Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
. Каждый из ЖМД представляет собой диск из немагнитного материала (алюминиевого сплава, стекла или пластика, покрытый слоем ферромагнетика. Информативные перепады намагниченности (см. рис. 25.2) располагаются на обеих поверхностях каждого из ЖМД, на концентрических окружностях, называемых дорожками В общем, известны два основных способа логической организации данных на дорожках – сек- торныйи форматный, 22]. Первый из них характеризуется разбиением дорожек на блоки фиксированного объема указанные блоки называются при этом секторами. Форматный способ организации данных предполагает переменный объем блоков. Очевидно, секторный способ более прост в реализации, чем форматный. С другой стороны, последний обеспечивает более рациональное использование поверхности диска. Упрощенный пример разметки поверхности магнитного диска представлен на рис. 25.3. Тонкими сплошными линиями обозначены дорожки, а пунктирными линиями – границы секторов (при их наличии. Рассмотрим вкратце секторный и форматный способы организации данных на дорожке. Рис. 25.3. Пример разметки поверхности магнитного диска Обобщенный формат представления данных на дорожке секторным способом поясняет рис. 25.4. Дорожка включает в себя фиксированное количество секторов, объем которых также фиксирован. Каждый из секторов, в свою очередь, состоит из идентификатора сектора и поля данных, разделенных промежутками. Рис. 25.4. Обобщенный формат представления информации на дорожке секторным способом ИП – индексный промежуток П – промежутки МП – межсекторные промежутки ИДi и ПДi – соответственно идентификатор и поле данных го сектора АМ, МД – адресный маркер и маркер данных соответственно НД, НС – соответственно номер дорожки и номер сектора МД – маркер данных Д – данные КР – контрольные разряды Секторы разделены между собой межсекторными промежутками, а на начало дорожки указывает индексный промежуток. Данные промежутки представляют собой уникальные, не встречающиеся в других полях сектора битовые последовательности (например, несколько байтов вида 11111111, за которыми следуют несколько байтов вида 00000000 [22]). Такие последовательности служат указателями начала дорожки, сектора или поля данных. Кроме того, они используются для самосинхронизации тактового генератора блока считывания с началами битовых интервалов. Указанные промежутки ряда современных моделей НЖМД также используются при радиальном позиционировании МГ (см. далее. Идентификатор сектора содержит его уникальный адрес, состоящий из номера дорожки, на которой он находится, и номер сектора в пределах дорожки, а поле данных – собственно записанную в сектор информацию. Как идентификатор, таки поле данных снабжаются контрольными разрядами, позволяющими определять наличие ошибок в поле, а также маркерами (адресными маркером данных соответственно, те. кодами, указывающими на назначение соответствующего поля. Типовой пример организации данных на дорожке форматным способом представлен на рис. 25.5 [22]. Дорожка включает в себя блок адреса блок описателя дорожки и некоторое (переменное) количество блоков собственно данных, длина которых также переменна. Промежутки (в том числе начальные, как и при секторном способе записи, представляют собой уникальные, не встречающиеся в других блоках битовые последовательности, служащие указателями начала дорожки или, соответственно, блока. Блок адреса включает в себя два основных информационных поля поля указателей и поля адреса. Поле указателей содержит общую информацию о статусе дорожки (основная или запасная, исправная или дефектная. Поле адреса содержит адрес дорожки. Кроме указанных полей, блок адреса, как и под- блоки других блоков (см. рис. 25.5), содержит контрольные разряды, позволяющие определять наличие ошибок в блоке (под- блоке. Форматы блока описателя дорожки и блоков данных идентичны, за исключением того, что блок описателя дорожки не содержит подблока ключа. Оба указанных типа блоков содержат подблок счетчика и подблок данных. Длина подблока счетчика при этом является фиксированной, а длина подблока данных (как и подблока ключа блока данных) – переменной. Подблок счетчика включает в себя следующие информационные поля указатели адрес блока длину подблока данных, а подблок счетчика блока данных – также длину подблока ключа. В поле указателей дублируются данные из аналогичного поля блока адреса. Рис. 25.5. Пример представления информации на дорожке ЖМД форматным способом НП – начальный промежуток П – промежутки УК – указатели АД – адрес КР – контрольные разряды ПбС – подблок счетчика ПбК – подблок ключа ПбД – подблок данных АБ – адрес блока ДПД – длина подблока данных ДПК – длина подблока ключа В поле адреса подблока счетчика указываются номера дорожки и блока, в состав которого входит указанный подблок, причем - если дорожка является основной и исправной, тов полях адреса подблоков счетчика как блока описателя дорожки, таки расположенных на ней блоков данных указывается собственный адрес дорожки - если дорожка является основной, но дефектной, тов под- блоке счетчика блока описателя дорожки указывается адрес запасной дорожки, используемой взамен данной основной - если дорожка является запасной и исправной, тов подбло- ке счетчика блока описателя дорожки указывается ее собственный адреса в подблоках счетчика блоков данных – адрес основной дорожки, взамен которой используется данная запасная. Назначение полей длины подблока ключа и подблока данных комментариев не требует. Подблок ключа (имеющийся только в блоках данных, содержит некоторую ключевую последовательность, используемую в качестве признака при поиске соответствующего блока данных в так называемом режиме поиска по ключу. Подблок данных блока описателя дорожки содержит информацию о текущем состоянии дорожки (номере последнего занятого блока на дорожке, числе свободных байт и т. п. Содержимое данного подблока постоянно обновляется в процессе работы. Наконец, подблоки данных блоков данных содержат собственно записываемую на ЖМД информацию, в качестве которой могут выступать как фрагменты программ, таки данные. Необходимо отметить, что в настоящее время, с целью повышения производительности и надежности операций записи считывания, применяются более сложные варианты вышеописанных способов логической организации данных на ЖМД. Из них, в первую очередь, необходимо отметить концепцию RAID – Redundant Array of Independent Disks (в дословном переводе избыточный массив независимых дисков. Принцип RAID, в общем случае, состоит в распределении данных по нескольким дискам, воспринимаемым операционной системой как один виртуальный диск. Логическая организация данных на нем, в целом, соответствует одному из вышеописанных способов. Фактически же группы секторов, секторы, слова, байты или биты данных виртуального диска (в зависимости от конкретного варианта RAID) распределены по различным физическим дискам массива, что существенно повышает производительность записи и считывания за счет параллельной во времени реализации данных операций на всех дисках. Некоторые варианты предполагают также дублирование данных на нескольких дисках (группах дисков) массива, что существенно повышает надежность операций записи/считывания, те. их устойчивость к ошибкам, сбоям, помехами т. п. Подробное рассмотрение принципа RAID выходит за рамки настоящего учебника с ним можно ознакомиться, например, по источниками. Обобщенная структурная схема НЖМД представлена на рис. 25.6 [32, 39]. Рис. 25.6. Обобщенная структурная схема НЖМД: 1 – пакет ЖМД; 2 – шпиндельный электродвигатель 3 – блок МГ 4 – электродвигатель привода блока МГ 5 – блок стабилизации скорости вращения шпиндельного электродвигателя 6 – блок записи/считывания и позиционирования МГ 7 – контроллер НЖМД с блоком интерфейса Произвольный доступ к информации в НЖМД обеспечивается за счет возможности перемещения как носителя, таки блока записи/считывания, в отличие от НМЛ, для которых характерна возможность перемещения только носителя. Техническая реализация доступа к блокам данных для записи или для чтения осуществляется приводом НЖМД. Он включает в себя - шпиндельный электродвигатель 2, посредством которого осуществляется вращение пакета ЖМД 1; за счет данного вращения обеспечивается возможность позиционирования МГ на требуемый блок или сектор дорожки - линейный или соленоидальный [3, 36] электродвигатель 4 перемещения блока МГ в радиальном направлении, посредством которого осуществляется позиционирование МГ на дорожку с адресом, задаваемым командой на позиционирование. При этом, с учетом жестких требований к стабильности скорости вращения пакета ЖМД, обусловливаемых применяемой при считывании самосинхронизацией данных (см. ранее, электродвигатель 2 снабжается блоком 5 стабилизации скорости его вращения. Данный блок строится по стандартной схеме контура автоматического регулирования, причем в качестве первичных преобразователей скорости вращения обычно используются датчики Холла. Также, с учетом высокой плотности записи данных на ЖМД и, соответственно, малого расстояния между дорожками и обу- словливаемых им жестких требований к точности позиционирования МГ в радиальном направлении, блок записи считывания и позиционирования МГ 6 снабжается подбло- ком автоматического регулирования позиций МГ. Один из вариантов реализации данного блока иллюстрирует рис. 25.7 [22]. Рис. 25.7. Пример структурной схемы подблока автоматического регулирования позиций МГ ФНЧ – фильтр нижних частот УР – усилитель рассогласования ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь АСМ – аналоговый сумматор Реализация подблока автоматического регулирования позиций МГ поданной структурной схеме предполагает наличие так называемой сервоповерхности на одном из ЖМД пакета (обычно нижней поверхности нижнего диска) или сервоучастков в составе промежутков рабочих дорожек (см. рис. 25.4 и 25.5). Разметка сервоповерхности аналогична таковой рабочих поверхностей. На ее дорожки (называемые серводорожками) или на сервоучастки рабочих дорожек записываются последовательности, состоящие только из единиц. При считывании этих данных в МГ наводится последовательность импульсов ЭДС с нулевой постоянной составляющей (см. рис. 25.7). Очевидно, при отклонении МГ от серводорожки (или, соответственно, от рабочей дорожки) в ту или другую сторону постоянная составляющая ее выходного сигнала также отклоняется от нулевого значения. При этом ее знак определяется направлением отклонения, а абсолютное значение – его величиной. Постоянная составляющая выходного напряжения МГ выделяется ФНЧ. Разность между ней и нулевым уровнем усиливается УР и суммируется с сигналом грубого позиционирования МГ в область дорожки, поступающим с выхода ЦАП. Указанная сумма служит управляющим сигналом позиционирования, поступающим на статор или, соответственно, соленоид электродвигателя 4 привода блока МГ. Известны и другие принципы реализации устройства управления позиционированием блока МГ [3]. Более подробные сведения о принципах реализации НЖМД представлены, например, в [3] и [42]. Детальная информация об интерфейсах НЖМД содержится в [14]. 25.3. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на оптических носителях Оптические диски в настоящее время являются основным классом относительно недорогих съемных носителей информации емкостью порядка сотен мегабайт – десятков гигабайт. Они широко применяются в качестве средств распространения программного обеспечения, электронных книг, баз данных, аудио- и видеозаписей и т. п. Принцип записи цифровых данных на оптический носитель, как и на магнитный, основан на их представлении в виде последовательности отпечатков. В их качестве обычно выступают перепады отражающих свойств микроскопических участков спиральной дорожки реже концентрических дорожек) на поверхности оптического диска. Указанные перепады формируются посредством локальных изменений физических свойств поверхности диска с помощью сфокусированного лазерного луча. При этом, как ив НМД, преобразование исходных цифровых данных в последовательность отпечатков обычно осуществляется сочетанием способов RLL и NRZ-1. Считывание информации с оптического диска реализуется посредством сканирования дорожки лазерным лучом стой же длиной волны, что и приза- писи, нос меньшей мощностью. Процесс считывания заключается в регистрации отпечатков как перепадов интенсивности лазерного луча, отраженного от дорожки, с преобразованием последовательности перепадов в исходную последовательность битов. По длине волны лазерного излучения различают следующие типы оптических дисков [3]: - CD (Compact Disks, компакт-диски), для записи и считывания которых используются лазеры инфракрасного диапазона излучения с длиной волны 780 нм - DVD (Digital Versatile Disks, цифровые многоцелевые диски, запись и считывание которых осуществляются посредством лазеров с длиной волны 650 нм, соответствующей видимому излучению красного цвета - BD (Blue-ray Discs, диски Синий луч, с записью и считыванием информации лазерами с длиной волны 405 нм, которая соответствует видимому излучению сине-фиолетового цвета. С другой стороны, по характеру отпечатков и методу их формирования различают следующие основные типы оптических дисков - CD-ROM, DVD-ROM и BD-ROM (диски, предназначенные только для чтения информации - CD-R, DVD-R и BD-R (диски, допускающие только однократную запись информации - CD-RW, DVD-RW и BD-RW (диски, допускающие многократную запись информации со стиранием предыдущей. Общие физические принципы записи и считывания информации каждого из трех вышеперечисленных типов оптических дисков, в целом, аналогичны для CD, DVD и BD, за исключением геометрических размеров отпечатков, а также ряда деталей, рассмотрение которых выходит за рамки настоящего учебника (см. подробности, например, в [3]). Поэтому данные принципы будут излагаться безотносительно к тому, относится ли диск к типу CD, DVD или BD, с конкретизацией только размеров отпечатков, характерных для каждого из указанных типов дисков. Оптические диски типа «ROM». Данные диски применяются для тиражирования в промышленных масштабах программного обеспечения, аудио- и видеозаписей и т. п. При тиражах от нескольких десятков тысячи выше себестоимость записи единицы информации на диски подобного типа существенно меньше, чем на диски типов «R» и «RW». Следовательно, при этом и цена диска значительно меньше, чем дисков «R» и «RW» с аналогичной емкостью. Однако запись дисков требует специального промышленного оборудования и практически невозможна в домашних или офисных условиях. Естественно, диски допускают только однократную запись информации, без возможности ее дальнейшего изменения. Типовая упрощенная структура фрагмента продольного сечения дорожки диска представлена на рис. 25.8 [48]. Рис. 25.8. Упрощенная типовая структура фрагмента продольного сечения дорожки оптического диска (не в масштабе 1 – защитный слой 2 – отражающий слой 3 – подложка 4 – впадины (питы 5, 6 – соответственно падающий и отраженный лазерный луч Диск состоит из х основных слоев защитного слоя 1; отражающего слоя 2 и подложки 3, прозрачной для лазерного излучения, используемого для считывания. Отпечатки на дорожке формируются как последовательность чередующихся впадин и возвышенностей на подложке 3, часто называемых в литературе соответственно питами и лэндами (от английских слов «pit» – впадина, углубление, и «land», один из вариантов перевода которого – площадка, возвышенность. Подложка 3, как видно из рис. 25.8, покрыта отражающим слоем 2, повторяющим ее рельеф (типовая толщина указанного слоя – порядка сотых долей микрон. Следовательно, и впадины, и возвышенности обладают способностью отражать лазерный луч. Однако, за счет того, что длина, ширина и глубина впадины сопоставимы с длиной волны применяемого для считывания лазерного излучения, интенсивность излучения, отраженного от впадины, в несколько раз меньше, чем отраженного от площадки. Таким образом, в процессе считывания при перемещении лазерного луча вдоль дорожки (те. последовательности впадин и возвышенностей) формируются перепады светового потока, поступающего на приемник отраженного луча, в качестве которого обычно выступает фотодиод. Посредством последнего указанные перепады преобразуются в перепады электрического тока, несущие информацию о записанной на диск последовательности битов, в соответствии с методами RLL и NRZ-1. Один из типовых способов технической реализации записи данных на диски включает в себя следующие основные операции [42]. 1. На поверхность диска из специального полированного стекла наносится светочувствительный фоторезистивный слой определенной толщины. Посредством сфокусированного лазерного луча, управляемого подлежащим записи кодом, засвечиваются участки фоторезистивного слоя, соответствующие впадинам дорожки. 2. После селективного засвечивания поверхности диска осуществляется его травление в специальном растворе. Засвеченные участки фоторезиста, имеющие меньшую химическую стойкость, стравливаются, и на расположенных подними участках стекла вытравливаются впадины (питы. Не засвеченные участки, будучи химически нейтральными по отношению к травильному раствору, остаются на поверхности диска. Поэтому расположенные подними участки поверхности стекла не подвергаются травлению. Они соответствуют возвышенностям на диске. После удаления остатков фоторезиста получают стеклянную основу диска-шаблона, называемую Glass Master. 3. С помощью специальных реактивов или вакуумного напыления на стеклянную основу наносится тонкий слой металла (никеля или серебра, в результате чего получают металлический диск-шаблон (Metal Master). 4. Изготавливается негатив металлического диска-шаблона. На месте возвышенностей образуются впадины, и наоборот, на месте впадин образуются возвышенности. 5. Из высокопрочного материала изготавливается копия негатива, служащая штампом при тиражировании дисков. 6. Посредством штампа, методом прессования изготавливаются подложки 3 дисков соответствующим тиражом. 7. На подложки наносится отражающий слой 2. 8. Диски покрываются защитным слоем 1, на который, в свою очередь, наносятся необходимые надписи и маркировка. Более детально конструкции оптических дисков и принципы их записи освещены, например, в [42] и [48]. Оптические диски типа «R». Диски данного типа применяются для однократной записи информации пользователем в офисных или домашних условиях. Типовая упрощенная структура фрагмента дорожки диска представлена на рис. 25.9 [3]. Рис. 25.9. Упрощенная типовая структура фрагмента продольного сечения дорожки оптического R- и диска (не в масштабе 1 – защитный слой 2 – отражающий слой (отсутствует при наличии отражающих свойству регистрирующего слоя 3 – регистрирующий слой 4 – подложка 5 – непрозрачные (не отражающие) участки регистрирующего слоя (питы 6, 7 – соответственно падающий и отраженный лазерный луч Диск содержит четыре основных слоя защитный 1, отражающий 2, регистрирующий 3 и прозрачную для лазерного луча подложку 4. Распространенный на практике принцип записи информации на оптический диск состоит в следующем. Регистрирующий слой 3 чистого диска (называемого на профессиональном жаргоне болванкой) прозрачен для лазерного излучения, используемого при считывании. В процессе записи осуществляется выборочный нагрев регистрирующего слоя 3 сфокусированным лазерным лучом, в соответствии с кодом подлежащей записи битовой последовательности. Подвергнутые нагреву участки теряют прозрачность, те. в регистрирующем слое формируются микроскопические зоны, практически не пропускающие лазерный луч к отражающему слою 2 и, соответственно, характеризуемые малой интенсивностью отраженного луча по сравнению с прозрачными участками. Следовательно, непрозрачные участки регистрирующего слоя аналогичны «питам» дисков (часто их таки называют в литературе, хотя это не совсем корректно, т. конине являются впадинами. Считывание осуществляется лазерным лучом с мощностью, примерно на порядок меньшей, чем при записи. Отпечатки в процессе считывания регистрируются как перепады интенсивности отраженного лазерного луча при сканировании дорожки, аналогично процессу чтения ROM- дисков (см. выше. Необходимо отметить, что, кроме вышеописанного, существуют и другие принципы записи информации на оптический диск [3]. Например, известна разновидность дисков, регистрирующий слой которых до записи непрозрачен, а процесс записи заключается в прожигании в нем лазерным лучом окон микроскопических размеров, обеспечивающих доступ луча к отражающему слою. При этом непрозрачные участки, как и у дисков ранее рассмотренного типа, выполняют функции «питов» RОМ-дисков. Известны и некоторые другие способы записи информации на оптические диски [3]. Оптические диски типа, как указано выше, допускают только однократную запись данных, те. локальные изменения прозрачности их регистрирующего слоя являются необратимыми. В целом, при одинаковой емкости, стоимость диска выше, чем диска, но ниже, чем диска типа «RW». Оптические диски типа «RW». Диски данного типа предназначаются для многократной записи информации в домашних или офисных условиях (с возможностью стирания предыдущих данных. В целом, структура дорожки диска аналогична таковой диска (см. рис. 25.9). Отличия, в основном, состоят в материале регистрирующего слоя 3. Данный слой дисков выполняется из материалов, обладающих свойством локальных обратимых изменений их оптических свойств (прозрачности или отражающей способности) посредством лазерного луча. На указанных изменениях основывается запись информации на диска ее стирание реализуется путем устранения данных изменений, также посредством лазерного луча. Необходимо отметить, что запись, основанная на локальных изменениях отражающей способности регистрирующего слоя, естественно, предполагает ее наличие у него. Поэтому у дисков с регистрирующим слоем 3, обладающим отражающими свойствами, собственно отражающий слой 2 отсутствует. Материалы регистрирующего слоя дисков имеют два состояния кристаллическое с высокой отражающей способностью или прозрачностью и аморфное с низкими значениями указанных параметров. Перевод некоторого участка регистрирующего слоя из кристаллического состояния в аморфное осуществляется посредством повторяемых многократно циклов кратковременного нагрева до температуры выше температуры плавления и последующего быстрого охлаждения до температуры ниже температуры кристаллизации. Нагрев осуществляется лазерными импульсами мощностью 10 – 20 мВт и длительностью порядка 10 – 15 нс. Для охлаждения участка ниже температуры кристаллизации в промежутках между импульсами мощность лазерного луча снижается минимум в несколько раз. Таким образом формируется участок регистрирующего слоя с низкой отражающей способностью или прозрачностью, эквивалентный питу диска и часто носящий в литературе такое же название. Стирание пита заключается в его возврате из аморфного в кристаллическое состояние, реализуемом посредством его нагрева до температуры ниже температуры плавления, но выше температуры кристаллизации. Данный нагрев осуществляется лазерным импульсом с мощностью, существенно меньшей, чем при записи, нос длительностью, намного большей, чем длительность импульсов записи. Упрощенные временные диаграммы температуры при записи истирании пита диска представлены на рис. 25.10 [3]. Рис. 25.10. Упрощенная временная диаграмма температуры при записи истирании пита диска Процесс считывания информации с дисков полностью аналогичен таковому с дисков. Мощность лазерного луча при считывании порядка 0,5 мВт, те. в несколько десятков раз меньше, чем при записи. диски допускают порядка 1000 циклов перезаписи информации. Однако они отличаются значительно большей стоимостью по сравнению си дисками. Как указано ранее, CD-, DVD- и диски каждого из трех рассмотренных типов различаются между собой, в первую очередь, геометрическими размерами элементов записи – «питов» и интервалов между соседними витками спиральной дорожки, на которой они размещены (или между соседними концентрическими дорожками. Очевидно, чем меньше длина волны лазерного излучения, используемого при записи и считывании информации, тем меньшими потенциально могут быть вышеуказанные размеры. Это подтверждается табл. 25.2, в которой указаны основные размеры элементов записи CD-, DVD- и дисков, а также значения длины волны лазерного излучения, применяемого для записи/считывания информации в каждом из перечисленных типов дисков [3]. Необходимо отметить, что благодаря именно меньшим размерам «питов» и меньшему расстоянию между витками дорожки емкость диска, при прочих равных условиях, примерно враз больше, чем диска, а диска – примерно враз больше, чем диска. Таблица 25.2 Основные размеры элементов записи оптических дисков Тип диска Длина волны лазера, мкм Основные размеры элементов записи, мкм Минимальная длина пита Расстояние между соседними витками дорожки соседними дорожками) CD 0,78 0,8 1,6 DVD 0,65 0,4 0,74 В 0,405 0,16 0,32 Кроме уменьшения размеров элементов записи за счет снижения длины волны лазера, существуют другие подходы к повышению емкости оптических дисков. Наиболее распространенными из них являются принципы двустороннего и двухслойного диска и их комбинации. Принцип двустороннего диска поясняет рис. 25.11, на котором, в качестве примера, приведена упрощенная структура фрагмента продольного сечения дорожек однослойного двустороннего R- или диска [3, 42]. Нетрудно заметить, что он представляет собой, по существу, два склеенных между собой односторонних диска соответствующего типа (см. рис. 25.9) с общим связующим слоем. Подобным образом реализуются и двусторонние диски. Принципы записи информации на двусторонний диски считывания информации с него полностью аналогичны таковым односторонних дисков соответствующего типа (см. выше. Естественно, при прочих равных условиях, емкость двустороннего диска в 2 раза больше, чем одностороннего. Рис. 25.11. Упрощенная структура фрагмента продольного сечения дорожки однослойного двустороннего R- или диска (не в масштабе 1 – подложки 2 – связующий слой 3 – регистрирующие слои 4 – непрозрачные участки (питы 5, 6 – соответственно падающий и отраженный лазерный луч 7 – отражающие слои (отсутствуют при наличии отражающих свойству регистрирующих слоев 3) Принцип двухслойного диска иллюстрирует рис. 25.12. На нем, в качестве примера, представлена упрощенная структура фрагмента продольного сечения дорожек одностороннего двухслойного RW- диска [3, 42]. Диск содержит два регистрирующих слоя, внутренний 2 и внешний 3. Внешний регистрирующий слой 3 полупрозрачен для лазерного луча, используемого при считывании. Приведенный на рис. 25.12 фрагмент предполагает, что каждый из регистрирующих слоев обладает отражательной способностью. Процедуры записи и считывания информации аналогичны таковым однослойных дисков. Они осуществляются независимо для каждого из слоев, что обеспечивается фокусированием лазерного луча на соответствующий слой в процессе записи/считывания (см. рис. 25.12). Рис. 25.12. Упрощенная структура фрагмента продольного сечения дорожки двухслойного одностороннего диска (не в масштабе 1 – защитный слой 2, 3 – соответственно внутренний и внешний регистрирующий слой 4 – подложка 5, 6 – питы внутреннего и внешнего регистрирующего слоя соответственно 7, 8 – лазерный луч, соответственно падающий на внутренний регистрирующий слой и отраженный от него 9, 10 – лазерный луч, соответственно падающий на внешний регистрирующий слой и отраженный от него Аналогичным образом реализуются двухслойные ROM- и диски. Необходимо отметить, что для корректного считывания данных с внутреннего регистрирующего слоя минимальные значения размеров его «питов» и расстояний между ними должны быть несколько больше, чем аналогичные параметры внешнего слоя. Поэтому емкость внутреннего слоя примерно на 20 % меньше, чем внутреннего, а емкость двухслойного диска, при прочих равных условиях, больше емкости однослойного не в 2 раза, как следовало бы ожидать, а примерно в 1,8 раза [42]. Двусторонний двухслойный диск реализуется аналогично двустороннему однослойному диску (см. рис. 25.11), склеиванием двух односторонних двухслойных дисков. Его емкость, при прочих равных условиях, в 2 раза больше емкости одностороннего двухслойного диска. Преобразование подлежащих записи цифровых данных в последовательность отпечатков те. перепадов отражающей способности дорожки, в оптических дисках, как ив ЖМД, осуществляется комбинацией способов RLL и NRZ-1 [48] (см. представленные ранее соответствующие материалы по НЖМД). коды, применяемые в оптических дисках, отличаются от используемых в НЖМД, только параметрами m, n, d и k (см. параграф 25.2). Запись кода на оптический диск, как и на ЖМД, осуществляется способом NRZ-1. Ее поясняет рис. 25.13. Рис. 25.13. Пример представления двоичных данных на оптическом диске способом NRZ-1: D – временная диаграмма последовательности битов, подлежащей записи I – пространственно-временная диаграмма интенсивности лазерного луча, отраженного от дорожки i– временная диаграмма выходного тока фотоприемника при считывании Логическая организация данных на оптическом диске Для оптических дисков характерно, в основном, представление данных блоками фиксированной длины, обычно называемыми кадрами которые аналогичны секторам магнитных дисков. В целом, формат кадра также сходен с типовым форматом сектора магнитного диска (см. рис. 25.4), за исключением ряда второстепенных деталей. Пример формата кадра оптического диска представлен на рис. 25.14 (в скобках указаны размеры полей в байтах. Рис. 25.14. Пример формата кадра оптического диска СП – синхропоследовательность; ЗГ – заголовок КОО – код, обнаруживающий ошибки РЗ – резерв КИО – код, исправляющий ошибки Кадр содержит следующие основные поля 1. Синхропоследовательность (преамбулу, функционально аналогичную межсекторному промежутку магнитных дисков. Она служит указателем начала кадра, а также по ней осуществляется самосинхронизация тактового генератора блока считывания с началами битовых интервалов. Как и промежутки магнитных дисков, она содержит уникальную, не встречающуюся в других полях кадра битовую последовательность. Например, при использовании группового кода RLL 2, 10 для записи данных на диск (напомним, что такой код содержит не менее х, ноне более и нулей между единицами) синхропоследова- тельность имеет вид 100000000001000000000010 [48]. 2. Заголовок, аналогичный идентификатору сектора магнитных дисков (см. рис. 25.4), который содержит полный адрес кадра в пределах диска. 3. Поле собственно пользовательских данных. 4. Два поля, содержащих контрольные байты поле контрольных байтов кода, обнаруживающего ошибки, а также аналогичное поле кода, исправляющего ошибки (который корректнее назвать кодом, диагностирующим ошибки, те. позволяющим определить номера ошибочных битов. На основе совокупности данных полей в процессе чтения информации рассчитываются коды, называемые синдромами ошибок, и позволяющие определять как сам факт наличия ошибок в кадре, таки номера ошибочных битов. Кроме вышеописанного, известны и другие форматы кадров (см, например, [39]). Структурная схема ВЗУ на оптическом диске Типовая структурная схема ВЗУ на оптическом диске представлена на рис. 25.15 [48]. В целом, она сходна со структурой НЖМД (см. рис. 25.6). ВЗУ на оптическом диске включает в себя следующие основные блоки - оптоэлектронный блок (ОЭБ) 5, содержащий собственно средства записи/считывания, а именно источник лазерного излучения, оптическую систему позиционирования и фокусировки лазерного луча на дорожку и формирования отраженного от нее луча, а также фотоприемники (те. преобразователи его интенсивности в электрические сигналы) и средства первичной обработки указанных сигналов - шпиндельный электродвигатель 2, посредством которого осуществляется вращение диска 1; за счет данного вращения обеспечивается возможность перемещение лазерного луча вдоль дорожки (дорожек - линейный электродвигатель 7, обеспечивающий перемещение лазерного луча относительно поверхности диска в радиальном направлении - контроллер 6 ВЗУ, осуществляющий управление его узлами и блоками, формирование и обработку информации при записи и считывании, а также интерфейс ВЗУ с системной магистралью. Рис. 25.15. Обобщенная структурная схема ВЗУ на оптических дисках 1 – оптический диск 2 – шпиндельный электродвигатель 3 – блок управления скоростью вращения 4 – лазерный луч 5 – оптоэлектронный блок 6 – контроллер с блоком интерфейса 7 – линейный электродвигатель радиального позиционирования Необходимо отметить, что, в отличие от НЖМД, для которых характерна постоянная угловая скорость перемещения МГ относительно поверхности диска, в ВЗУ на оптических дисках запись и считывание информации осуществляются при постоянной линейной скорости перемещения лазерного луча по поверхности диска [42]. Данное свойство обусловлено применением оптических дисков для записи и хранения не только программ, текстовых файлов, баз данных и т. п, но также аудио- и видеозаписей, воспроизведение которых, очевидно, должно осуществляться с постоянной линейной скоростью (в англоязычной литературе – CLV, constant linear velocity). Для обеспечения постоянной линейной скорости записи и считывания угловая скорость вращения диска должна быть переменной и обратно пропорциональной расстоянию от центра диска (те. снижаться по мере продвижения лазерного луча от центра диска к его краю. Это обеспечивается блоком управления скоростью вращения 3 (см. рис. 25.15). Следует также остановиться на позиционировании лазерного луча на дорожку. Подобно аналогичной процедуре в НЖМД, данное позиционирование осуществляется в два этапа грубое позиционирование луча в область дорожки и последующее точное его позиционирование на дорожку. Первый изданных этапов реализуется посредством линейного электродвигателя радиального позиционирования 7. Второй этап осуществляется оптической системой позиционирования луча, входящей в состав ОЭБ 5, структуру и принцип работы которого необходимо рассмотреть подробнее. Известны несколько вариантов реализации ОЭБ [42, 48]. В качестве примера на рис. 25.16 в несколько упрощенном виде представлен один из них, принцип работы которого, по мнению авторов, наиболее прост для понимания. Рассмотрим принцип функционирования ОЭБ, реализуемого в соответствии сданным вариантом. Генерируемое лазером 10 излучение посредством коллима- торной линзы 9 преобразуется в параллельный пучок лучей. Он отражается от полупрозрачного зеркала 5 и поступает на фокусирующую линзу 3. Данная линза формирует сфокусированный пучок лазерных лучей, поступающий на рабочий слой оптического диска. Параметры фокусировки выбираются таким образом, что при вхождении в прозрачную подложку диска (см. рис. 25.8, 25.9, 25.11 и 25.12) диаметр данного пучка составляет порядка 1 мм, в то время как на отражающем слое его диаметр имеет тот же порядок, что и размеры «питов» (см. табл. 25.2). Благодаря этому загрязнения и царапины поверхности подложки размером менее 1 мм практически не влияют на процессы записи и считывания. При записи информации на диск мощность лазера, по мере передвижения сфокусированного пучка лазерных лучей по поверхности диска, модулируется под управлением контроллера в соответствии с записываемой последовательностью «питов» (см, например, диаграмму на рис. 25.10). Рис. 25.16. Пример реализации оптоэлектронного блока накопителя на оптических дисках 1 – диск 2 – электромагниты радиального позиционирования 3 – фокусирующая линза 4 – электромагниты фокусировки 5 – полупрозрачное зеркало 6 – расщепляющая линза 7 – фотоприемники 8 – лазерные лучи 9 – коллиматорная линза 10 – лазер 11 – блок обработки выходных сигналов фотоприемников При считывании данных с диска, после отражения от его рабочего слоя и обратного прохождения через фокусирующую линзу 3 лазерные лучи через полупрозрачное зеркало 5 поступают на расщепляющую линзу 6. Она формирует два пучка лазерных лучей, каждый из которых поступает на пару фотоприемников (обычно фотодиодов. Последние преобразуют интенсивность отраженных лазерных лучей в электрический сигнал (ток. Наличие, в общей сложности, х фотоприемников вместо требуемого на первый взгляд одного обусловлено наличием в составе ОЭБ автоматической системы точного позиционирования и фокусировки пучка лазерных лучей на дорожку оптического диска. Необходимость введения данной системы в состав ОЭБ, в свою очередь, обусловлена микронными размерами элементов записи оптического диска (см. табл. 25.2) и, как, следствие, невозможностью обеспечения корректных позиционирования и фокусировки луча посредством только оптико- механических узлов ОЭБ и ВЗУ в целом. Автоматическая система позиционирования и фокусировки включает в себя следующие основные узлы ОЭБ: - фотоприемники 7, выступающие в качестве датчиков позиционирования и фокусировки - электромагниты радиального позиционирования 2 и фокусировки, управляющие соответственно радиальными вертикальным положением фокусирующей линзы 3 и играющие роль исполнительных устройств системы - блок 11 обработки выходных сигналов фотоприемников 7, формирующий, кроме информативного сигнала считывания, также сигналы ошибки радиального позиционирования и фокусировки, которые служат в качестве управляющих сигналов электромагнитов 2 и 4 соответственно. Принцип работы автоматической системы позиционирования и фокусировки ОЭБ поясняют рис. 25.17 и 25.18 [48]. Пространственно фотоприемники 7 расположены таким образом, что распределение их освещенности при различных типах ошибок радиального позиционирования и фокусировки соответствует представленному на рис. 25.17 (см. также пояснения к нему. Следует отметить, что такие распределения обусловлены также наличием отражающих свойству участков между витками дорожки (дорожками) диска. Рис. 25.17. Распределение освещенности фотоприемников при различных типах ошибок радиального позиционирования и фокусировки Из рис. 25.17 нетрудно заметить, что при обозначенных на нем распределениях освещенности фотоприемников сигнал ошибки радиального позиционирования прямо пропорционален среднему повремени значению суммы 4 3 2 1 ФП ФП ФП ФП Р I I I I I , где 4 1 ФП ФП I I – выходные токи фотоприемников а сигнал ошибки фокусировки – среднему повремени значению величины 1 ФП ФП ФП ФП Ф I I I I I С другой стороны, сигнал, несущий информацию о перепадах интенсивности отраженного лазерного луча, очевидно, может быть получен путем выделения посредством фильтра верхних частот перепадов (фронтов) суммы токов 4 1 ФП ФП I I Вышеописанный способ выделения информативного сигнала, а также сигналов ошибок позиционирования и фокусировки реализуется построением блока 11 обработки выходных сигналов фотоприемников по структурной схеме (рис. 25.18). Рис. 25.18. Упрощенная структурная схема блока обработки выходных сигналов фотоприемниковОЭБ: ФП1,…,ФП4 – выходные сигналы фотоприемников АСМ – аналоговые сумматоры ФНЧ – фильтры нижних частот ФВЧ – фильтр верхних частот Кроме рассмотренного варианта реализации ОЭБ, распространены и другие варианты (см, например, [3] и [42]). В целом, принципы функционирования всех вариантов сходны с вышеописанным. Ограниченный объем данного учебника не позволяет рассмотреть все указанные варианты интересующиеся лица могут ознакомиться сними, например, по источниками. Описания интерфейсов ВЗУ на оптических дисках представлены, например, в [14]. |