Оптические носители информации

Зачинателями эры оптических носителей можно считать компании Sony и Philips. Именно они в 1982 году закончили разработку принципиально нового носителя информации — диска с оптическим методом записи и чтения.

Устройство, принцип записи и чтения различных дисков

Принцип хранения информации любого компакт-диска (а именно так и было названо творение этих компаний — Compact Disk) заключается в последовательности участков (т.н. питов, или pits) с переменной пропускаемостью либо отражаемостью света. Отражение интерпретируется как единица, отсутствие отражения — как ноль. Рабочая длина волны лазера — 780 нм. Цепочка питов расположена по спирали в направлении от центра. Интервал между витками — 1,6 мкм, ширина пита — 0,5 мкм, глубина — 0,125 мкм (глубина пита составляет 1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате, что является обязательным условием правильного рассеивания света при попадании в пит; подробное описание приведено ниже), минимальная длина — 0,83 мкм. Номинальная (1x) скорость передачи данных — 150 Кб/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4,3 Мбит/сек "физических" данных). Принципиальное отличие оптических и магнитных дисков просматривается уже в скорости вращения самого диска: магнитные носители вращаются с постоянной угловой скоростью (CAV — Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается с переменной угловой скоростью (CLV — Constant Linear Velocity) — тем самым обеспечивается постоянная линейная скорость для условных точек, находящихся на различном удалении от центра. Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных — с уменьшенным числом оборотов.

Рассмотрим форматы компакт-диска. На сегодняшний день стандартов и форматов компакт-дисков существует множество. Вот некоторые из них: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once) и др. Оптические диски можно также разделить на группы по количеству возможных на них записей: CD-ROM (read only memory) — незаписываемые в домашних условиях диски, CD-R (recordable) — однократно записываемые диски и CD-RW (rewritable) — многократно перезаписываемые диски. Диски CD-ROM производятся на заводах с использованием специальных прессов. CD-ROM-диск имеет трехслойную структуру. В середине находится отражающий металлический слой (из алюминия, иногда золота — для длительного хранения информации), в котором сделаны сферические углубления — питы, а с двух сторон этот слой защищает поликарбонат. Иногда с нечитабильной стороны вместо поликарбоната применяется специальный лак. В этом случае разного рода надписи на диске (непредназначенным для этого маркером) могут стать роковыми. Чтение происходит следующим образом: при попадании луча лазера на ровную поверхность отражающего слоя он (луч), отражаясь, попадает на светочувствительную область привода. На основе явления фотоэффекта (при попадании фотонов на поверхность металла начинается электронная эмиссия, возникает направленное движение электронов) появляется электрический импульс, интерпретируемый как "единица". Если же луч лазера попадает в пит — штампованное с матрицы на заводе небольшое углубление — луч отражается в ином направлении и, как следствие, не попадает на специальную светочувствительную область — отсутствие импульса воспринимается как "ноль". Но это технология 23-летней давности — по ИТ-меркам она должна была умереть от старости. Однако этого не происходит. Компакт-диски все еще очень популярны и не уступают места на рынке Flash-накопителям и магнитооптическим дискам. Однако и эта технология претерпела некоторые изменения. Результатом этих изменений стало появление CD-R- и CD-RW-дисков.

В принципе, CD-R-диски мало чем отличаются от CD-ROM-дисков. В конструкцию внесено лишь одно изменение, но именно оно позволило записывать информацию на такие диски в домашних условиях. Теперь отражающий металлический слой не имеет никаких питов — он абсолютно ровный, а вот между ним и поликарбонатом добавлен еще один слой — далее мы будем называть его регистрирующим слоем. Этот слой представляет собой особое вещество, способное изменять свою светопропускную способность. Обычно используются цианин и фталоцианин. Итак, процесс записи: проходя над определенными зонами, лазер своим лучом нагревает их. Участки регистрирующего слоя при нагревании становятся мутными. При чтении информации эти участки выполняют роль питов, т. к. не отражают луч лазера целиком, а рассеивают его. Если же в данном месте регистрирующий слой прозрачен, луч проходит через него и, отражаясь от металлического слоя, попадает на светочувствительную область. Восстановить прозрачность участков регистрирующего слоя невозможно. С другой стороны, это хорошо: ваша информация надежно защищена от перезаписи. Хотя все равно нет гарантии, ведь прозрачные участки можно сделать непрозрачными (например, подвергнуть диск воздействию ярких солнечных лучей или высокой температуры) — тогда данные будут потеряны.

Теперь давайте рассмотрим CD-RW-диск. От CD-R-диска его мало что отличает. Можно даже сказать, что у них единственное различие, но оно является основополагающим для метода перезаписи информации. Регистрирующий слой CD-RW-диска представляет собой более сложное по составу и дорогостоящее вещество (этим объясняется разница в цене CD-RW- и CD-R-дисков). Основное свойство этого вещества — некоторые особенности фазовых состояний, а именно: фазовые состояния легко регулируются при помощи температурного воздействия. Вещество может быть либо кристаллическим и прозрачным, либо аморфным и мутным. Оно проявляет т.н. аморфные свойства. При нагревании оно не переходит сразу в жидкое состояние, а становится вязким и мутным — аморфным. На этом и основан принцип записи в CD-RW-дисках: проходя над определенной областью диска, мощный луч лазера нагревает регистрирующий слой до высокой температуры и отключается. Участок изначально кристаллического слоя после сильного нагревания становится аморфным, а резкое остывание (после отключения лазера) фиксирует это состояние. Процесс чтения полностью аналогичен процессу чтения CD-R-диска. Как же происходит перезапись? А все очень просто: из аморфного состояния в кристаллическое вещество переходит после небольшого нагревания. Хоть и очень медленно, но этот процесс идет и при нормальных условиях. Лучше всего это видно на примере меда. Все мы знаем, что собой представляет мед: вязкая мутновато-прозрачная субстанция. А что с ним произойдет через пару-тройку лет покоя в далеком шкафу? Он "засахарится", т.е. кристаллизуется. Так что из-за аналогичных процессов в регистрирующем слое через несколько лет информация на вашем CD-RW-диске будет безвозвратно утеряна. Но, с другой стороны, если бы не этот обратный процесс, CD-RW-диски были бы однократно записываемыми. Кстати, теоретически в домашних условиях можно сделать CD-RW-диск из круглого зеркальца диаметром 12 см, меда (который нужно тонким слоем нанести на зеркальце) и круглого стекла того же диаметра (им мы прикрываем сверху наш кустарный диск, чтобы весь мед не оказался на стенках привода). Дерзайте, любители нестандартных решений. Убедительная просьба сообщить о результатах:).

Напоследок хочется отметить одну особенность чтения CD-RW-дисков. Дело в том, что даже в аморфном состоянии регистрирующий слой отражает-таки небольшое количество света. Поэтому небольшая его часть попадает на светочувствительную область. Следовательно, возникает, хоть и небольшой, электрический импульс. В таких условиях разделение на импульс ("единица") и отсутствие импульса ("ноль") не подходит. Для CD-RW-дисков необходимо разделение по принципу слабый импульс ("ноль") и стандартный импульс, полное отражение луча ("единица"). Именно поэтому большинство музыкальных устройств не работают с CD-RW-дисками.
В последнее время появилась еще одна группа дисков — DVD-диски. Принципы их устройства абсолютно совпадают с описанными выше. В чем же отличие? Отличие в длине волны луча лазера. Ее значительное уменьшение позволило столь же значительно уменьшить и размеры пита. Уменьшенный пит — это большее их количество, более высокая их плотность, а ведь это и есть плотность хранения данных. Именно более короткая волна лазера позволила так сильно увеличить емкость этой круглой пластмасски.

Режимы записи информации на диски
Как известно, для записи диска одного желания недостаточно. Для этого необходим сам диск, записывающий привод и специальное программное обеспечение компьютера. Поскольку диск, как уже упоминалось вначале, представляет собой непрерывную цепочку питов в виде спирали, направленной от центра, то и процесс записи должен представлять собой непрерывный процесс, или сессию (на этом слове все студенты недовольно сморщили лица). Различается два основных режима записи CD-R: DAO (Disk At Once — весь диск за один прием) и TAO (Track At Once — одна сессия за один прием). При записи методом TAO лазер включается в начале каждой дорожки и отключается в ее конце; в точках включения и выключения лазера формируются серии специальных кадров — run-in, run-out и link, — предназначенные для связывания дорожек между собой. Стандартный промежуток содержит 150 таких кадров (2 секунды).

При записи методом DAO лазер включен на протяжении записи всего диска. Диск, записанный за один прием, является наиболее универсальным и считывается любыми CD-ROM с любым файловым диспетчером, однако после записи невозможно дописывание на диск новых данных, а режим TAO поддерживается не всеми записывающими приводами. Этот режим также желателен для записи мастер-дисков для последующего тиражирования путем штамповки: большинство типовых станков для изготовления матриц воспринимают только непрерывно записанные оригиналы. В режиме TAO пишутся мультисессионные диски, допускающие последующее продолжение записи данных; при этом для сессии записывается только зона Lead In (открытая сессия). При записи каждой последующей сессии предыдущая закрывается путем записи зоны Lead Out, за которой следует Lead In новой сессии. На эти две зоны расходуется дополнительно 13,5 Мб (6750 кадров) дискового пространства. Поэтому сразу совет: чтобы открытие и закрытие сессий не поглощало ваше дисковое пространство, лучше всего перед дописыванием диска скопировать его содержимое в компьютер, очистить диск и записать старую и новую информацию вместе одной сессией. По стандарту, чтобы нормально считываться во всех устройствах, диск должен быть закрыт (Closed) путем записи выводной зоны Lead Out. Закрытие диска повышает вероятность его успешного считывания в других приводах, однако лишает возможности дописывания дополнительных сессий.

Воронович Александр, lugg3r@tut.by


Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 07 за 2005 год в рубрике hard :: приводы

©1997-2022 Компьютерная газета