Накопители
на оптических дисках
Оглавление
Накопители
на оптических дисках
Физические
основы оптической записи
Логическая
структура компакт диска
Файловые
системы оптических дисков
Состав и
алгоритм работы привода CD-ROM.
Конструктивные
особенности привода CD-ROM
Система
слежения за дорожкой (автотрекинг)
Накопители на оптических дисках
Накопители на оптических дисках относятся к накопителям со сменными дисками, состоят из приводов и носителей. Параметры зависят от свойств приводов. В них используется прямой доступ.
Достоинства:
1. Высокая плотность записи данных
2. Низкая удельная стоимость единицы хранения данных
3. Простота получения копий
4. Переносимость данных
5. Длительный срок автономного хранения данных
Недостатки:
1. Большое время доступа к данным (большие размеры перемещаемого элемента привода – блока оптической головки).
2. Наличие прецизионных (очень точных) механических и оптических узлов (очень плохо переносит внешние ударные воздействия).
Используется три типа дисков:
1. CD - длина волны 780 нм (красный)
2. DVD - длина волны 650 нм (голубой) для использования двухслойных дисков.
3. BD, HD-DVD - длина волны 450 нм (синий)
На информационном слое луч лазера имеет форму круглого пятна. Сравнение размеров этого пятна для разных типов дисков представлено на рисунке. Эти размеры и определяют различную ёмкость этих типов дисков при одинаковых геометрических размерах (диаметр 12 см)
Классификация компакт-дисков
По возможности осуществления записи на носитель, носители на оптических
дисках бывают следующих видов:
1. …-ROM (только для чтения)
2. …-R (для записи) (-WORM, -WO)
3. …-RW (перезаписываемые) (-Е - стираемые)
Каждый из видов реализуется через особые физические способы записи,которые определяют особенности их конструкции.
Для каждого типа дисков требуется соответствующий привод. В приводах реализован принцип совместимости "сверху-вниз".
Рассмотрим особенности физического способа записи на примере CD
Физические основы оптической записи.
Конструкция компакт-дисков.
Компакт-диск состоит из подложки (имеется центральное отверстие 15мм, зона крепления, толщина 1,5 мм). Диаметр подложки 120 мм, 80 мм. Данные записываются на информационном слое начиная от центра по спирали. У компакт-диска спираль имеет 22188 тысяч витков, расстояние между соседними витками 1,6 мкм. Поперечная плотность записи составляет 16000 витков на дюйм, 625 витков на миллиметр. Данные на CD-ROM записываются в виде углублений (pit), глубина пита 0,125 мкм, ширина 0,5 мкм, длина пита вдоль дорожки от 0,83 до 3,56 мкм.
Таким образом, ёмкость записываемых на диск данных определяется:
- полной длиной спирали (она зависит от расстояния между витками)
- промежутками между питами.
Существует возможность несколько уменьшить эти величины. Этого достаточно для увеличения плотности записи не меняя свойств лазера.
На компакт-диске имеются следующие физические зоны.
Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называется зоной крепления (clamping area). За ней следует заголовочная область (Lead in area), содержащая оглавление диска (table of content) и служебную информацию. Далее шириной 33 мм расположена область данных (может содержать от 1 до 99 треков). После зоны данных расположена выводная зона (Lead out area) шириной 1 мм. Далее расположен внешний физический обод шириной 3 мм.
Методы оптической записи
Методы оптической записи на поверхности носителя основаны на способности некоторых материалов изменять свои отражательные свойства на участках, которые подверглись механическому, тепловому или комбинированному воздействию.
Таким образом, важное значение играет применяемая запоминающая среда и физический способ записи двоичных данных на оптическом носителе.
При любом физическом способе оптической записи на носителе при записи формируются оптические отпечатки (переходы), которые могут быть распознаны при чтении с помощью лазерного луча небольшой мощности и фотодетектора (датчика) – отражённый лазерный луч при считывании попадает на фотодетектор и в зависимости от его интенсивности детектор формирует электрический сигнал, соответствующий наличию или отсутствию отпечатка.
Применяются несколько физических способов оптической записи данных.
1. Абляционый способ - путём прожигания отверстий в непрозрачной среде тонкого слоя металла, нанесённого на подложку. Используется лазерный луч большой мощности.
Этим способом формируется мастер-диск. С мастер-диска за несколько технологических этапов получают пресс-форму для изготовления CD-ROM.
2. Способ штамповки дисков - для изготовления CD-ROM на подложку наносится тонкий слой (микрофольга) металлизированного покрытия (сплав алюминия) на котором отштамповывается мастер-диском дорожка с данными.
Этот слой покрывается защитным лаковым слоем (что бы не допустить повреждение и окисление информационного слоя). На следующем слое наносится этикетка.
Длина волны лазера в поликарбонате (коэффициент преломления 1.55) приблизительно равна 500 нанометров. Глубина пита 0.125 нм, одна четвёртая длины волны луча лазера.
Из оптики: если две когерентные волны приходят в одну точку, т.к. они интерферируют - т.е. взаимоослабляются.Если луч лазера попадает на ровную поверхность (ленд или пит), то он отражается 100%.
3. Изменение цвета локальной области аморфных полупроводящих (халькогенидные стёкла) таких как Ge15Te85, As5S3, Te32Ge7As6 при облучении сдвигается край оптического поглощения (они темнеют).Такой метод используется в CD-R.
Структура CD-R
Отражающий слой может быть на основе серебра, золота или алюминия, краситель - 1) цианин 2) фтолеин.
При записи облучённый участок меняет свой цвет (темнеет), т.е. изменяются отражающие свойства.
При изготовлении такого диска по всей поверхности формируется дорожка разметки (pre-groove) для записи данных.
При чтении таких дисков отражается около 70% мощности падающего лазерного луча.
В матрицах в зависимости от используемого типа красителя и отражающего слоя получают различный цвет.
Если матрица зелёного цвета то используется цианин и золото, если синего, то используются серебро или алюминий и цианин, если золотистый цвет, то золото и фталоцианин как краситель.
1. Перевод запоминающей среды из кристаллической фазы в аморфную и обратно. Используется эффект термического переход аморфной фазы вещества в кристаллическую, при этом изменяется отражающая способность информационного слоя или отражающего слоя.Такой метод используется в CD-RW.
Структура
CD-RW
При записи лазерный луч разогревает активный материал до 500-700 °С и переводит микрообласть из кристаллического состояния в аморфное (с малым коэффициентом отражения).
Стирание осуществляется лазерным лучом меньшей мощности (разогрев около 200), эта область переходит обратно из аморфного в кристаллическое состояние.
В таких носителях отражающая способность составляет 25-30% ( на таких дисках также наносится pre-groove(см. структуру CD-R)).
Логическая структура компакт диска
Компакт диск имеет одну спиральную дорожку, начинающуюся от центра. Она непрерывна.
Минимальной адресной единицей является блок длиной 2352 байта (18816 бит) - сектор.
В начале диска расположена вводная зона, записываемая до 4500 секторов (около 9 Мб.; 1 минута).
В конце дорожки формируется выводная зона 6750 секторов (13.5 Мб; 1.5 минуты).
У многосеансных дисков после выводной зоны первой сессии следует вводная зона первой сессии и т. д.
Система адресации данных произошла от аудиодисков.
Координаты каждого блока записываются в форме абсолютного времени A-Time (min; sec; Frame).
Min
(0-73), Sec (0-59), Frame (0-99).
Отсчёт абсолютного времени начинается сразу после вводной области (область данных).
Последовательность блоков одного назначения (формата) объединяется в понятие "трек", минимальный размер трека 300 секторов = 4 секунды, максимум - весь диск. На диске может быть от 1 до 99 треков.
В выводной зоне расположена таблица содержания дисков TOC (table of content), в ней описаны координаты (абсолютное время) начала каждого трека, а также начала выводной зоны.
При доступе к диску идёт сначала синхронизация привода с носителем, идентификация, калибровка лазера (в зоне крепления), затем переход в системную область, чтение таблицы содержимого диска (оглавления тома), а затем переход к данным.
Логическую структуру определяют стандарты CD
Стандарт компакт дисков (CD)
Стандарты компакт-дисков определяют типы и структуру треков как логических единиц на носителе, а также структуру сектора с теми или иными данными.
Оптическая запись, и особенно считывание, по своей природе имеет много ошибок, поэтому используются весьма сложные системы корректировани, которые описаны в стандартах.
Названия стандартов исторически сложились по цвету обложки исходного документа.
Физические форматы:
1. Red Book - описывает физические форматы CD-DA.
Структура сектора:
75 таких блоков образуют одну секунду реального звука.
Сектор разбивается на 98 кадров по 588 канальных бит (биты кодирования). Каждый кадр имеет 24 бита синхронизации, первый бит субкода, 12 бит данных, 4 бита контрольного кода, между этими позициями имеются трехбитные зазоры. В результате каждый кадр закрывается одним байтом субкода.
В результате используемые при записи байта данных избыточные коды позволяют восстановить данные при продольном повреждении длиной 2,5 мм (около 4000 бит). Благодаря избыточности канального кодирования и применению контрольных кодов позволяет обнаружить больше ошибок и их скорректировать. Для этого используется чередующийся код Рида Соломона (CIRC).
В результате уровень бытовых ошибок достигает 10-9. Ошибочные, но не восстановленные выборки игнорируются, аудиосигнал интерполируется для уменьшения субъективных потерь качества звука выборки (кадры перемешиваются в блоке)
2. Yellow Book - описывает формат для хранения данных CD-ROM.
в заголовке записывается формат свободного времени, а также режим (HODE).
В результате имеется тройная защита:
1. на уровне кадров
2. EDC (код коррекции ошибок данных)
3. ECC (код коррекции данных)
По стандарту диск в этом формате может содержать и треки в формате CD-DA.
3. Green Book - описывает форматы CD-ROM XA/CD-I. Mode 2 form 1.
На дисках могут храниться данные видеозаписи со звуковым изображением. В этом используется метод чередования. перемешиваются фрагменты, содержащие разную по своей природе информацию. В начале каждого фрагмента записывается спецкод, по которому привод определяет с каким видом данных ему предстоит работать (звук, текст, графика, VideoCD, PhotoCD).
Порядок следования фрагментов может быть произвольным.
4. Orange Book - описывает формат записываемых дисков CD-R, CD-R, CD-HO.
Особенности записываемых дисков.
Физическая структура CD-R и CD-R отличается от CD-ROM до начала вводной зоны имеется две зоны: PCA, PMA.
PCA - зона калибровки лазера (используется для предварительной калибровки рекордера - перезаписи). Пробная запись, считывание, анализ калибровки.
PMA - область для временного хранения данных о текущем состоянии записи. В неё заносятся координаты начала и конца каждого записанного трека. Запись таблицы содержания диска в стандартную вводную зону производится после записи всех сессий - при закрытии - финализации диска, также записывается вводная зона диска. Запись системной области может проводиться:
1. Целиком, DAO
2. По частям (трек)
3. Инкрементная запись (используется файловая система UDF). UDF - универсальный дисковый формат.
5.
White Book -
описывает форматы CD-ROM
XA/CD-I. Mode 2 form 2.
Описывает формат сжатия видео данных, используется MPEG, Video-CD
Файловые системы оптических дисков
1. При использовании аудиодисков не требуется специальная логическая структура.
Для хранения данных необходимо формирование файловой системы.
2. ISO9660.
В этой системе данные начинаются с логического сектора 16го 1-го трека, адрес 000216, в нём находится набор дескрипторов тома. За ним может следовать произвольное количество дополнительных дескрипторов (SWD). Завершается последовательность дескрипторов терминатором (WDST). В результате один такой набор файлов может быть описан несколькими дескрипторами. Секторы 0-15 являются системными и не используются, в секторе 17 размещена загрузочная запись.
Структура тома описывает таблицу содержимого - это логический элемент файловой системы VTOK
Один диск и каждая сессия может иметь несколько томов на носителе. WTOR описаны все файлы, присутствующие на диске (имя, дата создания, атрибуты, расположение всех экстентов файлов) фрагмент файла, записанный в непрерывной цепочке блоков секторов. Файлы на диске расположены в каталогах, образующих древовидную структуру. Для ускорения поиска файлов имеется дополнительная таблица путей, содержащая список путей каталогов ко всем подкаталогам диска и адреса их начальных секторов или блоков, чтобы эти таблицы были компактными для их полного размещения в ОЗУ требовалось использовать короткие имена каталогов так как поиск осуществлялся через таблицу путей было выгодно делать больше каталогов, но размещать в них меньшее количество файлов.
3.
ISO9660 mode 1.
Имена файлов ограничились 8 символами, расширение до 3 символов (требования как в MS-DOS). каталоги могут иметь глубину вложенности до 8.
4. ISO9660 mode 2.
Позволяет имена файлов до 32 символов. Снимаются ограничения на глубину вложенности.
5. ISO9660 mode 3.
Снимается ограничение на длину имени файлов, максимальная совместимость форматов HSF и HSJ, файловая система доступа к данным на оптическом носителе Среды (DOS, Linux, UNIX). Поддержка многосессионных дисков.
Файловая система UDF использует пакеты данных переменной длинны. Файлы хранятся рядом со своим описанием, допустимая длина до 124 символов. Каждый пакет представляет собой отдельный файл или его экстенд (часть), в начале пакета имеется описание файла. Каждая секция данных пишется в обрамлённую область bordered area, которая открывается (начинается) bordered in, заканчивается bordered out. Для чтения данных используется последовательные обращения к каждому пакету и строится виртуальная таблица размещения файлов VAT. Имеется формат UDF BRIF с поддержкой ISO9660 и без поддержки. Поэтому перед использованием оптических дисков в UDF формате его необходимо отформатировать. Такой носитель может считаться приводом.
Носители на компакт дисках.
Изначально CD предназначен для записи аудио информации при воспроизведении аудиоданных.
0 - внутренняя сторона
650 - внешняя сторона
L=2pr
Для обеспечения стабильности принят режим постоянной угловой скорости,для увеличения скорости передачи данных в современных приводах. Точки перехода с постоянной угловой скорости на постоянную линейную и их количество зависит от производителя привода.
1х = 150 кб/сек.
Эти скорости передачи данных обеспечены на внешних областях носителей компакт-дисков. Т.к. в оптических приводах используются собственные файловые системы, то необходимы драйверы для взаимодействия с ОС таких носителей. Для работы в MS-DOS необходимо установить драйвер низшего уровня, который работает с физической структурой диска, а для работы с ОС необходимо установить mscdex.exe.
Встраиваются драйвера для соответствующего накопителя и верхнего и нижнего
уровней.
Состав и алгоритм работы привода CD-ROM.
Привод CD-ROM состоит из следующих основных функциональных узлов:
1. Загрузочное устройство
2. Система управления приводом
3. Оптико-механический блок
4. Система автоматического регулирования
5. Универсальный декодер
6. Интерфейсный блок
Упрощенный алгоритм функционирования привода CD-ROM состоит в следующем.
1. После помещения CD в загрузочное устройство электромеханическое устройство приводит диск во вращение. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптической головки считывания по радиусу диска и считывание информации.
2. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2-5,0 мВт), который попадает на отражающее зеркало.
3. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске.
4. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.
5. Разделительная призма направляет отраженный луч на другую фокусирующую линзу.
6. Эта линза направляет отраженный луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.
7. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.
Конструктивные особенности привода CD-ROM
Типовой привод состоит из следующих конструктивных элементов:
· плата электроники (системы управления приводом и автоматического регулирования, универсальный декодер, интерфейсный блок)
· шпиндельный двигатель
· система оптической считывающей головки (оптико-механический блок)
· система загрузки диска
На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Большинство приводов использует одну плату электроники, однако в некоторых моделях отдельные схемы выносятся на вспомогательные небольшие платы.
Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска.
На оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке.
Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, фотоприемник, наклонное зеркало и предварительный усилитель.
Считывание информации осуществляется бесконтактно, т.е. головка никогда не соприкасается с диском, а находится на строго определенном расстоянии от него. Расстояние это таково, что дорожка из пит всегда находится в фокусе оптической системы.
С помощью специального механизма оптическая головка может перемещаться от центра диска к его краю в пределах зоны записи.
Лазер, используемый в приводе, представляет собой крошечный инфракрасный арсенид-галлиевый светодиод.
Излучение лазера формируется в пучок и фокусируется на дорожке с помощью оптической системы. Кроме того, оптическая система воспринимает свет, отраженный от поверхности компакт-диска, и направляет его на фотоприемник. В зависимости от способа фокусировки и способа слежения за дорожкой, оптическая система может состоять из большего или меньшего числа элементов.
По тем же самым причинам могут быть разными и фотоприемники. Они могут иметь две, три, четыре или шесть светочувствительных площадок, или отдельных фотодиодов, расположенных на одной плоскости. В некоторых случаях в качестве фотоприемника может использоваться сам лазерный диод.
Система автофокусировки
Для того, чтобы считывание информации было возможным, необходимо, чтобы, несмотря на вертикальные биения диска, дорожка все время находилась в фокусе считывающей оптики, или, по крайней мере, в пределах ее глубины резкости. Глубина резкости используемых оптических систем весьма незначительна - всего-то ±1,9 мкм. А колебания компакт-диска при вращении могут достигать ±0,5 мм, т.е. в сотни раз больше. Поэтому, для поддержания постоянного расстояния между объективом оптической головки и отражающей поверхностью компакт-диска, приходится применять систему автофокусировки.
Существует несколько способов построения таких систем, основанных на физических свойствах лазерного излучения и свойствах используемых для этого оптических элементов.
Исполнительный механизм автофокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и перефокусировку лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения.
Система слежения за дорожкой (автотрекинг)
Система перемещения головки имеет собственный приводной двигатель, приводящий в движение каретку с оптической головкой при помощи зубчатой либо червячной передачи.
Кроме колебаний в вертикальном направлении, компакт-диск может колебаться и в направлении, перпендикулярном оси вращения, т.е. может иметь эксцентриситет. Допустимая величина эксцентриситета для компакт-диска равна ±70 мкм. Для правильного же воспроизведения информации нужно обеспечить точность слежения ±0,1 мкм. Как и в случае фокусировки, цифры отличаются в сотни раз. Из этого вытекает, что необходима высокоэффективная система слежения за дорожкой (автотрекинг), которая, так же, как и автофокусировка, может быть реализована несколькими разными методами.
Приводы компакт-дисков бывают внешними и встраиваемыми (внутренними). Большинство предлагаемых в настоящее время накопителей CD-ROM являются встраиваемыми. На передней панели каждого накопителя имеется доступ к механизму загрузки компакт-диска.
Сейчас применяется загрузка с помощью tray-механизма. Tray-механизм действительно похож на поднос, который выдвигается из накопителя обычно после нажатия кнопки Eject. На него устанавливается компакт-диск, после чего "поднос" в накопитель задвигается вручную.
На передней панели привода, кроме того, могут быть расположены: индикатор работы устройства (busy), гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков), регулятор громкости звука. Предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject.
Глоссарий
BD - (BlueRay Disk) компакт диск повышенной ёмкости
CAV - (Constant Angular Velocity) технология чтения компакт дисков с постоянной угловой скоростью. Позволяет работать с CD-ROM на более высоких скоростях, чем технология CLV
CD
- (Compact Disk)
компакт диск
DVD
- (Digital Versatile Disk)
универсальный цифровой диск
CD-DA - (Compact Disk Digital Audio) аудио компакт диск
CD-I - (CD-Interactive) интерактивный CD, описанный в Orange Book, предусматривает запись видеоизображения на дорожках формата XA и его воспроизведение при помощи специального проигрывателя CD-I на бытовом телевизоре параллельно с прослушиванием звуковой программы. Дорожки формата CD-I не включаются в оглавление диска (TOC), поэтому они не видны на аппаратуре, не поддерживающей этого формата.
CD-R - (Compact Disk Recordable) записываемый компакт диск
CD-ROM - (Compact Disk Read Only Memory) компакт диск только для чтения
CD-ROM/XA - (eXtended Architecture) - расширенная архитектура стандарта CD-ROM. На одной дорожке формата XA могут встречаться секторы как данных, так и звуковой и/или видеоинформации.
CD-RW - (Compact Disk Rewritable) перезаписываемый компакт диск
CLV - (Constant Linear Velocity) технология чтения компакт дисков с постоянной линейной скоростью чтения. Применялась в старых CD-приводах и аудио аппаратуре.
HD-DVD - DVD повышенной ёмкости
Lead in area - заголовочная область, содержит содержащая оглавление диска
Lead out area - выводная область. Выводная зона играет роль ограничителя записанной области диска и необходима для полной совместимости с Red Book, хотя все современные приводы CD-ROM и большинство бытовых проигрывателей не нуждаются в ее наличии.
P-CAV - (Partial CAV) название CD-приводов, в которых используются обе технологии CLV и CAV. В них используется постоянная угловая скорость только на внешних дорожках диска.
Pit - пит, углубление, кодирующее бит информации
UDF - (Universal Disk Format) универсальный дисковый формат. Файловая система, предназначенная для непосредственного применения на компакт дисках