6. Устройство и принцип работы накопителей cd-rom
Благодаря малым размерам, большой емкости (600 Мбайт и более), надежности и долговечности компакт-дисков (CD) накопители CD-ROM широко применяются в качестве устройств внешней памяти компьютеров, тем более мультимедийных.
Цифровая информация на CD как последовательность «0» и «1» представляется чередованием не отражающих свет впадин Pit и отражающих свет участков Land, расположенных по спиральной дорожке, начинающейся от центра диска (рис. 6.3). Диск покрыт защитной пленкой.
Рис. 6.3. Разрез CD
В отличие от НЖМД, дорожки которого представлены концентрическими окружностями, дорожка CD имеет вид непрерывной спирали. Считывание ведется лазерным лучом, который, попадая на отражающий свет участок Land, фиксируется фотодиодом и интерпретируется, например, как логическая «1» при переходе от к Pit к Land. Попадая во впадину Pit, лазерный луч рассеивается, и фотодиод фиксирует «0». Состав сканирующего устройства и сканирование диска лазером поясняется на рис. 6.4. Падающий и отраженный световые лучи разделяются полупрозрачным стеклом.
Рис. 6.4. Сканирующее устройство СD-ROM
Кодирование данных CD-ROM на физическом уровне
Важнейшей характеристикой накопителя CD-ROM является скорость передачи данных. Она выражается как Nх, где N – число, показывающее, во сколько раз скорость передачи данных в данном накопителе больше скорости передачи первого накопителя на CD-ROM, составлявшей 150 Кбайт/с. У современных накопителей значение N превышает 50, а скорость передачи данных – 7,5 Мбайт/с и более.
Чередование участков Pit и Land на спирали диска, как последовательность бит «0» и «1», называют канальными битами. Однако эти участки не представляет собой двоичных «0» и «1», формирующих цифровую информацию, считываемую с диска в последовательном формате. На практике применяется специальный метод кодирования информации на компакт-дисках, при котором «0» может быть представлен как в виде Pit, так и в виде Land, а «1» представляется любым переходом между ними (от Pit к Land или от Land к Pit). Этот метод, называемый фазовым переходом, предъявляет жесткие требования к размещению участков Pit и Land: Pit (или Land) должны находиться относительно друг друга обязательно на расстоянии от двух до одиннадцати канальных битов.
Исходя из этих требований, для представления 1 байт данных требуется больше восьми канальных битов. Поэтому на CD для кодирования каждого байта данных используется 14 канальных битов плюс 3 бит слияния. Двоичное кодирование нескольких десятичных цифр на базе канальных битов, размещенных на поверхности спирали CD, показано на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Преобразование канальных бит в 8-битовый код
Преобразование канального 14-битового кода в 8-битовый и обратно осуществляется на основе таблицы преобразования EFM (модуляция восемь на четырнадцать). Реализация этой модуляции в контроллере накопителя CD-ROM позволяет также осуществлять коррекцию ошибок считывания с диска с применением корректирующего (перекрестного) кода Рида-Соломона.
Основные физические единицы информации на CD
Ранее было показано, что 8 бит данных представляются 14 канальными битами. Базовая информационная единица CD, включающая в себя 36 байт, называется фреймом (frame).
На компакт-диске для хранения цифровых данных на основе фрейма создаются секторы, каждый из которых содержит 3234 байт, кодированных по EFM. Из них только 2352 байт отводятся под основную информационную часть, а остальные байты – на распознавание ошибок и их коррекциюб.
Всего дорожка CD содержит 300 000 секторов. Каждый сектор (его информационная часть) размером 2352 байт подразделяется на следующие области, в порядке их расположения по дорожке:
Синхронизация (12 байт) |
Заголовок (4 байт) |
Подзаголовок (8 байт) |
Данные (2048 байт) |
Для коррекции (882 байт) |
Накопители CD-ROM подключаются через IDE- или SATA-интерфейс. Доступ к информации на CD-ROМ определен стандартом IS0-9660. В соответствии с ним логическая организация CD схожа с организацией накопителя на магнитном диске, т. е. системная область CD-ROM хранит информацию о том, как он организован по каталогам, файлам и подкаталогам.
Структурная схема CD-накопителя
Система считывания накопителя предназначена для считывания информации с компакт-диска CD (рис. 6.6). Микроконтроллер (МК) осуществляет общее управление в соответствии с логическими командами, поступающими в накопитель через блок интерфейса. МК также осуществляет EFM-преобразование и коррекцию ошибок считывания. Буферная память сохраняет считанные с диска данные, выступая посредником между ОП и накопителем, что повышает скорость передачи данных, особенно с увеличением емкости буферной памяти.
Рис. 6.6. Структурная схема CD-накопителя
Основные разновидности компакт-дисков
В настоящее время для хранения программ широко распространены записываемые компакт-диски (CD-Recordable – CD-R), допускающие однократную запись, и перезаписываемые компакт-диски (CD‑ReWritable – CD‑RW), обеспечивающие многократную запись данных. Скорость записи данных для CD-RW максимум 32х. Допустимая скорость записи указывается на чехле компакт-диска.
Радикальное повышение емкости CD достигнуто в цифровых видеодисках (Digital Video Disc – DVD). Впоследствии их стали называть цифровыми универсальными дисками (Digital Versatile Disc – DVD). Значительное повышение емкости диска DVD по сравнению с CD, в основном, обеспечено технологическими усовершенствованиями: уменьшение расстояния между дорожками и длины пита, возможность считывания с двух слоев, производство двухсторонних дисков и др.
Кроме того, в DVD реализована более эффективная структура данных, позволяющая за счет применения новых методов обнаружения и коррекции ошибок освободить на диске больше места для хранения настоящих данных. В итоге диски DVD предоставляют емкость до 17 Гбайт.
Для считывания дисков DVD требуется специальный накопитель, который может считывать и обычные компакт-диски: CD-R и CD‑RW. Все пишущие DVD-приводы одновременно являются и CD‑RW приводами. Они поддерживают различные форматы записи: DVD-R/RW, DVD+R/RW и другие. Поэтому в современных компьютерах, и тем более в мультимедийных, чаще всего применяются именно пишущие DVD-приводы.
Для записи фильмов применяются диски DVD-Video. Хорошее изображение достигается при записи видео в формате MPEG-2 с битрейтом (bit rate) от 3 до 9 Мбит/с.
На основе дублирующих друг друга стандартов Blu-Ray и HD-DVD (High Density-DVD) строятся оптические диски нового поколения, способные вмещать десятки гигабайтов.
В перспективе наряду с этим стандартами будут применяться оптические диски HVD (Holographic Versatile Disk – голографический универсальный диск) емкостью 300 Гбайт и более.