Оптические и магнитооптические накопители информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

магнитный оптический накопитель информация

Введение

1. Накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW

2. Накопители DVD, DVD-R, DVD-RW

3. Магнитооптические накопители

Список литературы

Введение

В настоящее время существует два основных типа хранения данных в компьютере: магнитный и оптический. Устройства магнитного хранения широко представлены в современном компьютере - это жесткий диск и дисковод. В них информация записывается на магнитный вращающийся диск. В устройствах оптического хранения запись и считывание осуществляются на вращающийся диск с помощью лазерного луча, а не магнитного поля. Следует отметить, что большинство оптических устройств могут лишь считывать информацию с носителя. В некоторых устройствах (например, LS-120 или SuperDisk) применятся магнитный и оптический способ записи и считывания информации. Такие устройства получили название магнитооптических.

Современные оптические устройства чаще всего используются для архивирования данных или в качестве съемного носителя информации.

1. Накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW

Основоположниками накопителей на оптических дисках различных систем являются устройства на компакт-дисках однократной записи и многократного считывания - CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory). К настоящему времени ряд устройств на оптических дисках существенно расширился накопителями многократной записи данных. Компьютерные CD-ROM разрабатывались по аналогии оптических аудиодисков.

Основа оптического диска CD-ROM - шаблон. Он изготавливается из поликарбонатной пластины диаметром 120 мм (4,72 дюйма), на которой штампуется рельеф информационной дорожки. Информационная дорожка диска развернута по спирали, начиная от центра к периферии. Дорожка заканчивается за 5 мм от края диска.

Вдоль дорожки расположены углубления (штрихи), перемежающиеся с плоскими промежутками - площадками. На диск напыляется отражающее покрытие из сплава алюминия, серебра или золота. Внешний слой представлен защитным лаковым покрытием.

При подготовке оригинала шаблона луч лазера на одной стороне стеклянного диска создает в слое фоторезиста непрерывную спиралевидную дорожку, состоящую из микроскопических впадин, разделенных плоскими (необработанными лучом лазера) участками. На базе шаблона изготавливается металлическая матрица. При подготовке матрицы впадины становятся приподнятыми участками [1].

Многократно оттиражированные компакт-диски CD-ROM предназначены только для считывания. При штамповке и формовке копий с матрицы приподнятые участки становятся вновь углублениями - питами (pits).

Считывание информации с вращающегося против часовой стрелки диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности луча маломощного лазера, отраженного от алюминиевого слоя. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощен.

Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены штрихи. Сильное отражение луча происходит в тех местах, где эти углубления отсутствуют - с площадок. Фотодатчик, размещенный в накопителе CD-ROM, воспринимает рассеянный луч, отраженный от поверхности диска. Затем считанная информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или в звук [5].

Типичный накопитель CD-ROM состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, устройства управления оптической головкой считывания (рис. 1), буферной памяти и механизма загрузки оптического диска.

Рис. 1 Схема CD-ROM привода

Диск CD-R отличается от обычного компакт-диска CD-ROM. Чистый диск CD-R представляет собой поликарбонатную подложку, покрытую слоем органического красящего вещества (регистрирующий слой). На регистрирующий слой красителя наносится золотой отражающий слой. Эти слои обладают приблизительно такими же оптическими характеристиками, как и алюминиевое покрытие неразмеченного диска CD-ROM. Внешнее защитное покрытие диска представлено слоем акрилового лака и краски.

В дисках CD-R используется золотое или серебряное покрытие, реже - алюминиевое. Это связано с тем, что органический краситель приводит к коррозии алюминия, а отражающий слой, выполненный из серебра или золота, - долговечен [3].

Привод CD-ROM не сможет найти на чистом диске CD-R ни одного штриха. На его поверхности углубления не выжигаются. Если на дисках CD-ROM дорожка штампуется в поликарбонатной массе, то диски CD-R содержат рисунок впадин, выжженный на приподнятой спиральной дорожке. Впадины представляют собой темные выжженные участки, отражающие меньше света.

Лазерный луч при записи/считывании проходит через прозрачный поликарбонатный слой, регистрирующий слой красителя и, отразившись от золотого слоя, вновь проходит через краситель и слой поликарбоната, после чего поступает на фотоприемник.

Когда на диск начинают записываться данные, луч лазера разогревает слой золота и регистрирующий слой. При нагревании до температуры 250-300° С слой красящего вещества выгорает и становится непрозрачным. При считывании прогоревшие участки регистрирующего слоя поглощают энергию волны, что эквивалентно рассеиванию света углублениями на стеклянном шаблоне оригинала обычного CD-ROM. Считывающее устройство также воспринимает эти участки как углубления, хотя это просто выжженные пятна с меньшим отражением, образовавшиеся в результате химической реакции при нагревании золота и красящего вещества.

На дисках CD-R организуется информационная структура VTOC, аналогичная дискам CD-ROM, и набор витков различных типов. Это позволяет при помощи соответствующего программного обеспечения записывать различные диски, в том числе и звуковые, которые могут затем считываться накопителями CD-ROM или воспроизводиться бытовыми проигрывателями.

Диски CD-R имеют емкость 650 Мбайт, что эквивалентно 74 минутам воспроизведения музыкальной программы. Существуют также 80-минутные диски емкостью 700 Мбайт. Стандартные диски емкостью 650 Мбайт могут считываться накопителями на компакт-дисках любых типов.

Накопитель CD-R обладает несколько меньшей рабочей скоростью, чем CD-ROM. Для записи CD-R необходимо специальное программное обеспечение, способное предоставить непрерывный поток данных. Например, при скорости записи 4х необходимо обеспечить поток данных 600 Кбайт/с, что может быть реализовано с помощью буфера, который создается на жестком диске и из которого данные записываются на CD-R.

Емкость буферной памяти накопителя CD-R - очень важная характеристика привода. Размер буфера показывает, на сколько секунд может быть задержана запись в случае внезапного сбоя. Это время равно частному от деления емкости буфера на скорость передачи данных. Чем выше скорость записи, тем больше должна быть емкость буфера.

Накопители многократной записи на компакт-дисках CD-RW. Разработки в области технологии многократной записи/считывания на оптических дисках велись с начала 90-х годов несколькими компаниями. Наибольший успех сопутствовал разработчикам консорциума компаний Ricoh, Philips, Yamaha, Hewlett-Packard и Mitsubishi Chemical Corporation, которые в 1996 году представили накопитель CD-RW. В дальнейшем была опубликована третья часть "Orange Book", завершившая официальное оформление стандарта накопителя CD-RW [5].

Первый накопитель CD-RW обладал номинальными скоростями: записи - 2х, перезаписи - 2х и считывания - 6х.

Все современные накопители CD-RW способны не только перезаписывать диск, но также заменяют собой приводы CD-R, а также CD-ROM, в чем их несомненная практическая привлекательность. В качестве первых приводов CD-RW использовались отдельные устройства.

Рабочая скорость-комбинированного накопителя на компакт-дисках указывается комбинацией из трех чисел (например, 52/24/52). Первое число характеризует записывающую часть устройства - CD-R, второе - перезаписывающую часть механизма CD-RW, который позволяет удалить прежние данные, заменив их новыми, а третье число означает скорость считывания компонентом CD-ROM.

Комбинированные накопители на компакт-дисках обладают емкой буферной памятью порядка 4 - 8 Мбайт. Подобная емкость памяти необходима, поскольку процесс записи дорожки представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен. Буфер обеспечивает равномерность поступления записываемой информации на лазерную головку. Если данные будут исчерпаны до завершения сессии, то произойдет аварийное прерывание записи [6].

Принцип действия накопителя многократной перезаписи компакт-диска основан на технологии фазоинверсного диска, одним из создателей которого является компания Panasonic. Технология фазоинверсного диска нашла воплощение в прообразе накопителя CD-RW - двухфункциональном дисководе PD/CD (Phase-Dual/Compact Disk), который обеспечивал поддержку устройств двух технологий - перезаписи и считывания.

Перезапись данных на компакт-диске обеспечивается изменением фазового состояния (Phase Change) регистрирующего слоя носителя. Считывание же данных осуществляется аналогично дискам CD-ROM. Емкость дисков CD-RW - порядка 650 Мбайт [7].

В фазоинверсном диске регистрирующий слой выполнен из сплава металла, включающего Ag-In-Sb-Te (серебро-индий-сурьма-теллур), который в обычном состоянии обладает отражающими свойствами. Активный материал регистрирующего слоя расположен поверх поликарбонатной основы, на которой создан спиральный образец для точного позиционирования диска и правильного расположения канавок. На регистрирующий слой нанесен отражающий слой из алюминия. Активный регистрирующий слой отделяется от поликарбонатной основы и отражающего слоя диэлектрическими изолирующими слоями. В качестве внешнего, защитного слоя используется лаковое акриловое покрытие.

Участки металла регистрирующего слоя, разогретые лучом лазера, который работает в различных режимах мощности, обладают способностью изменять свою структуру, что приводит к изменению оптических свойств.

Для записи данных в накопителе CD-RW используется режим максимальной мощности записи - Pwrite. Регистрирующий слой разогревается до температуры 500--700 °С, что приводит к его расплавлению. Материал теряет кристаллическую структуру и при быстром остывании переводится в аморфное состояние. В аморфной фазе отражающие свойства материала снижаются до 5%. Периодически разогревая активный материал регистрирующего слоя, можно создать отражающие и неотражающие участки застывшего в аморфном состоянии активного материала диска, напоминающие штрихи.

Для возврата диска в первоначальное состояние используется режим работы лазера на средней мощности стирания - Perase. Активный материал разогревается до температуры 200 °С (ниже температуры плавления). Материал регистрирующего слоя не оплавляется, а размягчается, стирая предыдущую запись. При медленном охлаждении слоя происходят преобразования материала на атомарном уровне и переход его из аморфной фазы в кристаллическую. Отражающие свойства регистрирующего слоя восстанавливаются до 20%. Таким образом, при записи данных лазер постоянно генерирует энергию, работая в двух режимах изменения мощности - Pwrite и Perase. [3]

Для считывания данных лазер переводится в режим работы с низкой интенсивностью. Луч направляется на канавку с записью и отражается на фотоприемники аналогично тому, как это происходит в обыкновенных CD-ROM. Таким образом, для считывания дисков CD-RW накопителями различных стандартных технологий не требуется никаких дополнительных изменений.

В современных приводах CD-RW используются диски, отвечающие требованиям протокола High-Speed Rewritable. Накопители и компакт-диски, выполненные в соответствии с технологическими требованиями High-Speed, отличаются от приводов и носителей ранних выпусков и содержат специальный логотип. Использовать компакт-диски High-Speed в накопителях, не поддерживающих подобную технологию, нельзя.

Еще одной модификацией стандарта CD-RW является протокол Mount Rainier, учрежденный компаниями Philips, Sony, Microsoft и Compaq. Благодаря протоколу Mount Rainier упрощается технология записи на диски CD-RW. При этом используются возможности программного обеспечения, интегрированного непосредственно в операционную систему, а также поддерживается перезапись данных на компакт-диск со стороны BIOS. Реализация стандарта Mount Rainier требует также внесения изменений в конструкцию накопителя CD-RW. Современные накопители CD-RW поддерживают технологию Mount Rainier.

2. Накопители DVD, DVD-R, DVD-RW

Цифровой универсальный диск DVD (Digital Versatile Disc) относится к новому поколению накопителей подсистемы оптической памяти. Основной недостаток компакт-дисков состоит в жестком ограничении объема дисковой памяти - максимум 650 Мбайт данных. Для современных компьютерных систем и приложений подобного объема недостаточно, хотя и нельзя считать его малым.

Накопители DVD используют подмножества оптических технологий для хранения цифровой информации любого типа - аудио, видео и данных. Стандарт DVD описывает показатели одностороннего, однослойного диска, который содержит 4,7 Гбайт информации. Диск имеет такой же диаметр (120 мм), как и CD-ROM, и толщину 1,2 мм.

Современные накопители DVD поддерживают двухслойные односторонние DVD-диски емкостью 8,5 Гбайт, двухсторонние однослойные диски емкостью 9,4 Гбайт, а также двухслойные двухсторонние диски емкостью 17,1 Гбайт.

Диски DVD выпускаются на штампованных поликарбонатных пластинах. Они содержат спиральную дорожку, которая начинается на внутренней части и заканчивается на внешней части диска. Все слои диска DVD штампуются отдельно, после чего объединяются [1].

Отличием дисков DVD от CD-ROM, помимо возможности двухсторонней двухслойной записи, является значительно более высокая плотность записи штрихов и площадок на дорожку диска. Накопители DVD в отличие от дисководов CD-ROM используют более коротковолновый лазер. Чтение и запись дисков DVD выполняется лазерами, работающими на длине волны 650 и 635 нм (красный диапазон) вместо 780 нм (инфракрасный диапазон) для дисков CD-ROM, благодаря чему плотность записи повышается. При использовании лазеров синего диапазона емкость дисков DVD может быть увеличена в несколько раз.

Технология DVD постоянно изменятся, поэтому ситуация со стандартами в этой области до сих пор остается запутанной, особенно в том, что касается записи. На данный момент в DVD однозначно определен только формат диска DVD-ROM (только для чтения). Все остальные стандарты не согласованы, и реализации каждого производителя "неповторимы".

В данный момент наиболее популярными являются стандарты DVD-R и DVD-RAM, которые базируются на спецификациях, опубликованных в апреле 1997 года. Технология DVD-R похожа на CD-R тем, что в ней используется методика WORM, а на поверхность наносится органическое вещество. Первые накопители DVD-R были выпущены компанией Pioneer в октябре 1997 года и стоили 17 тыс. долларов. Сейчас диск DVD-R стоит около 1,5 долларов.

Накопители DVD-RAM используют технологию изменения фазы, схожую с технологией CD-RW. Диски DVD-RAM не считываются большинством стандартных накопителей DVD-ROM, поскольку диски для этих накопителей по-разному отражают свет и хранят данные в различных форматах. (Следует отметить, что DVD-R обратно совместим с DVD-ROM.) Накопители DVD-ROM, которые могут считывать диски DVD-RAM, появились на рынке в начале 1999 года и соответствуют спецификации MultiRead2. Накопители DVD-ROM и проигрыватели DVD-Video, соответствующие спецификации MultiRead2, могут считывать диски DVD-RAM. Спецификация MultiRead2 описана ниже в главе.

Ни DVD-RAM, ни DVD-R не могут записывать информацию на двухсторонние диски, однако производство таких дисков уже планируется. Емкость одностороннего диска DVD-RAM достигает 2,6 Гбайт, а двухстороннего -- 5,2 Гбайт.

Технология DVD-RAM использует так называемую методику записи на волнообразные выступы и желобки. В соответствии с этой методикой сигнал записывается и на выступ (площадь между желобками), и в сами желобки, которые формируются при создании диска. Частота колебания дорожек служит информацией для синхронизации. Кроме того, диск содержит специальные заголовки секторов, которые наносятся на него при создании.

Для записи на диск применяется метод изменения фазы, в соответствии с которым данные записываются на участок, выборочно нагретый с помощью лазера высокой мощности. Записывающий лазер накопителя DVD-RAM переводит участок поверхности диска из кристаллического в аморфное состояние за счет нагревания поверхности. Кристаллическая и аморфная поверхности имеют разный коэффициент отражения. Сигнал считывается благодаря разнице в отражении лазерного луча от кристаллической и аморфной поверхностей. Модуляция и коды коррекции ошибок такие же, как и для DVD-Video и DVD-ROM, что обеспечивает совместимость с остальными форматами DVD. Во время перезаписи лазер с более низкой энергией нагревает поверхность, в результате чего она вновь кристаллизируется [3].

Как односторонние, так и двухсторонние диски должны упаковываться в картриджи. Двухсторонние диски должны все время оставаться внутри картриджа, а односторонние при необходимости можно вынимать из него.

DVD-R - это носитель, на который можно записывать один раз, так же как и на CD-R. Подобно CD-R, он является идеальным решением для архивирования данных и создания дистрибутивов.

Односторонний диск DVD-R может хранить до 3,95 Гбайт данных, т.е. почти в 6 раз больше, чем CD-R. Двухсторонний диск DVD-R может содержать вдвое больше информации. Технология DVD-R использует органическое покрытие. Как и в CD-R, органическое покрытие DVD-R стоит недорого.

Для обеспечения точности позиционирования в DVD-R используется метод волнообразных желобковых дорожек, в соответствии с которым специальные желобковые дорожки в заводских условиях гравируются на диске. Данные записываются только в желобки. Частота отклонений желобков является синхронизирующей при считывании информации с диска. Желобки расположены более плотно, чем в DVD-RAM, однако данные записываются только в желобки - площадки не используются.

Стандарт DVD-RW был представлен DVD Forum в марте 1998 года. В основном он был разработан компанией Pioneer и базируется на технологии изменения фазы. Этот стандарт совместим с накопителями DVD-ROM лучше, чем DVD-RAM. Накопители DVD-RW поступили в продажу в 1999 году. Несмотря на то что новые типы накопителей DVD лучше совместимы со стандартами CD-R/CD-RW, до сих пор открытой остается проблема согласования большого количества форматов перезаписываемых DVD. Как и в войне стандартов Beta и VHS, появление каждого нового формата серьезно осложняет процесс принятия отдельной спецификации в качестве индустриального стандарта.

Стандарт DVD-RW аналогичен CD-RW и использует похожую технологию изменения фазы для записи и перезаписи информации на диск. Во многом этот метод записи похож на DVD-R и в нем также используется техника записи в волнообразные желобки. Как CD-RW, DVD-RW может записывать и считывать диски CD-R, а также считывать и записывать диски DVD-R. Кроме того, диски DVD-RW можно воспроизводить на модифицированных накопителях DVD-Video и DVD-ROM.

Накопители DVD+RW также называют DVD Phase Change ReWritable (перезаписываемые DVD с изменяющейся фазой). Эти диски могут перезаписываться многократно. DVD+RW разработаны компаниями Philips, Sony и Hewlett-Packard. Этот накопитель более близок к CD-RW и несовместим с DVD-RAM, хотя может считывать диски DVD-ROM и CD. Накопители DVD+RW поступили в продажу летом 1999 года. Они еще не утверждены DVD Forum, что создает некоторые проблемы с их продвижением на рынке.

Остается только надеяться, что через некоторое время число стандартов DVD уменьшится и компании - производители этого типа накопителей оставят в стороне все различия и остановятся на одном или двух стандартах.

Накопители DVD-ROM, имеющие скорость 1x, передают данные со скоростью 1,385 Мбайт/с. Таким образом, одна скорость передачи DVD приблизительно равна девяти скоростям CD-ROM (1x скорость передачи CD-ROM равна 150 Кбайт/с). Диски в накопителях DVD вращаются с угловой скоростью приблизительно в три раза большей, чем диски в CD-ROM, имеющих такую же скорость; другими словами, диск 1x DVD вращается со скоростью 3x CD. Многие накопители DVD работают с двумя разными скоростями, одна для чтения дисков DVD, вторая для чтения дисков CD. Например, накопитель, маркированный как 16x/40x, будет работать со скоростью 16x для дисков DVD и со скоростью 40x для компакт-дисков.

Скоростные накопители предназначены в первую очередь для работы с данными, а не для просмотра видеофильмов. При воспроизведении видеодисков DVD скоростной накопитель поможет справиться с проблемой задержки кадров, однако это никак не скажется на качестве видео.

3. Магнитооптические накопители

Далеко не самой популярной технологией съемных накопителей является магнитооптическая. Открытые для коммерческого использования в 1985 году, современные магнитооптические накопители имеют емкость более 5 Гбайт, что практически в 2,5 раза больше, чем самый емкий съемный магнитный накопитель.

Существует два типа магнитооптических накопителей и носителей: 3,5- и 5,25-дюймовые емкостью до 640 Мбайт и 5 Гбайт соответственно. В первых моделях магнитооптических накопителей применялась технология однократной записи, которая позволяла дописывать информацию на носитель, но не позволяла ее стирать. Такие накопители еще можно встретить на рынке, однако для пользователей стационарных компьютеров гораздо предпочтительнее накопители с возможностью повторной записи.

При нормальных температурах магнитная поверхность магнитооптического диска очень стабильна и может хранить данные около 30 лет. Для изменения данных на магнитооптическом диске используется и лазерный луч, и магнитное поле. На рис. 2 показана схема процессов записи и чтения.

Оптической частью магнитооптического накопителя является лазерный луч, который во время стирания работает в режиме высокой мощности, разогревая необходимый участок магнитооптического диска до температуры порядка 200°C ("точка Кюри", в которой немагнитное в нормальных условиях вещество становится восприимчивым к магнитному полю). Это позволяет стереть любую существующую на разогретом участке информацию с помощью однородного магнитного поля, не задевая другие части диска, которые имеют нормальную температуру.

После этого лазерный луч и магнитное поле используются для записи информации в определенное место за счет увеличения излучаемой мощности лазера и приложения контролируемого магнитного поля к носителю.

Рис. 2 В магнитооптических накопителях лазер в режиме высокой энергии применяется для разогрева магнитной поверхности, чтобы изменить магнитное состояние участка диска во время цикла записи (слева), а во время цикла чтения (справа) лазер переключается в режим низкой энергии

При считывании лазер используется в режиме низкой мощности для создания нейтрально поляризованного освещения на поверхности магнитооптического диска. Места на диске, которые содержат логический 0, отражают свет с углом поляризации, отличным от угла поляризации областей, содержащих логическую 1. Эта разница в один градус называется эффектом Керра.

В старых магнитооптических накопителях для считывания и записи необходимы две различные операции, однако в более современных, начиная с Plasmon DW260, выпущенного в 1997 году, применяется метод LIMDOW (Light Intensity Modulated Direct Overwrite) для одной операции с определенными типами носителей. В накопителях LIMDOW магниты встроены непосредственно в сам диск, а не используются в виде отдельных магнитов, как в старых накопителях. Производительность накопителей LIMDOW достаточна для воспроизведения видеоданных в формате MPEG-2, а кроме того, они удобны для хранения больших объемов информации.

Существуют внешние магнитооптические накопители размером 5,25 дюйма с интерфейсом SCSI, однако их цена довольно высока. Некоторые производители предлагают модели для интерфейса ATAPI/IDE, но они не так широко распространены, как устройства SCSI.

По сравнению с распространенными съемными высокоемкими накопителями магнитооптические намного дороже (особенно 5,25-дюймовые). Однако стоимость мегабайта магнитооптических накопителей значительно ниже, а кроме того, срок хранения их носителей существенно больше, а общая производительность выше. Появление операционных систем Windows 9x/Me и Windows NT/2000 существенно упростило установку устройств SCSI, так что с этим проблем не возникнет. Если вы можете позволить себе покупку дорогого 5,25-дюймового магнитооптического накопителя, то получите достаточно быстрое и надежное устройство с долго хранящимися дисками; его также можно использовать как устройство хранения в ежедневной работе.

Список литературы

1. Семенов М. Ремонт, настройка, модернизация ПК. М.: Полигон, 2007.

2. Симонович С. Вы купили компьютер. М.: АСТпресс, 2006.

3. Фигурнов В.Э. PC для пользователя. Краткий курс. М.: Инфра-М, 2006.

4. PCMagazine.

5. PCUpgrade.

6. GameEXE.

7. Chip.

8. www.ixbt.com.

9. www.computerra.ru.

Размещено на Allbest.ru