слоев диска возможно создание и сверхъемкого двухстороннего двухслойного DVD-17.
Ей в противовес в 1997 году компания Toshiba предложила карту стандарта Smart Media (далее SM), которую поддержали Olympus, Fuji, Samsung и некоторые другие производители. Ими комплектовались все цифровые фотоаппараты марки Olympus.
Компании Sony и SanDisk объединились для создания группы, которая займется разработкой карт флэш-памяти Memory Stick нового поколения, что может помочь Sony нарастить свой потенциал в борьбе против конкурентноголагеря Secure Digital, возглавляемого Matsushita Electric. Фирма Sony заявила о выпуске в апреле текущего года карты Memory Stick Pro емкостью 1 ГБ. Эта новость последовала сразу после того, как на выставке Consumer Electronics Show Matsushita и другие сторонники SD представляли образцы карт этого формата емкостью 1 ГБ, которые должны будут достигать скорости 20 МБ/сек и поступят в продажу в 4 квартале 2003 года. Давнее противостояние между компаниями Sony и Matsushita Electric (торговая марка Panasonic и Secure Digital), видимо, продолжится в будущем и на рынке компактных карт памяти.
Из твердотельных носителей, ориентированных на использование в цифровых устройствах и ПК, следует отметить появившиеся недавно внешние накопители USB Flash Drive. Это похожие на шариковую ручку устройства, совместимые с платформами Windows и Mac, имеют емкость от 32 МБ до 1 ГБ и могут записывать данные со скоростью 1000 КБ/с. Скорости и емкости этих устройств растут, но производитель на этом не останавливается: в конце прошлого года стали появляться на рынке и устройства, совмещающие в себе дополнительные функции, например, защиты данных, или встроенный MP3-плеер. Немногочисленные исследования данного рынка показывают, что распространение флэш-накопителей в России пока невелико.
Сегодня этот сегмент носителей развивается очень быстро, и можно ожидать, что после закономерного падения цен данный флэш-накопитель полностью закроет потребность в компактном носителе для переноса данных с компьютера на компьютер. Представляя собой весьма удобный вариант решения, будучи свободным от многих недостатков традиционных дисковых носителей информации и отличаясь, при этом, непревзойденной стойкостью к механическим воздействиям, флэш-диски, по-видимому, потеснят CD-RW и окончательно вытеснят с рынка магнитные диски
Внешние устройства (ВУ)
Внешними называются устройства, предназначенные для ввода , вывода и передачи информации, т.е. осуществляющие взаимодействие компьютера с внешним миром. Внешние устройства подключаются к процессору через контроллеры. Адаптеры – специальные устройства для управления работой ВУ на аппаратном уровне. На программном уровне ВУ управляются специальными программами – драйверами .
1) Монитор – устройство диалога для отображения вводимой и выводимой информации.
2) Клавиатура – клавишное устройство ввода числовой, текстовой и управляющей информации
3) Мышь – манипулятор для ввода графической и управляющей информации.
4) Принтер – устройство вывода текстовой и графической информации.
5) Сканер - устройство ввода графической информации.
6) Плоттер - устройство вывода графической информации.
7) Модем – устройство связи и телекоммуникации для дистанционной передачи информации в аналоговой форме.
8) Акустические колонки – устройства вывода звуковой информации.
9) Микрофон – устройство ввода звуковой информации.
10) Цифровая видеокамера – устройство ввода видеоинформации.
В соответствии с принципами фон-неймановской архитектуры компьютер должен иметь устройства для обработки информации (арифметической и логической), хранения, ввода и вывода, а также устройство для управления всей работой компьютера. Каким же образом в персональном компьютере реализуется этот принцип? Устройством, обрабатывающим информацию, является центральный процессор (ЦП). Он также обеспечивает согласование действий всей аппаратуры, входящей в состав компьютера. Располагается процессор в системном блоке. Там же расположены запоминающие устройства (память), предназначенные для хранения информации. Устройства ввода и вывода информации расположены вне системного блока. Они играют посредническую роль, обеспечивая взаимодействие человека и компьютера. Для ПК неотъемлемыми устройствами ввода являются клавиатура и мышь, за вывод отвечает монитор, отображающий на своем экране выводимую информацию.
Компьютер работает под управлением программы. Программа представляет собой последовательность команд, которые "понимает" процессор. Процессор считывает очередную команду, анализирует и выполняет. Считывание входных данных с устройств ввода и отправка результатов их обработки на устройства вывода выполняются под управлением процессора. Для хранения выполняемой команды и обрабатываемых данных в процессоре имеются специальные ячейки, так называемые регистры . Но в нём не предусмотрено место для хранения всей программы. Для этой важной цели служит внутренняя (основная) память компьютера. Наиболее существенную часть этой памяти составляет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Именно в нем хранится выполняемая программа и данные, с которыми она работает. Но информация в ОЗУ хранится лишь до отключения компьютера от электропитания. Для долговременного хранения информации предназначена другая - внешняя память , в которой информация при выключении компьютера не стирается. Из внешней памяти выбирается и загружается в ОЗУ для выполнения программа, указанная пользователем. Носителями внешней памяти компьютера являются, например, магнитные и оптические диски. Все дополнительное оборудование, предназначенное для ввода, вывода, передачи, долговременного хранения информации, называют периферийными устройствами . Набор периферийных устройств современного ПК широк и разнообразен.
Архитектура компьютера
Под архитектурой компьютера понимается его принципы работы, логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе . Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули: шине данных, шине адресов ишине управления . Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.
Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине , причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т.е. эта шина является однонаправленной.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса . Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры . Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts) . Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
Архитектура компьютера строится согласно принципам фон Неймана.
1. Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности (не считая стартового и аварийного вмешательства человека-оператора) в ЭВМ является процессор, который в свою очередь управляется программой, находящейся в памяти компьютера.
3. Память состоит из ячеек, имеющих каждая свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации, причем и команда и информация выглядят одинаково (машинное слово).
4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.
6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания:
· из каких ячеек памяти взять обрабатываемую информацию;
· какие совершить операции с взятой информацией;
· в какие ячейки памяти направить полученную информацию;
· как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять для выполнения следующую команду.
7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.
В настоящее время активно используется принцип открытой архитектуры компьютера, который был заложен при разработке ПЭВМ IBM PC. В IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Этот принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован, известен и доступен всем желающим, был назван принципом открытой архитектуры.
Реализация этого принципа такова. На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате. При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Сейчас многие фирмы производят IBM-совместимые компьютеры и комплектующие к ним.
Состав компьютера
Обычно персональный компьютер состоит из трех частей: системный блок, клавиатура (для организации ввода информации в компьютер), монитор (для отображения текстовой и графической информации).
В системном блоке располагаются электронные схемы (микропроцессор, ОП, контроллеры устройств), блок питания (преобразует напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электрические схемы), НГМД (дисководы), НЖМД (винчестер). К системному блоку можно подключать дополнительные устройства ввода-вывода через специальные гнезда (разъемы) на задней стенке компьютера: принтер, мышь, сканер, графопостроитель, модем, факс- модем, звуковые колонки и т.д. Микропроцессор производит все вычисления и обработку информацию. Контроллеры и шина осуществляют обмен информацией между ОП и внешними устройствами (ВУ). Для каждого ВУ в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Все контроллеры взаимодействуют с МП и ОП через системную магистраль по передаче данных, называемую шиной. Блока питания со встроенным вентилятором для охлаждения устройств внутри системного блока. Его легко определить по заметным размерам. В зависимости от типа компьютера мощность блока питания бывает разной. Энергия расходуется компьютером постоянно и порой совершенно бесполезно, когда компьютер включен, но не используется. Поэтому и появились экономичные модели настольных компьютеров. Проработав некоторое время вхолостую, они впадают "в спячку" - выключается монитор, отключаются и "засыпают" другие энергоемкие устройства. Потребление электроэнергии при этом снижается в несколько раз. Но стоит вам коснуться клавиатуры или мышки, компьютер оживет. Такие компьютеры называют "экономически чистыми", или green - "зелеными".
Микросхемы центрального процессора и оперативной памяти расположены на самой большой электронной плате, которую называют системной или материнской платой (motherboard) . Современный центральный процессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), размещенную на кремниевом кристалле и выполненную в виде микросхемы или чипа (англ. chip - чип), Называется он микропроцессором . А термин "сверхбольшая" относится не к размерам микросхемы, а к количеству заключенных в ней электронных элементов (до нескольких миллионов). В компьютерную систему могут входить и другие процессоры, отвечающие за обработку информации на своих участках, например, математический сопроцессор, ускоряющий некоторые виды математических операций.
Внутренняя память состоит из трех частей: оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ) и кэш -памяти . В отличие от оперативной и кэш-памяти, которые хранят данные, пока есть электропитание, ПЗУ является энергонезависимой и используется для хранения неизменяемой информации. В ней записаны программы, с помощью которых происходит тестирование устройств и загрузка операционной системы. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, и содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Basic Input/Output System , или базовая система ввода/вывода). Объем ПЗУ значительно меньше, чем ОЗУ, не превышает несколько сотен Кбайт. Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь современные технологии позволяют обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.
Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате, снабженной контактами, с помощью которых она вставляется в специальный разъем (слот) на материнской плате. Для расширения возможностей компьютера материнская плата снабжается несколькими такими разъёмами. Кэш-память служит для ускорения работы компьютера (подробнее о ней будет сказано чуть позже). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора, и внешняя, устанавливаемая на системной плате.
Для согласованной работы устройств вывода (монитора, звуковых колонок и других) необходимы средства сопряжения этих устройств с компьютером: контроллеры (адаптеры) , управляющие работой устройства, специальные слоты на материнской плате для установки контроллера и кабели для соединения устройства с контроллером. Все эти средства сопряжения предназначены для стандартизации обмена информацией аппаратуры ПК и называются интерфейсом (по-английски inter - между, face - лицо). Различают аппаратный и программный интерфейс. Для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо иметь соответствующий контроллер и подходящую программу-драйвер. Скорее всего, один или два слота расширения на системной плате будут заняты постоянно - в них "воткнуты" видеоадаптер (от него идет кабель к монитору) и звуковая карта (провода от нее идут к колонкам и микрофону). Внешние по отношению к системному блоку устройства (клавиатура, мышь, принтер и другие) подключаются через порты - разъемы, расположенные на задней панели системного блока. Некоторые из устройств внешней памяти, хотя и размещаются внутри системного блока, оформлены в виде самостоятельных узлов. Широкие и плоские кабели идут от материнской платы к дисководу для 3,5-дюймовых дискет, к жесткому диску, к приводу лазерных компакт-дисков.
Похожая информация.
По своему устройству диск CD-R (заготовка для записи), также как и его "штампованный" собрат, напоминает слоёный пирог (рис.1) и отличается только наличием активного (регистрирующего) слоя.
Главной "деталью" CD-R диска является основа. От качества изготовления основы зависит почти половина качества всего диска. Правда, к характеристикам материала, из которого выполнена основа, особых требований не предъявляется, применяется тот же поликарбонат, который используется и при изготовлении CD-ROM. Но вот рельеф основы намного сложнее, чем у записанного диска (CD-ROM). Трудности начинаются с того, что "чистая", незаписанная заготовка не содержит никакой информации и, соответственно, на ее поверхности не должно быть никаких питов. Но ведь питы - это не только хранимая информация, но и источник данных для работы следящей системы. Как же на незаписанной заготовке удержать записывающую головку на воображаемой спирали с достаточной точностью? Для этого основа CD-R диска при изготовлении получает разметку - сплошную спиральную канавку (Pregroove). Трёхмерное изображение поверхности основы CD-R, построенное по результатам измерений в лаборатории атомно-силовой микроскопии Института физики полупроводников Национальной академии наук Украины, приведено на рис.2.
Точные значения ширины, глубины и даже угла наклона боковых стенок - это и есть самое большое ноу-хау фирмы, выпускающий CD-R.
Эта направляющая канавка заполняется органическим красителем. Благодаря красителю луч лазера несколько ослабляется, поэтому от самой канавки в фотоприёмники попадает меньше света, чем от остальных участков диска. Этого достаточно для надёжной работы следящей системы устройства записи. Конечно, краситель не может быть очень тёмным. Ведь его наличие не должно в дальнейшем мешать считывающим устройствам, которые могут и не предполагать наличие спиральной разметки. Но следящая система записывающего устройства специально разработана для отслеживания положения относительно слабоконтрастной дорожки.
В CD-ROM питы не только содержат полезную информацию и позволяют следить за информационной дорожкой, но и служат для синхронизации частоты своего тактового генератора с частотой следования битов считываемого последовательного кода. Отсутствие питов у незаписанного CD-R заставляет применять весьма хитроумные технические решения для синхронизации частоты тактового генератора (в данном случае со скоростью вращения диска). В частности, в CD-R канавка выполнена не в виде ровненькой спирали, как её представлял себе Архимед, а с микроскопическими отклонениями - вобуляцией (рис.3).
Частота колебаний канавки относительно спиральной траектории составляет 22,05 кГц (для скорости вращения диска 1х). Соответственно, один период этих колебаний занимает 60 мкм спиральной траектории. Амплитуда колебаний всего 0,03 мкм, значительно меньше ширины самой канавки, но этого достаточно, чтобы выделить колебания с частотой 22,05 кГц и синхронизировать этими колебаниями частоту своего тактового генератора.
К сожалению, на этом трудности с определением местоположения записывающей головки не заканчиваются. Как известно, информация на CD-ROM записана отдельными порциями - кадрами (секторами, блоками). В заголовке каждого кадра содержится служебная информация, в том числе и о номере текущего кадра. Номер кадра представляется двоично-десятичным кодом в формате (минута): (секунда): (номер кадра в пределах данной секунды). Каждая секунда содержит 75 кадров. Пока на CD-R не записано ни одного кадра, информации о номере кадра не может быть. Но она ведь нужна!
На самом деле эта информация есть и на девственно чистом CD-R. Запрятана она также в форме канавки. Это так называемое действительное время по разметке (ATIP - Actual Time In Pregroove). Вся спиральная разметка разбивается на фреймы, каждый из которых по длительности соответствует одному кадру информации. Информация о номере фрейма (будущего кадра) представлена на разметке путем сдвига частоты вобуляции на 1 кГц от значения 22,05 кГц, т.е. реально частота вобуляции принимает значения 21,05 кГц или 23,05 кГц. То или иное текущее значение частоты вобуляции играет ту же роль, что и питы и ленды на поверхности CD-ROM. Номер фрейма - это 42 последовательных временных интервала, закодированных рассмотренным выше кодом EFM. Серия из 42 временных интервалов декодируется в 3 байта, из них один байт (две десятичные цифры) - это минута, один байт (две десятичные цифры) - секунда и один байт (также две десятичные цифры) - номер фрейма в текущей секунде.
Спиральная канавка у CD-R начинается несколько ближе к центру диска, чем у обычного CD-ROM начинается последовательность питов. На этом начальном участке, недоступном, как правило, для считывающих приводов CD-ROM, расположены две служебные области: для калибровки мощности лазера перед записью PCA (Power Calibration Area) и для временного хранения таблицы содержания диска PMA (Program Memory Area). PCA используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, а PMA - для временного хранения таблицы содержимого диска в процессе записи.
PCA и PMA являются таблицами фиксированной длины ёмкостью по 99 элементов каждая, что и ограничивает возможное количество сессий.
На этом участке существует также специальная таблица, в которой содержатся некоторые сведения, характеризующие данный CD-R. Таблица содержит специальную информацию, которая присутствует всегда, и дополнительную информацию, которая может быть на диске, а может и не быть. Специальная информация - это, например, сведения об производителе матрицы, с которой изготовлена основа данного CD-R, сведения о применяемом красителе и оптимальной мощности лазера, код применения (например, для бытовых аудиорекордеров). Дополнительная информация - это, например, максимальная и минимальная скорость записи. Таблица выполнена путем формирования самых настоящих "питов" и "лендов", как в CD-ROM, т.е. не может быть изменена никаким способом. Но она может быть прочитана. Для этого существуют различные программы, например, CDR Media Code Identifier (одна из самых удачных и широко распространённых).
К сожалению, такие программы довольно часто бесполезны, особенно для новых CD-R. Дело в том, что точное содержание таблицы и коды производителей матрицы определяются Orange Forum - организацией, занимающейся стандартизацией в области CD-R. Раньше вся эта информация была общедоступной. Сейчас сайт Orange Forum выглядит не очень информативно, а информация по этим кодам находится в закрытом доступе.
Активный слой. Активный слой - на самом деле это и есть тот краситель, которым заполняется направляющая канавка. Так он и задумывался. Но, несмотря на то, что сейчас мы рассматриваем этот слой только как заполнение красителем специальной канавки, это все же слой. Почему это так, нам станет предельно понятно после того, как мы разберемся с технологическими особенностями изготовления CD-R. Сейчас же давайте только посмотрим, каким же образом осуществляется запись информации на CD-R, или, другими словами, как канавка превращается в питы.
Выжигаем информацию. В процессе записи на отдельных участках мощность лазера увеличивается от 0,7 мВт (мощность при считывании) до величины порядка 8 мВт (для первой скорости). Энергия лазерного луча поглощается органическим красителем и преобразуется в тепло. Иногда этот процесс называется "прожигание". Термин "прожигание" не совсем точен и в некотором смысле даже вреден. Создается впечатление, что в отражающем слое или где-то ещё создаются "дырки". На самом деле под действием выделяющегося тепла происходят различные изменения (Рис.4).
Рис.4. Так канавка превращается в питы
В результате нагрева краситель обугливается и в нём появляются микроскопические газовые пузырьки. В процессе выделения газов увеличивается объём красителя и деформируется отражающий слой. Краситель нагревается до температуры, превышающей температуру плавления поликарбоната, вследствие чего и сама основа в данной точке плавится и деформируется.
Для разных дисков и разных режимов записи могут преобладать те или иные эффекты. Это не столь важно, в любом случае прозрачность такого участка с точки зрения лазера значительно ухудшается, что эквивалентно "питу" в обычном CD-ROM. Возникает только путаница, как это всё назвать. Ведь под термином "ленд" понимается вся поверхность диска, не занятая питами. Собственно, слово-то land и переводится с английского как "поверхность". И в дисках CD-R есть самый настоящий ленд: это участки поверхности между витками направляющей канавки. Поэтому канавка у незаписанного диска CD-R называется просто канавка (groоve), а после записи вся канавка считается разбитой на ряд питов. Только одни питы обозначают питы (pit marks pits), а другие питы обозначают ленды (land marks pits).
После того, как диск записан, надобность в канавке с ATIP отпадает. Обычные приводы CD-ROM даже не догадываются о её существовании, а просто анализируют тёмные и светлые участки диска. При этом, когда привод читает записанный диск, то следить за дорожкой ему даже легче. Даже на участках, соответствующих ленду на "алюминиевом" диске, т.е. светлых участках, сама дорожка немного темнее остальной поверхности. Но вот считывать записанную информацию труднее, чем с CD-ROM. Это и меньший коэффициент отражения из-за наличия дополнительного слоя, это и качество формирования питов лазерным лучом. Качество формирования питов зависит, конечно, в первую очередь от свойств красителя, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.
В действительности взаимодействие луча лазера с активным слоем намного сложнее. Но более строго мы сможем рассмотреть влияние параметров активного слоя на качественные характеристики CD-R только после краткого анализа особенностей технологического процесса изготовления CD-R, что и будет сделано в продолжении данной статьи. Сейчас же мы можем обсудить характеристики красителей только как вещества, которое заполняет направляющую канавку и "прожигается" в процессе записи.