конспект лекций. Конспект лекций по МДК 02.02 Установка и конфигурирование перифе. 3 содержание тема ведение 5
 Скачать 4.73 Mb.
|
привод с шаговым двигателем привод с подвижной катушкой время доступа к данным большое малое стабильность температуры низкая (очень!) высокая чувствительность к выбору рабочего положения постоянная отсутствует автоматическая парковка головок выполняется (не всегда) выполнятся профилактическое обслуживание периодическое переформатирование не требуется общая оценка (относительная) низкая высокая Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Приводы с шаговым двигателем обычно использовались на жестких дисках емкостью до 100 Мбайт и менее, которые создавались в 1980-х и в начале 1990-х годов. Во всех накопителях, имеющих более высокую емкость, обычно используются приводы с подвижной катушкой. В накопителях на гибких дисках для перемещения головок используется привод с шаговым двигателем. Его параметров (в том числе и точности) оказывается вполне достаточно для дисководов этого типа, поскольку плотность дорожек записи на гибких дисках значительно ниже (135 дорожек на дюйм), чем в накопителях на жестких дисках (более 5 000 140 дорожек на дюйм). В большинстве выпускаемых сегодня накопителей устанавливаются приводы с подвижными катушками. Привод с шаговым двигателем Шаговый двигатель - это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когдаротор проходит очередное фиксированное положение. Шаговые двигатели могут устанавливаться только в фиксированных положениях. Размеры этих двигателей невелики (порядка нескольких сантиметров), а форма может быть разной - прямоугольной, цилиндрической и т.д. Шаговый двигатель устанавливается вне блока HDA, но его вал проходит внутрь через отверстие с герметизирующей прокладкой. Обычно двигатель располагается у одного из углов корпуса накопителя и его можно легко узнать. Одна из самых серьезных проблем механизма с шаговым двигателем - нестабильность температуры. При нагреве и охлаждении диски расширяются и сжимаются, в результате чего дорожки смещаются относительно своих прежних положений. Поскольку механизм привода головок не позволяет сдвинуть их на расстояние, меньшее одного шага (переход на одну дорожку), 141 компенсировать погрешности температур невозможно. Головки перемещаются в соответствии с поданным на шаговый двигатель количеством импульсов. Привод с подвижной катушкой Такой привод используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, привод с подвижной катушкой использует сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система обеспечивает более высокие быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем. Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнетизма. По конструкции он напоминает обычный громкоговоритель. В типичной конструкции привода подвижная катушка жестко соединяется с блоком головок и размещается в поле постоянного магнита. Катушка и магнит никак не связаны между собой; перемещение катушки осуществляется только под воздействием электромагнитных сил. При появлении в катушке электрического тока она так же, как и в громкоговорителе, смещается относительно жестко закрепленного постоянного магнита, передвигая при этом блок головки. Подобный механизм обладает высоким быстродействием и оказывается менее шумным, чем привод с шаговым двигателем. В отличие от привода с шаговым двигателем, в устройствах с подвижной катушкой нет заранее зафиксированных положений. Вместо этого в них используется специальная система наведения (позиционирования), которая точно подводит головки к нужному цилиндру (поэтому привод с подвижной катушкой может плавно перемещать головки в любые положения). Эта система называется сервоприводом, для точного наведения (позиционирования) головок используется сигнал обратной связи, 142 несущий информацию о реальном взаимном расположении дорожек и головок. Эту систему часто называют системой с обратной связью (или с автоматической регулировкой). Колебания температур не сказываются на точности работы привода с подвижной катушкой и обратной связью. При сжатии и расширении дисков все изменения их размеров отслеживаются сервоприводом, и положения головок корректируются. Для поиска конкретной дорожки используется заранее записанная на диске вспомогательная информация (сервокод), и в процессе работы всегда определяется реальное положение цилиндра на диске с учетом всех отклонений температур. Поскольку сервокод считывается непрерывно, в процессе нагрева накопителя и расширения дисков, например, головки отслеживают дорожку и проблем со считыванием данных не возникает. Поэтому привод с подвижной катушкой и обратной связью часто называют системой слежения за дорожками. Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов: линейный; поворотный. Эти типы отличаются только физическим расположением магнитов и катушек 143 Линейный привод Линейный привод перемещает головки по прямой, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов. Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются и их азимут не изменяется. Линейный привод имеет существенный недостаток: его конструкция слишком массивна. Чтобы повысить производительность накопителя, нужно снизить массу привода и самих головок. Чем легче механизм, тем с большими ускорениями он может перемещаться с одного цилиндра на другой. Линейные приводы намного тяжелее поворотных, поэтому в современных накопителях они не используются. Поворотный привод работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. 144 Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными: то, на котором смонтированы головки, имеет большую длину. К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах). В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой. Сервопривод Для управления приводами с подвижной катушкой в разное время использовались три способа построения петли обратной связи: со вспомогательным "клином"; со встроенными кодами; со специализированным диском. Они различаются технической реализацией, но, по сути, предназначены для достижения одной и той же цели: обеспечивать постоянную корректировку положения головок и их наведение (позиционирование) на соответствующий цилиндр. Основные различия между ними сводятся к тому, на каких участках поверхностей дисков записываются сервокоды. При всех способах построения петли обратной связи для ее работы необходима специальная информация (сервокоды), которая записывается на диск при его изготовлении. Обычно она записывается в так называемом коде Грея. В этой системе кодирования при переходе от одного числа к следующему или предыдущему изменяется всего один двоичный разряд. 145 Сервокоды записываются на диск при сборке накопителя и не изменяются в течение всего срока его эксплуатации. Запись сервокодов выполняется на специальном устройстве, в котором головки последовательно перемещаются на строго определенные позиции, и в этих положениях на диски записываются упомянутые выше коды. Для точной установки головок в таких устройствах используется лазерный прицел, а расстояния определяются методом интерференции, т.е. с точностью до долей волны лазерного излучения. Поскольку перемещение головок в таком устройстве осуществляется механически (без участия собственного привода накопителя), все работы проводятся в чистом помещении либо с открытой крышкой блока HDA, либо через специальные отверстия, которые по окончании записи сервокодов заклеиваются герметизирующей лентой. При обычных операциях считывания и записи удалить сервокоды невозможно. Этого нельзя сделать даже при форматировании низкого уровня. Во многих современных накопителях с приводом от подвижной катушки в процессе работы через определенные промежутки времени выполняется температурная калибровка. Эта процедура заключается в том, что все головки поочередно переводятся с нулевого на какой-либо другой цилиндр. При этом с помощью встроенной схемы проверяется, насколько сместилась заданная дорожка относительно своего положения в предыдущем сеансе калибровки, и вычисляются необходимые поправки, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство в самом накопителе. Впоследствии эта информация используется при каждом перемещении головок, позволяя устанавливать их с максимальной точностью. В большинстве накопителей температурная калибровка выполняется через каждые 5 мин в течение первого получаса после включения питания, а затем через каждые 25 мин. Некоторые пользователи полагают, что произошла ошибка при считывании данных, но на самом деле просто подошло время очередной калибровки. 146 Вспомогательный клин Такая система записи сервокодов использовалась в первых накопителях с подвижной катушкой. Вся информация, необходимая для наведения (позиционирования) головок, записывалась в кодах Грея в узком секторе ("клине") каждого цилиндра непосредственно перед индексной меткой. Индексная метка обозначает начало каждой дорожки, т.е. вспомогательная информация записывается в предындексном интервале, расположенном в конце каждой дорожки. Этот участок необходим для компенсации неравномерности вращения диска и тактовой частоты записи, и контроллер диска обычно к нему не обращается. Некоторым контроллерам необходимо сообщать о том, что к ним подключен накопитель со вспомогательным клином. В результате они корректируют (сокращают) длину секторов, чтобы поместить область вспомогательного клина. Самый существенный недостаток подобной системы записи состоит в том, что считывание происходит только один раз при каждом обороте диска. Это означает, что во многих случаях для точного определения и коррекции положения головок диск должен совершить несколько оборотов. Недостаток этот был очевиден с самого начала, поэтому подобные системы никогда не были широко распространены, а сейчас и вовсе не используются. 147 Встроенные коды Такой метод реализации обратной связи представляет собой улучшенный вариант системы со вспомогательным клином. В данном случае сервокоды записываются не только в начале каждого цилиндра, но и перед началом каждого сектора. Это означает, что сигналы обратной связи поступают на схему привода головок несколько раз в течение каждого оборота диска и головки устанавливаются в нужное положение намного быстрее. Еще одно преимущество (по сравнению с системой со специализированным диском) заключается в том, что сервокоды записываются на всех дорожках, поэтому может быть скорректировано положение каждой головки. Описанный способ используется в большинстве современных накопителей. Как и в системах со вспомогательным клином, встроенные сервокоды защищены от стирания и любые операции записи блокируются, если головки оказываются над участками со служебной информацией. Поэтому даже при форматировании низкого уровня удалить сервокоды невозможно. Система со встроенными сервокодами работает лучше, чем со вспомогательным клином, потому что служебная информация (сервокоды) считывается несколько раз за каждый оборот диска. Но вполне очевидно, что еще более эффективной должна быть система, при которой цепь обратной связи работает непрерывно, т.е. сервокоды считываются постоянно. Системы со специализированным диском При реализации данного способа сервокоды записываются вдоль всей дорожки, а не только один раз в ее начале или в начале каждого сектора. Естественно, если так поступить со всеми дорожками накопителя, то в нем не останется места для данных. Поэтому одна сторона одного из дисков выделяется исключительно для записи сервокодов. 148 При сборке накопителей со специализированным диском одна из сторон определенного диска изымается из нормального использования для операций чтения/записи; вместо этого на ней записывается последовательность сервокодов, которые в дальнейшем используются для точного позиционирования головок. Причем обслуживающая эту сторону диска сервоголовка не может быть переведена в режим записи, т.е. сервокоды, как и во всех рассмотренных выше системах, невозможно стереть ни при обычной записи данных, ни при форматировании низкого уровня. Когда в накопитель поступает команда о переводе головок на конкретный цилиндр, внуреннее электронное устройство использует полученные сервоголовкой сигналы для точного определения положения всех остальных головок. В процессе движения головок номера дорожек непрерывно считываются с поверхности специализированного диска. Когда под сервоголовкой оказывается искомая дорожка, привод останавливается. После этого выполняется точная настройка положения головок и лишь затем выдается сигнал разрешения записи. И хотя только одна головка 149 (сервоголовка) используется для считывания сервокодов, все остальные смонтированы на общем жестком каркасе, поэтому если одна головка будет находиться над нужным цилиндром, то и все остальные тоже. Автоматическая парковка головок При выключении питания с помощью контактной парковочной системы ( Contact Start Stop - CSS ) рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи "взлетов" и "посадок" головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные. При этих взлетах и посадках происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают "клубы пыли", состоящие из частиц рабочего слоя носителя; если же во время взлета или посадки произойдет сотрясение накопителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет. В более современных накопителях, использующих механизм загрузки/разгрузки, непосредственно над внешней поверхностью жестких дисков установлена наклонная пластина, что позволяет избежать контакта между головками и жесткими дисками даже при отключении накопителя. После прекращения подачи напряжения накопитель с механизмом загрузки/разгрузки автоматически "паркует" головки на наклонной пластине. 150 Воздушные фильтры Почти во всех накопителях на жестких дисках используются два воздушных фильтра: фильтр рециркуляции и барометрический фильтр. В отличие от сменных фильтров, которые устанавливались в старых накопителях больших машин, они располагаются внутри корпуса и не подлежат замене в течение всего срока службы накопителя. Фильтр рециркуляции в блоке HDA предназначен только для очистки внутренней "атмосферы" от небольших частиц рабочего слоя носителя (а также от любых других мелких частиц, попадающих внутрь HDA ), которые, несмотря на все предпринимаемые меры, все же осыпаются с дисков при взлетах и посадках головок. Внешний воздух проникает внутрь HDA сквозь барометрический фильтр, так как это необходимо для выравнивания давления изнутри и снаружи блока. Именно потому, что жесткие диски не являются полностью герметичными устройствами, изготовители указывают для них диапазон высот над уровнем моря, в котором они сохраняют работоспособность (обычно от -300 до +3 000 м). По мере изменения атмосферного давления воздух выходит из накопителя или наоборот - проникает в него сквозь 151 вентиляционное отверстие, чтобы выровнять давление снаружи и внутри устройства. Акклиматизация жестких дисков Период акклиматизации накопителя Исходная температура, С Время акклиматизации, ч +4 13 -1 15 -7 16 -12 17 -18 18 -23 20 -29 22 -34 и ниже 27 Как уже отмечалось, блок HDA плотно закрыт, но не герметизирован (исключение составляют накопители, предназначенные специально для военных целей, в частности для военной авиации). Это означает, что блок HDA не является воздухонепроницаемым и внутри него содержится воздух. Для выравнивания давления в блоке предусмотрено закрытое фильтром отверстие, через которое воздух может проникать внутрь или наружу. Барометрический фильтр не препятствует проникновению влаги внутрь блока HDA, поэтому по прошествии некоторого времени влажность воздуха внутри блока будет такой же, как и снаружи. Если влага начнет конденсироваться внутри блока HDA и в это время будет включено питание компьютера, то возникнут серьезные проблемы. В инструкциях по эксплуатации большинства жестких дисков приводятся таблицы или графики их акклиматизации при изменении условий окружающей среды (температуры и влажности). Шпиндельный двигатель Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью 152 вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи. Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 3 600 до 15 000 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться необходимой точности. Информация о частоте вращения дисков просто не передается (и не должна передаваться) через интерфейс контроллера жесткого диска. В большинстве накопителей шпиндельный двигатель располагается в нижней части, под блоком HDA. Однако во многих современных устройствах он встраивается внутрь блока HDA и представляет собой центральную часть блока дисков-носителей. Такая конструкция позволяет, не изменяя размера накопителя по вертикали, увеличить количество дисков в блоке (в "стопке"). Гидродинамические подшипники Традиционные конструкции шпиндельных электродвигателей предусматривают использование шариковых подшипников. Основным недостатком шариковых подшипников является радиальное биение, возникающее в результате поперечного смещения шариков на величину зазора и составляющее примерно 0,1 микродюйма (миллионную часть дюйма). Величина радиального биения на первый взгляд кажется весьма незначительной, но при увеличении плотности записи в современных накопителях это становится определенной проблемой. Существующее биение является причиной возникновения хаотических поперечных движений жесткого диска, которые приводят к неустойчивым колебаниям дорожек по отношению к головкам чтения/записи. Кроме того, имеющиеся зазоры и соударения металлических шариков стали причиной повышения уровня генерируемого механического шума и вибраций, которые ухудшают рабочие характеристики накопителей, имеющих высокую скорость вращения. 153 Решением этой проблемы стал совершенно новый тип подшипника, получившего название гидродинамического, в котором основную роль играет высокопластичная смазка, находящаяся между шпинделем и втулкой двигателя. Использование высокопластичной гидродинамической смазки позволяет уменьшить радиальное биение подшипника до 0,01 микродюйма, что приводит к заметному снижению уровня вибрации и поперечного смещения жестких дисков. Благодаря гидродинамическим подшипникам повышается ударная прочность жесткого диска, улучшается регулирование скорости и снижается уровень генерируемого шума. На сегодняшнем рынке уже появился целый ряд накопителей, использующих гидродинамические подшипники. В частности, к их числу относятся накопители, имеющие очень высокую скорость вращения, высокую плотность записи данных или повышенные требования к уровню шума. Платы управления, кабели и разъемы накопителей В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером. В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для накопителей SCSI необходимо использовать дополнительную плату расширения. В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. Как правило, накопители имеют по меньшей мере три типа разъемов: интерфейсный разъем (или разъемы); разъем питания; разъем (или зажим) для заземления (необязательно). Наибольшее значение имеют интерфейсные разъемы, потому что через них передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение нескольких 154 накопителей к одному кабелю (шине). Разъемы питания накопителей на жестких дисках обычно такие же, как и у дисководов для гибких дисков. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5 В. Как правило, от источника в 12 В питается схема управления шпиндельным двигателем и привод головок, а напряжение 5 В поступает на прочие схемы. Зажим для заземления необходим для того, чтобы обеспечить надежный контакт между общим проводом накопителя и корпусом системы. В компьютерах, где накопители крепятся непосредственно к корпусу с помощью металлических винтов, специальный провод заземления не нужен. В некоторых компьютерах накопители монтируются на пластмассовых или стеклотекстолитовых направляющих, которые электр ически изолируют корпус накопителя от корпуса системы. В этом случае их обязательно нужно соединить дополнительным проводом, подключаемым к упомянутому зажиму. При плохом заземлении накопителя возникают сбои в его работе, ошибки при считывании и записи и т.п. 6.2 Накопители на компакт дисках. Оптические технологии Стандарты компьютерных оптических технологий можно разделить на две основные группы: CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW); DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD-R, DVD+RW, DVD+R). Оптические технологии на основе компакт-дисков CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) - память только для чтения на компакт диске ) - это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения данных. Другие форматы CD-R и CD- 155 RW позволяют записывать данные на компакт-диск, а благодаря технологии DVD существенно повышается емкость обычного оптического диска. Оптический носитель информации CD-ROM предназначен только для чтения; на нем может храниться до 650 Мбайт данных, что соответствует примерно 333 тыс. страниц текста, 74 минутам высококачественного звучания или их комбинации. Новые 80-минутные диски содержат до 737 Мбайт данных. В 1980 году компании Sony и Philips представили стандарт CD-DA, называемый Red Book (это название формат получил из-за красного цвета обложки опубликованного документа). Спецификации Red Book определили способы записи и обработки звука, а также физический размер диска, равный 120 мм (4,72 дюйма), который используется по настоящее время. В 1984 году выпустили стандарт CD-ROM, получивший название Yellow Book. Этот стандарт позволил перейти от музыкальных компакт-дисков, используемых для хранения оцифрованного звука, к носителям, содержащим данные только для чтения, которые предназначались для компьютерных систем. В стандарте Yellow Book используется тот же физический формат, что и в звуковых компакт-дисках, но модифицированные электронные схемы декодирования позволили значительно повысить надежность хранения данных. Технология записи компакт-дисков Компакт-диск представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, в центре которой расположено отверстие диаметром 15 мм. Штампованное или литое основание пластины физически является одной спиральной дорожкой, которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска. Шаг этой дорожки, или разделение спирали, равен 1,6 микрона. Компакт-диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Если рассмотреть спиральную дорожку под микроскопом, то станет видно, что она состоит из приподнятых участков, которые называются впадинами (pits) , и 156 плоских поверхностей между ними, называемых площадками (lands) . Лазер, используемый для считывания данных компакт-диска, может свободно пройти сквозь прозрачный пластик, поэтому отформованная поверхность диска покрывается отражающей металлической пленкой (обычно алюминиевой). После этого алюминиевая пленка покрывается тонким защитным слоем акрил ового лака, на который, в свою очередь, наносится текст или красочное изображение. Массовое производство CD-ROM При массовом коммерческом производстве компакт-диски изготавливаются штамповкой или прессованием, но не выжиганием с помощью лазера. Далее представлены основные этапы производства компакт-дисков. 1. Нанесение фоторезисторного слоя. Круглая пластина из полированного стекла диаметром 240 мм и толщиной 6 мм покрывается слоем фоторезистора толщиной около 150 микрон, после чего обжигается при температуре 80°С (176°F) в течение 30 минут. 157 2. Лазерная запись. Лазерный самописец (Laser Beam Recorder - LBR) посылает им пульсы синего или фиолетового света, которые засвечивают и размягчают определенные участки фоторезисторного слоя стеклянного мастер-диска. 3. Формирование мастер-диска.Обработанный стеклянный диск погружается в раствор гидрооксида натрия (едкого натра), который растворяет экспонированные лазером участки, формируя тем самым впадины в фоторезисторном слое. 4. Электролитическое формование. С помощью процесса, называемого гальванопластикой, ранее подготовленный мастер-диск покрывается слоем никелевого сплава. В результате создается металлический мастер-диск, получивший название родительского диска (father). 5. Разделение мастер-диска. Затем металлическая матрица отделяется от стеклянного мастер-диска. Матрица представляет собой металлический мастер-диск, который уже может использоваться для изготовления небольших партий дисков, так как матрица изнашивается очень быстро. Разделение мастер-диска зачастую приводит к повреждению стеклянной основы, поэтому методом гальванопластики создают еще несколько негативных копий диска (которые называются материнскими (mother)). Негативные копии мастер-диска впоследствии применяются для создания рабочей матрицы, используемой в процессе массового тиражирования компакт-дисков. Это позволяет штамповать большоеколичество дисков, без повторения процесса формирования стеклянного мастер-диска. 6. Штамповка диска. Металлическая рабочая матрица применяется в литейной машине для формирования принципа отображения данных (впадин и площадок) в расплавленной поликарбонатной массе объемом около 18 грамм, при температуре 350 °C (или 662 °F). При этом сила 158 давления достигает примерно 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Как правило, в современных термических штамповочных прессах на изготовление каждого диска уходит не более трех секунд. 7. Металлизация. Для создания отражательной поверхности на отштампованный диск посредством напыления наносится тонкий (0,05- 0,1 микрона) слой алюминия. 8. Защитное покрытие. Для защиты алюминиевой пленки от окисления на металлизированный диск с помощью центрифуги наносится тонкий (6-7 микрон) слой акриловоголака, затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей. 9. Конечный продукт. В завершение на поверхность диска методом трафаретной печати наносится текст этикетки или какое-либо изображение, также высыхающее под действием ультрафиолетовых лучей. Впадины и площадки Геометрия впадин и площадок, образующих дорожку компакт-диска Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлической поверхности диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный фоторецептор улавливает отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), 159 всегда отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается. Диск вращается над лазером и рецептором (приемником), поэтому лазер непрерывно излучает свет, а рецептор воспринимает то, что в сущности является набором световых вспышек, повторяющих рисунок впадин и площадок, по которым проходит лазерный луч. Когда луч лазера пересекает границы впадины, изменяется состояние отраженного сигнала. Каждое изменение отраженного сигнала, вызванного пересечением границы впадины, преобразуется в бит со значением 1. Микропроцессоры накопителя пересчитывают переходы светлый/темный и темный/светлый (т.е. границы впадины) в единицы (1); область, не содержащая переходов, представляется нулем (0). Полученный набор двоичных разрядов затем преобразуется в данные или звук. Считывающий лазер, представляет собой маломощный лазер с длиной волны 780 нм (нанометров) и мощностью около 1 мВт (милливатт). Алгоритм работы накопителя CD-ROM Полупроводниковый лазер генерирует маломощныйинфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало. 160 Серводвигатель по командам, поступающим 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. Дорожки и секторы Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку с расстоянием 1,6 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 625 витков на миллиметр или 15 875 витков на дюйм. Стандартный 74-минутный (650 Мбайт) диск в целом содержит 22 188 витков. Диск разделен на шесть основных областей. 1. Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт-диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой-либо информации или данных. 2. Область калибровки мощности (РСА). Существует только на перезаписываемых дисках (CD-R/RW) и используется только дисководами перезаписываемых дисков для определения мощности лазера, необходимой для оптимального выжигания диска. 3. Программируемая область памяти (PMA). Существует только на перезаписываемых исках (CD-R/RW) и представляет собой зону, используемую для записи временной таблицы оглавления (Table Of Content - ТОС). После завершения сеанса записи информация ТО С переписывается на нулевую дорожку. 161 4. Нулевая дорожка. Содержит оглавление диска (или сеанса) в кодировочном канале Q. Оглавление включает начальные адреса и длины всех дорожек (музыкальных или дорожек данных), общую длину программной области (области данных), а также информацию о каждом сеансе записи. Нулевая дорожка занимает 4 500 секторов диска (одну минуту, если пользоваться единицами времени, или около 9,2 Мбайт данных). Нулевая строка также указывает, является ли данный диск многосеансовым. 5. Программная (информационная) область. Начинается на расстоянии 25 мм от центра диска. 6. Конечная зона. Отмечает конец программной (информационной) области диска или же завершение сеанса записи на многосеансовом диске. Конечная зона не содержит каких либо данных и используется только в качестве маркера. Первая конечная зона (или единственная, если диск записан в течение одного сеанса или в режиме Disk At Once) занимает 6 750 секторов (эквивалент 1,5 мин или около 13,8 Мбайт данных). Все последующие конечные зоны многосеансового диска занимают 2 250 секторов (0,5 мин или около 4,6 Мбайт данных). Дискретизация Во время записи музыкальных компакт-дисков происходит дискретизация данных с частотой 44 100 тактов в секунду (Гц). Каждая выборка (sample) звуковых данных имеет отдельный компонент левого и правого каналов (стерео), причем каждый компонент канала преобразован в 16-разрядное число. Частота дискретизации определяет диапазон звуковых частот, которые могут быть представлены в цифровой записи. Чем выше частота дискретизации волны, тем ближе полученный результат к оригиналу. Звуковые секторы содержат 98 блоков по 33 байт в каждом, что составляет 3 234 байт. Из них только 2 352 байт фактически являются звуковыми данными. Остальные байты распределены следующим образом: 98 байт 162 подкодовых (по одному байту на каждый блок) и 784 байт, используемых для контроля четности и коррекции ошибок (ECC). Подкоды Байты подкода позволяют накопителю находить песни (которые иногда называются звуковыми дорожками (tracks) ), расположенные на спиральной дорожке, а также служат для передачи дополнительной информации, относящейся к компакт-диску. В каждом блоке (фрейме) хранится 1 байт подкода, что составляет в общей сложности 98 байт подкода в каждом секторе. Из них два байта используются в качестве маркеров стартового и конечного блоков, а оставшиеся 96 байт применяются для хранения данных подкода. Эти байты, в свою очередь, разделены на восемь 12-байтовых блоков, каждому из которых присваивается буквенное обозначение P-W. Каждый подкодовый канал может содержать около 31,97 Мбайт данных. Блоки подкода P и Q имеются на дисках практически любого типа, а блоки R-W используются только в компакт-дисках формата CD+G или CD TEXT (т.е. графического и текстового типов). Подкод P используется для идентификации начала звуковых дорожек компакт-диска. Подкод Q, в свою очередь, содержит множество различных данных, которые определяют ряд условий. 1. Наличие звуковых (CD-DA) или информационных (CD-ROM) данных сектора. Это позволяет предотвратить попытки "проигрывания" накопителем дисков данных CD-ROM, что может привести к повреждению акустической системы. 2. Наличие двух или четырехканальных звуковых данных. Последние используются очень редко. 3. Возможность цифрового копирования. К накопителям CD-R и CD-RW это не относится. Данный параметр использовался в накопителях DAT (Digital Audio Tape) для предотвращения копирования цифровых аудиокассет. 163 4. Использование коррекции искажений при записи музыки. Это методика уменьшения шипения или шума. o Расположение звуковой дорожки (песни) на диске. o Номер звуковой дорожки (песни). o Минуты и секунды, а также номер фрейма от начала звуковой дорожки (песни). o Обратный отсчет в промежутке между звуковыми дорожками (песнями). o Минуты и секунды, а также номер фрейма от начала первой дорожки (песни). o Штриховой код компакт-диска. 5. Международный стандартный код записи (International Standard Recording Code - ISRC ). Этот код уникален для каждой звуковой дорожки (песни) компакт-диска. Подкоды R-W используются в графических дисках формата CD+G для хранения графических и текстовых данных. Это позволяет отображать ограниченный объем графической и текстовой информации во время воспроизведения звуковых файлов. В дисках CD TEXT подкоды используются для хранения информации, относящейся к диску и звуковым дорожкам. Данные CD TEXT хранятся в виде символов ASCII в каналах R- W, расположенных на нулевой дорожке, а также в программной области компакт-диска. Подкоды, находящиеся на нулевой дорожке диска CD TEXT, содержат текстовую информацию о содержании диска. Подкоды, включенные в программную область диска, содержат текстовую информацию, относящуюся к воспроизводимой в данный момент звуковой дорожке (песне). Обработка ошибок При разработке стандарта компакт-дисков Red Book основное внимание было уделено обработке ошибок. Для уменьшения влияния возможных ошибок в компакт-дисках используются методы контроля 164 четности и чередования, получившие название перемежающего кода Рида- Соломона ( CIRC ). Эта технология работает на уровне блоков (фреймов). При сохранении информации 24 байт данных каждого блока сначала обрабатываются шифратором Рида-Соломона, создающим 4-байтовый код контроля четности (так называемый Q-контроль четности), который добавляется к исходным 24 байтам данных. Полученные в результате этой операции 28 байт передаются второму шифратору, использующему другую схему, который, в свою очередь, создает дополнительный 4-байтовый код контроля четности (Р-контроль- четности). Этот код добавляется к 28 байтам, полученным в предыдущем кодировании, что составляет 32 байта (24 исходных байта данных плюс байты Q- и Р-контроля четности). Затем вводится дополнительный подкодовый байт данных (информация о дорожке), в результате чего получается 33 байта для каждого блока. Обратите внимание, что байты Р- и Q-контроля четности не имеют никакого отношения к ранее упомянутым подкодам P и Q. Код коррекции ошибок (ЕСС) позволяет выявлять и исправлять большин-ство мелких ошибок, повышая тем самым надежность и точность обработки данных до уровня, приемлемого для хранения данных. При воспроизведении музыкального компакт-диска отсутствующие данные могут быть интерполированы, т.е. существует определенный шаблон данных, позволяющий "угадать" отсутствующие значения. Наряду с основными данными, CD-ROM содержит дополнительную информацию, введенную в каждый сектор и применяемую для выявления и исправления ошибок, а также для более точного определения секторов данных. Для этого из 2 352 байт каждого сектора, используемых первоначально для хранения звуковых данных,304 байт применяются для синхронизации (синхронизирующие биты), идентификации (биты идентификации), кода коррекции ошибок (ЕСС), обнаружения и исправления ошибок (EDC). Фактически в каждом секторе остается 2 048 байт пользовательских данных. За одну секунду считывается 75 секторов, поэтому 165 базовая скорость считывания данных с CD-ROM достигает 2 048 ? 75 = 153 600 байт/с, что составляет 153,6 Кбайт/с, или 150 KiB/с. Емкость компакт-диска За каждую секунду CD обрабатывается 75 блоков по 2 048 байт в каждом. Это позволяет вычислить абсолютную максимальную емкость CD- ROM, которая составляет 681 984 000 байт- 682 Мбайт, или 650 MiB ( mebibyte ). Кодирование данных на диске После того как все 98 блоков скомпонованы в один сектор (звуковой или сектор данных), начинается заключительный процесс кодирования информации, получивший название EFM -модуляция ( Eight-to-Fourteen Modulation ), т.е. процесс преобразования каждого байта (8 бит) в 14- разрядное значение. Эти 14-разрядные коды преобразования разработаны таким образом, что не могут содержать менее двух и более 10 смежных битов, имеющих нулевое значение (0). Эта форма кодирования с ограничением длины поля записи ( Run Length Limited - RLL ) получила название RLL 2,10 (в общем виде RLL x,y, где x - минимальное, а y - максимальное значение поля нулевых битов). Такая схема позволяет избежать появления длинных строк нулевых битов (нулей), которые могут быть считаны неправильно, а также ограничить минимальную и максимальную частоты переходов, существующих на носителе записи. С учетом того, что единичные биты (1) в записи должны быть отделены друг от друга не менее чем двумя и не более чем 10 нулями (нулевыми битами), минимальным расстоянием между единицами являются три временных интервала (обозначаемые обычно как 3Т), а максимальным - 11 временных интервалов (11T). Некоторые коды EFM начинаются и заканчиваются единицей (1) или более чем пятью нулями (0), поэтому после каждого 14-разрядного значения EFM, записанного на диске, добавлены три дополнительных бита, называемые объединяющими битами (merge bits). Обычно объединяющие 166 биты являются нулями (0), но могут в случае необходимости содержать и единицы (1), используемые для разбивки длинной строки смежных нулей (0), образованной соседними 14-разрядными значениями EFM. В дополнение к образованному 17-раз-ядному значению (EFM плюс объединяющие биты) к началу каждого блока добавляется 24-разрядное число синхронизации (плюс еще три объединяющих бита). В общей сложности в каждом блоке диска содержится 588 бит (73,5 байт). С учетом того, что в каждом секторе расположено 98 блоков, получаем, что в каждом секторе содержится 7 203 байт. Таким образом, 74-минутный диск содержит примерно 2,4 Гбайт фактически записываемых данных. После декодирования, удаления кодов коррекции ошибок и другой информации остается примерно 682 Мбайт (650 MiB) действительно используемого объема диска. EFM - кодирование данных на компакт-диске Границы впадин преобразуются в двоичные биты, значение которых представлено единицей (1). Первичный 8-разрядный код каждого символа преобразован в 14-разрядный, и каждый 14-разрядный код EFM отделен от последующего тремя объединяющими битами (в этом примере все нули). Длины впадин, показанных на, равны соответственно 4T (четыре перехода), 8T и 4T. Строка нулей (0) и единиц (1)в верхней части рисунка указывает на то, как будет выполняться чтение данных. При этом обратите внимание, что единица (1) считывается при переходе "впадина-площадка". Накопители DVD 167 DVD (ди-ви-ди, англ. Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc - цифровой видеодиск) - носитель информации, выполненный в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить больший объем информации за счет использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт- дисков. Фактически каждый накопитель DVD-ROM является дисководом CD- ROM, т.е. накопители этого типа могут читать как обычные компакт-диски, так и DVD. Цифровые универсальные диски используют ту же оптическую технологию, что и компакт-диски, и отличаются только более высокой плотностью записи. Диски CD-ROM могут содержать максимум 800 Мбайт данных, DVD диски могут содержать до 4,7 Гбайт (однослойный диск) или 8,5 Гбайт (двухслойный диск). В соответствии с оригинальным стандартом, DVD является односторонним, однослойным диском и содержит 4,7 Гбайт информации. DVD диск имеет такой же диаметр, как современные компакт-диски, однако он в два раза тоньше (0,6 мм). Применяя сжатие MPEG-2, на новом диске можно разместить 135 минут видео - полнометражный фильм с тремя каналами качественного звука и четырьмя каналами субтитров. Первый DVD диск был выпушен в сентябре 1995г. в связи требованиями создать один стандарт. Вначале DVD расшифровывали как цифровой видеодиск (Digital Video Disc), но позднее переименовали в цифровой универсальный диск (Digital Versatile Disc). В конце 1996 года, после принятия соглашения о защите от нелегального копирования, были опубликованы стандарты DVD-ROM и DVD-Video. В 2001 году был принят формат +RW, превративший цифровой универсальный диск "только для чтения" в полностью перезаписываемый носитель. В настоящее время разработку и распространение стандартов DVD контролирует организация DVD Forum. В эту организацию входят следующие компании: Hitachi, Ltd.; Matsushita Electric Industrial, Co., Ltd.; Mitsubishi Electric Corporation; Victor 168 Company of Japan, Limited; Pioneer Corporation; Sony Corporation; Toshiba Corporation; Philips Electronics N.V.; Thomson Multimedia; Time Warner Inc. и др. DVD по структуре данных бывают трех типов: DVD-видео - содержат фильмы (видео и звук); DVD-Audio - содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках); DVD-Data - содержат любые данные; смешанное содержимое. Технология DVD Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию компакт-дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же размера (наружный диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия 15 мм, толщина 1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. В отличие от обычных компакт-дисков, DVD могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одно- или двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологический процесс изготовления дисков практически не отличается, помимо того что слои и стороны DVD штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с другом, формируя законченный диск. Основным различием стандартных компакт- дисков и DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с более короткой длиной волны (красный лазер с длиной волны 650 нанометров). Каждый слой DVD содержит одну физическую дорожку, которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней части. Цифровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Каждый записанный слой покрывается тонкой металлической пленкой отражающей лазерный луч. Внешний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него и считывает данные, которые записаны на 169 внутреннем слое. Этикетка обычно располагается на верхней части одностороннего диска; на вухстороннем диске для этого отводится узкая кольцевая поверхность в центральной части. Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор улавливает уже отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается. Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт-диска, равна 0,105 микрона, а ширина - 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет примерно 0,4 микрона, максимальная - 1,9 микрона (на однослойных дисках). Для увеличения емкости DVD можно изменять такие параметры: уменьшать длину штриха (2,25х, от 0,9 до 0,4 микрона); уменьшать расстояние между дорожками (2,16х, от 1,6 до 0,74 микрона); увеличивать область данных (1,02х, от 8,605 до 8,759 мм2); обеспечивать более эффективную модуляцию (1,06х); повышать эффективность кода коррекции ошибок ( 1,32х); уменьшать секторы ( 1,06х, от 2 048/2 352 до 2 048/2 064 байт). 170 Дорожки и секторы DVD Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку (в каждом слое) с расстоянием 0,74 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 1 351 виток на миллиметр, или 34 324 витка на дюйм. В целом это составляет 49 324 витка, а общая длина дорожки достигает 11,8 км (или 7,35 мили). Дорожка разбита на секторы, каждый из которых содержит 2 048 байт данных. Диск разделен на четыре основные области. Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт-диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой-либо информации или данных. Начальная область. Включает в себя буферные зоны, код ссылки, а также, главным образом, зону служебных данных, содержащую информацию о диске. Зона служебных данных состоит из 16 секторов, продублированных 192 раза, что составляет в целом 3 072 сектора данных. В этих секторах расположены данные о диске, в частности указана категория диска и номер версии, размер и структура диска, максимальная скорость передачи данных, плотность записи и распределение зоны данных. Область данных. Содержит видео-, аудио- или другие данные Конечная (или средняя) зона. Отмечает завершение области данных. Секторы конечной зоны содержат только значения 00h. В том случае, если диск имеет два слоя записи и записан в режиме обратного считывания ( Opposite Track Path - OPT ), где второй слой начинается с внешней стороны диска и считывается в противоположном по от ношению к первому слою направлении, эта зона называется средней. Спиральная дорожка стандартного DVD начинается с нулевой области и заканчивается конечной (средней) зоной, расположенной на расстоянии 58,5 мм от центра диска или 1,5 мм от его внешнего края. Длина одной спиральной дорожки достигает 11,84 км (или 7,35 мили). При считывании внешней части дорожки посредством накопителя 20x CAV, имеющего постоянную угловую скорость (Constant Angular Velocity - CAV) , 171 перемещение данных по отношению к лазеру происходит со скоростью 156 миль/ч (251 км/ч). Существуют однослойные и двухслойные, а также односторонние и двухсторонние версии DVD. Двухсторонние диски, в сущности, представляют собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами друг с другом. Между двух- и однослойными версиями имеется более существенное различие. Длина впадин (штрихов) двухслойных дисков немного больше, что приводит к незначительному уменьшению емкости диска. Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 676 секторов в секунду. Каждый сектор содержит 2 048 байт данных. Секторы организованы в кадры данных, содержащие 2 064 байт, из которых 2 048 байт являются общими данными, 4 байта содержат идентификационную информацию, 2 байта - код обнаружения ошибок ID (IED) , 6 байт - данные относительно авторского права на носитель, а 4 байта представляют собой код обнаружения ошибок (EDC) для кадра данных. Кадры данных, содержащие код коррекции ошибок, преобразуются в кадры ЕСС. Каждый кадр ЕСС содержит 2 064-байтовый кадр данных, а также 182 баша верхнего (РО) и 120 байт нижнего контроля четности (PI), что составляет в целом 2 366 байт для каждого кадра ЕСС. Кадры ЕСС преобразуются отдельными группами размером 91 байт в физические секторы диска. В цифровых универсальных дисках, в отличие от стандартных компакт-дисков, подкоды не используются. Вместо этого каждый кадр данных содержит идентификационные байты (ID), используемые для хранения номера сектора и другой информации, относящейся к сектору. Контрольные вопросы. 1. На какие устройства делятся ЗУ по устойчивости записи? 2. Что относиться к основным техническим характеристикам ВЗУ? 172 3. На каком явлении основывается принцип записи FMD ROM? 4. Какой носитель представляет большой металлический цилиндр, наружная поверхность которого покрыта ферромагнитным регистрирующим материалом? 5. Какие существуют форматы оптических CD дисков? В чем их отличия? 6. Какие существуют форматы оптических DVD дисков? В чем их отличия? 7. Какие особенности характерны пакетной записи? 8. Какие файловые системы используют оптические носители? 9. Какие механизмы загрузки используют оптические носители? 10. Какие особенности характерны для стандарта DVD+R? |