Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Конструкция компакт-дисков

Стандарт компьютерных компакт-дисков CD-ROM (Compact Disk Readonly Memory) появился в 1985 г. Очень быстро он был дополнен стандартом для записываемых дисков CD-R (CD-Recordable), а в дальнейшем добавился режим CD-RW – Compact Disk Read/Write.

Предшественником стандарта CD-ROM является стандарт цифровой аудиозаписи на компакт-диски CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Компакт-диски с аудиозаписями до сих пор выпускаются наибольшими тиражами. Соответственно, любой компьютерный CD-ROM может без использования центрального процессора проигрывать музыкальные диски, а его отдельный звуковой выход (почти всегда снабженный регулятором громкости) не имеет никакого отношения к персональному компьютеру, т. к. аналоговое напряжение выходного сигнала формируется с помощью встроенного цифро-аналогового преобразователя.

После блистательного успеха аудиокомпакт-дисков и по мере развития компьютерных технологий в 1995 г. появился стандарт DVD, предназначенный для записи на компакт-диски видеофильмов.

Кроме перечисленных стандартов, существует рад других, которые разработали отдельные фирмы и группы фирм. Для воспроизведения записанных в соответствии с ними компакт-дисков требуется, чтобы CD-ROM поддерживал соответствующий стандарт, а также была установлена специальная программа для обработки информации, например просмотра фотографий в формате Photo-CD или использования режима караоке при проигрывании музыки.

Наиболее популярный стандарт для CD-ROM – это ISO 9660 (ISO – International Standard Organization, Международная организация по стандартизации), который поддерживают все приводы, работающие с компьютерными компакт-дисками, в том числе и приводы DVD. Стандарт говорит о том, как размещаются данные (в том числе, файлы и каталоги) на компакт-диске.

Большинство стандартов записи данных на компакт-диски описаны в "радужной" серии книг, получивших свое название от цвета обложек:

• Red Book (красная книга)  – описание формата для CD-DA;

• Yellow Book (желтая книга)  – описание формата для CD-ROM;

• Green Book (зеленая книга)  – описание формата для CD-I;

• Orange Book (оранжевая книга)  – описание формата для CD-R и CD-RW;

• White Book (белая книга)  – описание формата для Video CD.

На рис. 11.1 приведена геометрия стандартного компакт-диска, который может быть помещен в любой привод CD, устанавливаемый на данный момент в персональные компьютеры. Кроме того, существуют и становятся все более популярными малогабаритные компакт-диски диаметром в 80 мм, а также компакт-диски прямоугольного формата – компьютеризированные визитные карточки. Подобные компакт-диски читаются и записываются на стандартных приводах CD, у которых всегда в лотке для компакт-диска имеется углубление для укладывания 80 мм дисков.

Рис. 11.1. Геометрические характеристики компакт-диска

Кстати, обратите внимание, что компакт-диски разработаны в метрической системе измерений.

Способ изготовления музыкальных компакт-дисков и CD-ROM почти такой же, как у патефонных пластинок. На прозрачном диске из поликарбоната толщиной 1,2 мм с помощью металлической матрицы методом выдавливания создаются информационные дорожки. Для улучшения отражающих свойств на диск наносится слой алюминия (изредка золота), а для защиты от грязи диск покрывается слоем лака (рис. 11.2, а). У компакт-дисков стандарта CD-R между металлическим слоем и диском находится термочувствительный красочный слой. При нагреве записывающим лазером, который имеет повышенную мощность, происходит разогрев металлического и красочного слоев, что приводит к химической реакции, изменяющей отражающие свойства нагретой точки (рис. 11.2, б). Обычно в качестве красителя используется цианин или фталоцианин. Для возможности многократной записи для компакт-дисков стандарта CD-RW на поверхности пластмассового диска создается более сложная композиция из пленок различного состава, например, перед металлическим слоем помещается вещество, которое меняет свою кристаллическую структуру при нагревании, что приводит к изменению оптических свойств (рис. 11.2, в).

Рис. 11.2. Строение компакт-дисков: а – CD-ROM; б – CD-R; в – CD-RW

Предупреждение

Защитный слой на компакт-дисках очень тонкий. Он легко повреждается даже если сильно потереть пальцами лаковую поверхность. Делать надписи на поверхности компакт-дисков шариковой авторучкой или простым фломастером нельзя! Специально для нанесения примечаний на компакт-диски выпускаются маркеры, которые безопасны для лакового слоя.

Держать компакт-диск можно только за края. Нельзя допускать попадание на его поверхность влаги и прямого солнечного света. Во избежание появления царапин, нарушающих процесс считывания данных, а в крайних случаях и ведущих к потере файлов, не следует вытирать компакт-диск подручными материалами и класть на поверхность рабочего стола.

Логическая структура

Данные на компакт-дисках стандарта CD-ROM записываются на одной спиральной дорожке с интервалом в 1,6 мкм между витками. Длина минимальной информационной точки (пита) 0,83 мкм. Для чтения информации используется инфракрасный лазер. Более объемные DVD-диски имеют интервал между витками информационной дорожки в 0,74 мкм, длину пита 0,4 мкм, а для чтения применяют красный лазер, обладающий меньшей длиной световой волны (для новых стандартов используют зеленый лазер).

Для того чтобы на процесс чтения не влияли дефекты диска и царапины, для записи данных пименяются коды с избыточной информацией. Для кодирования 1 байта (8 битов) используются 14 битов плюс 3 бита слияния (merge bit).

Минимальная структура данных на компакт-диске – кадр (frame), который состоит из 24 байтов, представленных 588 битами (180 битов используются для коррекции ошибок). Из 3234 кадров формируется сектор, в котором 2352 байта относятся к данным, а 882 байта используются для коррекции ошибок и управления. Теоретически, контроллер привода компакт-диска может восстановить до 500 байтов в секторе, что соответствует дефекту дорожки длиною до 2,5 мм.

На рис. 11.3 —11.5 показана структура сектора на компакт-диске в соответствии со стандартом ISO 9660[28]28
  Ознакомиться со стандартом ISO 9660 можно на сайте ECMA (Standardizing Information and Communication Systems) – http://www.ecma.ch. На этом сервере доступен стандарт ECMA-119, который описывает использование ISO-9660.


[Закрыть].

Рис. 11.3. Структура сектора для Mode 00

Рис. 11.4. Структура сектора для Mode 01

Рис. 11.5. Структура сектора для Mode 02

Так как стандартный сектор на винчестере содержит 512 байт, то на компакт-дисках, в большинстве случаев, в секторе размещается 2048 байтов (512x4), а остальное пространство не используется.

В простейшем виде информационная поверхность компакт-диска разделена на три зоны – входной каталог (Lead in), область данных и выходной каталог (Lead out), как показано на рис. 11.6. Входной каталог содержит оглавление (Table of Contents, ТОС), адреса записей, число заголовков, суммарное время записи, название диска. В выходном каталоге присутствует метка конца диска.

Рис. 11.6. Организация данных на компакт-диске

Стандарт ISO 9690 регламентирует способы указания имен файлов и структуру каталогов. Используются три вложенных уровня. Первый уровень (Level 1)  – файловая система в стиле MS-DOS, в которой имя файла – 8 символов плюс трехсимвольное расширение, а глубина вложенности каталогов до 8. В качестве символов могут использоваться только заглавные латинские буквы, цифры и символ подчеркивания. Второй уровень (Level 2) позволяет использовать имена файлов длиной до 31 символа и глубиной каталогов 32. Два первых уровня не допускают фрагментацию файлов, т. е. файл должен записываться на компакт-диск за один раз в виде единого массива. Только для третьего уровня (Level 3) разрешена фрагментация файлов.

Скорость передачи данных

При проигрывании аудиозаписей используется метод считывания информации с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity, CLV), вследствие чего скорость вращения диска плавно изменяется при изменении положения читающего лазера. Соответственно, проигрыватели Audio CD и первое поколение CD-ROM имели скорость передачи данных равную 150 Кбит/с. В следующих поколениях CD-ROM скорость вращения постепенно увеличивали, а для классификации устройств использовали кратность относительно первого поколения. В настоящее время достигнут практический потолок[29]29
  Даже на скорости в 48х существует опасность разрушения некачественного компакт-диска, что приводит к повреждению его осколками внутренней конструкции привода CD-ROM.


[Закрыть] в повышении скорости для традиционных компакт-дисков, которая составляет 56^х. В табл. 11.1 приведено соотношение между кратностью привода CD-ROM и скоростью передачи данных.

Так как поддержание постоянной линейной скорости при больших оборотах диска – технически сложная задача, то для скоростных приводов используют метод постоянной угловой скорости вращения (Constant Angular Velocity, CAV), а также комбинированный метод CLV–CAV. В последнем случае от самой внутренней дорожки до середины диска используется метод CLV, а для внешних дорожек – метод CAV. Заметим, что кратности, которые указываются на скоростных приводах CD-ROM, могут относиться к максимальному (достигается на внешней части диска) или среднему значению, которое опять-таки может рассчитываться по-разному, соответственно из-за этого бывает сложно сравнивать приводы компакт-дисков различных фирм.

Таблица 11.1. Скорость передачи данных при различной кратности привода CD-ROM и DVD

Методы записи

Появление приводов CD-R и CD-RW, встреченных с восторгом пользователями, особенно когда цена на них упала ниже 100 долларов, добавило весьма специфических проблем и условий, которыми обставляется запись на компакт-диск. Так, приводы CD-ROM, которые избавились от фирменных интерфейсов и получили поддержку в BIOS системных плат и операционной системе Windows, а также CD-R и CD-RW в режиме чтения необычайно просто устанавливаются, и работа с ними практически не требует каких-либо дополнительных знаний. А вот процесс записи болванок обставлен таким множеством условий, что пользователь, который первый раз пользуется записывающим устройством, обязательно напортит множество компакт-дисков прежде, чем у него будет получаться все так, как надо.

Тут сказалось аудиопрошлое компакт-дисков. Ведь даже используя один и тот же стандарт ISO 9660, компакт-диск можно записывать различными методами, которые при первом знакомстве вызывают небольшой стресс. Далее перечислены режимы записи компакт-дисков, которые чаще всего используются в настоящее время.

• Disc-At-Once (DAO)  – один из самых простых способов записи компакт-дисков, при котором вся информация записываются за один раз. Записывающий лазер работает в непрерывном режиме и выключается только после записи всего диска. Дополнительных данных на компакт-диск после этого записать нельзя. Основное назначение этого метода – создание точных копий компакт-дисков и записи Audio CD.

• Track-At-Once (TAO)  – в этом режиме запись данных на компакт-диск выполняется отдельными треками[30]30
  Проще говоря, трек – это одна музыкальная запись.


[Закрыть]. Записывающий лазер выключается после записи каждого трека. Данный режим позволяет указать, оставить диск «открытым», разрешая в дальнейшем дописывание данных, или «закрыть сессию», защищая компакт-диск от записи новых данных. При записи аудиодиска между композициями образуются двухсекундные паузы.

• Session-At-Once – при этом способе за один сеанс записи записывается один или несколько треков.

Компакт-диск, на котором записано более одной сессии, называется мультисессионным. Следует помнить, что подавляющее большинство музыкальных центров и CD-плееров не умеют читать мультисессионные компакт-диски (то есть диски, состоящие из нескольких сессий). Надо также иметь в виду, что при записи нескольких треков теряется некоторое свободное пространство на диске. Так, после первой сессии вы недосчитаетесь около 22 Мбайт, после второй и последующих – около 13 Мбайт. В табл. 11.2 приведено распределение дискового пространства компакт-диска при различных количествах записанных сессий.

Во всех трех приведенных выше методах записи есть серьезный недостаток – данные во время записи должны поступать с винчестера непрерывно, т. к. любая приостановка в передаче данных портит записываемую болванку. То есть процессор и винчестер не должны прерывать передачу данных в привод. Для исключения аварийных ситуаций используется буфер, иногда до 8 Мбайт, из которого данные поступают непрерывно на блок записи, но, увы, в ряде случаев Windows может "отвлечься" на такое время, что и буфер также будет опустошен.

Для защиты от опустошения буфера ряд фирм предложили собственные технологии. Наиболее часто используемая технология – BURN-Proof (Buffer UnderRun Proof)  – предложенная компанией Sanyo Electric, позволяет отключать лазер в тот момент, когда кончаются данные. Как только в буфере появляются новые данные, запись снова возобновляется. Аналогичная разработка от компании Ricoh называется JustLink (она является чуть более совершенной, т. к. уменьшается стык между обрывом предыдущей записи и началом новой). Кроме того, существуют технологии: SeamlessLink от компании Acer, SafeBurn от компании Yamaha и т. д.

При создании полной копии компакт-диска на винчестере формируется его образ (Image) в виде файла, например my_cd.iso или my_cd.c2d. Из файла образа при прожигании копии берутся данные. Так как вначале для расширения имен файлов образов применялась комбинация символов ISO, то в настоящее время используется термин ISO-образ для файлов, хранящих образ какого-нибудь компакт-диска. Следует обратить внимание, что операционные системы Windows не дают доступ к файлам и каталогам, находящимся внутри ISO-файла, как это возможно, например в операционной системе Linux.

Когда собираются файлы для сессии, которая будет записана на компакт-диск, программа записи не только записывает в проект имена файлов, но и собирает их в файл-образ, занимая место на винчестере. Если быстродействие винчестера выше скорости записи данных на компакт-диск, то можно использовать режим On-the-fly (на лету), при котором не создается предварительный образ записываемого компакт-диска. Заметим, что когда на винчестере маловато места, то это единственный способ записать компакт-диск.

Таблица 11.2. Рекомендации компании Hewlett-Packard по записи данных на компакт-диск в формате ISO 9660 (CD 74 минуты)

Примечание

Учитывайте, что 1 Мбайт = 1 048 576 байт. В разных программах по-разному рассчитываются килобайты, мегабайты и гигабайты, например часто используется соотношение 1 Мбайт = 1000 Кбайт.

Примечание

Чем больше сеансов записано на компакт-диске, тем дольше он инициализируется.

Стандарт на компакт-диски CD-RW появился уже после того, как у пользователей стали популярны приводы CD-ROM. Соответственно, компакт-диски CD-RW могут быть прочитаны только на приводах CD-ROM, совместимых со стандартом MultiRead. Можно считать, что если CD-ROM был выпущен в 1998 г. или позднее, а его скорость составляет 24 ^х или выше, то он должен прочитать данные на компакт-диске CD-RW.

Аудиокомпакт-диск, записанный на CD-RW, скорее всего вряд ли может быть прочитан на бытовом лазерном проигрывателе, поэтому используйте компакт-диски стандарта CD-R.

Еще один метод записи, который был назван Packet Writing, позволяет записывать данные небольшими частями – пакетами, которые занимают всего несколько Кбайт. А поскольку размер пакета значительно меньше буфера, то практически невозможно испортить болванку. При отсутствии следующего пакета в буфере лазер выключается до момента поступления нового пакета. Правда, скорость записи в режиме Packet Writing ниже, и до начала записи данных необходимо форматировать компакт-диск, что требует значительного времени (фактически, приходится заполнить метками весь компакт-диск). Для форматирования можно использовать различные программы, например, Adaptec DirectCD и CeQuadrat PacketCD. После форматирования данные на компакт-диск можно записывать обычными файловыми менеджерами, например тем же Проводником, правда, должен быть установлен специальный драйвер для записи. Чтение также производится обычными средствами операционной системы, если установлен драйвер UDF. Несмотря на удобство и эффективность записи данных пакетами, у этого метода есть ряд недостатков, которые ограничивают его применение. Во-первых, диски записанные этим методом, могут читать только современные приводы CD-ROM, которые понимают режим MultiRead. Во-вторых, отформатированный для использования пакетного режима диск имеет всего 510 Мбайт для CD-RW и 618 Мбайт для CD-R, оставшихся от первоначальных 640 Мбайт, что маловато, скажем, для видеофильмов в формате MPEG4. Ну, и самое существенное, для большинства версий операционной системы Windows требуется загрузка драйвера UDF (Universal Disk Format). Правда, драйвер этот обычно записывается на этот же компакт-диск таким образом, что он может быть прочитан и установлен в стандартном режиме CD-ROM. Определение формата и процесс установки драйвера показаны на рис. 11.7 и 11.8. Кроме того, как показывает практика, пользователь, не сталкивавшийся до этого с форматом UDF, скорее всего посчитает диск испорченным или начнет "грешить" на свой привод CD-ROM.

Рис. 11.7. Запрос операционной системы на установку драйвера UDF

Рис. 11.8. Выбор языка общения при инсталляции драйвера UDF

Примечание

Стандартный объем компакт-диска 640 Мбайт (74 минуты). К сожалению, для многих видеофильмов в формате MPEG4 требуется чуть-чуть больше. Чтобы обойти ограничение в 640 Мбайт и иметь возможность уместить на диске 700 Мбайт (80 минут), используют метод Overturn, который позволяет записать больше секторов, чем указано в служебной области (Actual Time In Pregroove, ATIP) на диске.

Приводы компакт-дисков

За прошедшие годы выпущено множество различных типов приводов компакт-дисков, некоторые из них представляли собой довольно большие ящики. Но сегодня, придя в компьютерный магазин, вы увидите вполне унифицированное устройство, выполненное в виде блока, вставляемого в 5-дюймовый отсек компьютера, либо то же самое устройство, смонтированное в отдельном корпусе.

Чтобы разобраться, какой компакт-диск можно поместить в тот или иной привод компакт-дисков, придется посмотреть на цену и спросить продавца, т. к. наиболее существенное внешнее отличие между приводом CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD – это надпись на крышке лотка для компакт-диска. Если этой надписи нет, а это часто случается для OEM-поставок, понять класс устройства бывает несколько затруднительно. Для примера, на рис. 11.9 показаны несколько различных приводов компакт-дисков.

Рис. 11.9. Приводы компакт-дисков: а – привод CD-RW; б – привод DVD; в – внешний привод CD

Приводы CD-ROM сегодня маркируются одним числом (от 32^х до 56^х), обозначающим максимальную кратность скорости для данного привода.

На приводах CD-RW имеется комбинация из трех чисел, например 32^х 10^х 40^х, обозначающая последовательно слева направо – скорость записи CD-R, скорость записи CD-RW, скорость чтения CD-ROM. Возможно, на крышке может быть выдавлена надпись мелкими буквами «Rewritable». Иногда старые приводы носили название «CD-R/RW». Как ни странно, но «чистых» приводов CD-R в настоящее время практически не встречается.

Приводы DVD имеют на крышке лотка цифры очень малой величины, например 16^х, но обязательно (возможны варианты) на крышке лотка выдавлена надпись – DVD.

В старых компьютерах встречаются приводы CD-ROM со скоростями меньше 24^х —32^х, иногда даже со скоростью 1^x и 2^х. Но, фактически, обнаружить сегодня действующий привод CD-ROM со скоростью меньшей, чем 12^х, очень сложно, т. к. использование пиратских компакт-дисков весьма сокращает срок жизни привода. Как показывает практика, ремонт приводов CD-ROM, особенно их механической части, обойдется дороже покупки нового, более скоростного привода.

На рис. 11.10 показано устройство привода CD-ROM со снятыми корпусом и лотком для компакт-дисков.

Рис. 11.10. Привод CD-ROM со снятыми корпусом и лотком для компакт-дисков

Когда лоток для компакт-диска закрывается, а за это отвечает вспомогательный электродвигатель, диск ложится на металлическую бобышку, покрытую сверху резиной и насаженную непосредственно на вал ведущего двигателя. В момент полного закрытия лотка освобождается защелка фиксатора, и диск прижимается к бобышке шайбой с мощным постоянным магнитом (точность установки диска определяется специальной формой этих двух механических элементов).

После загрузки компакт-диска приводятся в действие система автоматической фокусировки лазерного луча и система слежения за дорожкой. Пластмассовая линза, которая хорошо видна на рис. 11.10, подвешенная в центре электромагнита, совершает колебательные движения вверх-вниз, фокусируясь на поверхности металлического слоя компакт-диска. При раскручивании диска начинает работать подсистема слежения за информационной дорожкой. Луч полупроводникового лазера через систему зеркал и призм отражается от поверхности компакт-диска и попадает в фотодатчик. Весь комплект из лазера, оптических элементов и электромагнита собран в один компактный блок, который может двигаться в радиальном направлении с помощью серводвигателя.

Вся электроника управления электромоторами, лазером и фотсдатчиком смонтирована на одной печатной плате, которая находится под механическим блоком.

Для примера приведем средние значения потребляемой мощности для провода CD-RW:

• при чтении – 10,7 Вт;

• при записи – 23,3 Вт;

• в режиме ожидания – 1 Вт.

Для приводов CD-RW обычно используется полупроводниковый лазер GaAlAs с длиной волны 780 нм (при температуре 25 °C). Его выходная мощность 2,5 мВт при чтении и 35 мВт при записи. Расходимость светового пучка 60°. Для приводов CD-ROM используются менее мощные лазеры.

Предупреждение

Так как мощность лазера достаточно велика, а излучение невидимо для человеческого глаза, то при чистке или ремонте привода CD-RW возможно повреждение сетчатки глаз.