1.4 Накопители сd-rom.
План
1. История создания компакт-дисков и их стандартов
2. Технология записи компакт-дисков.
Типы дисков.
Устройство накопителей.
Форматы компакт-дисков и накопителей на компакт-дисках.
Установка накопителя CD-ROM (самост)
Музыкальные оптические компакт-диски пришли на смену виниловым в 1982 году, примерно в то же время, когда появились первые персональные компьютеры фирмы IBM. Эти устройства явились результатом сотрудничества двух гигантов электронной промышленности – японской фирмы Sony и голландской Philips.
Строго определенная емкость компакт-дисков связана с такой интересной историей. Руководитель фирмы Sony решил, что компакт-диски должны отвечать запросам исключительно любителей классической музыки. После опроса, проведенного группой разработчиков, выяснилось, что на тот момент самым популярным классическим произведением в Японии была 9-я симфония Бетховена, которая длилась 73 минуты. Поэтому было решено, что компакт-диск должен быть расчитан именно на 74 минуты звучания, а точнее на 74 минуты 33 секунды. Так родился стандарт, известный как „Красная книга”. Когда 74 минуты пересчитали в килобайты, получилось 640 Мбайт.
В дальнейшем , развитие новых технологий записи компакт-дисков, а также электронной промышленности привело к созданию новых технологий,которые несут в себе такие возможности как: много-сеансовая запись на диск, сжатие звуковых данных, одновременное хранение на диске графических, текстовых и звуковых данных , хранение видео и стереозвука.
Компакт-диски (CD-ROM) применяются в качестве устройств внешней памяти.
Внешний вид CD-ROMa
На передней панели каждого накопителя имеется доступ к механизму загрузки компакт-диска в привод.
Также там расположены:
индикатор работы устройства (обычно Busy),
гнездо для подключения наушников или стереосистемы (для прослушивания аудиодисков),
регулятор громкости (также для аудио-CD).
Кроме того, при использовании контейнера на передней панели имеется отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если не срабатывает кнопка Eject.
На задней панели приводов CD-ROM находятся три разъема: интерфейсный, питания и аудио. Разъем для вывода звука позволяет подключать привод к звуковой карте. Это удобно при прослушивании аудиодисков, поскольку не требует переключения акустической системы или наушников с одного гнезда на другое.
CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory – память только для чтения на компакт-диске) – это оптический носитель информации, на котором может храниться до 650Мбайт данных, что соответствует примерно 333000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания, или их комбинации.
CD-ROM очень похож на обычные звуковые компакт-диски, и его даже можно попытаться воспроизвести на обычном звуковом проигрывателе. Правда, при этом вы услышите просто шум. Доступ к данным, хранящимся на CD-ROM, осуществляется быстрее, чем к данным, записанным на дискетах, но все же значительно медленнее, чем на современных жестких дисках. Термин CD-ROM относится как к самим компакт-дискам, так и к устройствам (накопителям), в которых информация считывается с компакт-диска.
Технология записи компакт-дисков.
В папках с раздаточным материалом на ваших столах на странице ____на рисунке_____изображено строение CD-R – диска .
Именно на активном (или регистрирующем) слое происходит запись информации, т.е. именно он подвергается воздействию лазерным лучом, который «прожигает» (burn) питы (pits), кодирующие информацию (логические нули и единицы). Во время записи активный слой под воздействием лазерного луча меняет свою структуру, а последующая необратимость изменения активного слоя — есть гарант надежности хранения информации. Одним из типов активных слоев, широко использующимся на сегодняшний день, является цианин (cyanine).
Над активным слоем CD-R диска находится светоотражающий слой, который во многом определяет совместимость диска с читающими устройствами. Светоотражающий слой - тончайшая пластинка из золотого или серебряного сплава.
Защитный слой – наносится поверх светоотражающего, служит для механической защиты диска. Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Это мало надежно не только с точки зрения механики (лак довольно легко обдирается), но и с точки зрения химии: надпись, сделанная на диске активным маркером, может привести к потере информации из-за проникновения чернил сквозь тонкий слой лака — начнется пагубная для диска химическая реакция. Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность.
Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Тем не менее, одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.
Компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). 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.
В последнее время появились так называемые перезаписываемые компакт-диски CD-R (CD-Recordable). Носители типа CD-R могут быть записаны самим пользователем на специальном CD-R-приводе.
В основе работы CD-ROM лежит явление фотоэффекта.
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 положения головки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощью катушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детекторе и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркое излучение преобразуется в нули, слабое - в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы
Считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но меньшей мощности. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, попадая на отражающий свет островок, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль. В качестве отражающей поверхности компакт-дисков обычно используется алюминий. Вся поверхность компакт-диска покрыта прозрачным защитным слоем.
Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился луч от гладкой поверхности, был он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет, от ровной поверхности - плато. Фотодатчик, размещенный в накопителе CD-ROM, воспринимает луч, отраженный от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.
Глубина каждого штриха на диске равна 0,12мкм (четверти длины волны лазера), ширина – 0,6мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0,9 до 3,3мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия диска и заканчивается примерно в 5мм от внешнего края.
Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место записи определенных данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждет появления определенной последовательности битов.
Данные на компакт-диске записываются с использованием технологии CLV, а воспроизводятся:
с постоянной линейной скоростью (при считывании информации с внутренних дорожек диск вращается быстрее, а при считывании информации с внешних дорожек - медленнее);
с постоянной угловой скоростью CAV (дорожки на краю считываются быстрее, чем в центре, так как диск вращается с постоянной скоростью).
Накопители CAV работают быстрее накопителей CLV. Накопители, в которых используются и технология CAV, и CLV, называются P-CAV (частично постоянная угловая скорость).
Устройство накопителей CD-ROM.
Накопители CD-ROM отличаются от проигрывателей музыкальных дисков, в основном, микропроцессором, который выполняет декодирование электрических сигналов. В звуковых проигрывателях записанные на компакт-диск цифровые данные преобразуются в аналоговые электрические сигналы, поступающие затем на стерео усилитель. При этом допускаются небольшие погрешности – главное, чтобы они лежали за пределами чувствительности человеческого слуха. При считывании же с накопителя CD-ROM погрешности недопустимы. Каждый бит должен быть считан совершенно точно, поэтому довольно значительную роль всего объема диска CD-ROM занимают коды коррекции ошибок (Error Correcting Code - ECC). С их помощью можно в большинстве случаев обнаружить и исправить неправильно считанные данные, что позволяет снизить вероятность сбоев до приемлемой величины.
В папке с раздаточным материалом на странице_______изображена структура накопителя CD-ROM.
Рис. 1 – Структура накопителя CD-ROM.
Рассмотрим Алгоритм работы накопителя CD-ROM
Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.
Серводвигатель по командам, поступившим от встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске.
Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.
Разделительная призма направляет отраженный луч на другую фокусирующую линзу.
Эта линза направляет отраженный луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.
Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.
Штрихи, нанесенные на поверхность диска, имеют разную длину. Интенсивность отраженного луча изменяется, соответствующим образом изменяя электрический сигнал, поступающий на фотодатчик. Биты данных считываются как переходы между высокими и низкими уровнями сигналов, которые физически записываются как начало и конец каждого штриха. Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок.
Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 11025. Другими словами, безошибочно считывается два квадриллиона дисков, что соответствует стопке компакт-дисков высотой около двух миллиардов километров.
Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2 048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже чересчур поврежденные последовательности данных (длиной до 1 000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано с тем, что, во-первых, компакт-диски весьма подвержены внешним воздействиям, а во-вторых, подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки.
Если данные в проигрывателе звуковых компакт-дисков считаны неправильно, то они интерполируются. Например, если три последовательных значения сигнала выражаются числами 10, 13 и 20 и среднее значение из-за повреждения или загрязнения поверхности диска утеряно, то его можно с высокой степенью достоверности восстановить как среднее значение между 10 и 20 (15). Несмотря на то, что восстановленное значение неточное, слушатель не заметит этой погрешности. Если же такая ситуация возникнет при считывании с CD-ROM, например, программного файла, то пропущенный бит может с равной вероятностью быть нулевым или единичным и интерполировать его значение, естественно, будет невозможно.
Параметры накопителей CD-ROM:
скорость доcтупа (access time) (в миллисекундах) – определяет среднее время, необходимое для обнаружения и загрузки первого блока данных во внутренний буфер. В современных приводах скорость доступа равна 0,3мкс;
скорость передачи данных (data-transfer rate) зависит от плотности данных (количество бит на дюйм или миллиметр) и скорости вращения диска. В современных приводах скорость передачи данных равна 300 Кбайт/с;
размер блока данных (data block size) min количество байт, которые передаются на компьютер через интерфейсную карту. Иначе говоря, это единица информации, с которой оперирует контроллер привода. Min размер блока данных равен 16Кбайт;
размер буфера – размер внутреннего буфера (кэш-памяти), в которой считываются файлы перед их передачей. Размер буфера равен 64Кбайт, буфер скоростных устройств – 256Кбайт и даже 1Мбайт;
поддержка проигрывания аудиодисков – с помощью привода CD-ROM можно слушать обычные компакт-диски;
поддержка формата CD-ROM/XA - использование дисков формата ХА, поддерживающего хранение аудио- и видеоданных единым блоком, в который также включается информация о синхронизации звука;
тип загрузки диска – либо диск устанавливается напрямую, либо с помощью специальной кассеты (Caddy).
Интерфейс
Под интерфейсом накопителя CD-ROM понимаются физическое соединение накопителя с шиной расширения. Поскольку интерфейс – это канал, с помощью которого данные передаются от накопителя к компьютеру, его значение чрезвычайно велико. Для подключения накопителя CD-ROM к компьютеру используется три типа интерфейсов:
SCSI/ASPI (Small Computer System Interface/ Advanced SCSI Programming Interface – интерфейс малых компьютерных систем) – это специализированная шина, к которой можно подключать различные типы периферийных устройств. Это самый подходящий интерфейс для накопителей CD-ROM и других устройств. Он позволяет добиться высокой производительности, а так же подключить до 7 и более устройств к одному основному адаптеру. Недостатком этого интерфейса является его высокая цена.
IDE/ATAPI (Integrated Device Electronics/ AT Attachment Packet Interface) – является расширением интерфейса АТА, к которому обычно подключается жесткие диски. ATAPI – это стандартный программный расширенный интерфейс IDE для накопителей CD-ROM, функцией которого является преобразование команд SCSI/ASPI в стандарт IDE/ATA. Подключение накопителей CD-ROM через интерфейс IDE/ATAPI – это самый экономичный и довольно эффективный способ подключения.
Параллельный порт – это простейший способ подключения накопителя CD-ROM к компьютеру с помощью кабеля и соответствующего ПО (но это не обеспечивает высокой скорости передачи данных).