§ 2.2. Оптические и магнитооптические накопители

С момента своего появления в 1984 г. накопители CD-ROM прошли не менее славный путь, чем флоппи-дисководы и практически закончили его. Максимальные скорость вращения дисков выросли до 12 тыс. об./мин. Немногие из современных жестких дисков могут похвастаться такими скоростями, а ведь в CD-ROM с такой скоростью вращается сменный носитель большего диаметра, который может быть не слишком хорошо сбалансирован.При подобных скоростях повышенную вибрацию и, как следствие, увеличение частоты ошибок, могут вызвать даже неравномерность нанесения типографской краски в надпечатке диска или надпись, сделанная фломастером на одной из его половинок.

Поэтому "гонка за X" прекратилась по достижении отметки 60Х, а на практике надежной и достаточной считается скорость 40Х. При этом следует понимать, что 40 или 60Х (6 или 9 Мб/с) — всего лишь максималъная скорость передачи данных, которая достигается только на внешних дорожках диска. Исключение составляли накопители, выполненные по разработанной компанией Zen Research технологии ТrueX, когда читаются одновременно несколько дорожек. Благодаря этой технологии компании Kenwood удалось довести Х до 72, однако выпуск приводов оказался экономически невыгодным и ныне прекращен.

Прежде чем рассмотреть работу приводов CD-ROM, приведем небольшой список их достоинств и недостатков.

Достоинствами СD является надежность и значительная емкость (500-700 Мб), а основной недостаток относится к методам обработки информации. Устройство CD-ROM предназначено только для чтения данных с компакт-диска.

Приводы CD-ROM работают иначе, чем все описанные выше электромагнитные носители информации. При записи компакт-диск обрабатывается лазерным лучем, выжигающим участок, хранящий логическую единицу. Образующиеся углубления называются питами — Pits. Приводы CD-ROM обычно подключаются через IDE, SCSI-интерфейс (первые модели подключались через звуковую карту).

Толщина компакт-диска составляет 1,2 мм, а диаметр 120 мм. Диск изготавливается из поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем аллюминия, реже золота и защитной пленкой специального прозрачного лака (рис.2.2.1). Информация на диске записана в виде чередований углублений в поверхности металлического слоя.

Рис. 2.2.1. Физическая структура компакт-диска

Двоичный нуль представляется на диске в как виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица — в виде границы между ними. При кодировании 1 байт (8 бит) информации на диске записывается 14 бит плюс 3 бита слияния (merge bit). Базовая информационная единица-это кадр (Frame), который содержит 24 кодированных байта или 588 бит ( бит для коррекции ошибок). Кадры образуют секторы и блоки. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байта и 882 байта для коррекции ошибок и управления). Такая организация хранения данных на компакт-диске и использование алгоритмов коррекции ошибок позволяют обеспечить качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит, равной . В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области (рис.2.2.2):

Рис. 2.2.2. Логическая структура компакт-диска

• Входная директория (Lead in) — область в форме кольца, ближайшего к центру диска (ширина кольца 4 мм). Считывание информации с диска начинается именно со входной директории, где содержатся оглавление тома (Volume Table of Contents, VTOC), адреса записей, число заголовков, суммарное время записи (объем), название диска (Disk Label).

• Область данных, в которую записывается информация.

• Выходная директория (Lead out), содержащая метку конца диска.

Так как на CD в системной области записаны имена файлов, что позволяет осуществлять прямое позиционирование, то для доступа к данным необходимо преобразование форматов, что осуществляет специальным драйвером.

Важнейшей характеристикой любого привода компакт –дисков является скорость передачи данных (DTR), то есть максимальная скорость с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память ЭВМ. Непосредственно со скоростью передачи данных связан такой параметр как скорость вращения диска (кратность). Первые приводы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кб/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу. Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной и т.д. скоростью. Причем скорость передачи данных приводов с -кратной скоростью зависят от типа читаемой информации. Например, если считывается информация со звукового диска, то скорость передачи составляет 150 Кб/с (Normal Speed), a если считываются файлы данных, то скорость передачи может быть равна 300, 450, 600 Кбайт/с и т. д. Иногда для характеристики накопителей на CD-ROM используют такой показатель, как скорость постоянной передачи данных (Sustained Data Transfer, SDT). В первых устройствах использовался режим постоянной линейной скорости (Constant Linear Velocity, CLV), пришедший из индустрии аудио-CD. В этом случае скорость передачи данных в дисководе 1X равнялась 150 Кбайт/с и была постоянной на всех дорожках, для чего при перемещении головки от центра диска к его периферии скорость вращения пропорционально уменьшалась. Так как диск с данными не обязательно должен читаться на постоянной скорости, для преодоления серьезных технических проблем, возникающих при скоростях передачи данных 2400 Кб/с ( ), изготовители CD-ROM для уменьшения времени доступа стали применять также присущий жестким дискам режим постоянной угловой скорости (Constant Angular Velocity, CAV) или комбинацию двух режимов. Называется эта технология PAR (Partial Constant Angular Velocity, PCAV) или zoned-CLV и предполагает разбиение диска по радиусу на несколько зон, в каждой из которых реализуется своя скорость вращения, а чтение может происходить как в режиме CAV, так и в CLV. При использовании метода РСАV, иногда встречается обозначение CLV-CAV, максимальное (паспортное) значение скорости передачи информации достигается только при считывании данных из области на внешнем крае диска, а в области, распо­ложенной близко к центру, этот параметр может быть меньше указанного почти в два раза. Теперь эта технология широко используется в CD-WR.

Второй важной характеристикой приводов является качество считывания, которое определяется коэффициентом ошибок (Error Rate) и представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD-ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента составляют l . Когда считываются данные с загрязненного иди поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить за счет избыточности помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), то скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения. Если механизм коррекция ошибок не в состоянии устранить сбой, то на выдается сообщение об ошибке sector not found (сектор не найден). В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.

Важное значение имеет и объем буферной памяти (Buffer Memory, BM), то есть емкость оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для повышения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память или кэш-память представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью. Данные размещены в различных областях диска, а так как накопители на CD-ROM имеют относительно большое время доступа, это может привести к задержке поступления данных в компьютер. Такие задержки практически незаметны при работе с текстовыми файлами, но при выводе видеоизображений иди звукового сопровождения возникающие паузы недопустимы. Если для управления приводом CD-ROM используются специальные программы-драйверы, то в буферную память может быть заранее записано оглавление диска. В этом случае обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит значительно 6ыстрее. Оптимальный объем буферной памяти опреяеляется многими факторами. Принято считать, что для приводов CD-ROM с двукратной скоростью объем буферной памяти должен составлять не менее 64 Кб, а для накопителей с кратностью 4х и выше — не менее 256 Кб.

Кроме того, на производительность привода оказывает влияние и тип буфера. Различают три типа буфера CD-ROM: статический, динамический и с опережающим чтением.

• Статический буфер принимает и накапливает все блоки данных, поступающих от устройства до тех пор, пока их не потребует процессор компьютера.

• Динамический буфер накапливает только те блоки данных, которые предположительно могут быть затребованы повторно. Этот тип буфера используется при работе с небольшими по размеру файлами, произвольно расположенными на диске, что характерно для баз данных.

• Буфер с опережающим чтением учитывает характер передаваемых данных, что позволяет подготовить нужные данные заблаговременно. Его использование наиболее эффективно при работе с большими по размеру файлами, например, аудио- и видеоданными.

Помимо устройств чтения компакт-дисков, широкое распространение получили приводы чтения/записи CD. Для однократной записи используются "чистые" диски, представляющие собой обычный компакт-диск, отражающий слой которого выполнен, как правило, из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании (рис. 2.2.3)

Рис. 2.2.3. Физическая структура записываемого (перезаписываемого) компакт-диска

Длина волны лазерного луча (как и при чтении) составляет 780 нм, а его интенсивность более чем в 10 раз выше, чем обычного привода CD-ROM. В процессе записи лазерный луч нагревает отдельные участки регистрирующего слоя, которые темнеют и рассеивают свет, образуя участки, подобные питам. Однако отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R (здисков, записываемых однократно) ниже, чем у CD-ROM, изготовленных промышленным способом штамповки. Поэтому некоторые модели приводов CD-ROM могут не читать эти диски.

В перезаписываемых дисках регистрирующий слой выполнен из материала, изменяющего под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое к обратно, в результате чего меняется его прозрачность. При нагреве лазерным лучом свыше критической температуры материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное (кристаллическое) состояние. Существующие диски выдерживают от нескольких тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность значительно ниже штампованных и CD-R. Поэтому для чтения CD-RW (перезаписываемых CD) необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника, хотя некоторые модели приводов CD-ROM читают их не хуже обычных дисков.

На CD-R (CD-RW) организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках: оглавление (VTOC) и набор дорожек различных типов. Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF (Universal Disk Format — универсальный дисковый формат), позволяющая пользоваться им, как обычным сменным диском, т. е. создавать файлы и уничтожать их.

В отличие от CD, изготовленных методом штамповки, CD-R и CD-WR изготовляются со вспомогательной разметкой (Pregroove), которая одновременно. служит для разбивки диска на кадры (блоки) и размещения дополнительной информации о диске: кодов, рекомендуемых значений скорости вращения, мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и пользовательских областей диска, а также для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи.

Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является дорожка (трек). Минимальная длина дорожки 300 блоков (600 Кбайт, 4 с). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (Pre-gap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 Кбайт, 2 с) для однотипных дорожек и 225 блоков (450 Кбайт, 3 с) для дорожек разных типов. Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area), которая может формироваться за несколько сеансов, причем адреса и параметры дорожек (VTOC) сохраняются в РМА. Для того, чтобы обычные приводы CD-ROM, не воспринимающие РМА. могли читать записанные дорожки, в начале и конце программной области должны быть записаны Lead In (9 Мбайт, 1 мин) и Lead Out (4,5 Мбайт, 30 с), причем в Lead In должно содержаться оглавление. Структура из Lead In—Program Area— Lead Out называется сессией, а процесс записи Lead In и Lead Out вокруг области данных — закрытием сессии. В процессе записи первой сессии около 22,5 Мб обшей емкости диска расходуется на служебную информацию, а при записи каждой следующей — 13,5 Мб. Таким образом, чем больше сессий на диске, тем меньше доступное пространство для данных. При закрытии сессии в ее входной директории (Lead In) записывается информация о размере оставшейся свободной области диска за пределами выходной директории (Lead Out) текущей сессии. Это позволяет дописывать на диск новые сессии. Однако, чтобы диск нормально считывался на всех приводах CD-ROM, он должен быть закрыт полностью: в этом случае указатель на свободную область не создается, а диск становится недоступным для по­следующей записи. Перед началом записи необходимо сформировать полный список файлов, входящих в сессию. Сушествуют три основных режима записи:

• Track-at-Once. В режиме Track-at-Once (TAO) — одна дорожка за один прием, записывающий лазер выключается после записи каждой дорожки и снова включается, если надо записать еще одну. Дорожки, записанные в этом режиме разделяются промежутками (gaps) — сериями специальные блоков run-in, run-out и link, предназначенных для связывания дорожек между собой. Стандартный промежуток между дорожками содержит 150 таких блоков (2 с). Все современные приводы CD-R поддерживают этот режим. Некоторые новые модели приводов CD-R позволяют вручную установить размер промежутка между дорожками в режиме TAO (режим Variable-Gap Track-at-Once). Эту возможность также должно поддерживать программное обеспечение. Обычно значение этого параметра можно установить в диапазоне от 0,03 до 8 с. В режиме TAO записывают многосессионные диски формата CD-ROM, допускающие последующую дозапись данных. Сессия может быть записана как полностью за один прием, с формированием VTOC, файловой системы и зон Lead In/Lead Out (запись с закрытием сессии), так и в несколько приемов, с сохранением временных VTOC и РМА (запись, при которой сессия остается открытой).

• Disc-at-Once. В режиме записи Disc-at-Once (DAO)—весь диск за один прием, одна или более дорожек записываются без выключения лазера, и диск закрывается. Диск, записанный за один прием, является наиболее универсальным и считывается любыми приводом CD-ROM с любым файловым диспетчером, однако после записи невозможно дописывать новые данные. Для записи в режиме DAO требуется чистый диск. Данный режим необходим при изготовлении мастер-диска, чтобы можно было тиражировать диски путем штамповки.

• Packet Writing. Запись одной дорожки представляет собой единый процесс, который не может быть прерван, иначе диск будет испорчен. Для обеспечения равномерности поступления на лазер записываемой информации, все приводы CD-RW имеют буфер, отсутствие данных в котором приводит к аварийному прерыванию записи. Перерывы в поступлении данных в буфер могут быть вызваны запуском параллельных процессов (например, программы Хранитель экрана), работой системы виртуальной памяти, зависанием программы или операционной системы. К сбою записи приводят также механические толчки привода. Поэтому организовать бесперебойную работу привода CD-R/CD-WR — задача непростая, требующая много времени и внимания. Для снижения вероятность неудачной записи, был разработан метод Packet Writing — новый метод записи данных на CD-R/CD-RW небольшими порциями, основанный на стандартной спецификации UDF. В этом режиме записывающий лазер быстро включается и отключается в промежутках междy блоками, записывая 7 связующих блоков (2 run-out, 4 ran-in и 1 link) вместо обычных 150.

При записи в режиме Packet Writing не требуется непрерывный поток данных: когда данные в буфере закончатся, лазер отключится, а при появлении данных запись продолжится с того места. где была прервана. Таким образом, с помощью метода пакетной записи одна сессия обычного диска CD-R. может быть записана в несколько приемов. Благодаря применению этой технологии исключается порча диска из-за неравномерного поступления данных. Однако этот способ записи не спасает от сбоев из-за толчков привода, зависания системы или отключения питания во время записи. В режиме Packet Writing информацию можно записывать двумя способами:пакетами фиксированной и переменной длины.

Пакеты фиксированной длины (Fixed length packet) больше подходят дискам CD-RW для поддержки выборочного стирания (Random erase). Недостаток такого метода заключается в том, что при использовании пакетов размером 32 Кбайт (как требует стандарт) нерационально расходуется доступное пространство на диске. Стандартная емкость дисков CD-RW отформатированных под пакеты фиксированной длины, составляет около 500 Мбайт.

При использовании пакетов переменной длины (Variable-length packet) экономится место на диске, так как размер пакета может изменяться в зависимости от объема записываемых данных, что полезно при записи на стандартные CD-R диски. Не все приводы CD-R поддерживают этот режим и не все современные приводы CD-ROM могут читать диски, записанные в этом режиме. В некоторых случаях может потребоваться драйвер UDF.

Помимо сессионного метода для записи CD-RW может применяться предварительное форматирование — разбивка диска на секторы, подобно магнитным дискам. После форматирования диск CD-RW может использоваться так же, как обычный сменный диск: стандартные файловые операции (копирование, удаление и переименование) будут преобразовываться драйвером привода в операции перезаписи секторов диска. Благодаря этому для работы с дисками CD-RW не требуется другого программного обеспечения, кроме драйвера привода с поддержкой файловой системы UDF и программы начальной разметки.

По мере совершенствования технологии создания CD и приводов, а также создания научно-технического задела в области высококачественного цифрового видео, возникла потребность в увеличении емкости оптических носителей информации. К началу 1995 г. несколько конкурирующих фирм производителей предложили свои стандарты компакт-дисков увеличенной емкости, в частности, был предложен формат SD (Super Density). Чтобы избежать многообразия (а часто и несовместимости) стандартов, в сентябре 1995 г. фирма Sony в союзе с восемью другими фирмами, предложила новый универсальный формат записи данных на DVD-диск (Digital Versatile Disk). Этот формат получил активную поддержку среди ведущих мировых электронных компаний, так как DVD удовлетворяет требованиям к воспроизве­дению видеоизображений, а также требованиям к хранению данных. Использование формата DVD позволяет приблизить качество видеоизображения для бытовых проигрывателей CD к качеству студийной TV-продукции. Уровень качества изображения, хранимого формате DVD. очень близок уровню профессиональных студийных видеозаписей. Качество звука при записи в формате DVD также не уступам студийному.

В соответствии с первоначально принятым стандартом DVD-диск является односторонним и может содержать до 4,7 Гбайт информации. Так же как СD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В накопителе нового стандарта рабочая длина волны излучения лазера снижена с 0,78 мкм до 0,63— 0,65 мкм (видимый диапазон волн), что обеспечило возможность уменьшена размеров штрихов записи практически в два раза, а расстояние между дорожками записи — с 1.6 до 0.74 мкм. Каждый двухскоростной DVD-диск состоит из двух дисков толщиной 0.6 мм, плотно соединенных друг с другом. Спецификация DVD сначала разрабатывалась для одностороннего однослойного диска, затем появилась конструкция двухслойного диска емкостью 8,5 Гбайт Следующим шагом в развитии технологии DVD явилось создание двухсторонних дисков, как однослойных, так и двухслойных, емкость которых доведена до 9,4 и 17 Гбайт соответственно, а длительность вос­произведения записанной на них информации — 4,5 и 8 часов.

В накопителях стандарта DVD используется более узкий луч лазера, чем в приводах CD-ROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена в два раза (до 0,6 мм). С учетом того, что общая толщина диска должна остаться неизменной (1.2 мм), под предохранительный слой был помещен укрепляющий слой. На укрепляющем слое также стали записывать информацию, что привело к появлению двухслойных дисков DVD. Когда лазерным лучом считывается информация, записанная на первом слое, расположенном в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую второй слой. По окончании считывания информации с первого слоя меняется по команде контроллера фокусировка луча лазера. Луч фокусируется в плоскости второго (наружного) полупрозрачного слоя для дальнейшего считывания данных. Для доступа к данным на второй стороне двухстороннего диска его приходится переворачивать вручную.

Казалось бы, что с появлением DVD-ROM и соответствующих приводов, была решена проблема долговременного хранения больших массивов информации (архивов), однако то, что сами диски имеют хотя и достаточно большой, но принципиально ограниченный срок хранения, а так же стремление к увеличению емкости носителей, привело к появлению магнитооптических накопителей (Magneto Optical).

Работа накопителя такого типа основана на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считование при помощи одного только лазера. Магнитооптический диск покрыт специальным кристаллическим сплавом, который способен сохранять магнитное поле. В процессе записи информации на диск лазерный луч дисковода фокусируется на поверхности диска. После нагревания некоторого участка диска до некоторой критической температуры (точки Кюри, примерно 200°С), становится возможным с помощью магнитной головки соответствующим образом перемагнитить выбранный участок, в результате чего создаются биты информации.

Для чтения информации с диска используется эффект Керра, который заключается в следующем: плоскость поляризации отраженного лазерного луча меняется в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответсвующая одному биту хранимой информации.

При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.

При таком способе записи не деформируется поверхность диска (в отличие от приводов CD- и DVD-дисков). Кроме того, налицо преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности: так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания практически равна нулю.

Первые устройства и диски данного типа появились в середине 90-х годов, а в настоящее время широко используются перезаписываемые диски и пишущие устройства. В более старых магнитооптических приводах запись осуществлялась в два прохода: в первый выполнялось стирание информации, а во второй-запись. Таким образом, чтобы записать данные, лазер при первом проходе нагревает участок сплава до точки плавления и дает ему остыть, по существу стирая записанные ранее данные и заменяя их цифровыми нулями. При втором проходе лазер нагревает носитель там, где должна записываться единица. Собственно такая двухпроходная процедура и являлась основным недостаткомустролйств: многие магнитооптические накопители читают намного быстрее, чем записывают.

В современных МО-накопителях обычно применяется метод LIMDOW (Light Intensity Modulation Direct Overwrite), то есть метод прямой перезаписи с модуляцией интенсивности светового пучка, позволяющий осуществить запись за один проход.

На дисках, применяемых в таких накопителях, вокруг отражающего активного слоя располагаются еще два, намагниченных в противоположных направлениях. При нагреве активного слоя до некоторой температуры он принимает направление намагниченности одного из магнитных слоев, а при нагреве до другой температуры — другого. В результате запись происходит просто путем переключения двух уровней мощности лазера. Это позволило резко сократить время записи по сравнению с традиционной магнитооптической технологией.

Примерами накопителей использующих однопроходную технологию записи могут служить OD172 компании Hitachi и Арех 4,6 компании Pinnacle Micro. Помимо накопителей данного стандарта, выпускаемых с 1997 г., до сих пор широко используются обычные магнитооптические устройства с однократной записью стандарта CCW (Continuous Composite WORM).

Развитие устройств данного типа связывают с сине-фиолетовыми лазерами: в 2001 г. фирмы SONY и Pioneer продемонстрировали прототипы устройств DVD-Blue емкостью 22.5 Гбайт. Гарантированный срок хранения информации на носителях до 30 лет.