Архітектура комп'ютерів

CD-ROM ввиду весьма плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт (наиболее распространенная емкость 650 Мбайт), время доступа (access time) в разных оптических дисках колеблется от 50 до 350 мс, скорость считывания информации — от 150 до 6000 Кбайт/с. Приводы CD-ROM существенно отличаются по скорости передачи данных. Она зависит от двух факторов: плотности записи информации на поверхности диска и скорости вращения диска. Последняя является параметром, указываемым в марке дисковода в виде Nx-коэффициента кратности (data-transfer rate), сообщающего, во сколько раз линейная скорость дисковода превышает так называемую «единичную» скорость, обеспечивающую трансфер (скорость обмена), равный 150 Кбайт/с.

Сейчас имеются модели с любыми четными значениями этого  коэффициента от двух (2х) до 56 (56х), последние  обеспечивают скорость обмена более 6 Мбайт/с. Следует заметить, что прямой линейной зависимости между коэффициентом кратности и скоростью обмена нет, например, реальная скорость CD-ROM с кратностью 50х оказывается обычно намного ниже теоретической — часто соответствующей 40х. Дисководы CD-ROM менее чем с двадцатикратным увеличением скорости не позволят качественно реализовать многие современные технологии мультимедиа, да и многие программные приложения вообще, поэтому они сейчас не выпускаются.

Дисковод обеспечивает считывание информации «из глубины» диска, для этого лазер фокусируется не на внешней поверхности, а непосредственно на информационном слое. Грязь и царапины на покрытии, таким образом, оказываются не в фокусе и до определенного предела игнорируются. Кроме того, для обеспечения надежной работы информация на компакт-дисках кодируется с большой избыточностью с использованием корректирующего кода Рида—Соломона (Reed— Solomon code), обеспечивающего возможность восстановления исходной информации при значительном числе ошибок ее считывания.

К первым, не очень скоростным накопителям предъявлялось требование обеспечения минимальной постоянной линейной скорости считывания данных: CD используются для хранения аудио- и видеоинформации, а для нормального прослушивания аудиоданных она должна быть не менее 150 Кбайт/с. Это обусловливало переменную угловую скорость. При считывании информации с внутренней части диска она должна быть 500 оборотов/мин, против 200 оборотов/мин при считывании с внешней, то есть должна меняться в 2,5 раза. Таким образом, для обеспечения быстрого переключения между областями диска двигатель должен обладать хорошей динамикой. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициента кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому современные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и, тем самым, непостоянную линейную.

Таким образом, в низкоскоростных  накопителях при считывании (записи) угловая скорость меняется в зависимости от местонахождения считываемого (записываемого) участка дорожки, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость носителя под головкой — этим обусловливаются возможность работы с постоянной оптимальной плотностью записываемых данных и высокая емкость дисков. Высокоскоростные устройства лишены этой благоприятной особенности, но высокая емкость дисков обеспечивается в них иными технологическими приемами, в частности, технологией CAV (Constant Angular Velocity — постоянная угловая скорость). В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, соответственно, на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4-7,8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинается с внутренних областей.

При выполнении реальных задач разница в производительности приводов, имеющих скорости в диапазоне 24-50х, для пользователя практически  не ощутима и может быть измерена только специальными тестами. Более  скоростные приводы обладают преимуществом лишь в случае считывания большого объема непрерывно расположенных данных, например при установке программного обеспечения. В настоящее время максимальная достигнутая скорость составляет 56х, то есть примерно 8000 Кбайт/с. Эта величина соответствует частоте вращения 12 000 оборотов/мин. На таких скоростях начинают сильно сказываться дефекты производства дисков — искажения геометрии, неравномерность массы. Чтобы уменьшить паразитные биения, производители прибегают к различным ухищрениям, в частности, оборудуют приводы CD-ROM специальными демпфирующими устройствами.

Следует отметить, что  большинство дисководов способно автоматически  снижать скорость вращения при появлении  большого количества ошибок считывания данных (и не все модели, кстати, способны в дальнейшем при уменьшении числа ошибок ее повышать). Номинальная же скорость, указываемая на дисководе, определяется на эталонном, безошибочном диске, не требующем снижения оборотов. Снижение скорости частично компенсируется наличием в устройствах большого кэша, который, кроме того, хорошо помогает при работе с большим количеством мелких файлов, требующим многократного позиционирования головки чтения-записи. Размер внутренней кэш-памяти, в которую считываются данные перед их передачей, в современных накопителях достигает 1 Мбайт, но удовлетворительной величиной является и кэш емкостью 128 Кбайт.

Устройство позиционирования оптической системы ориентируется  на специальные метки диска и  не требует прецизионной механики, что делает это весьма высокотехнологичное устройство довольно дешевым в производстве. Изначально приводы CD-ROM имели свой интерфейс, обычно устанавливаемый на звуковой карте, и умели работать только с ним. Современные дисководы CD-ROM имеют IDE-ATAPI- или SCSI-интерфейсы и могут подключаться непосредственно к разъему на материнской плате как IDE- или SCSI-устройства. IDE-ATAPI — более распространенный интерфейс. Большинство современных приводов CD-ROM с данным интерфейсом поддерживает протокол Ultra DMA/33 (UDMA), имеющий скорость передачи 33 Мбайт/с. SCSI-интерфейс обеспечивает скорости передачи данных до 80 Мбайт/с (для спецификации SCSI-3) и подключение максимум до 16 устройств. Область применения дисководов CD-ROM с интерфейсом SCSI — графические станции, серверы и другие мощные системы. Пока только SCSI способен поддержать надежное функционирование систем с подключением нескольких дисководов CD-ROM и их работу в многозадачном режиме.

ПРИМЕЧАНИЕ В современных системах для работы с оптическими накопителями используются и последовательные интерфейсы: USB, SAS, PCI Express и др

Типовой дисковод состоит  из блока электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей  головки и системы загрузки диска. В блоке электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной угловой скоростью. Система оптической головки включает в себя саму головку и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Лазер имеет длину волны 780 нм.

Конструкции дисководов предусматривают возможность загрузки как одного, так и нескольких компакт-дисков одновременно. Последний вариант  иногда более удобен, но рекомендовать  его безоговорочно нельзя: часто  в этом случае снижается качество воспроизведения записи и надежность устройства.

Наконец, нужно иметь  в виду, что все современные  модели CD-ROM позволяют качественно воспроизводить и музыкальные записи. Для этого следует установить в ПК необходимые драйверы (при работе в среде MS DOS, например, это специальная постоянно находящаяся в памяти (резидентная — TSR) программа; при работе под Windows — драйвер CD Audio). В ряде моделей есть кнопка Play для запуска проигрывания аудиодисков. Чаще эта кнопка является двухфункциональной (например, Play/Next) и служит также для перехода между звуковыми дорожками. Другая кнопка, Eject, при проигрывании аудиодисков обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В обычном режиме кнопка Eject служит для загрузки-выгрузки диска. Слушать диски можно как через выход для наушников на передней панели CD-ROM, так и через внешнюю акустическую систему. В последнем случае необходима звуковая карта с усилителем.

Оптические  диски с однократной записью

Накопители CD-R позволяют однократно записывать информацию на диски с форм-фактором 4,72 и 3,5 дюйма. Для записи используются специальные заготовки дисков, иногда называемые болванками (target). На поверхность заготовок нанесено три слоя покрытия: непосредственно на основу диска из поликарбоната нанесен активный (регистрирующий) слой из пластика (с одним из четырех типов красителей: металлоазот — Metal AZO (В новых носителях Verbatim использовано покрытие Advanced AZO) — торговая марка Verbatim, цианин (cyanine), фталоцианин (phtalocyanine) или наиболее перспективный формазан — смесь цианина и фталоцианина); активный слой покрыт тончайшей отражающей пленкой из золота (использовалась в первых моделях, а сейчас в особо надежных моделях) или серебра (дешевле и обладает лучшим светоотражением); сверху все залито слоем защитного лака. Заготовки также имеют нанесенную спиральную дорожку, на которой позиционируется записывающая головка.

При записи лазерный луч  непосредственно в дисководе  компьютера прожигает необратимые  микроскопические углубления — питы (pits) в активном слое. Из-за разницы отражения от ямок и невыжженных участков поверхности при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. Запись в современных CD-R может выполняться на скорости до 12х. Чтение производится лазерным лучом так же, как и у CD-ROM. Дисководы CD-R совместимы с обычными CD-ROM, естественно, при совпадении формата диска.

Оптические  диски с многократной записью

Накопители CD-RW позволяют многократно записывать информацию на диски с отражающей поверхностью, под которую нанесен слой типа Ag-In-Sb-Te (содержащий серебро, индий, сурьму, теллур) с изменяемой фазой состояния. Фаза этого пластика, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой непосредственно в дисководе ПК. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация стирается (записывается «0»); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элементик пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1»). Из-за разницы коэффициентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения.

Лучшие образцы дисков CD-RW выдерживают несколько сотен циклов перезаписи. Коэффициент кратности скорости при записи информации у современных моделей не превосходит 10х. Читать CD-RW могут только высокочувствительные дисководы (чтение записи выполняется лазерным лучом), поскольку отраженный луч у них значительно слабее (отражающая способность их активного слоя составляет 25-30 % от уровня обычного CD), нежели у CD-ROM и CD-R. Перезаписываемые диски целесообразно использовать для хранения больших объемов обновляющихся данных (например, для создания резервных копий важной информации) и для обмена данными с другими ПК.

Цифровые диски DVD

Настоящий переворот  в технике внешних запоминающих устройств готовы совершить новые, впервые появившиеся в 1996 году цифровые видеодиски, имеющие габариты обычных CD-ROM, но значительно большей емкости, которая у них достигает 24 Гбайт.

Следует отметить, что  консорциум 10 фирм, стоящих у истоков  разработки DVD (теперь этот консорциум именуется DVD Forum), решил с целью защиты этих дисков от несанкционированного копирования ввести «антипиратское» региональное кодирование информации на DVD. Такое кодирование позволило бы выпускать разные DVD для разных частей света и даже для отдельных стран: весь мир поделен на 6 зон — к 1-й зоне отнесены США и Япония; Россия, Индия и Африка отнесены к 5-й зоне. Но практика показала, что в России находится в обращении масса пиратских приводов и дисков DVD, закодированных для первой зоны. Более того, существуют и так называемые приводы Zone-Free, то есть приводы, работающие с дисками, закодированными для любой зоны.

DVD — Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск (иногда его называют Digital Video Disk, цифровой видеодиск). Физически DVD — это тот же привычный диск диаметром 4,72 дюйма (существует и стандарт на 3,5 дюйма) и толщиной 0,05 дюйма. Так же, как и компакт-диск, он не изнашивается (или почти не изнашивается) со временем, нечувствителен к магнитному и инфракрасному излучениям и малочувствителен к повышенным температурам.

Но в DVD используется однослойная и двухслойная, односторонняя и двухсторонняя уплотненная запись. Уплотнение записи данных на DVD было достигнуто путем уменьшения диаметра пишущего-читающего луча (зелено-голубой лазер) в два раза, при этом уменьшаются сами точки (питы), сокращается расстояние между соседними точками на дорожке и увеличивается количество дорожек. Только за счет повышения плотности записи удалось достичь более чем четырехкратного роста емкости. А за счет других ресурсов, таких как большая область данных, более эффективная битовая модуляция каналов, более эффективное исправление ошибок, меньшее перекрытие секторов, емкость увеличилась по сравнению с емкостью CD в семь раз: стандартный однослойный односторонний диск DVD может хранить 4,7 Гбайт данных, двухслойный накопитель имеет емкость 8,5 Гбайт (относительное уменьшение емкости по сравнению с двухкратной однослойной связано с необходимостью снижения помех, наводимых верхним слоем при считывании нижнего).

Кроме увеличения физической плотности размещения информации на диске произошли изменения и  в способах ее представления. Дело в  том, что комбинация нулей и единиц двоичного кода записывается на носитель не в виде точек на ровной поверхности, но в виде выемок различной длины, преобразуемых уже системой демодуляции в определенное количество единиц или нулей. Использовавшаяся в CD EFM-модуляция (Eight-To-Fourteen Modulation, модуляция 8/14) была признана устаревшей, и ей на смену пришел несколько модифицированный алгоритм EFM Plus. Опуская подробности, отметим лишь, что подобная модуляция, помимо большей устойчивости к сбоям, дает дополнительный бит экономии на каждые два байта информации. Использующийся при этом метод коррекции ошибок (код Рида—Соломона) дает, по некоторым оценкам, десятикратное увеличение надежности, что немаловажно при том же десятикратном увеличении емкости и потока данных. Данные на дисках DVD организованы иначе, чем на CD. У обычных дисков все данные находятся на одной непрерывной дорожке, в то время как у DVD информация делится на два типа: навигационную и содержательную.

Скорость чтения у DVD лежит в пределах 1,4-14 Мбайт/с. Наличие более сложной оптической системы замедляет время доступа к нужной информации на диске от 100 мс у современных CD-ROM до 170 мс — у DVD-ROM. Ситуацию, впрочем, несколько выправляет увеличенный до 512 Кбайт кэш, сохраняющий теперь больше считанной в процессе работы информации.