2.2. Накопители на магнитных и оптических носителях

Для хранения информации при отключенном электропитании служит внешняя память: диски, CD-ROM и т.п.

Диски. Это – «накопители» информации, т.е. тоже память. Память на магнитном диске. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Любой дисковый накопитель информации использует принцип независимого перемещения диска и головок считывания/записи.

Диск имеет двустороннее ферромагнитное покрытие и вращается специальным двигателем со строго постоянной скоростью. С каждой стороны диска к ферромагнитному слою тесно прилегают по одной головке считывания/записи.

Головки могут перемещаться в радиальном направлении отдельным шаговым приводом и фиксироваться в любом новом положении. Перемещение головок и информационный обмен данными осуществляется под управлением специального устройства, называемого контроллером диска. Каждая дорожка по окружности делится на одинаковое количество секторов, в пределах которых и осуществляется запись/считывание информации. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт. Совокупность всех дорожек на всех дисках для одного какого-либо положения головок называется цилиндром. Скорость вращения дисков у разных накопителей различна. Существует два типа магнитных дисков: гибкие и жесткие диски.

Жесткие диски – hard disks (или винчестеры HDD). Накопители на жестком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером.

Накопитель содержит несколько дисков (рис.18), расположенных один над другим. Поэтому принято рассматривать пакет жестких дисков в виде цилиндров, каждый из которых состоит из аналогичных дорожек на поверхности каждого диска. Дорожки разбиты на секторы, которые идентифицируются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Нумерация секторов начинается с единицы, а головок и цилиндров – с нуля.

Число секторов на дорожке может быть от 17 до 150 в зависимости от типа накопителя. Общий объем одного сектора 571 байт. В начале каждого сектора записывается заголовок (Prefix Portion), по которому определяется начало сектора и его номер, а в конце – заключение сектора (Suffix Portion), содержащее контрольную сумму, необходимую для проверки целостности данных. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую служебную информацию, а также область для записи данных, размер которой традиционно составляет 512 байт.

Головки могут перемещаться в радиальном направлении отдельным шаговым приводом и фиксироваться в любом новом положении. Перемещение головок и информационный обмен дан­ными осуществляется под управлением специального устройства, называемого контроллером диска. Скорость вращения дисков у разных накопителей различна.

Накопители на жестком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. Габаритные размеры винчестера определяются форм-фактором.

Составные части винчестера. В гермоблоке размещены все механические части диска: шпиндель с одним или несколькими магнитными дисками, под которыми расположен двигатель. Ближе к разъемам, слева или справа от шпинделя, находится поворотный позиционер магнитных головок, который соединен кабелем с печатной платой.

На плате электроники расположено все управление диском. Плата является съемным устройством. Здесь смонтированы электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обеспечения обмена данными с контроллером, и иногда даже и сам контроллер.

В современных моделях HDD, в отличие от первоначальных, в качестве подложки используется не алюминиевый сплав, а композиционный материал из стекла и керамики с малым температурным коэффициентом расширения.

На диски нанесен рабочий слой – оксидный или на основе тонких пленок.

Оксидный рабочий слой – это полимерное покрытие на основе оксида железа. Недорогой процесс нанесения покрытия отличается простотой. Однако для изготовления накопителей боль­шой емкости получить таким способом требуемое качество покры­тия нереально.

Рабочий слой на основе тонких пленок более технологичен, более прочен и имеет лучшее качество поверхности. Используя тонкопленочную технологию, удалось создать накопители с уменьшенным до 0,05 ÷ 0,08 мкм зазором между поверхностями дисков и магнитными головками.

Принцип работы магнитно-резистивной головки (MR) при чтении данных состоит в заметном изменении сопротивления протекающему электрическому току при изменении напряженности магнитного поля. Элемент чтения представляет собой сверхтонкую пленку из специального материала, изменяющего свое сопротивление в зависимости от ориентации магнитных доменов на поверхности вращающегося диска. Ориентация доменов определяется предыдущей записью на диск 0 или 1 в данный элемент.

Канал чтения данных непрерывно пропускает ток через MR- го­ловку, и поэтому изменение сопротивления пленки регистрируется мгновенно. Специальный компаратор окончательно определяет содержание считанного бита и направляет далее считанный сигнал.

Механизм привода обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям. Все существующие механизмы привода головок можно разделить на два типа: с шаговым двигателем и с подвижной катушкой.

У накопителей с приводом на основе шагового двигателя среднее время доступа к данным значительно больше, и поэтому такие механизмы применяются, в основном в накопителях на гибких дисках или в накопителях на жестких дисках малой емкости (до 10 Мбайт).

При использовании механизма с подвижной катушкой в приводах появляется возможность точного определения местонахождения головки и коррекции его относительно дорожек за счет электронной обратной связи. В результате механизм привода обладает высоким быстродействием и, кроме того, не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.

Двигатель привода дисков имеет скорость вращения вала в пределах 3600 ÷ 7200 об/мин ^{– 1} (в некоторых винчестерах – до 15 000 об/мин ^{– 1}), что обеспечивает относительное поступательное движение головок со скоростью ~ 60 ÷ 80 км/ч. Жесткий диск вращается непрерывно, поэтому установка дисковода возможна лишь в вертикальном или горизонтальном положении.

В нормальных условиях при раскрученном до рабочих оборотов диске, воздушный поток приподнимает головку над диском на несколько мкм. При этом большую отрицательную роль играют попавшие внутрь диска микрочастицы (например, пыль), которые, имея большую скорость, могут разогреться до высоких температур за счет трения о MR-головку. Такой разогрев повышает в сильной степени сопротивление пленки. При этом канал чтения не может верно интерпретировать изменение температуры и происходит сбой. Кроме того, сталкивающиеся с пленкой частицы действуют как абразив, и это может привести к выходу из строя всей MR-головки. Именно поэтому, с целью защиты от микрочастиц, вся конструкция дисковода помещается в гермоблок под повышенным давлением.

Еще одним отрицательным фактором, влияющим на надежность работы накопителя, является старение рабочего слоя дисков. При этом происходит потеря магнитных свойств покрытия с течением времени, и появляются все новые и новые нечитаемые секторы. Диск, как говорят, начинает «сыпаться» и, в итоге, может полностью выйти из строя.

Для пользователя накопители на жестком диске, отличаются друг от друга, прежде всего, своей емкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. При выборе емкости жесткого диска надо учитывать размер программ, которые планируется использовать на компьютере, и объем обрабатываемых ими данных. Современные компьютеры имеют жесткие диски объемом 800 – 120 000 Мбайт (80 – 120 Гбайт).

Разработка и производство жестких дисков и их контролеров осуществляются различными фирмами, поэтому для обеспечения их совместимости необходима стандартизация способа (протокола) их взаимодействия с другими устройствами и управляющими работой дисков электронными схемами.

Способ взаимодействия дисководов и контроллеров называется интерфейсом контроллера диска (иногда просто интерфейсом диска). Чтобы дисковод и контроллер диска могли работать друг с другом, они должны поддерживать один и тот же тип интерфейса.

Интерфейс диска. Разработка и производство жестких дисков и их контролеров осуществляются различными фирмами, поэтому для обеспечения их совместимости необходима стандартизация способа (протокола) их взаимодействия с другими устройствами и управляющими работой дисков электронными схемами.

Способ взаимодействия дисководов и контроллеров называется интерфейсом контроллера диска (иногда просто интерфейсом диска). Чтобы дисковод и контроллер диска могли работать друг с другом, они должны поддерживать один и тот же тип интерфейса. В настоящее время используют интерфейсы: IDE – обладает повышенным быстродействием, SCSI – имеет большие возможности для расширения за счет подключения разнообразных устройств, E-IDE – расширенный IDE. Контроллер интерфейсов IDE и SCSI выполнен в виде отдельной микросхемы, установленной на плате ускорителя. В интерфейсе SCSI между контроллером и шиной введен еще один уровень организации данных и управления, а интерфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно.

Параметры и характеристики винчестеров. Для пользователя накопители на жестком диске отличаются друг от друга, прежде всего, своей емкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. При выборе емкости жесткого диска надо учитывать размер программ, которые планируется использовать на компьютере, и объем обрабатываемых ими данных. Общий объем памяти жесткого диска определяется в соответствии с формулой:

V = C ^. H ^. S ^. 512 (байт),

где С – число цилиндров;

H – число головок;

S – число секторов.

Современные компьютеры имеют жесткие диски объемом 800000 ÷ 200000 Мбайт (80 ÷ 200 Гбайт).

Емкость винчестера определяется максимальным объемом данных, который можно записать на носитель.

Скорость работы диска характеризуется двумя показателями: временем доступа к данным на диске и скоростью чтения и записи данных на диске. Следует заметить, что время доступа и скорость чтения-записи зависят не только от параметров самого дисковода, но и от параметров всего тракта обмена с диском, от быстродействия контроллера диска, системной шины и основного микропроцессора компьютера.

Время доступа к данным – это среднее время, за которое компьютер может «добраться» до произвольного участка на диске. В документации на дисководы при этом учитывается только время, затрачиваемое самим дисководом. При измерении этой характеристики на компьютере сюда следует добавить время, затрачиваемое контроллером шиной и основным микропроцессором. Это увеличивает время доступа на 1– 2 миллисекунды (мс). Среднее время доступа винчестера ~ 7 ÷ 9 мс.

Размер кэш-памяти жесткого диска – колеблется от 512 Кбайт до 2 Мбайт.

Время безотказной работы – среднестатистическое время между отказами. Обычно указывается в документации и составляет 20000 ÷ 500000 часов.

Соотношение между числом секторов на дорожке, скоростью вращения дисков, числом байтов в секторе (точнее – их произведение) определяет скорость передачи данных (MDTR – Maximum Data Transfer Rate):

MDTR = SRT ^. 512 ^. RPM / 60 (байт/с),

где SRT – число секторов на дорожке;

RPM – скорость вращения дисков (об/мин);

512 – число байт в секторе.

Средняя скорость передачи данных винчестера ~ 10 ÷ 15 Мбайт/с.

Еще одна очень важная характеристика жестких дисков, которой не всегда уделяется должное внимание – это пропускная способность тракта ввода / вывода. Она зависит не только от конструкции жесткого диска, но и в значительной мере от контролера диска и типа системной шины, а поэтому не указывается ни в спецификации компьютера, ни в документации диска.

Скорость работы диска характеризуется двумя показателями: временем доступа к данным на диске и скоростью чтения и записи данных на диске. Следует заметить, что время доступа и скорость чтения-записи зависят не только от параметров самого дисковода, но и от параметров всего тракта обмена с диском, от быстродействия контроллера диска, системной шины и основного микропроцессора компьютера.

Время доступа к данным – это среднее время, за которое компьютер может «добраться» до произвольного участка на диске. В документации на дисководы при этом учитывается только время, затрачиваемое самим дисководом. При измерении этой характеристики на компьютере сюда следует добавить время, затрачиваемое контроллером шиной и основным микропроцессором. Это увеличивает время доступа на 1– 2 миллисекунды (мс).

Еще одна очень важная характеристика жестких дисков, которой не всегда уделяется должное внимание – это пропускная способность тракта ввода / вывода. Она зависит не только от конструкции жесткого диска, но и в значительной мере от контролера диска и типа системной шины, а поэтому не указывается ни в спецификации компьютера, ни в документации диска.

Надежность хранения данных. Поломка жесткого диска для многих пользователей чревата не только приостановкой выполняемой работы, но непростым решением проблемы восстановления потерянной вследствие этого информации.

Для повышения надежности большинство производителей жестких дисков используют те или иные варианты технологии SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) – технологии самотестирования и анализа. Обычно осуществляется автоматическая проверка целостности данных, состояния поверхности дисков, перенос информации с критических участков на нормальные и др.

Основные положения SMART – следующие. Надежность кон­тро­лируется двумя группами параметров. Первая группа характеризует параметры естественного старения диска: число циклов включения / выключения, накопленное число оборотов двигателя за время работы, количество перемещений головок. Вторая группа характеризует текущее состояние накопителя: высота головок над поверхностями дисков, скорость обмена данными между дисками и буфером (кэш), количество переназначений плохих секторов на хорошие (свободные), количество ошибок поиска, скорость поиска данных на диске, количество операций перекалибровки. Проверка проблемных секторов осуществляется с использованием механизма определения ошибок ECC (Error Correction Code). В процессе записи данных в проблемные секторы проводится проверка на чтение. В момент обращения к диску процесс диагностики прекращается и возобновляется с переходом диска в режим холостого хода.

Применение технологии SMART ограничено принципами ранней диагностики, лишь информирующими пользователя о проблеме. Решение проблемы возлагается на пользователя.

Для преодоления этого фирма Western Digital внедрила технологию Data Lifeguard – встроенную автоматическую систему ранней диагностики, изоляции поврежденных участков и переноса данных из них в специально резервированные области.

Фирма Maxtor разработала и применила новую технологию Dual Wave, суть которой заключается в следующем (рис.19). В контроллере диска впервые использованы два процессора: цифровой сигнальный процессор (DSP) управляет приводами, отвечает за операции чтения / записи и коррекции ошибок; разработанный фирмой специальный RISC-процессор оптимизирован для операций ввода / вывода и обработки команд интерфейса ATA. Оба процессора имеют свободный доступ к буферу данных и шине обмена данными между собой.

Увеличение емкости накопителей HDD. Одно из перспективных решений предложено фирмой Quinta Corporation.

Как известно, запись данных при обычных температурах затруднена из-за сложности изменения ориентации заряда магнитной поверхности. Проблема может быть решена локальным нагревом элемента с магнитными доменами до температуры выше точки Кюри, например, с помощью импульсного лазера. При чтении данных лазер переходит в режим низкой мощности, и магнитные характеристики элемента определяются по характеру поляризации отраженного луча (как и в давно известных магнитооптических дисках).

Новая разработка (Optically Assisted Winchester – OAW) основана на следующих технических решениях:

1. Advanced Light Delivery System: оптический переключающий модуль (optical switch module) для генерации лазерных импульсов и оптоволоконная система для передачи луча лазера к головке чтения / записи винчестера;

2. Unique Head Design: магнитная головка с интегрированной оптической системой из микроскопических линз (диаметром менее 350 мкм) дл сверхточной фокусировки лазерного луча на поверхности носителя;

3. Micro-Machined Mirror Servo System: оптический микропривод для системы зеркал на головке винчестера, которые поворачиваются управляющими электросигналами, точно позиционируя место чтения / записи на поверхности носителя (возможность переключения между несколькими дорожками без перемещения головки);

RE-TM Media: магнитный слой на основе аморфных пленок редкоземельных элементов – позволяет более эффективно располагать магнитные заряды на поверхности диска без риска потери данных с обеспечением большей плотности записи.

Гибкие диски – floppy diskettes (дискеты) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на ПК, делать архивные копии информации, содержащиеся на жестком диске не очень большого объема.

Информация с дискеты вводится в компьютер через устройство для записи и чтения, которое называется дисковод. Перед первым использованием дискеты необходимо специальным образом инициализировать. Это делается с помощью программы Format операционной системы DOS.

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки, шагового двигателя и электроники управления.

Рабочий двигатель обеспечивает постоянную скорость вра­щения диска (для дисковода 3,5 ” – 300 об/мин). Время запуска ~ 400 мс. Двигатель включается в момент, когда в дисковод встав­лена дискета.

Рабочие головки служат для чтения и записи информации. Головки расположены с обеих сторон диска, т.к. рабочая поверхность дискет является двухсторонней.

Шаговые двигатели обеспечивают перемещение и позиционирование рабочих головок.

Электронные управляющие элементы размещены с нижней стороны дисковода. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру для преобразования считанной или записанной головками информации.

В основном в компьютерах используют накопители на гибких дисках (дискеты) 3,5” емкостью: 1,44 Мбайт – стандарт HD (High Density), для старых ПК 720 Кбайт – стандарт DD (Double Density), 2,88 Мбайт – стандарт ED (Extra High Density).

Магнитные диски называют носителями информации с прямым доступом, т.к. вследствие вращения диска с высокой скоростью имеется возможность перемещать под головкой чтения / записи любую его часть. Следовательно, можно непосредственно обратиться к любым записанным данным. Этому способствует форматирование информационного пространства диска, т.е. разбиение его на определенные участки: дорожки и секторы.

Дорожка записи ( трек – track) – каждое из концентрических колец диска, предназначенное для записи данных. Магнитная поверхность разбивается на дорожки, начиная с внешнего края. Число треков для гибкого диска 3,5” емкостью 1,44 Мбайт равно 80. Дорожки нумеруются. Внешнему треку присваивается нулевой номер.

Плотность записи для магнитных дисков соответствует двум разновидностям. Радиальная (поперечная) плотность записи определяется числом дорожек, размещенных на кольце диска шириной 1 дюйм = 2,54 см. Линейная (продольная) плотность записи измеряется числом битов данных, которые можно записать на дорожке единичной длины.

Секторы – это участки, на которые разбиваются дорожки записи (для гибкого диска 3,5” емкостью 1,44 Мбайт – 18 секторов на дорожке). В качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. Секторам присваиваются номера, начиная с нуля. Нулевой сектор на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемых данных (он не подлежит записи).

Накопитель на лазерных дисках (компакт–диск). Он же – CD ROM (Compact Disk Read Only Memory – компакт–диск только для чтения). Позволяет только считывать записанную на CD информацию. На CD-дисководе можно проигрывать обычные аудио–диски (при наличии соответствующих плат внутри компьютера). В последнее время появились пишущие устройства, которые позволяют записывать информацию с компьютера на CD – диск.

Эти устройства и сами компакт-диски относительно недороги, очень надежны и могут хранить весьма большие объемы информации (до 600 – 700 Мбайт), поэтому они очень удобны для поставки программ и данных большого объема, например, каталогов, энциклопедий, а также обучающих, демонстрационных и игровых программ, сочетающих движущиеся изображения, текст и звук.

Как и в компакт-дисках, применяемых в бытовых CD–плеерах, информация на компьютерных компакт-дисках кодируется посредством чередования отражающих и не отражающих световых участков на подложке диска. При промышленном производстве ком­пакт-дисков эта подложка выполняется из алюминия, а не отражающие свет участки делаются с помощью продавливания углублений в подложке специальной пресс-формой.

Чтение используемых в компьютере компакт-дисков осуществляется с помощью луча лазера небольшой мощности. Скорость чтения данных с компакт-дисков значительно меньше, чем с жестких дисков. Одна из причин этого состоит в том, что компакт-диски при чтении вращаются не с постоянной угловой скоростью, а так, чтобы обеспечить неизменную линейную скорость движения считывающей (читающей) головки. Стандартная скорость чтения данных с компакт-дисков составляет всего 300 – 500 Кбайт/с, а время доступа обычно имеет порядок 0,2 с.

Поскольку компакт-диски часто содержат звуковую информацию, на передней панели устройства для чтения компакт-дисков обычно используется гнездо для подключения наушников и регулятор громкости.

Практически все выпускаемые в настоящее время устройства для чтения компакт-дисков поддерживают формат CD-DA (Digital Audio - наиболее распространенный формат записи, заданный стандартом ISO-9660. Этот формат позволяет хранить графические, звуковые и текстовые данные). Эти устройства также могут использоваться для проигрывания обычных акустических компакт-дисков.

Компакт-диск (CD ROM) – относится к классу внешних накопителей информации, позволяет считывать и записывать информацию, проигрывать обычные аудио–диски (при наличии соответствующих плат внутри компьютера), а также длительно хранить информацию при отключенном компьютере.

Информация на компьютерных компакт-дисках кодируется в двоичной системе счисления посредством чередования отражающих и не отражающих световых участков на подложке диска. Носителем информации является рельефная подложка с нанесенным на нее светоотражающим слоем (обычно – алюминий). Запись информации осуществляется формированием рельефа путем «прожига» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом.

Чтение используемых в компьютере компакт-дисков осуществляется с помощью луча лазера небольшой мощности. Скорость чтения данных с компакт-дисков значительно меньше, чем с жестких дисков. Одна из причин этого состоит в том, что компакт-диски при чтении вращаются не с постоянной угловой скоростью, а так, чтобы обеспечить неизменную линейную скорость движения считывающей (читающей) головки. Стандартная скорость чтения данных с компакт-дисков составляет всего 300 – 500 Кбайт/с, а время доступа обычно имеет порядок 0,2 с.

На первом этапе изготовления CD-диска создается «образ» – информационный файл для последующей записи. На втором этапе с помощью луча лазера наносятся питы (pit). Для этого на носитель (стеклопластик) наносится светочувствительный слой фоторезиста, в котором лучом лазера по спирали создаются последовательности углублений (штрихов), соответствующие записываемой в двоичном коде информации. Глубина каждого штриха-пита ~ 0,12 мкм, а ширина ~ 0,8 ÷ 3,0 мкм. Спиральные дорожки расположены на расстоянии ~ 1,6 мкм, что обеспечивает плотность записи около 16000 витков/дюйм. На третьем этапе осуществляют проявление фоторезиста и металлизацию диска. Такой CD-диск называется мастер-диском.

Тиражирование также осуществляется в несколько этапов – сначала методом гальванопластики с нанесением никелевого покрытия создают более прочные и износостойкие рабочие копии, используемые в качестве матрицы для последующего массового повторения. Затем методом горячей штамповки поликарбонатной основы с последующим нанесением вакуумной металлизации (алюминия) на информационную сторону создают массовый тираж. Для защиты от механических повреждений диск полностью покрывают лаком.

Поскольку компакт-диски часто содержат звуковую информацию, на передней панели устройства для чтения компакт-дисков обычно расположены гнездо для подключения наушников и регулятор громкости.

Состав накопителя. Привод CD-ROM содержит (рис.22):

• загрузочное устройство;

• оптико-механический блок: электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Головка считывание перемещается по радиусу диска и считывает информацию. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный луч инфракрасного диапазона (Р = 0,2 ÷ 0,4 мВт, λ = 780 нм), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется на поверхности диска. По командам, поступившим от встроенного процессора, серводвигатель перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом на нужную дорожку компакт-диска. Отраженный от диска луч фокусируется расположенной под диском линзой, отражается от зеркала и, пройдя вторую фокусирующую линзу, попадает на фотодатчик. Преобразованный фотодатчиком сигнал поступает на универсальный декодер;

• универсальный декодер – представляет собой процессор для обработки считанных с CD-диска сигналов. В его состав входят два декодера (для восстановления потерянной информации объемом до 500 байт), оперативное запоминающее устройство (выполняет функцию буферной памяти) и контроллер управления декодерами (управляет режимом исправления ошибок);

• интерфейсный блок – состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра низких частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении закодированная аудиоинформацию преобразуется в аналоговый сигнал, который, пройдя указанные устройства, поступает на усилитель и далее на звуковую карту;

• системы управления приводом и автоматического регулирования – обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигналы ошибок слежения поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом IDE (E-IDE), так и высокоскоростным интерфейсом SCSI.

Практически все выпускаемые в настоящее время устройства для чтения компакт-дисков поддерживают формат записи CD-DA (Digital Audio – цифровой аудио). Кроме того, используют: формат ISO-9660 – наиболее распространенный формат записи, универсальный формат High Sierra (HSG) – обеспечивает чтение данных формата ISO-9660 на приводах всех типов в широком спектре операционных систем, формат Photo CD – для записи, хранения и воспроизведения статической видеоин формации (100 ÷ 800 фотоизображений разрешения 2048 ^х 3072 или 256 ^х 384).

CD-ROM-диски с большим успехом используют в мультимедиа технологии, где поддерживаются форматы: CD-I (Interactive) – позволяет хранить видеоизображение со звуковым стерео-звуковым сопровождением длительностью воспроизведения до 20 мин., CD-DV (Digital Video) – видео изображение длительностью воспроизведения до 74 мин. и с использованием при хранении данных сжатия по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group) и др.

Для однократной записи и последующего многократного чтения используют диски CD-R (CD-Recorder) или CD-WORM (CD-Write Once Read Many), которые отличаются конструкцией от рассмотренных выше. Между отражающим слоем и поликарбонатной основой таких дисков помещен регистрирующий слой, выполненный из органического материала, который темнее при нагревании. При записи лазерный луч нагревает некоторые участки, образуя темные локально расположенные области, подобные «питам» с иной отражающей способностью.

Существуют перезаписываемые лазерные диски CD-RW (CD-Re Writable), регистрирующий слой которых выполнен из органических соединений типа цианин или фталоцианин. Такие соединения могут изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно под воздействием лазерного луча.

Накопители DVD (Digital Video Disks). Одно из направлений развития CD-технологий – наращивание емкости дисков. В силу этого появились: стандарт Double Density CD, предложенный фирмой Sony и позволяющий увеличить емкость традиционных CD-дисков до 1,3 Гбайт; диск FMD-ROM, имеющий до 100 рабочих слоев и суммарную емкость до 140 Гбайт и т.п.

В 1995 г. фирма Sony совместно с рядом других фирм предложила новый формат данных: DVD – Digital Versatile Disk. Особенностью стандарта стало снижение длины волны используемого в приводе полупроводникового лазера с 780 нм (для CD-дисков) до 650 нм. Это привело к уменьшению размеров штрихов записи (питов) примерно в 2 раза, а расстояния между дорожками записи – с 1,6 мкм до 0,74 мкм.

Конструктивно DVD-диски все также представляют собой многослойный диск диаметром 120 мм, однако применение более узкого луча лазера позволило изменить в меньшую сторону толщину защитного слоя вдвое, с 1,2 до 0,6 мм, но т.к. толщина всего диска должна оставаться неизменной, то в конструкцию был введен еще один, укрепляющий, слой. Н укрепляющем слое также стали записывать информацию, что привело к созданию многослойного диска DVD. Последовательное считывание данных с каждого слоя достигается за счет изменения положения фокуса лазерного луча.

DVD-диски выполняются односторонними однослойными (емкость составляет 4,7 Гбайт) и многослойными (емкость – 8,5 Гбайт), а также двухсторонними однослойными (соответственно, емкость – 9,4 Гбайт) и многослойными (емкость – до 17 Гбайт). В итоге, на DVD-дисках можно разместить информацию, соответствующую по объему полнометражному видеофильму с длительностью воспроизведения от 135 мин до 8 часов. При этом качество изображения соответствует качеству профессиональных студийных записей, а звуковое сопровождение – вплоть до качества Dolby Digital.

Магнитооптические накопители (МО-диски). В отличие от компакт-дисков данные на МО-дисках можно записывать бесконечное число раз, что обусловлено конструкцией материала носителя, в котором принципиально не может быть никаких необратимых процессов.

МО-диски выпускаются: 3,5”– односторонние (емкостью 128, 230 и 640 Мбайт) и двухсторонние (емкостью 600 и 650 Мбайт), а также 5,25” (емкость – от 1,7 до 4,6 Гбайт).

Для изготовления МО-диска на стеклопластиковую подложку наносят металлическое покрытие (алюминий или золото), которое обеспечивает отражение лазерного луча. Магнитооптический слой, формируемый на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия, изменяет свои свойства как при температурном воздействии, так и при приложении магнитного поля. Если нагреть диск выше определенной температуры, то можно изменять магнитную поляризацию слабым магнитным полем. Магнитооптический слой с двух сторон окружен диэлектрическими слоями, изготовленными из прозрачного полимера, что позволяет защитить диск от перегрева, повысить чувствительность при записи и отражающую способность при считывании данных. Верхний защитный слой из прозрачного полимера защищает диск от механических повреждений. Вся конструкция помещена в картридж – специальный пластиковый конверт.

Запись данных на МО-диск осуществляется блоками по 512 байт. Луч лазера, сфокусированный на поверхности магнитооптического слоя в пятно диаметром ~ 1 мкм, локально нагревает его в точке фокусировки до температуры около200 ⁰ С (точка Кюри). При этом резко уменьшается магнитная проницаемость вещества в нагретой точке слоя, и изменение магнитного состояния частиц может быть легко изменено малым магнитным полем головки записи. После охлаждения (отключения лазера) измененная магнитная ориентация в точке сохраняется. изменение интерпретируется либо как логическая единица, либо как логический ноль.

Считывание информации с диска производят поляризованным лучом лазера пониженной мощности (~ 25% от мощности луча при записи), недостаточной для разогрева рабочего слоя. Попадание луча на ориентированные при записи частицы незначительно изменяет поляризацию луча (эффект Керра). Отраженный луч проходит через фотоприемник, где определяется состояние его поляризации, интерпретируемое соответствующим контроллером как двоичные «0» или «1».

В соответствии с международными стандартами выпускаемые дисководы для магнитооптических дисков поддерживают интерфейсы IDE и SCSI. Помимо обычных дисководов широкое распространение получили т.н. оптические библиотеки с автоматической сменой дисков емкостью до сотен Гбайт.

Съемные жесткие диски и твердотельные накопители. Желание пользователей иметь переносимые накопители большой емкости привело к появлению ряда технологий.

Сменные жесткие диски. Одним из направлений решения проблемы стало создание блоков на основе обычных жестких дисков.

Так, суть технологии Mobile Rack заключается в следующем. В корпусе компьютера, в одном из отсеков для внешних устройств устанавливается разъем, подключенный к интерфейсу IDE/ATA и блоку питания. В этот отсек может быть вставлен съемный пластиковый контейнер, внутри которого размещен обычный винчестер, при подключении опознаваемый как еще один жесткий диск. Такими изделиями являются, в частности, сменные диски Jaz (жесткий диск емкость от 540 Мбайт до 2 Гбайт – Jaz 2), ZIP ( гибкий диск емкостью 250 Мбайт) – фирмы Iomega, Orb (магнитно-резистивная головка, жесткий диск емкость диска 2,2 Гбайт) – фирмы Castlewood и др.

Компактные твердотельные носители. Изобретателем т.н. флэш-памяти (flash) можно считать компанию Toshiba, которая в 1984 году уже начала производство микросхем.

По устройству флэш-память отдаленно напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены полупроводниковые приборы – МДП-транзисторы с изолированным затвором. При подаче напряжения на управляющий электрод (затвор) транзистор принимает одно из фиксированных положений – закрытое или открытое. И остается в этом положении до тех пор, пока на выводы транзистора не будет подан электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые – как логические нули.

Преимущества флэш-памяти – в энергонезависимости, в долговременности хранения информации (производители гарантируют сохранность данных на протяжении 10 лет) и в высокой механической надежности (в накопителях на базе флэш-памяти нет никаких механических устройств – нечему ломаться). Недостатки – в высокой технологической сложности устройства, в невысоком быстродействии (время изменения состояния транзистора больше, чем время заряда–разряда конденсатора), а также в относительно высокой стоимости микросхем.

Флэш-память быстро прогрессирует. За последние несколько лет появились новые типы микросхем – был осуществлен массовый переход с 5-вольтовой технологии питания на 3,3-вольтовую, были применены новые типы полупроводниковых приборов, разработаны и внедрены в производство механизмы ускорения процедуры записи-чтения информации.

Недостатком флэш-памяти наряду с прочими является несовместимость по физическому интерфейсу. Это привело к появлению большого числа устройств для сопряжения твердотельных и переносимых носителей с компьютером, называемых Card Reader / Writer.

Наиболее яркими представителями флэш-памяти являются карты: Smart-Media (основной формат для банковских карточек, цифровых фотоаппаратов и МР-3 плееров, емкость до 128 Мбайт), Memory Stick (формат фирмы Sony, емкость до 256 Мбайт), Compact Flash – CF (основная область применения – цифровая фотография, емкость до 3 Гбайт), USB Flash Drive (аналог CF, но подключается через последовательный интерфейс USB, имеет компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок), PC Card – PC MCIA ATA (поддержка интерфейса ATA, совместимость со всеми компьютерами и бытовыми цифровыми устройствами, оснащены шиной 16÷32 битов, емкость 4 Гбайт), Miniature Card – MC (предназначена для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер, емкость ~ 64 Мбайт), Mirror Bit Flash (емкостью 64 Мбайт разработана компанией AMD, основана на технологии хранения в одной ячейке 2 бит информации: каждая ячейка разделена на симметричные, «зеркальные», половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, следовательно, имеет удвоенную емкость).

Хотя Flash и лидирует на компьютерном рынке, ее могут вытеснить другие новые технологии. Например, новейшая память на кремниевых нанокристаллах. Отличие такой памяти от Flash в следующем: подложка между стоком и истоком теперь состоит из кремниевых нанокристаллических сфер. Такая прослойка предотвращает передачу заряда с одного нанокристалла на другой, повышая таким образом надежность – один дефект не ведет к полному сбою, как в нынешней энергонезависимой памяти на транзисторах с плавающим затвором. Первый в мире работоспособный образец такой памяти был предоставлен компанией Motorola. Фирмой Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов разработана карта xD Picture Card – eXtreme Digital (самое миниатюрное устройство флэш-памяти емкостью 512 Мбайт ÷ 8 Гбайт).