Учебник для вузов Общие сведения Аппаратное обеспечение
 Скачать 5.31 Mb.
|
Дисководы оптических дисковДисководCD-ROM В 1995 году в базовой конфигурации ПК появился первый привод оптических дисков – CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory, посто- янное запоминающее устройство компакт-дисков). Устройство использо- вало многослойные компакт-диски диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, емкость диска 650 – 700 МБайт. CD-диск состоит из 4-х слоев (сверху-вниз): защитный слой из поликарбоната; слой для записи информации; отражающий слой; основа из поликарбоната. Процесс изготовления диска состоит из операций напылением сере- бра или золота отражающего слоя на основу, нанесения на него прозрач- ного слоя для записи информации и выдавливании на нем углублений, об- разующих спиральную дорожку, идущую от центра диска к его краю. Для штамповки диска используют матрицу-прототип (мастер-диск) будущего диска. После этого на поверхность диска наносят защитный слой из про- зрачного пластика. CD-ROM считывает информацию с диска с помощью лазерного луча с длиной волны 780 нм, который по разному отражается от поверхности диска (land – ленд) и углублений на поверхности (pit – пит, см. рисунок 2.16). Минимальный раз мер пита составляет 0,88 мкм, шаг дорожек – 1,5 мкм. Информация при подготовке к записи на компакт-диске подвергается ряду сложных преоб- разований. Вначале используется помехоустойчи-вое кодирование, затем осуществляется так назы- ваемое канальное кодирование. В компакт-дисках применяется канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation), разработанный фирмой Philips для ла- зерной звукозаписи. Суть канального кодирования EFM заключается в том, что каждый байт инфор- мации заменяется 14-разрядным словом из специ- альной таблицы преобразования. К полученному  Рисунок 2.16. Поверхность CD таким образом 14-разрядному слову по определённому правилу добавля- ется ещё три так называемых соединительных разряда. В результате ка- нального кодирования получается непрерывная последовательность бит, причём между двумя единицами никогда не может быть меньше двух или больше десяти нулей.     Именно эта последовательность бит и представлена на компакт- диске питами. Причём питы и ленды чередуются в моменты, соответству- ющие биту, равному 1 (см. рисунок 2.17). Если до этого был, например, ленд, то становится пит, и наоборот. Таким образом, питы и ленды с точки зрения представления информации равнозначны и характеризуют только временные интервалы между двумя единицами в последовательности бит.
1001000000100001000000001000100100000001 3t 7t 5t 9t 4t 3t 8t Рисунок 2.17. Схема преобразования при считывании информации с CD При считывании информации луч лазера отражается от лендов и попадает в фотоприёмник, от питов свет тоже отражается, но из-за расфо- кусировки луча в фотоприёмник не попадает. Далее высокочастотный ин- формационный сигнал преобразуется компаратором в последовательность прямоугольных импульсов. Длительность каждого из полученных таким способом прямоугольных импульсов преобразуется в двоичный код. Каж- дые 14 последовательных битов декодируются в соответствии с таблицей кодирования EFM, соединительные разряды при этом отбрасываются. Система кодирования обеспечивает также работу системы автосле- жения (автотрекинга), которой оснащены все приводы CD-ROM. Размеры каждого пита очень малы – порядка 0,6 мкм, а шаг спирали - всего 1,6 мкм. Назначение системы автослежения – точное позиционирование счи- тывающей головки. Слежение осуществляется за дорожкой с данными по расположенным на ней питам, для нормальной работы системы питы не должны отсутствовать более 10 периодов тактовой частоты, что и обеспе- чивается системой кодирования. Вторая задача, которая возникает при считывании информации с компакт-диска, – точное выделение временных интервалов, соответству- ющих периоду следования символов последовательного кода. Поддержи- вать скорость вращения диска с требуемой точностью практически невоз- можно. Поэтому для решения этой задачи временные интервалы опреде- ляются путем подстройки частоты тактового генератора под реальную скорость поступления информации с помощью инерционной системы ав- топодстройки, что опять-таки возможно выполнить благодаря использова- нию канального кода EFM при записи. Дисковод CD-ROM содержит: электродвигатель, который вращает диск; оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с по- верхности диска; микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код. Основные характеристики CD-ROM: скорость передачи данных – измеряется в кратных долях скорости про- игрывателя аудио компакт-дисков (150 Кбайт/сек) и характеризует максимальную скорость с которой накопитель пересылает данные в оперативную память компьютера, например, 2-скоростной CD-ROM (2x CD-ROM) будет считывать данные с скоростью 300 Кбайт/сек., 50- скоростной (50x) - 7500 Кбайт/сек.; время доступа – время, нужное для поиска информации на диске, изме- ряется в миллисекундах. ДисководCD-RW Устройство используется для записи информации на диски CD-R (однократная запись) и CD-RW (CD-ReWritable – перезаписываемый диск). Внешне похож на CD-ROM и совместим с ним по размерам дисков и форматам записи. Запись данных осуществляется с помощью специаль- ного программного обеспечения или средств операционной системы. Ско- рость записи современных накопителей CD-R составляет 2х-48х. Диск CD-R или CD-RW имеет 4 слоя (сверху-вниз): защитный слой из поликарбоната; активный слой для записи информации; отражающий слой; основа из поликарбоната. Может присутствовать также этикетка диска, нанесенная краской на защитный слой. Во время записи информации активный слой CD-R диска нагре- вается лазерным лучом (длина волны 780 нм) и в месте нагрева перестает пропускать свет. В результате отражающая способность на участках, под- вергнутых действию луча лазера, уменьшается. Одним из типов активных слоев CD-R диска, широко используемых на сегодняшний день, является цианин (cyanine). Активный слой CD-RW диска под воздействием лазерного луча при записи информации изменяет свое агрегатное состояние с переходом из кристаллического состояния в аморфное. Участки диска с аморфным со- стоянием активного слоя имеют меньшую степенью отражения лазерного луча при считывании информации. Процесс стирания информации с CD- RW заключается в обработке поверхности диска лучом лазера меньшей интенсивности, чем при записи, в результате чего активный слой полно- стью возвращается в кристаллическое состояние. Основа CD-R и CD-RW имеет не гладкую поверхность: при из- готовлении она получает разметку – сплошную спиральную канавку (Pregroove), необходимую для работы системы автослежения, запол- ненную органическим красителем, который немного хуже отражает свет, чем пластик основы. Для синхронизации частоты тактового генератора со скоростью вращения диска в CD-R канавка выполнена не в виде ровной спирали, а с микроскопическими отклонениями – вобуляцией (см. рисунок 2.18).
Частота колебаний канавки отно- сительно спиральной траектории составляет 22,05 кГц (для скорости вращения диска 1х). Соответственно, один период этих колеба- ний занимает 60 мкм спиральной траекто- рии. Амплитуда колебаний всего 0,03 мкм, значительно меньше ширины самой канавки, но этого достаточно, чтобы выделить ко- лебания с частотой 22,05 кГц и синхро- низировать этими колебаниями частоту сво- его тактового генератора. Кроме того, вся спиральная разметка разбивает- ся на фреймы, каждый из которых по длительности соответствует одному кадру информации. Информация о номере фрейма (будущего кадра) пред- ставлена на разметке путем сдвига частоты вобуляции на 1 кГц от значе- ния 22,05 кГц, т.е. реально частота вобуляции принимает значения 21,05 кГц или 23,05 кГц. Диск CD-RW (CD-ReWritable) используется для многоразовой запи- си данных, причем можно как просто дописать новую информацию на свободное пространство, так и полностью перезаписать диск новой ин- формацией (после предварительной очистки всего диска). Скорость запи- си современных накопителей CD-RW составляет 2х-24х. ДисководыDVD-ROMиDVD±RW В 1996 году DVD Forum (Hitachi, Matsushita (Panasonic), Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sony, Thomson, Time Warner, Toshiba и JVC) принял стан- дарт на диски DVD-R, предусматривающий два размера: «нормальный» (12 см) и уменьшенный (8 см). Диск с диаметром 8 см предназначен для использования в цифровых малогабаритных видеокамерах. Расшифровы- валась аббревиатура DVD как Digital Video Disk – «цифровой видеодиск», однако позже стандарт новых дисков переименовали в Digital Versatile Disk – «цифровой многофункциональный диск». При разработке DVD бы- ли учтены проблемы защиты информации на этих дисках (метка регио- нальной зоны на диске, использование специальных методов защиты ви- део- и аудио-информации). Для работы с DVD дисками используется лазер с длиной волны 635 нм. Минимальная длина пита уменьшилась в 2 раза по сравнению с CD – до 0,4 мкм, шаг дорожек – до 0,74 мкм. Емкость диска DVD первого поколения составила 4,7 Гб, и он полу- чил официальное наименование DVD-5, стандарт DVD-9 предусматривает использование двухслойных дисков. Первый слой может быть получен механической прессовкой, а дополнительный слой нанесен напылением. Дополнительный верхний слой является полупрозрачным и не препят- ствует чтению нижнего слоя. Диск стандарта DVD-9 способен хранить до 8,54 Гб данных. Дальнейшим развитием стандартов DVD-5 и DVD-9 стали стандарты на двухсторонние диски DVD-10 (9,4 Гб) и DVD-18 (17,08 Гб). Позже стандарт DVD-дисков был дополнен спецификацией на запи- сываемые и перезаписываемые диски DVD-R и DVD-RW. Стандарт на DVD-R разбит на три так называемых «слоя» или «уровня». Первый из них – «физический» («Physical layer»), определяет требо- вания к физическим размерам информационных углублений (пит) и их расположению на диске, размерам самого диска и его основных зон, длине волны лазера в режимах записи и воспроизведения, мощность его излуче- ния и т.д. Второй, «системный» («File system layer»), описывает файловую си- стему данных. Третий – пользовательский («Application layer») определяет формат и параметры цифрового потока, включая управляющие команды переклю- чения режимов кодера и декодера MPEG-2, данные о размещении файлов и доступе к ним и т.д. Первые два уровня базируются на технологии записи/воспро- изведения компьютерных DVD-R/DVD-RW, а третий – на стандарте DVD- Video. Существуют также диски DVD-RAM, которые представляет собой одно- или двусторонний диск, помещенный в пластиковый картридж. Для работы с ними необходим специальный дисковод. В 1999 году был также разработан формат дисков DVD+RW. Разни- цы в формате представления информации на DVD+RW нет. Особенность формата – более высокая точность позиционирования лазерного луча поз- воляет осуществлять коррекцию данных «на лету», в реальном времени переписывая отдельные сбойные сектора диска, т.е. в DVD+RW реализо- ван более совершенный алгоритм коррекции ошибок. В дисках DVD+R применяется специальный отражающий слой с повышенной отражающей способностью. Устройства для работы с DVD-дисками по внешнему виду не отли- чаются от привода CD-ROM. Принцип записи информации на DVD-R и DVD-RW тот же, что и для CD-R и CD-RW. Процесс воспроизведения ничем не отличается от штампованного DVD, с той лишь разницей, что у последнего от поверхно- сти отражается 45 – 85% световой энергии, а у DVD-RW всего 18 – 30%. Поэтому не все ранее выпущенные DVD-приводы могут надежно их счи- тывать. ДисководыBlu-RayиHD В 2002 году представители девяти лидирующих высокотехноло- гических компаний Sony, Matsushita (Panasonic), Samsung, LG, Philips, Thomson, Hitachi, Sharp и Pioneer на совместной пресс-конференции объ- явили о создании и продвижении нового формата оптических дисков большой емкости под названием Blu-Ray Disс. Согласно объявленной спецификации Blu-Ray Disс (или BD-R и BD-RE) – перезаписываемый диск следующего поколения со стандартным CD/DVD размером 12 см с максимальной емкостью записи на один слой и одну сторону до 27 Гб. Формат HD DVD был предложен компаниями Toshiba и NEC на сес- сии DVD Forum в августе 2003 года. В феврале 2008 года стало известно о фактической победе Blu-Ray над HD DVD: компания Toshiba сообщила о полном сворачивании работ в этом направлении. Производство фильмов и других программ на HD DVD также прекращено. Назвать Blu-Ray и HD принципиально новыми дисками для записи нельзя – это скорее эволюция формата DVD. В новых устройствах для за- писи и воспроизведения информации на диск вместо красного лазера (635 нм), который используется в DVD, применен синий лазер (blue-violet laser) с длиной волны 405 нанометров. Меньшая длина волны – соответственно меньшая интерференция отраженного луча, что позволяет сделать толщи- ну дорожки данных у Blu-Ray и HD дисков в два раза меньше, чем у DVD (см. рисунок 2.19).  Рисунок 2.19. Поверхность CD, DVD и Blu-Ray дисков Покрытие дисков Blu-Ray, на которое записываются данные (optical transmittance protection layer), очень тонкое – 0.1 мм. Из этого факта сле- дуют 3 вывода: чем тоньше слой, тем меньше рассеяние отраженного луча и больше данных можно вместить на квадратный дюйм, то есть тонкий слой – это необходимость для достижения большой емкости диска; тонкий слой позволяет без проблем сделать диск многослойным (по крайне мере двухслойным, как DVD), так как уменьшается рефракция луча отраженного от более глубокого слоя; тонкий слой легко повредить, он требует защиты, поэтому у Blu-Ray дисков над активным слоем присутствуют 3 слоя: защитный, покрыва- ющий и особо прочный, как показано на рисунке 2.20 (у HD-DVD такие же слои, как у обычного DVD). Технологии Blu-Ray и HD создавались в первую очередь для записи, хранения и воспроизведения видео и аудио информации, однако на эти диски можно записать и просто данные. Формат Blu-ray предполагает ра- боту с видеопотоком разрешения до 1080p, звуком вплоть до 7.1 и под- держкой протокола защиты информации HDCP. Поддерживаются алго- ритмы кодирования видео – MPEG-2 HD, VC1 (Video Codec 1, базируется на Windows Media Video 9) и H.264/MPEG-4 AVC, форматы звука – AC3, MPEG1, MPEG Layer2. Для цифровых видеоплееров формата Blu-Ray де- кодирование будет осуществляться аппаратно, для компьютерных приво- дов – программно. Blu-Ray устройства имеют высокую скорость пересылки данных. Согласно спецификации максимальная скорость пересылки данных между Blu-Ray приводом и целевым устройством (MPEG-2 декодером или ком- пьютером) может достигать 36 Мбит/с.
 В настоящее время выпускаются BD-дисководы, которые читают и записывают также обычные DVD и CD диски, например DVD±RW/CD- RW/BD/HD LG GGC-H20L, CD: R40×/W40×/RW24×, HD-DVD: R3×, DVD: R16×/W16×(4×/RW8× двухслойный), DVD-RAM: R3×/W5×, BD: R6×, Serial ATA 1.0, стоимостью 4600 руб. В таблицах 2.9 – 2.12 приведены некоторые сравнительные данные по оптическим дискам и дисководам. Таблица 2.9. Сравнительная характеристика оптических дисков
Таблица 2.10. Спецификации BD и HD дисков
Таблица 2.11. Сравнительная характеристика стоимости оптических дисков разных типов
Таблица 2.12. Сравнительная характеристика стоимости DVD-дисководов
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
