Устройства записи информации
Введение
У человека всегда была потребность сохранить результаты его трудов, будь они
материальными или умственными. Для этой цели издавна использовались различные
способы: древний человек вёл записи с помощью рисунков, т. к. он не владел
письменностью, с появлением письменности появилась и возможность более
информативно излагать свои мысли, для чего стали использоваться глиняные
таблички, папирусы, бумага, береста и даже каменные стены. Но с развитием
человеческой цивилизации, с развитием различных наук количество информации,
подлежащей сохранению, постепенно увеличивалось и приходилось придумывать новые
методы или улучшать старые. Так ещё в 1041-48 г.г. в древнем Китае были
предприняты первые опыты книгопечатания (Би Шэн), которое в 15-16 в.в. получило
распространение в Европе, а создание в 1814 печатной машины положило начало
современной полиграфии. Тогда же, в 16 в., итальянец Ромнецатто изобрёл “пишущее
пианино”, правда, не получившее распространения, а вообще с тех пор было
запатентовано и создано около 300 различных конструкций пишущих машинок, хотя
практическое применение нашли лишь 25-30 из них. Хотя это были и весьма
несовершенные конструкции, они существенно подняли индивидуальную
производительность. В 1857 г. англичанин Леон Скотт создал первое устройство,
регистрирующее акустические колебания, а в 1878 г. американцем Томасом Эдисоном
по такому же принципу был создан фонограф, позволявший записывать и
воспроизводить различные звуки и человеческую речь. Так появились первые
устройства механической записи информации, а 40-50-х г.г. нашего столетия
появилась первая технология записи информации на магнитные носители, что вывело
этот процесс на принципиально новый уровень.
С развитием компьютерной техники объёмы информации в электронной форме начали
стремительно возрастать. Программы для ПК и объём обрабатываемой и сохраняемой
ими информации исчисляется не десятками или сотнями килобайт, как на заре
компьютерной эры, а десятками и сотнями мегабайт, к тому же возросла и ценность
самой информации. Всё это обусловило потребность в ёмких, быстрых и надёжных
устройствах записи информации.
На сегодняшний день существует 3 основных технологии записи информации:
электронная (чипы памяти различных видов), магнитная (жёсткие (гибкие) диски,
стримеры, накопители на сменных дисках большой ёмкости (Iomega Zip, Iomega Jaz и
др.)), оптическая (оптические диски CD-ROM, DVD и др.) и магнитооптическая.
Оптическая технология
Накопители на CD (приводы CD-ROM и др.)
На сегодня существует три оптических технологии (о 4-ой (DVD) речь пойдёт в
отдельной главе) – это собственно CD-ROM (функционально соответствует ПЗУ,
потому и ROM), дисководы WORM (Write Once Read Many times) и последний,
известный под именами перезаписываемый оптический, стираемый оптический или
CD-RW (ReWritable).
CD-ROM
Музыкальные оптические компакт-диски пришли на смену виниловым в 1982 году -
примерно в то же время, когда появились первые персональные компьютеры фирмы
IBM. Эти устройства явились результатом плодотворного сотрудничества двух
гигантов электронной промышленности - японской фирмы Sony и голландской Philips.
Строго определенная емкость компакт-дисков связана с такой интересной историей.
Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита решил, что компакт-диски должны
отвечать запросам исключительно любителей классической музыки - не более и не
менее. После того, как группа разработчиков провела опрос, выяснилось, что самым
популярным классическим произведением в Японии в те времена была 9-я симфония
Бетховена, которая длилась 72-73 минуты. Поэтому было решено, что компакт-диск
должен быть рассчитан именно на 74 минуты звучания, а точнее, на 74 минуты и 33
секунды. Так родился стандарт, известный как “Красная Книга” (Red Book). Когда
74 минуты пересчитали в килобайты, получилось 640 Mb.
Специалисты же Philips определили минимальные требования к качеству записи звука
и регламентировали, например, такие характеристики аудио компакт-дисков, как их
размер, метод кодирования данных и использование единой спиральной дорожки.
Две вышеназванные фирмы сыграли также ведущую роль при разработке первой
спецификации цифровых компакт-дисков - так называемой “Желтой Книги” (Yellow
Book), или просто CD-ROM. Она послужила основой для создания компакт-дисков с
комплексным представлением информации, то есть способных хранить не только
звуковые, но и текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CD-DA). При
этом привод, читая заголовок диска, сам определял его тип - аудио- или цифровые
данные. В этом формате, однако, не регламентировались логические и файловые
форматы компакт-дисков, поскольку решение данных вопросов было полностью отдано
на откуп фирмам-производителям. Это, в частности, означало, что компакт-диск,
соответствующий требованиям “Желтой Книги”, мог работать только на конкретной
модели накопителя. Такое положение дел, особенно в связи с большим коммерческим
успехом компакт-дисков, разумеется, не могло удовлетворить производителей
подобных устройств. В общих интересах необходимо было срочно найти компромисс.
Именно поэтому вторым стандартом де-факто для цифровых компакт-дисков стала
спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High Sierra. Этот документ
носил, вообще говоря, рекомендательный характер и был предложен основными
производителями цифровых компакт-дисков с целью обеспечить хотя бы некоторую
совместимость. Данная спецификация определяла уже как логический, так и файловый
форматы компакт-дисков.
Созданная спецификация оказалась настолько привлекательной, что стандарт
ISO-9660 (1988 год) для цифровых компакт-дисков, в принципе совпадал с основными
положениями HSG. Заметим, что все компакт-диски, соответствующие требованиям
стандарта ISO-9660, который определяет их логический и файловый форматы,
являются совместимыми друг с другом. В частности этот документ определяет, каким
образом найти на компакт-диске его содержимое (Volume Table Of Contents, VTOC).
Базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во многом напоминал формат
флоппи-диска. Как известно, системная дорожка (трек 0) любой дискеты не только
идентифицирует сам флоппи-диск (его плотность, тип используемой ОС), но и хранит
информацию о том, как он организован по директориям, файлам и поддиректориям.
Инициирующая дорожка данных на компакт-диске начинается со служебной области,
необходимой для синхронизации между приводом и диском. Далее расположена
системная область, которая содержит сведения о структурировании диска. В
системной области находятся также директории данного тома с указателями или
адресами других областей диска. Существенное различие между структурой
компакт-диска и, например, дискетой заключается в том, что на CD системная
область содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно облегчить их
поиск.
Международный стандарт ISO-9660 описывает файловую систему на CD-ROM. ISO-9660
первого уровня напоминает файловую систему MS-DOS: имена файлов могут содержать
до 8-ми символов, расширение имени файла (состоящие из 3-х символов) отделяется
от имени файла точкой. Имена файлов не могут содержать специальных символов
(“~”, “-”, “+”, “=”). При именовании файлов используются символы только верхнего
регистра, цифры и символ “_”. Имена каталогов не могут иметь расширений. Каждый
файл имеет версию; номер версия отделяется от расширения символом “;”. Каталоги
могут иметь вложенности 8. Стандарт ISO-9660 второго уровня позволяет
использовать в именах файлов до 32 символов, накладывая описанные выше
ограничения. Диски, созданные с применением такого стандарта, не могут
использоваться в ряде ОС, в том числе и MS-DOS.
Спецификация CD-I (Interactive) была предложена в 1988 году. Этот стандарт
определял использование дискового плеера без подключения его к компьютеру.
Устройством отображения в данном случае должен был стать, например, обыкновенный
телевизор. Разумеется, что использовался и его стандартный звуковой канал. Кроме
этого, CD-I предлагала несколько уровней качества воспроизведения аудио- и
графической информации. Данная спецификация изложена в “Зеленой Книге” (Green
Book). Заметим, что так называемые CD-I-Ready-диски являются некой смесью между
аудио-CD (Red Book) и мультимедиа-диском (Green Book). Таким образом, на
аудиоплеере прослушивается только звуковая информация, а на устройстве CD-I
воспроизводится вся вместе.
Стандарт CD-ROM XA был создан в 1990 году усилиями фирм Microsoft, Philips и
Sony как “мост” между CD-ROM и CD-I. Таким образом, ХА-диск мог воспроизводиться
на CD-I-плеере или приводе, отвечающем стандарту Yellow Book (при использовании
специального программного обеспечения). Формат спецификации CD-ROM XA совместим
сверху вниз с форматами, рекомендованными High Sierra и ISO-9660. Однако в новой
спецификации заложено уже гораздо больше возможностей. Во-первых, формат ХА
позволяет осуществлять много сеансовую запись на диск. Во-вторых, основной
отличительной особенностью приводов CD-ROM ХА является так называемая техника
чередования (interleaving). Спецификация ХА позволяет одновременно хранить на
диске графические, текстовые и звуковые данные, причем графика может включать
как стандартные картинки и анимацию, так и полнообъемное видео (full-motion).
Другой отличительной особенностью спецификации ХА является сжатие звуковых
данных, что позволяет хранить на одном диске до нескольких часов аудиоинформации
вместо обычных 74-х минут. Кстати, именно из-за сжатия минимальная скорость
передачи информации не должна быть меньше 150 Кбайт/с.
Еще одна спецификация, принятая в 1991 году и изложенная в “Оранжевых Книгах”
(Orange Books), относится к записываемым и стираемым дискам. В первой книге речь
идет о магнитооптических дисках (CD-MO), которые допускают как стирание, так и
перезапись информации. Вторая книга посвящена накопителям с однократной записью
типа WORM. К подобным накопителям относятся устройства, отвечающие, например,
спецификации CD-ROM XA.
В 1993 году была анонсирована еще одна книга - White Book (“Белая”). В ее
создании приняли участие JVC, Matsushita, Philips и Sony. В этом документе
определялись основные параметры видео-СД - компакт-диска, на котором можно было
хранить 72 минуты высококачественного видео вместе со стереозвуком. Хранение
данных на видео-CD базируется на методе сжатия информации, называемом MPEG
(Motion Picture Experts Group). Видео-CD могут воспроизводиться на специальных
видео-CD-плеерах, CD-I-плеерах со специальным картриджем “Digital Video”, а
также на компьютере со специальной платой MPEG-декодера и приводом CD-ROM.
Спецификация White Book является в настоящее время идеальным средством для
хранения цифрового видео - это единственный стандартный путь воспроизведения
видео на мультимедиа-PC.
После принятия спецификации White Book были пересмотрены и переделаны с ее
учетом первые версии стандарта Green Book. Мир цифрового видео стал принадлежать
“Белой Книге”.
В конце 1994 года были анонсированы так называемые музыкальные
мультимедиа-компакт-диски. Эта спецификация носит название CD Plus. Подобные
диски содержат две части, одна из которых - аудио, а другая - CD-ROM. Записанную
музыку можно прослушивать на аудиоплеере, а доступ к мультимедиа-информации (и
музыке) возможен на приводе, подключенном к ПК.
Итак, были рассмотрены практически все наиболее распространенные форматы
хранения данных на CD-ROM. Как уже было сказано, отличительной особенностью всех
этих форматов является их отличие от файловой системы, используемой в MS-DOS.
Таким образом, для доступа к данным, хранимым на CD-ROM, необходимо
преобразование форматов. Для этих целей фирма Microsoft выпустила специальный
драйвер, который называется Microsoft CD Extention (mscdex.exe). Он входит в
комплект поставки MS-DOS, а также поставляется практически со всеми приводами
CD-ROM.
Устройство и принцип работы
Как известно, большинство накопителей бывают внешними и встраиваемыми. Приводы
компакт-дисков в этом смысле не являются исключением. Большинство предлагаемых в
настоящее время накопителей CD-ROM относятся к встраиваемым. Внешний накопитель,
как правило, стоит дороже.
На передней панели каждого накопителя имеется доступ к механизму загрузки
компакт-диска в привод. Также там расположены индикатор работы устройства
(обычно Busy), гнездо для подключения наушников или стереосистемы (для
прослушивания аудиодисков), а также регулятор громкости (также для аудио-CD).
Кроме того, при использовании контейнера на передней панели имеется отверстие, с
помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например
если не срабатывает кнопка Eject.
На задней панели практически всех без исключения приводов CD-ROM находятся по
крайней мере три разъема: интерфейсный, питания и аудио. Разъем для вывода звука
позволяет подключать привод к звуковой карте. Это удобно при прослушивании
аудиодисков, поскольку не требует переключения акустической системы или
наушников с одного гнезда на другое.
Кроме этих разъёмов при использовании SCSI-интерфейса с задней панели привода
доступны также резисторы-терминаторы устройства и набор перемычек (jumpers), или
переключателей (switches), которые определяют номер устройства и режим работы.
В приводе компакт-дисков можно выделить несколько базовых элементов: лазерный
диод, сервомотор, оптическую систему (включающую в себя расщепляющую призму) и
фотодетектор.
И так, считывание информации с компакт-диска, также как и запись, происходит при
помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Сервомотор по команде
внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет
точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, попадая на
отражающий свет островок, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор,
который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во
впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль
(цифровая информация представляется чередованием впадин (неотражающих пятен) и
отражающих свет островков). В качестве отражающей поверхности компакт-дисков
обычно используется алюминий. Вся поверхность компакт-диска покрыта прозрачным
защитным слоем.
В отличие от, например, винчестеров, дорожки которых представляют собой
концентрические окружности, компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в
форме непрерывной спирали, идущей от внутреннего диаметра к наружному. Тем не
менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.
В то время, как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в
минуту, т.е. с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity),
компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить
постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким
образом, чтение внутренних секторов осуществляется с увеличенным, а наружных - с
уменьшенным числом оборотов. Именно этим обусловливается достаточно низкая
скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с
винчестерами.
Интерфейсы
Довольно часто фирмы производители поставляют привод CD-ROM с обязательной
картой контроллера, на которой реализован так называемый (собственный)
proprietary-интерфейс. Обычно это собственная реализация одной из версий
интерфейсов IDE или SCSI. Часто при покупке накопителя на CD-ROM в составе
Multimedia Kit на звуковой карте находится именно proprietary-интерфейс.
Стандартами де-факто для интерфейсов приводов компакт-дисков стали спецификации
Mitsumi, Panasonic и Sony. Одним из популярных интерфейсов всех приводов,
включая приводы CD-ROM, является IDE, SCSI или SCSI-2.
Как известно, отличительной особенностью интерфейса IDE является реализация
функции контроллера в самом накопителе. Именно поэтому подключение подобных
приводов к компьютеру выполняется непосредственно к IDE контроллеру на
материнской плате ПК. Данный интерфейс поддерживает, как правило, программный
ввод-вывод.
Компания Western Digital разработала так называемую спецификацию Enchanced IDE.
Этот документ поддержали практически все ведущие компании по производству
накопителей. Новый интерфейс позволяет подключать одновременно до четырех
приводов жестких дисков. Но самое главное, спецификация Enchanced IDE позволяет
не только увеличить количество подключаемых устройств, но и использовать другие
типы устройств, например приводы CD-ROM или стримеры. В частности, Western
Digital для поддержки накопителей CD-ROM с интерфейсом IDE предлагает протокол
ATAPI (ATA Packed Interface). ATAPI является расширением протокола ATA и требует
незначительных изменений в системной BIOS. В общем случае используется
специальный драйвер. В последнее время появились накопители, которые
поддерживают не только интерфейс IDE, но и EIDE/ATAPI.
Как известно, интерфейс SCSI стал одним из важнейших промышленных стандартов для
подключения таких периферийных устройств, как, например, винчестеры, стримеры,
лазерные принтеры, приводы CD-ROM и т.п. Необходимо отметить, что SCSI -
интерфейс более высокого уровня, нежели IDE. Физически SCSI-шина представляет
собой плоский кабель с 50-контактными разъемами, через которые можно подключить
до восьми периферийных устройств.
Версия интерфейса SCSI-2 позволяет повысить пропускную способность магистрали за
счет увеличения тактовой частоты обмена и сокращения критических временных
параметров шины, применения новейших БИС и высококачественных кабелей. Таким
образом реализуется “скоростной” вариант SCSI-2 - Fast SCSI-2. “Широкий” (Wide
SCSI-2) вариант магистрали, предусматривает наличие дополнительных 24 линий
данных благодаря подключению второго 68-проводного кабеля (для приводов CD-ROM
не применяется). Обычно скорость передачи данных по шине SCSI(-2) для приводов
CD-ROM достигает от 1.5-2 до 3-4 Mbайт/с.
Несмотря на стандартность интерфейса SCSI, проблема совместимости приводов с
SCSI-адаптерами по-прежнему остается. В случае реализации собственного
интерфейса подключение других устройств, кроме привода CD-ROM, достаточно
проблематично. Здесь следует отметить, что существует спецификация ASPI
(Advanced SCSI Programming Interface), которую разработала фирма Adaptec -
ведущий производитель адаптеров SCSI. В том случае, если производитель
SCSI-устройства поставляет ASPI-совместимый драйвер, то он совместим со всеми
host-адаптерами или интерфейсными картами Adaptec и большинства других
производителей.
Какой же из интерфейсов предпочтительней использовать в IBM PC-совместимых
компьютерах для приводов CD-ROM? Хотя теоретически интерфейс SCSI может
обеспечить скорость обмена несколько выше, нежели IDE, на практике все обстоит
несколько сложнее. Не следует забывать, например, тот факт, что IDE-интерфейс
использует в основном программный ввод-вывод, а SCSI-устройства в большинстве
случаев - передачу данных по прямому доступу к памяти. В однопользовательских
системах программный ввод-вывод часто оказывается гораздо эффективнее. Это
особенно четко проявляется при использовании улучшенных алгоритмов кэширования.
Преимущество SCSI-адаптеров неоспоримо в первую очередь в многозадачных и
многопользовательских системах. Дело в том, что команды для SCSI-устройства
могут быть построены в очередь, что освобождает процессор для выполнения других
операций. Кроме того, если привод CD-ROM используется в локальной сети как
коллективное устройство, альтернативы SCSI, пожалуй, пока нет.
С другой стороны, установка IDE-привода достаточно проста. В большинстве случаев
справедлив принцип “включай и работай”. Для нормальной работы в файлы
конфигурации системы обычно не требуется добавлять никаких дополнительных
программных драйверов.
Для SCSI-адаптера процесс установки более сложен. Во-первых, следует помнить о
разделяемых системных ресурсах: портах ввода-вывода, прерываниях IRQ, каналах
прямого доступа к памяти DMA, областях в верхней памяти UMB. Во-вторых,
требуется верно определить SCSI ID для конкретного устройства, в-третьих, не
следует забывать, сигнале четности (запретить или разрешить), установке
терминаторов и т.д. Кроме того, файлы конфигурации обязательно должны быть
дополнены соответствующими программными драйверами адаптера и устройств.
Что же касается стоимости, то SCSI-адаптера обычно в компьютере нет, и его
приходится покупать дополнительно хотя в последнее время появились модели
материнских плат, имеющих встроенную поддержку SCSI интерфейса.
Основные параметры приводов
Скорость доступа (access time) определяет среднее время (в миллисекундах),
необходимое для обнаружения и загрузки первого блока данных во внутренний буфер.
Стандарт MPC 1 устанавливает такое время в одну секунду или менее, но
большинство современных приводов имеют скорость доступа около 0.3 с. Разумеется,
этот параметр не включает в себя время, необходимое для выхода двигателя на
рабочий режим.
Скорость передачи данных (data-transfer rate) зависит от двух факторов -
плотности данных и скорости вращения диска. Под плотностью в данном случае
понимают количество бит (впадин) на дюйм (или миллиметр). Так, для 16-битного
стереосигнала качества аудио-CD (частота 44.1 кГц) скорость должна быть 1.4
Mbита/с. Разделив это значение на число бит в байте (8), мы получим 176.4
Кбайта/с - усредненное значение для скорости передачи данных. Стандарт МСР 1
определяет скорость передачи данных как 150 Кбайт/с, МСР 2 - 300 Кбайт/с.
Сравнительно недавно появились модели приводов с 24-х, 32-х и даже 40-х
скоростью передачи данных.
Под размером блока данных (data block size) понимают минимальное количество
байт, которые передаются на компьютер через интерфейсную карту. Иначе говоря,
это единица информации, с которой оперирует контроллер привода. Минимальный
размер блока данных в соответствии со спецификацией МРС равен 16 Кбайт.
Поскольку файлы на компакт-диске обычно достаточно большие, то промежутки между
блоками данных ничтожно малы.
Размер буфера - размер внутреннего буфера (кэш-памяти),в который считываются
файлы перед их передачей. Стандарт МРС устанавливает размер буфера в 64 Кбайт, а
это в буфере будет находиться около 0.4 секунды 16-битного стереосигнала
качества CD-Audio (частоты 44.1 кГц). Для скоростных устройств размер буфера
может достигать 256 Кбайт и даже 1 Mbайта.
Поддержка проигрывания аудиодисков означает, что с помощью привода CD-ROM вы
сможете слушать обычные музыкальные компакт-диски. Этой возможностью обладают
практически все современные модели приводов. Некоторые модели не требуют для
этого специальных программ - воспроизведение аудио-CD выполняется на
“аппаратном” уровне. Для включения этого режима на передней панели привода
имеется специальная кнопка.
Поддержка формата CD-ROM/XA. Подразумевается использование дисков формата ХА,
поддерживающего хранение аудио- и видеоданных единым блоком, в который также
включается информация о синхронизации звука. Данные на аудиодисках и CD-ROM
хранятся на дорожках, вмещающих 24-байтовые “кадры”, проигрываемые со скоростью
75 кадров в секунду. Хранящиеся данные могут включать звук, текст, статические и
динамические изображения. При содержании в обычном формате каждый тип должен
располагаться на отдельной дорожке, когда в формате ХА данные различного типа
могут храниться на одной дорожке.
Тип загрузки диска. Существует два типа приводов CD-ROM. В первом случае диск
устанавливается напрямую (например, в приводах Mitsumi). Во втором случае для
установки диска используется специальная кассета (в настоящее время вышла из
употребления).
WORM технология
В настоящее время технология WORM лучше всего проявляет себя в трёх областях:
накопление данных, хранение резервных архивов информации и в системах
восстановления данных. Все эти области системы WORM вносят также много
одинаковых физических достоинств. WORM-системы очень хороши для составления баз
данных, когда не подразумевается изменение записанной информации.
Магнитооптические накопители и накопители типа WORM являются относительно
низкоскоростными по сравнению с другими рассматриваемыми здесь устройствами
внешней памяти. Это обуславливается несколькими причинами. Во-первых, оптический
носитель вращается, как правило, с меньшей скоростью, чем жесткие магнитные
диски - обычно около 3000 - 4200 об/мин (против скоростей для винчестерских
накопителей от 3600 до 7200 об/мин). Второй фактор - это характерная для
оптического носителя высокая интенсивность ошибок, которые требуется исправлять.
Оптический носитель в принципе является более ненадежным (при
записи/воспроизведении, но не хранении), чем магнитный, и поэтому для работы с
ним требуются сложные алгоритмы исправления ошибок. А это приводит к потерям в
скорости обмена данными примерно на 3-5 %. Оптические накопители характеризуются
также более длительным временем доступа. Их среднее время установки головки
составляет от 30 до 50 мс против 10-16 для НЖМД, а время ожидания ( пока нужный
сектор данных не окажется под головкой чтения/записи) составляет 13 мс против
8-15 мс для НЖМД.
WORM системы используют довольно мощный лазер для записи информации. С помощью
лазера WORM-устройства обрабатывают поверхность диска для изменения отражающей
способности определённых участков диска или для удаления ямок с его поверхности
(это достигается за счёт изменения поверхностного натяжения рабочей поверхности
диска под действием температуры).
CD-r технология
Основная цель большинства разработчиков оптических дисков – создание продукта,
который сочетал бы в себе все преимущества оптических носителей (большое время
жизни, надёжность хранения информации, большая плотность носителя) с гибкостью,
скоростью и простотой использования обычных магнитных дисков. Кроме того
носитель должен быть стираемый и перезаписываемый. Эти требования смогли быть
осуществлены с помощью двух технологий.
Красящий полимер
Первым и получившим наибольшую известность примером данной технологии является
система THOR фирмы Tandy. Как и все остальные сделанные по этой технологии
системы THOR основывается на полупрозрачных дисках с подкрашенным внутренним
слоем, который обесцвечивается от нагрева лазером. Меняется отражательная
способность диска. Второй лазер разглаживает рабочую поверхность диска,
эффективно стирая ранее записанные данные.
Изменение фазы
В оптических системах, использующих изменение фазы, состояние активного слоя для
сохранения нулей и единиц цифрового кода изменяется от кристаллического к
аморфному и обратно. Материал, использующийся для записи, может быть в виде
правильно упорядоченной кристаллической решётки или в виде хаотически
расположенных молекул. Так, после нагрева лазером, хотя химический состав
носителя не изменился, его отражательная способность меняется. В результате
носитель оказывается как бы состоящим из светлых и тёмных пятнышек, которые
могут использоваться для кодирования информации.
Эти изменения состояния эффективнее аналогичных изменений носителя в
WORM-устройствах. Несколько коммерческих продуктов используют эту технологию для
получения устройств двойного назначения: один дисковод работает и с WORM-дисками
и с CD-r дисками. Примером является продукт Hewlett Packard CDWriterPlus 7200i.
Магнитооптические системы.
Все оптические устройства можно разделить на два класса. Это накопители,
предназначенные для записи информации пользователем и ее хранения, и приводы
CD-ROM. Накопители подразделяются на устройства с однократной записью - WORM
(Write Once Read Many) и перезаписываемые. Последние в свою очередь делятся на
оптические, в которых для записи используется луч лазера, изменяющий оптические
свойства среды, и магнитооптические, в которых запись осуществляется изменением
намагниченности подложки из ферромагнитного материала путем нагревания с помощью
луча лазера ее небольшого участка во внешнем магнитном поле. Обе технологии
обеспечивают примерно одинаковые параметры. Крупнейшими производителями таких
устройств являются японские компании Sony (оптические) и Fujitsu
(магнитооптические).
Принципиальное отличие оптических и магнитооптических накопителей от приводов
CD-ROM связано с разными форматами записи информации. Так, для первого класса
изделий информация располагается на концентрических дорожках, как и в
винчестерах, то есть запись и соответственно воспроизведение осуществляются с
постоянной угловой скоростью. Отсюда тот же, что и в винчестерах, подход к
повышению производительности - увеличение скорости вращения и плотности записи
для увеличения скорости передачи данных, уменьшение массы считывающего
устройства - для увеличения скорости его перемещения и уменьшения времени
доступа и т.д. Есть, правда, одно серьезное отличие - необходимо обеспечивать
совместимость с изделиями других фирм (поскольку носители сменные), т.е. жестко
придерживаться существующих стандартов. Кроме того, необходимо обеспечивать
совместимость с предыдущими стандартами, т.к. плотность записи постоянно
увеличивается.
Запись информации в магнитооптических накопителях осуществляется на диск из
стекла или прозрачного поликарбоната, содержащий магнитный слой из сплава
тербия, железа и кобальта (либо другой коMbинации с участием редкоземельных
элементов). Этот сплав обладает необходимыми магнитными свойствами и имеет
низкую - около 300 градусов Цельсия - температуру Кюри. С помощью луча лазера
небольшой мощности можно очень быстро нагреть небольшой участок магнитного слоя,
около 0.5 кв. Микрона, до более высокой температуры, так что при охлаждении даже
в достаточно слабом внешнем магнитном поле участок оказывается намагниченным в
направлении этого внешнего магнитного поля. Поле прикладывается перпендикулярно
поверхности диска. Меняя направление этогополя, можно по- разному намагничивать
разные участки, осуществляя таким образом запись информации. Для считывания
данных используется эффект Керра, который заключается в изменении направления
поляризации луча, отраженного от намагниченной поверхности. Поскольку в данном
случае направление намагничивания перпендикулярно поверхности диска (так
называемая вертикальная запись), достигается плотность записи информации в 5 раз
выше, чем в винчестерах - более 19 тыс. Дорожек на дюйм.
Сплав, из которого изготовлен активный слой, обладает одной особенностью. Он при
обычной температуре (из-за высокой коэрцитивной силы) не может быть перемагничен
приложенным к нему магнитным полем определенной напряженности. Только при
нагревании (достигнув температуры Кюри) соответствующий участок активного слоя
перемагничивается должным образом.
В настоящее время выпускается магнитооптические накопители, предназначенные для
работы с носителями диаметром 3.5 и 5.25 дюйма. Диски помещены в неразборные
картриджи, напоминающие по конструкции 3.5-дюймовые дискеты, таким образом, они
надежно защищены от случайного повреждения. Используя магнитооптические диски,
можно добиться чрезвычайно надежного хранения информации, так как время
сохранности данных определяется фактически стойкостью использованной подложки
(стекло или поликарбонат). Что касается циклов записи, то в испытании на 100
миллионов циклов не было замечено никаких необратимых изменений свойств
магнитного слоя и подложки. Благодаря тому, что головки чтения/записи в них
никогда не касаются диска, обеспечивается высокая устойчивость к вибрациям и
ударным нагрузкам. В магнитооптических дисках, в отличие от магнитных, не
наблюдается самопроизвольное искажение информации, что делает эти устройства
пригодными для долговременного архивирования данных. Они не боятся воздействия
повышенных и пониженных температур, электромагнитных излучений и загрязнений.
Срок гарантированной сохранности информации не магнитооптических дисках, по
разным оценкам, колеблется до 70 лет. Эти устройства вне конкуренции по
вместимости - 5.25 дюймовые диски, заполненные с двух сторон, вмещают до 4.6 Gb
информации. И хотя начальные затраты на приобретение магнитооптического
дисковода (за счет цены дисковода) гораздо выше, чем на приобретение любого
накопителя со сменным магнитным носителем, благодаря высокой емкости и
относительно небольшой стоимости самих дисков стоимость хранения информации на
разных носителях оказывается сравнимой.
Кроме того, в магнитооптическом накопителе запись данных осуществляется таким
образом, что существенно снижается быстродействие. В отличие от накопителя типа
WORM, в котором операция записи выполняется за один оборот диска, в
магнитооптическом накопителе перезапись данных осуществляется за два оборота:
стирание, непосредственно запись и контроль.
В некоторых 5.25-дюймовых МО-дисководах используется технология phase change
(изменение фазового состояния). Эта технология позволяется считывать и
записывать данные за один проход, вместо двух, что вдвое сокращает время
доступа. Однако, записанные таким образом диски несовместимы с традиционными МО
устройствами.
Низкое быстродействие делает эти магнитооптические накопители непригодными для
применения в качестве основной внешней памяти. Это обстоятельство и высокая цена
являются их главными недостатками, которые частично компенсируются приличными
емкостями и нечувствительностью к магнитным полям.
Тем, кто нуждается в хранении очень больших объемов информации, компания
Pinnacle Micro предлагает 4.6 Gb накопитель Apx Optical Hard Drive. Его удобно
использовать, например, для производства звуковой и видеопродукции, а также для
архивации. По заявлению фирмы Pinnacle, ее накопитель работает почти так же
быстро, как некоторые жесткие диски.
Технология DVD
DVD - оптических диски, подобны CD. Под таким девизом уже начат выпуск новых
устройств, знаменующих переход к 17-гигабайтным носителям данных и цифровому
видео. Пора и нам познакомиться с новинкой. О том, что обычные диски CD-ROM,
рожденные для записи звука, не так уж хорошо подходят для компьютеров,
общеизвестно, т.к. существуют сложности вписывания произвольной информации в
структуру диска, соответствующего Красной книге. После нескольких лет обсуждения
(и довольно жесткой конкуренции) различных вариантов улучшенных оптических
дисков, 15 сентября 1995 года между различными группами разработчиков было
наконец достигнуто принципиальное согласие о технических основах создания нового
диска. 8 декабря 1995г. крупнейшие производители приводов CD-ROM и связанных с
ними устройств (Toshiba, Matsushita, Sony, Philips, Time Warner, Pioneer, JVC,
Hitachi and Mitsubishi Electric) подписали окончательное соглашение, утвердив не
только "тонкости" формата, но и название новинки DVD (Digital Video Disk), HDCD
(High Dencity CD — диск высокой плотности записи), MMCD (MultiMedia CD). SD
(Super Density — сверхвысокой плотности).
Впрочем, споры вокруг нового стандарта не завершились с принятием соглашения -
даже название не находит единогласной поддержки в рядах основателей весьма
распространенной является версия расшифровки аббревиатуры как Digital Versatile
Disk (цифровой многофункциональный) диск. Если судьба новинки будет так успешна,
как предвещают, то она может вызвать революцию не только в вычислительной
технике, но и в бытовой электронике.
Отсутствие единого понимания технических, и юридических аспектов нового изделия
затрудняет не только подготовку производства, несмотря на быстро расширяющийся
круг участников лицензионных соглашений и начало выпуска первых устройств.
Аппаратные средства
"Первый DVD форум" также не дал окончательной редакции стандартов нового
носителя информации. DVD - сколько, где и как. Начнем с технических
характеристик.
DVD может существовать в нескольких модификациях. Самая простая из них
отличается от обычного диска только тем, что отражающий слой расположен не на
составляющем почтиполную толщину (1,2 мм) слое поликарбоната, а на слое
половинной толщины (0,6 мм). Вторая половина — это плоский верхний слой. Емкость
такого диска достигает 4,7 GB и обеспечивает более двух часов видео
телевизионного качества (компрессия MPEG-2). Кроме того, без особого труда на
диске могут дополнительно сохраняться высококачественный стереозвук (на
нескольких языках!) и титры (также многоязычные). Если оба слоя несут информацию
(в этом случае нижнее отражающее покрытие полупрозрачное), то суммарная емкость
составляет 8,5 GB (некоторое уменьшение емкости каждого слоя вызывается
необходимостью сократить взаимные помехи при считывании дальнего слоя). Toshiba
и Time Warner предлагают использовать также двухсторонний двухслойный диск. В
этом случае его емкость составит 17 GB!
Уже этой характеристики достаточно, чтобы представить себе воздействие, которое
может оказать такой диск на кино/видеоиндустрию. Недаром значительная часть
споров и задержек с производством устройств DVD вызвана согласованием
разнонаправленных способов защиты авторских прав. Цифровые системы, как
известно, сохраняют качество сигнала при копировании и уже не служат
препятствием для создания нелицензионных копий. Поэтому Ассоциация
кинопроизводителей Америки (МРАА — Motion Picture Association of America)
совместно с Ассоциацией производителей бытовой электроники (Consumer Electronics
Manufacturer's Association) обсуждает возможности встраивания защиты от
нелицензионного копирования непосредственно в устройства, а также законопроекты,
связанные с защитой от копирования. Предлагаются не только исключение
возможности прямого копирования диска, но и более серьезные меры, такие как
модификация операционной системы с целью недопущения копирования данных,
считанных с DVD на другие носители. Радикальная мера - модификация архитектуры
ПК с целью принципиального исключения возможности попадания DVD-данных на
системную шину, откуда они далее могут быть скопированы.
Рабочая группа (Technical Working Group), представляющая интересы производителей
компьютеров, не остается в стороне, так как сужение функциональных возможностей
устройств может оказаться не безболезненным. Отметим только, что если
кино/видеопроизводство примет DVD как носитель, то, учитывая очень низкую
стоимость экземпляра диска при многотиражном выпуске, можно ожидать
действительно революционных изменений в домашней электронике.
Как же достигается столь значительное увеличение объема информации на DVD диске?
Для ответа на этот вопрос сравним его со знакомым нам CD-ROM. Главное отличие,
конечно, в повышенной плотности записи информации. За счет перевода считывающего
лазера из инфракрасного диапазона (длина волны 780 нм) в красный (с длиной волны
650 нм или 635 нм) и увеличения числовой аппаратуры объектива до 0,6 (против
0,45 в CD) достигается более чем двукратное уплотнение дорожек и укорочение
длины отражающих питов (выступов/впадин).
Изменилась не только физическая плотность размещения информации на диске, но и
способы ее представления. Так, на смену способу модуляции 8/14 (EFM - eight to
fourteen modulation) пришел способ, называемый EFM+. Он отличается несколько
иным алгоритмом преобразования и, главное, требует ввода на границе следующих
друг за другом 14-разрядных кодов не трех, а только двух дополнительных битов,
поддерживающих условие ограниченности размеров пита в диапазоне от 3 до 11 битов
(т. е. между двумя последовательными единицами после кодирования не менее 2 и не
более 10 нулей). Таким образом, из каждого байта получаем не 14+3=17, а 14+2=16
кодовых битов. Изменение метода модуляции - только одно из множества форматных
изменений, позволяющих в целом увеличить объем сохраняемых данных. Собственно
переход к EFM+ добавляет еще почти 6% к объему диска. Более мощный механизм
коррекции ошибок RS-PC (Red Solomon Product Code) обещает быть на порядок более
устойчивым к возможным ошибкам воспроизведения.
Из неназванных еще характеристик отметим номинальную скорость передачи данных -
1108 Кб/с, поддерживаемую при постоянной линейной скорости (CLV — constant
lineal velocity) 4 м/с.
Не следует особо обольщаться - увеличивается на порядок также и объем данных,
которые нам хотелось бы прочитать без ошибок. Кроме того, резкое уменьшение
отдельных элементов на отражающей поверхности неизбежно приведет к увеличению
количества случайных сбоев при чтении.
Стандарты, форматы, файлы
Пользователи, активно работающие с компакт-дисками, знают, насколько
разнообразны и трудно совместимы различные виды этих дисков. Ничего
удивительного. Стандарты де-факто на различные виды дисков принимались часто в
конкурентной борьбе. С DVD все может быть по-другому: это устройство
представляется едва ли не единственным высокотехнологичным техническим решением
последних десятилетий, стандарты которого обсуждаются столь значительной группой
производителей (в альянс вошло более 10 крупнейших корпораций).
Как и стандарты на CD, требования к DVD изложены в "книгах". Но, в отличие от
уже знакомых нам "цветных книг", эти "упорядочены по алфавиту". В настоящий
момент обсуждаются пять книг - от "А" до "Е". Книга может содержать до трех
частей. При этом, в первой части описываются физические спецификации, во второй
- файловая система, а в третей - приложения. Первые три книги определяют,
соответственно, ROM, Video и Audio DVD, используя одинаковый физический формат
носителя, который изготавливается "штамповкой", и файловую систему. Файловая
система этих стандартов переходная (UDF-Bridge). Она обеспечивает коMbинацию
возможностей CD-ROM файловой системы ISO-9660 и новой системы Universal Disk
Format - UDF, разработанной Optical Storage Technology Association (OSTA) и
реализующей рекомендации ISO/IEC 13346. Два других стандарта D и Е
распространяются на записываемые (DVD-R (recordable) или иначе DVD-WO (write
once)) и перезаписываемые (DVD-RAM, DVD-W (rewritable) или иначе DVD-E
(erasable)) диски. В отличие от CD, диски DVD рождаются сразу с возможностью
записи, и даже перезаписи информации. Однако эти стандарты наименее устоявшиеся.
Особо следует сказать о совместимости уже существующими дисками. Такая
совместимость стандартами явно не требуется. Однако подавляющее большинство
производителей готовит устройства способные считывать CD-ROM за счет
использования специально сконструированной оптической головки, обладающей
возможностью перенастройки, или даже за счет установки дополнительного
объектива.
Итак, что такое DVD?
Это - носители информации. которые имеют такие же размеры, как и компакт-диски,
но обладают очень большой емкостью - от 4,7 до 17 GB, в зависимости от формата.
Последнее значение почти в 25 раз больше максимальной емкости компакт-дисков,
составляющей 682 MB, и всего несколько лет назад казалось немыслимым.
Однако технология DVD имеет уязвимые места. Например, уже упомянутая проблема,
связанная со стандартами и средствами защиты от копирования.
Тем не менее, потребность пользователей в устройствах хранения информации
емкостью в несколько гигабайт, скорее всего, перевесит, поэтому с большой
вероятностью можно утверждать, что успех технологиям DVD-ROM, DVD-Recordable
(DVD-R) и DVD-RAM гарантирован.
"...никогда не бывает много" Дополнительная память никогда не помешает.
Несколько мегабайт памяти для мультимедиа-приложений - всего лишь "разминка", к
тому же все больше компаний поставляют документы, базы данных и различное ПО на
дисках CD-ROM. Обеспечиваемая технологией DVD-ROM высокая плотность записи
позволяет уместить на одном цифровом видеодиске данные, занимаюшие несколько
дисков CD-ROM. Кроме того, она обеспечивает высокую производительность.
Напримеp, популярный в США электронный телефонный справочник PhoneDisc
PowerFinder USA, содержащий 112 млн телефонных номеров, использует шесть дисков
CD-ROM, и даже при наличии устройства для их смены доступ к нужной информации
происходит довольно медленно. Но вышла новая версия этого продукта на диске DVD,
который целиком вмешает всю упомянутую базу данных размером 3,7 Gb, причем еще и
остается свободное место. Новая технология наверняка придется по душе и
разработчикам мультимедиа-приложений, ведь для размещения всей входящей в
приложения реалистичной графики, видеоклипов и стереофонических звуковых
фрагментов одного диска CD-ROM уже недостаточно. В то же время, например,
разработанная компанией Sierra игра Phantasmagoria, занимающая семь дисков
CD-ROM, легко умещается на одном DVD-ROM.
Для достижения высокой плотности записи в дисках DVD используются четыре метода.
Первые два основываются на более совершенной технике производства дисков и
применении лазеров с меньшей длиной волны. Компакт-диски и DVD хранят данные в
форме микроскопических углублений. обозначающих двоичные нули и единицы. В
компакт-дисках минимальная длина углубления составляет 0.834 мк, а в DVD - 0,4
мк. Это позволяет при производстве дисков размещать выемки более компактно.
Кроме того, содержащая данные спиральная дорожка в дисках DVD имеет шаг 0,74 мк.
а в компакт-дисках он достигает 1,6 мк. Для считывания информации с DVD
используется красный лазер с длиной волны от 635 до 650 им. дисководы же CD-ROM
оснащены инфракрасным лазером с длиной волны 780 им. Реализованные в дисководах
DVD диоды на основе красного лазера аналогичны диодам. широко используемым в
устройствах для считывания штрихового кода.
Уменьшение размеров углублений и шага спиральной дорожки способствовало
увеличению емкости дисков почти в семь раз: от 632 Mb в компакт-дисках до 4.7 GB
в DVD. Памятуя о постоянно возрастающих требованиях к устройствам массовой
памяти, компании-разработчики DVD (среди которых особо следует выделить Philips,
Sony, Toshiba и Matsushita) пошли еще дальше: они предлагают двухслойные и
двухсторонние диски.
Наиболее впечатляющей технологией является использование для записи информации
двух слоев. Традиционно все компакт-диски и DVD состоят из одного слоя
отражающего материала (обычно это алюминий), на который нанесена
содержащаяупоминавшиеся выше углубления углеродная пленка (polycarbonate
substrate). Луч лазера отражается от этого слоя и попадает на фотодетектор. В
двухслойных же дисках DVD поверх отражающего слоя нанесен полупрозрачный слой и
разные лазеры в дисководах DVD обеспечивают считывание информации с каждого из
этих слоев.
Такой подход позволяет увеличить емкость диска почти в два раза: отражающий слой
обеспечивает 4.7 Gb. а полупрозрачный - 3.8 Gb (емкость меньше из-за более
низкой отражающей спосоопостн данного слоя). Таким образом, полная емкость диска
составляет 8,5 GB, а не 9,4 GB. Однако если и этого недостаточно, можно хранить
данные на обеих сторонах диска. Двухсторонние диски состоят из двух углеродных
пленок для хранения данных, находящихся по обеим сторонам отражающего слоя,
поверх которых может быть нанесено еще и по полупрозрачному слою. Возможна также
ситуация, когда одна сторона содержит один, а другая - два отражающих слоя.
Таким образом, емкость двухсторонних DVD может достигать от 9,4 до 17 GB.
Правда, такие диски имеют и некоторые недостатки. В то время, как метки на
обычных дисках непрозрачны для луча лазера, двухсторонние диски DVD требуют
использования специальных голографических меток. Кроме того, двухсторонние диски
DVD более чувствительны к повреждениям поверхности, поскольку в них как
углеродная пленка, так и отражающие слои тоньше.
Теперь, когда имеется возможность использования одно- и двухсторонних, а также
одно- и двухслойных дисков, возникает необходимость по крайней мере в пяти
физических форматах. Но и это еще не все. Ожидается появление дисков DVD-R.
Идейно они подобны CD-R, в которых вместо углеродной пленки используется слой
органического красителя. Запись производится путем выжигания отверстий в этом
слое. Правда, из-за некоторых ограничений, связанных с применением красителя,
емкость односторонних дисков DVD-R меньше, чем DVD-ROM (около 4 GB по сравнению
с 4,7 GB). Кроме того, подобная технология не подходит для создания
двухслойныхдисков.
В DVD-RAM для обеспечения возможности многократной перезаписи будет
использоваться материал, в котором одновременно могут сосуществовать две фазы
(rewritable phase-change material). Емкость этих дисков будет еще меньше, чем
DVD-R - примерно 2,6 GB в расчете на одну сторону. Как утверждает Арьен Боумен
(Arjen Bouwman), директор по маркетингу DVD компании Philips, возможность
создания двухслойных дисков DVD-RAM существует, однако первые такие диски все же
будут однослойными.
Кроме дисков диаметром 120 мм, стандартом DVD также предусмотрена перспектива
изготовления дисков и диаметром 80 мм. Несмотря на то. что их емкость почти на
70% меньше. они могут найти широкое применение в мобильных системах. Как и свои
120-миллиметровые собратья. они могут быть одно- или двухсторонними, одно- или
двухслойными. с возможностью однократной записи или перезаписываемыми.
Сейчас обсуждается возможность создания дисководов DVD, обеспечивающих чтение
информации с постоянной угловой скоростью и постоянной линейной скоростью. В
настоящее время стандартами на компакт-диски и DVD для поддержания постоянной
скорости побитового считывания информации предусмотрены дисководы с постоянной
линейной скоростью. В них скорость вращения диска по мере перехода к внутренним
(более коротким) дорожкам постепенно увеличивается. В то же время в дисководах с
постоянной угловой скоростью линейная скорость элемента диска зависит от того,
на каком расстоянии от центра он находится. Поэтому при перемещении к внутренним
дорожкам скорость побитового считывания информации будет уменьшаться, однако
скорость доступа при этом увеличится, поскольку диск не надо будет разгонять или
тормозить при переключении с одной дорожки на другую. Это выгодно при работе с
приложениями, интенсивно обращающимися к диску, например с базами данных.
Еще одним форматом является гибрид СD/DVD. В этом диске полупрозрачный слой DVD
может быть размещен поверх полностью отражающего слоя CD. Более тонкий слой DVD
(толщиной 0,6 мм) будет практически прозрачным для существующих дисководов
CD-ROM и CD-плееров, инфракрасные лазеры которых обеспечат считывание информации
с внутреннего слоя CD толщиной 1,2 мм. Такой гибридный диск может использоваться
в дисководах обоих типов.
Сравнение DVD и CD: углубления меньше, а дорожки плотнее
Возможно даже создание универсальных дисководов CD/DVD, хотя это и не
предусмотрено стандартом DVD. Вместо того. чтобы использовать при этом два
лазера (красный и инфракрасный), компания Mitsubishi предлагает помещать на пути
лазерного луча две различные линзы, изменяющие длину волны излучения от 635 до
780 нм. Еще одно оригинальное решение предлагает компания Matsushita. Идея его
заключается в том, чтобы пропускать луч лазера через несферическую линзу из
специального стекла (aspheric molded-glass lens), на поверхность которой
нанесена специфическая голографическая картина. Благодаря явлению дифракции
длина волны излучения изменяется в зависимости от того, с какого диска - CD или
DVD - считывается информация (по-видимому, в обоих случаях используются явления
нелинейной оптики, по сколько только они позволяют изменять длину волны
излучения).
Так, если вы внимательно изучите строение одностороннего DVD, то наверняка
обратите внимание, что он, как и двухсторонний диск, содержит две углеродные
пленки, разделенные слоем отражающего материала, при этом одна из них совершенно
не используется. Это является результат-ом того, что альянс Toshiba-Time Wamer
отстаивал двухсторонние диски, требующие подоопого скрепления пленок. Толщина
одной пленки равна 0,6 мм, а толщина двух скрепленных пленок — соответственно
1,2 мм. Использовать же единую пленку толщиной 1,2 мм невозможно из-за того. что
лазер рассчитан на чтение данных "на глубине" именно 0,6 мм. Таким образом,
односторонний диск должен иметь две пленки толщиной 0,6 мм каждая, хотя только
одна из них является полезной.
Что же касается Sony и Philips, то свою позицию они подкрепляли следующими
аргументами: во-первых, производство дисков со скрепленными пленками обходится
дороже, во-вторых, при использовании двухсторонних дисков их приходится
переворачивать вручную. Конечно, можно для каждой стороны приспособить отдельный
лазер, но это почти в два раза увеличило бы стоимость и сложность дисковода DVD.
Более того, в этом случае размеры его будут настолько велики, что он вряд ли
поместится в стандартном гнезде дисковода. В то же время представители Toshiba и
Time Warner утверждают, что технология скрепления пленок вполне законченная (она
уже применяется несколько лет при производстве 12-дюймовых лазерных видеодисков)
и что двухсторонние диски DVD имеют большую емкость. В конечном счете, последний
аргумент является решающим.
К счастью, обе стороны выработали согласие по поводу логического формата. До
настоящего момента речь шла о физических форматах, т. е. о физических методах
хранения данных на диске. В то же время логический формат определяет структуру
файлов на диске. Все диски DVD будут соответствовать стандарту Universal Disk
Format (UDF), являющемуся частью oпpcделяющего метода обмена данными стандарта
ISO-13346.
Стандарт UDF облегчает создание дпсков, которые могут использо-ваться при работе
с нсколькими операцинными системами) включая DOS, Windows, OS/2, MacOS и UNIX.
Когда в этих ОС будет поддержка UDF (с помощью новых драйверов или расширений),
они смогут распознапать любой диск DVD. Фактически UDF "абстрагирует" такие
специфические особености операционных систем, как соглашения об именах файлов,
побайтовой структуре (byte ordering). Конечно, иcполняемые программы будут
работать только под управлением какой-то одной ОС однако данные можно переносить
с одной платформы на другую.
Следует отметить, что даже если поначалу поддержка сгандарта UDF будет
обеспечена не во всех операционных сислемах, первые диски DVD-ROM могли бы cтать
своеобразным переходным звеном, так как на них можно размешать относящиеся к
одним и тем же данным файловые структуры UDF и ISO-9660 (стандарт для дисков
CD-ROM). В то же премя видеоплееры DVD смогут распознавать только диски,
соответствующие специальному "подстандарту" UDF, а именно Micro UDF. По сути,
это тот же UDF, но им предусмотрено, что видеоплееры ищут нужные файлы в
синальном каталоге. Это позволяет разработчикам размещать иа одном диске как
видео, для просмотра которого необходима обыкновенная 6ытовая видеодека, так и
данные для компьютеров. для чтения которых требуется дисковод DVD-ROM. Например,
компания Walt Disney могла бы поставлять мультфильм "The Hunchback or Noire
Dame" и компьютерную игру на его основе на одном диске.
Магнитная технология.
Технология записи информации на магнитные носители появилась сравнительно
недавно - примерно в середине 20-го века (40-ые - 50-ые годы). Но уже несколько
десятилетий спустя - 60-ые - 70-ые годы - это технология стала очень
распространённой во всём мире.
Очень давно появилась на свет первая грампластинка, которая использовалась в
качестве носителя различных звуковых данных. Сама технология записи на пластинки
была довольно простой. При помощи специального аппарата в специальном мягком
материале, виниле, делались засечки, ямки, полоски. И из этого получалась
пластинка, которую можно было прослушать при помощи проигрывателя. Проигрыватель
состоял из: механизма, вращающего пластинку вокруг своей оси, иглы и трубки.
Приводился в действие механизм, вращающий пластинку, и ставилась игла на
пластинку. Игла плавно плыла по канавкам, прорубленным в пластинке, издавая при
этом различные звуки - в зависимости от глубины канавки, её ширины, наклона и
т.д., используя явление резонанса. А после, труба, находившаяся около самой
иголки, усиливала звук, “высекаемый” иголкой.
Почти такая же система и используется в современных (и использовалась раньше
тоже) устройствах считывания магнитной записи. Функции составных частей остались
прежними, только поменялись сами составные части - вместо виниловых пластинок
теперь используются ленты с запыленным на них сверху слоем магнитных частиц; а
вместо иголки - специальное считывающее устройство. Магнитная лента состоит из
полоски плотного вещества, на которую напыляется слой ферромагнетиков. Именно на
этот слой “запоминается” информация. Процесс записи также похож на процесс
записи на виниловые пластинки - при помощи магнитной индукционной вместо
специального аппарата.
На головку подаётся ток, который приводит в действие магнит. Запись звука на
плёнку происходит благодаря действию электромагнита на напыление. Магнитное поле
магнита меняется в зависимости от сигнала, и благодаря этому магнитные частички
(домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в
определённом порядке, в зависимости от воздействия на них магнитного поля,
создаваемого электромагнитом.
Напыляемый тонкопленочный носитель
В середине 80-х годов произошел массовый переход с относительно нестойкого
оксидного покрытия магнитного материала (который наносился методом полива) на
напыляемый тонкопленочный, обеспечивающий более гладкую и устойчивую к внешним
воздействиям поверхность. Это позволило приблизить головки чтения/записи к
магнитному слою и увеличить плотность записи. Кроме того, при использовании
технологии напыления стало возможным поверх магнитного слоя наносить защитный
углеродный слой, твердость которого соизмерима с твердостью алмаза.
Улучшенные смазочные материалы
Тонкопленочная технология позволила создать на поверхности дисков скользящий
слой, препятствующий “залипанию” головок (кто иногда случается со старыми
накопителями с оксидным покрытием). Даже в том случае, когда при остановке
накопителя головки опускаются на поверхность диска, его теоретический срок
службы не уменьшается.
Облегченные головки
Новые материалы и конструктивные решения позволили предохранять носитель и
данные от разрушения - головки чтения/записи “парят” над поверхностью магнитного
носителя на высоте в несколько микрон.
Линейный привод головки чтения/записи
Благодаря линейному сервоприводу значительно сокращается время поиска и перехода
с дорожки на дорожку. Управляющий микропроцессор следит за тем, чтобы головки не
выходили на рабочую поверхность до тех пор, пока шпиндельные наберет нужной
скорости.
Все перечисленные инновации в сочетании с последними достижениями в области
сервоприводов, методов чтения/записи, динамической коррекции ошибок и применение
сверх больших интегральных схем позволили существенно улучшить характеристики
накопителей на магнитных дисках.
Накопители типа Bernoulli
Этот накопитель является, по-видимому, самым уникальным. Вместо того, чтобы идти
по пути применения жесткого магнитного диска, который должен иметь защиту против
неблагоприятных внешних факторов, в том числе загрязнений и вибраций, инженеры
компании Iomega разработали на основе принципов динамики потоков, впервые
сформулированных швейцарским математиков XVIII века Даниэлем Бернулли,
оригинальный принцип действия системы “гибкий магнитный диск-головка
чтения/записи”.
Головка чтения/записи, спроектированная с учетом требований аэродинамики,
“плавает” над поверхностью гибкого диска Бернулли. Воздушные потоки, возникающие
вследствие вращения диска с высокой скоростью, вызывает изгиб части поверхности
диска, находящейся под головкой чтения/записи, в направлении к последней. Однако
диск не соприкасается с головкой, между ними остается небольшой достаточно
стабильный запор, который обеспечивается потоками воздуха, уравнения для
описания которых впервые предложил Бернулли.
Какое-либо изменение нормальных условий работы накопителя Бернулли (например,
из-за удара или появления пятнышка загрязнения на поверхности диска ) вызывается
нарушение эффекта Бернулли и приводит к тому, что диск отходит от головки,
вместо того чтобы соприкоснуться с ней (как это бы произошло на обычном
винчестере). Благодаря этому исключается возможность отказов накопителя,
поскольку вращающийся диск практически не может соприкоснуться с головкой.
Поэтому диски Бернулли самые удароустойчивые.
Сам накопитель Бернулли, хотя он является гибким и по виду похож на обычную
дискету, действительности может эксплуатироваться до пяти лет в режиме
считывания/записи - т.е. характеризуется в 20 раз большей долговечностью, чем
дискета, - согласно данным поставщика. Носитель с бариево-ферритовым покрытием
не только позволяет записывать данные с втрое более высокой плотностью чем
носитель с обычных винчестерских накопителей или НГМД, но и отличается
существенно большей стойкостью к износу, чем у обычных дискет.
Накопители Бернулли по скорости доступа не уступают ряду широко используемых
накопителей на жестких дисках со средним быстродействием. Так, например,
Bernoulli230 имеет емкость одной кассеты 230 Mb, строенный кэш 256 Кб, интерфейс
SCSI-2 или IDE и время доступа 12 мсек.
Жёсткие диски
Жёсткие диски являются самыми распространёнными устройствами хранения
информации, потому что они обладают такими характеристиками, которые больше
всего привлекают пользователей. Это высокая производительность, определяемая
малым временем доступа и высокой скоростью записи/считывания информации,
надёжность её хранения, большие объёмы и малая стоимость из расчёта на 1 Mb
информации.
Жёсткий диск – это единая система, собранная из нескольких частей. Часть её
запрашивается в BIOS, а коды жёсткого диска хранятся на системной плате в ПЗУ.
Связь диска с системой реализуется через интерфейс. Здесь сигналы становятся
взаимопонятными для дисковода и для ПК. Интерфейс может реализовываться
отдельным дисковым контроллером или через электронику, встроенную в дисковод.
Существует множество интерфейсов жёстких дисков, которые могут работать и с
другими устройствами. Это IDE, SCSI, SCSI-2, W-SCSI, U-SCSI и т.д. Интерфейсом,
наиболее часто использующимся в настольных системах, является IDE. От других он
отличается скоростью работы, но современные его решения позволили приблизить его
показатели к системам, работающим на интерфейсе SCSI, по крайней мере в
настольных системах. Остальные же интерфейсы нашли своё применение главным
образом в сетевой индустрии как накопители для серверов.
Сам диск представляет собой круг из жёсткого материала (алюминия или стекла),
называемого подложкой и дающего возможность магнитному носителю использоваться
для хранения цифровых кодов. Подложка разрабатывается так, чтобы быть как можно
более плоской и никогда не менять свою форму при работе.
Крошечные области носителя на поверхности подложки, хранящие по одному биту
информации, называются магнитными доменами. Для проведения операций
чтения/записи и позиционирования головок используется специальный механизм.
Для работы жёсткому диску необходимо реализовать 3 функции: нужно усилить слабые
логические сигналы до значений, способных изменить магнитную направленность
доменов во время записи информации и различить слабые сигналы магнитного
покрытия во время чтения и преобразовать их в форму, понятную остальной системе;
головка диска должна позиционироваться с точностью до домена при выполнении
операций чтения/записи; подложка должна вращаться с как можно более постоянной
скоростью, чтобы последовательное чередование доменов по радиусу происходило
через равные промежутки времени. Различия характеристик каждой части влияют на
производительность всего жёсткого диска в целом и на совместимость компьютерных
систем.
Принцип действия у жестких дисков остался прежним, хотя различные элементы
постоянно подвергаются усовершенствованиям. Так на сегодняшний день
быстродействие жёстких дисков достигает 7 мс, скорость передачи информации
нескольких десятков Mb/с, а ёмкость 17 Gb.
Массивы жёстких дисков
Массивы жёстких дисков используются там, где необходимо сохранить громадные
объёмы хранимой информации и при этом сделать минимальным риск потери этой
информации в результате какого-либо сбоя. Объём современных массивов жёстких
дисков может достигать нескольких сотен терабайт.
Идея массивов элементарна: объединить несколько жёстких дисков для создания
массива виртуальной системы. Но это не простое подключение нескольких дисков к
одному контроллеру. В массиве работа дисков координируется, и специальный
контроллер распределяет между ними информацию. Вращение каждого диска в массиве
синхронизировано, и каждый байт данных может храниться на нескольких дисковых
поверхностях.
Очевидное преимущество – ёмкость. На двух дисках может храниться больше, чем на
одном, а на четырёх – больше чем на двух. Но массивная технология позволяет
ускорить процесс обработки информации и увеличить надёжность. Секрет кроется в
способе объединения дисков в массив. Они не образуют последовательность, когда
после заполнения одного диска начинает заполняться другой. Вместо этого каждый
байт информации делится между дисками. Например, в системе с четырьмя дисками
два бита каждого байта идут на первый диск, следующие два на второй и т.д. Таким
образом, каждый байт данных обрабатывается в четыре раза быстрее, чем в
однодисковой системе.
Выигрыш в ёмкости и производительности подкрепляется большой надёжностью
системы. Ключ – в избыточности. При разбиении информации между дисками она
записывается с перекрытиями. Например, в системе с четырьмя дисками на каждый
диск записывается не по 2 бита, а по 4. Так на первый диск запишутся первые
четыре бита, на второй тоже четыре, но начиная с третьего, на третий – начиная с
пятого и т.д. Такая технология позволяет восстановить потерянную в одном месте
информацию или даже в случае выхода из строя целого диска.
Такие диски называют защищёнными от сбоев. Приведённый выше пример показывает
примитивнейший алгоритм работы массива. Улучшенные способы кодировки позволяют
избежать дублирования каждого бита. Более того, повреждённый диск может быть
заменён без прекращения работы остальной системы.
Электронная технология.
Электронная технология в настоящее время применяется в микросхемах памяти для
различных устройств и в чипах, где хранятся системные настройки ПК или других
устройств (например, BIOS). Электронная технология позволяет добиться
производительности в тысячи раз больше, чем в других устройствах накопления
информации, при меньших размерах и при меньших энергозатратах. Современные чипы
имеют объём 256 Mb при скорости доступа менее 10 нс.
Наиболее часто используемым типом памяти является DRAM (Dynamic Random Access
Memory). Они называются динамическими потому, что хранят данные в виде
электрических зарядов, которые медленно разряжаются и должны периодически
обновляться для обеспечения достоверности хранимых данных.
В случае обычных DRAM-микросхем каждому чипу требуется период восстановления
между последовательными операциями чтения или записи, что может вызвать снижение
общей скорости системы в случае нескольких последовательных обращений к такому
чипу. Время, которое требуется для упомянутого восстановления, называется
временем доступа чипа, и оно может представлять принципиальное ограничение для
скорости всей памяти системы.
Для минимизации задержек, предполагаемых в случае последовательных обращений к
чипу памяти, были созданы микросхемы памяти других типов. Чипы памяти
страничного режима разрешают повторный доступ в пределах одного блока памяти в
чипе без периода восстановления. Похожий тип микросхем, которые называются
static-column RAM-микросхемами, позволяет повторяющийся доступ в пределах
колонки, и это тоже не ведёт к ограничениям скорости.
Статическая RAM представляет собой совершенно другую технологию памяти, при
которой данные сохраняются путём изменения положения электронных переключателей,
называемых флип-флопы. SRAM-микросхемы не требуют периодов восстановления и
имеют более высокое быстродействие, чем DRAM-микросхемы.
Микросхемы видео-RAM – это специальный вариант DRAM-микросхем с двумя портами,
когда данные могут записываться в чип и одновременно считываться из другого
порта. Данный тип памяти применяется в видеоадаптерах, потому что он позволяет
обновлять изображение (вести запись в чип) в то время, когда данные из него
посылаются на экран. Существует также WRAM (Window RAM), предложенная фирмой
Samsung, которая также применяется в видеоадаптерах.
Существуют также и другие виды памяти. Это PROM (Programmable ROM), EPROM
(Erasable PROM) – память, которая может быть подвергнута многократному стиранию
и перепрограммированию (стирание обычно предполагает то, что чип будет
подвергнут сильному ультрафиолетовому излучению через специальное окошечко в
верхней части корпуса), EEPROM (Electrically Erasable ROM) – то же самое, но с
помощью электрических сигналов, но не таких как в случае DRAM. Flash-ROM – это
специальная разновидность EEPROM, но приспособленная для частых стираний и
перепрограммирований. Также, не так давно в компьютерной индустрии стала
использоваться SDRAM и RDRAM (Synchronous DRAM и Rambus DRAM) – памяти с очень
маленькими временами доступа и конвейерной организацией.
Заключение
Современные технологии записи информации продолжают стремительно развиваться.
Особенно в последние годы. Прогресс движется в сторону увеличения ёмкости,
увеличения скорости и надёжности систем сохранения информации. Те решения,
которые ещё вчера были приемлемы только для серверов, сегодня становятся
нормальными для обычных домашних рабочих станций или даже с трудом
удовлетворяющими их потребностям. Это вполне нормально, т.к. производительность
процессоров стремительно растёт а программы наделяются всё большими и большими
способностями. Всё это сопровождается постоянным снижением цен, что делает
новейшую технику сравнительно доступной.