Информатика курсовая работа (1 семестр)

Федеральное агентство по образованию РФ
Брянский государственный технический университет
Кафедра: ”Информатики и программных систем ”
Курсовая работа
по информатике
“ Устройства дисковой памяти ”
Студент группы 08-САПР
Попов И.С.
Руководитель
Алдушенков В.Н.
Брянск 2008
-2-
Содержание
1. Вступление
2. Магнитные диски:
2.1. Жёсткие диски (HDD)
2.2. Дискеты или гибкие диски (FDD)
3. Оптические диски
3.1. CD
3.2. DVD
3.3. HD-DVD
3.4. Blu-Ray
4. Магнитооптические диски
4.1. CD-MO
5. Список используемой литературы
-3-
ВСТУПЛЕНИЕ
В наше время очень важна проблема хранения и переноса различной
информации. Существует огромное количество устройств хранения информации,
и наиболее распространены из них дисковые устройства памяти. Очень быстро
совершенствуется технологии производства устройств, появляются новые
форматы и интерфейсы, расширяется объем и увеличивается скорость записи и
чтения информации, а также нажедность и безопасность ее хранения.
Цель работы: Рассмотреть устройства дисковой памяти, а именно: виды,
интерфейсы, физическая и логическая структура, современное состояние и
тенденции развития.
-4-
ЖЕСТКИЕ ДИСКИ (HDD)
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, НЖМД, жёсткий диск, хард,
харддиск, HDD, HMDD или винче́стер, (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD,
HMDD) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее
устройство. Является основным накопителем данных практически во всех
современных компьютерах.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД
записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые
слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых
НЖМД используется одна пластина, в других — несколько на одной оси.
Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин
благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности
при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет
несколько
нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие
механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При
отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами
диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью
дисков.
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Интерфейс (англ. interface) — набор, состоящий из линий связи, сигналов,
посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии,
и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы ATA
(AT Attachment, он же IDE — Integrated Drive Electronic, он же Parallel ATA),
(EIDE), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), SAS, FireWire, USB,
SDIO и Fibre Channel.
Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться
накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб.
-5-
Физический
размер
(форм-
фактор) (англ. dimension) — почти все
современные (2002—2008 года) накопители для персональных компьютеров и
серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в
ноутбуках. Получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85
дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторе 5,25 дюймов.
Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за
которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на
любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16
мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски, самым
большим из актуальных — диски для портативных устройств.
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов
шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время
доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются
винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и
7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000
об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки
на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). Cм. также: Технология SMART
(S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) —
технология
оценки
состояния
жёсткого
диска
встроенной
аппаратурой
самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).
Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это
около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при
последовательном доступе.
Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.
Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его
работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с
-6-
уровнем шума около 26 дБ и ниже.
Шум
состоит
из
шума
вращения
шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.
Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость
накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах
допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):
 Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с
 Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с
Объём
буфера:
Буфером
называется
промежуточная
память,
предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи
по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32
Мб.
ПРОИЗВОДИТЕЛИ
Большая
часть
всех
винчестеров
производятся
всего
несколькими
компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим
IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi. Fujitsu продолжает
выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый
рынок в 2001 году. Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8дюймовых ЖД для ноутбуков. Одним из лидеров в производстве дисков являлась
компания Maxtor, известная своими «умными» алгоритмами кэширования. В 2006
году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала
компания Conner, которую купила Seagate.
УСТРОЙСТВО
Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.
Гермозона
-7-
Гермозона
включает
в
себя
корпус из прочного сплава, собственно
диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством
позиционирования, электропривод шпинделя.
Блок головок — пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый
диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других
концах (над дисками) закреплены головки.
Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава.
Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины
оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин (подобно
магнитофонной ленте) покрыты тончайшей пылью окислов железа, марганца и
других металлов (точный состав и технология нанесения держатся в секрете).
Большинство устройств содержит 1 или 2 пластины.
Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель
вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4800, 5400, 7200, 10
000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся
мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их
парить над поверхностью пластины. Пока диски не разогнались до скорости,
необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки
в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и поверхности пластин.
Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары
сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на
подвижном блоке головок.
Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни
производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют
очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности,
азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или
пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска
предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который
-8-
абсорбирует водяные пары, оставшиеся
внутри
корпуса
после
его
герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое
отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько мкм)
частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут
проникнуть
вредные
газы.
Выравнивание
давления
необходимо,
чтобы
предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосфорного
давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.
Пылинки, оказавшиеся при сборке в жёстком диске и попавшие на
поверхность
диска,
при
вращении
сносятся
на
ещё
один
фильтр
—
пылеуловитель.
Низкоуровневое форматирование
На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин
форматируются — на них формируются дорожки и сектора. Ранние «винчестеры»
(подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех
дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в
несколько зон. На дорожках внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к
центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это
позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие,
увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.
Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в
ПЗУ блока электроники.
Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные
резервные сектора. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка,
то этот сектор может быть подменён резервным (remapping). Конечно, данные,
хранившиеся в нём, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится.
Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в
процессе эксплуатации.
-9-
Таблицы
переназначения
секторов также хранятся в ПЗУ блока
электроники.
Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники
самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и
где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего
интерфейса «винчестер» выглядит однородным.
В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что
корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого
диска. Существует масса утилит для этого, но на практике оказывается, что если
прироста и удаётся добиться, то он настолько мал а современные диски дёшевы,
что не стоит потраченных сил и времени.
Блок электроники
В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или
RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули
аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и
коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило
разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных
жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок,
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный
блок и блок цифровой обработки сигнала.
Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жесткого диска
с остальной системой.
Блок управления представляет собой систему управления, принимающую
электрические
сигналы
позиционирования
головок,
и
вырабатывающую
управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации
информационных потоков с различных головок, управления работой всех
остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).
- 10 -
Блок ПЗУ хранит управляющие
программы для блоков управления и
цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.
Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и
накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение
размера буферной памяти позволяет увеличить скорость работы накопителя.
Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного
аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации).
ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ ДАННЫХ
Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая
поверхность
диска
движется
относительно
считывающей.
При
подаче
переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее
переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик
поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в
зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у
зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе
головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в
катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.
В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект
и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение
магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от
изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют
увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при
больших плотностях записи информации).
Метод параллельной записи
На данный момент это самая распространенная технология записи
информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой
- 11 -
головки,
которая
проходя
над
поверхностью вращающегося
диска
намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов.
Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости
от намагниченности.
Максимально достижимая при использовании данного метода плотность
записи оценивается 150 Гбит/дюйм² (23 Гбит/см²). В ближайшем будущем
ожидается постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной
записи.
Метод перпендикулярной записи
Метод перпендикулярной записи — это технология, при которой биты
информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать
более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для
записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов — 100—150
Гбит/дюйм² (15-23 Гбит/см²), в дальнейшем планируется довести плотность до
400—500 Гбит/дюйм² (60—75 Гбит/см²).
Жесткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005
года.
Метод тепловой магнитной записи
Метод тепловой магнитной записи (англ. Heat-assisted magnetic recording,
HAMR) на данный момент самый перспективный из существующих, сейчас он
активно разрабатывается. При использовании этого метода используется
точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень
мелкие
области
его
поверхности.
После
того,
как
диск
охлаждается,
намагниченность «закрепляется». На рынке ЖД данного типа пока не
представлены (на 2008 год), есть лишь экспериментальные образцы, но их
плотность уже превышает 1Тбит/дюйм² (150Гбит/см²). Разработка HAMRтехнoлогий ведется уже довольно давнo, однакo эксперты до сих пор расходятся в
- 12 -
оценках
максимальной
плoтности
записи. Так, компания Hitachi называет
предел в 15−20 Тбит/дюйм², а представители Seagate Technology предполагают,
что они смогут довести плотность записи HAMR-носители до 50 Тбит/дюйм²[6].
Широкогo распространения данной технoлогии следует oжидать после 2010 года.
СРАВНЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСОВ
Таблица 1 "Сравнение интерфейсов"
Пропускная
способност
ь, Мбит/с
UltraATA/133
1064
Максимальная
длина кабеля, м
0,46
Требуется
ли кабель
питания
Да (3.5") /
Нет (2.5")
Количество
накопителей
Число
проводнико
в в кабеле
Другие
особенности
Controller+2Slave
2
40/80
, горячая замена
невозможна
Host/Slave,
возможна
SATA/300
2400
1
Да
1
4
горячая замена
на некоторых
контроллерах
Да/Нет
4,5 (при
FireWire/400
400
последовательно
м соединении до
72 м)
(зависит от
устройства
типа
интерфейса
и
накопителя
)
63
4/6
равноправны,
горячая замена
возможна
- 13 -
4,5 (при
FireWire/800
800
последовательно
м соединении до
устройства
Нет
63
4/6
72 м)
USB 2.0
480
равноправны,
горячая замена
возможна
5 (при
Да/Нет
последовательно
(зависит от
м соединении,
типа
через хабы, до
накопителя
72 м)
)
Host/Slave,
127
4
горячая замена
возможна
устройства
Ultra-320 SCSI
2560
12
Да
16
50/68
равноправны,
горячая замена
возможна
горячая замена;
возможно
SAS
3000
8
Да
подключение
Свыше 16384
SATA-устройств
в SASконтроллеры
1 (с
eSATA
2400
2
Да
умножителе
м портов до
Host/Slave,
4
15)
горячая замена
возможна
ИСТОРИЯ ПРОГРЕССА НАКОПИТЕЛЕЙ
1956 — жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера
IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник, а
- 14 -
общий объем памяти 50 вращавшихся
в нем покрытых чистым железом
тонких дисков диаметром с большую пиццу (610 мм) составлял около 4,4
мегабайт (5 миллионов 6-битных байт)
1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб
1986 — Стандарт SCSI
1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб
1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб
1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб
1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI
1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб
2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб (проблема 48-bit
LBA)
2003 — Появление SATA
2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб
2005 — Стандарт Serial ATA 3G
2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)
2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих
накопителях
2006 — Появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок
флэш-памяти
2007 — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1
Тб
- 15 -
2008 — Seagate Technology LLC
представляет накопитель емкостью 1,5
Тб
ДИСКЕТЫ ИЛИ ГИБКИЕ ДИСКИ(FDD)
Диске́та — портативный магнитный носитель информации, используемый
для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема.
Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — начале 2000-х годов.
Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД — «гибкий
магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с дискетами называется
НГМД — «накопитель на гибких магнитных дисках.
Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку,
покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk»
(«гибкий
диск»).
Эта
пластинка
помещается
в
пластмассовый
корпус,
защищающий магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает
гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью
специального устройства — дисковода (флоппи-дисковода).
Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой
можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.
ИСТОРИЯ
1971 — Первая дискета диаметром в 200 мм (8″) с соответствующим
дисководом была представлена фирмой IBM. Обычно само изобретение
приписывается Алану Шугарту, работавшему в конце 1960-х годов в IBM.
1973 — Алан Шугерт основывает собственную фирму Shugart Associates.
1976 — Алан Шугерт разработал дискету диаметром 5,25″.
- 16 -
1978
—
фирма
TEAC
представляет первый в мире дисковод
для чтения 5,25″-дискет.
1981 — Sony выводит на рынок дискету диаметром 3,5″ (90 мм). В первой
версии объём составляет 720 килобайт (9 секторов). Поздняя версия имеет объём
1440 килобайт или 1,40 мегабайт (18 секторов). Именно этот тип дискеты
становится стандартом (после того, как IBM использует его в своём IBM PC).
ФОРМАТЫ
Таблица 2 "Хронология возникновения форматов дискет"
Формат
Год возникновения Объёв килобайтах
8″
1971
80
8″
1973
256
8″
1974
800
8″ двойной плотности
1975
1000
5,25″
1976
110
5,25″ двойной плотности
1978
360
5,25″ четырёхкратной плотности
1982
720
5,25″ высокой плотности
1984
1200
3″
1982
360
3″ двойной плотности
1984
720
3,5″ двойной плотности
1984
720
2″
1985
720?
- 17 -
3,5″ высокой плотности
1987
1440
3,5″ расширенной плотности
1991
2880
Следует отметить, что фактическая ёмкость дискет зависела от способа их
форматирования. Поскольку кроме самых ранних моделей, практически все
флоппи-диски не содержали жёстко сформированных дорожек, дорога для
экспериментов в области более эффективного использования дискеты была
открыта для системных программистов. Результатом стало появление множества
не совместимых между собою форматов дискет даже под одними и теми же
операционными системами.
Дополнительную путаницу внёс тот факт, что компания Apple использовала
в своих компьютерах Macintosh дисководы, применяющие иной принцип
кодирования при магнитной записи, чем на IBM PC. В результате, не смотря на
использование идентичных дискет, перенос информации между платформами на
дискетах не был возможен до того момента, когда Apple внедрила дисководы
высокой плотности SuperDrive, работавшие в обоих режимах.
«Стандартные» форматы дискет IBM PC различались размером диска,
количеством секторов на дорожке, количеством используемых сторон (SS
обозначает одностороннюю дискету, DS — двухстороннюю), а также типом
(плотностью записи) дисковода. Тип дисковода маркировался как SD —
одинарная плотность, DD — двойная плотность, QD — четверная плотность.
8-дюймовые дисководы долгое время были предусмотрены в BIOS и
поддерживались MS-DOS, но точной информации о том, поставлялись ли они
потребителям, нет (возможно, поставлялись предприятиям и организациям и не
продавались физическим лицам).
Кроме вышеперечисленных вариаций форматов, существовал целый ряд
усовершенствований и отклонений от стандартного формата дискет.
- 18 -
ИСЧЕЗНОВЕНИЕ
Одной из главных проблем, связанных с использованием дискет, была их
недолговечность. Наиболее уязвимым элементом конструкции дискеты был
жестяной или пластиковый кожух, закрывающий собственно гибкий диск: его
края могли отгибаться, что приводило к застреванию дискеты в дисководе,
возвращавшая кожух в исходное положение пружина могла смещаться, в
результате кожух дискеты отделялся от корпуса и больше не возвращался в
исходное положение. Сам пластиковый корпус дискеты не служил достаточной
защитой гибкого диска от механических повреждений (например, при падении
дискеты на пол), которые выводили магнитный носитель из строя. В щели между
корпусом дискеты и кожухом могла проникать пыль.
Массовое
вытеснение
дискет
из
обихода
началось
с
появлением
перезаписываемых компакт-дисков, и особенно, носителей на основе флэшпамяти, обладающих гораздо меньшей удельной стоимостью, на порядки большей
емкостью, большим фактическим числом циклов перезаписи и долговечностью.
Промежуточным вариантом между ними и традиционным дискетами
являются магнитооптические носители, Iomega_Zip, Iomega_Jaz и другие. Такие
сменные носители иногда также называют дискетами.
ОПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ
КОМПАКТ-ДИСК
Компакт-диск — оптический носитель информации в виде диска с
отверстием в центре, информация с которого считывается с помощью лазера.
Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н. AudioCD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения
данных широкого назначения (т. н. «CD-ROM», «КД ПЗУ»). Аудио-компактдиски по формату отличаются от компакт-дисков с данными, и CD-плееры
обычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно, можно
прочитать
оба
вида
дисков).
Встречаются
диски,
содержащие
как
- 19 -
аудиоинформацию, так и данные — их
можно и послушать на CD-плеере, и
прочитать на компьютере. С развитием MP3 производители бытовых CD-плееров
и музыкальных центров начали снабжать их возможностью чтения MP3-файлов с
CD-ROM’ов.
Аббревиатура «CD-ROM» означает англ. «Compact Disc Read Only Memory»
что в переводе обозначает компакт-диск только с возможностью чтения. «КД
ПЗУ» означает «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство». CDROM’ом часто ошибочно называют CD-привод для чтения компакт-дисков (CDROM Drive).
ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Компакт-диск был разработан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На
Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более
ранней технологии лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала
собственный метод кодирования сигнала PCM — Pulse Code Modulation,
использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах. В 1982
году началось массовое производство компакт-дисков, на заводе в городе
Лангенхагене под Ганновером, в Германии. Выпуск первого коммерческого
музыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 г. Значительный вклад в
популяризацию компакт-дисков внесли Microsoft и Apple Computer. Джон Скалли,
тогдашний CEO Apple Computer, в 1987 году сказал, что компакт-диски
произведут революцию в мире персональных компьютеров.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ
- 20 -
Компакт-диск
представляет
собой
поликарбонатную
подложку
толщиной 1,2 мм и диаметром 120 мм, покрытого тончайшим слоем металла
(алюминий, золото, серебро и др.) и защитным слоем лака, на котором обычно
наносится графическое представление содержания диска. Принцип считывания
через подложку был принят, поскольку позволяет весьма просто и эффективно
осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней
поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет
порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам.
Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм,
позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой
поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска
без коробки составляет ~15,7 гр.
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так
называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе.
Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита
варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются
лендом. Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.
Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R — для
однократной записи, CD-RW — для многократной записи. Диски последних двух
типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах.
СЧИТЫВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ
Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780
нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей
заключается в регистрации снижения интенсивности отражённого света.
Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2
мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то фотодиод
регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит,
- 21 -
фотодиод
регистрирует
ме́ньшую
интенсивность света. Различие между
дисками «только для чтения» и дисками однократной/многократной записи
заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения»
питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную
решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины
волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между
светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в
плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и
регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет
собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная
дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение
интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду,
так и длительность регистрируемого сигнала.
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 кБ/с (то есть 153 600
байт/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость
чтения (или записи) CD, равную 48 x 150 = 7200 KБ/с (7,03 MБ/с).
ПРОИЗВДСТВО КОМПАКТ-ДИСКОВ
Первым этапом производства компакт-дисков является мастеринг —
процесс подготовки данных, для запуска в серию.
Второй этап — фотолитография процесс изготовления штампа диска.
На стеклянный диск наносится слой фоторезиста, на который производится
запись информации. Фоторезист — полимерный светочувствительный материал,
который под действием света изменяет свои физико-химические свойства.
Третий этап — запись информации.
Запись производится лазерным лучом, мощность которого модулируется
записываемой информацией. Для создания пита мощность лазера повышается, что
- 22 -
приводит к разрушению химических
связей
молекул
фоторезиста,
в
результате чего он «задубевает».
Четвертый этап — проявка фоторезиста.
Поверхность
фоторезиста
подвергается
кислотному
(щелочному)
травлению, при котором удаляются (вымываются проявителем) те области
фоторезиста, которые не были экспонированы лазерным лучом.
Пятый этап — гальванопластика.
Проявленный стеклянный мастер-диск помещается в гальваническую
ванну, где на его поверхность производится электролитическое осаждение
тонкого слоя никеля.
Шестой этап — штамповка дисков методом литья под давлением с
использованием полученного штампа.
Седьмой этап — напыление зеркального металлического (алюминий,
золото, серебро и др.) слоя на информационный слой.
Восьмой этап — нанесение защитного лака.
Девятый этап — нанесение графического изображения — лейбла (от англ.
Label).
ЗАПИСЬ НА КОМПАКТ-ДИСКИ
CD-R (Compact Disc Recordable) для однократной и CD-RW (Compact Disc
ReWritable) для многократной записи. В таких дисках используется специальный
активный материал, позволяющий производить запись/перезапись информации.
Различают
диски
с
органическим
(в
основном
диски
CD-R-типа)
и
неорганическим (в основном CD-RW диски) активным материалом. При
использовании органического активного материала запись осуществляется путём
разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению
(изменению
коэффициента
отражения
материала).
При
использовании
- 23 -
неорганического активного материала
запись
осуществляется
изменением
коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного
агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот. И в том и в другом случае
запись производится модуляцией мощности лазера.
ОБЬЕМ ХРАНИМЫХ ДАННЫХ
Компакт-диски имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650
Мбайт
информации
(или
74
минуты
звукозаписи),
однако,
начиная
приблизительно с 2000 года, всё большее распространение получали диски
объёмом 700 Мбайт, которые позволяют записать 80 минут аудио, впоследствии
полностью вытеснившие диск объёмом 650 Мбайт. Встречаются и носители
объёмом 800 мегабайт (90 минут) и даже больше, однако они могут не читаться на
некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также синглы, диаметром 8 см, на
которые вмещается около 140 или 210 Мбайт данных или 21 минута аудио, и CD,
формой напоминающие кредитные карточки (т. н. диски-визитки). Увеличение
ёмкости
хранимой
информации
стало
возможным
благодаря
полному
использованию допусков на изготовление дисков. Так, например, расстояние
между дорожками по стандарту ECMA-130 составляет 1,6 ± 0,1 микрометра,
линейная скорость вращения диска 1,2 или 1,4 м/с ± 0,01 м/с при тактовой частоте
4,3218 Мбит/с. Ёмкость в 650 Мбайт соответствует скорости 1,41 м/с и
расстоянию между дорожками равному 1,7 микрометра, а ёмкость в 800 Мбайт —
скорости в 1,19 м/с и расстоянию между дорожками в 1,5 микрометра.
DVD
DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск) —
носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако
имеющий
возможность
хранить
бо́льший
объём
информации
за
счёт
использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт
дисков.
- 24 -
ИСТОРИЯ
Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в
марте 1997 в США. В начале 1990-х годов разрабатывалось два стандарта для
оптических информационных носителей высокой плотности. Один из них
назывался «Multimedia Compact Disc» (MMCD) и разрабатывался компаниями
Philips и Sony, второй — «Super Disc» — поддерживали 8 крупных корпораций, в
числе которых были Toshiba и Time Warner. Позже усилия разработчиков
стандартов были объединены под началом IBM, которая не хотела повторения
кровопролитной войны форматов, как было со стандартами кассет VHS и
BetaMax в 1970-х. Официально DVD был анонсирован в сентябре 1995 года.
Первая версия спецификаций DVD была опубликована в сентябре 1996 года.
Изменения и дополнения в спецификации вносит организация DVD Forum (ранее
называвшаяся DVD Consortium), членами которой являются 10 компанийоснователей и более 220 частных лиц. Первый привод, поддерживающий запись
DVD-R, выпущен Pioneer в октябре 1997 года. Стоимость этого привода,
поддерживающего спецификацию DVD-R версии 1.0, составляла 17000$.
«Болванки» объёмом 3.95 Гб стоили по 50$ каждая. Изначально «DVD»
расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку
данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже,
когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной
информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc
(цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD
Forum’а, использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор,
поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
- 25 -
Для
считывания
и
записи
DVD
используется красный лазер с длиной
волны 650 нанометров.
DVD по структуре данных бывают трёх типов:
DVD-Video — содержат фильмы (видео и звук);
DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо
выше, чем на аудио-компакт-дисках);
DVD-Data — содержат любые данные;
смешанное содержимое.
В
отличие
от
компакт-дисков,
в
которых
структура
аудиодиска
фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется
файловая система UDF (для данных может быть использована ISO 9660).
DVD как носители бывают четырёх типов:
DVD-ROM — диски, изготовленные методом инжекционного литья
(литья под давлением из прочного пластика-поликарбоната), непригодны
для записи в приводах, пригодны в современных приводах;
DVD+R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной
(RW — ReWritable) записи;
DVD-R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной
(RW — ReWritable) записи;
DVD-RAM — диски многократной записи с произвольным доступом
(RAM — Random Access Memory).
Любой из этих 4 типов носителей DVD может нести любую из трёх
структур данных .
- 26 -
Физически DVD может иметь
одну или две рабочие стороны и один
или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска
(из-за чего они получили также названия DVD-5, −9, −10, −18, по принципу
округления ёмкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа):
Таблица 3 "Ёмкость DVD"
Ёмкость DVD
1-сторонние 1-слойные
(DVD-5)
1-сторонние 2-слойные
(DVD-9)
2-сторонние 1-слойные
(DVD-10)
2-сторонние 2-слойные
(DVD-18)
В Гигабайтах
В Гибибайтах
(109 байт)
(230 байт)
4,7
4,38
8,5
7,96
9,4
8,75
17,1
15,93
Указанные цифры — приблизительные. На DVD данные записываются
секторами; один сектор содержит 2048 байт. Поэтому точное значение ёмкости
DVD можно определить умножением 2048 на число секторов на диске, которое
слегка варьируется у различных типов DVD носителей (цифры даны для 1сторонних дисков; у 2-сторонних, соответственно, всё в 2 раза больше):
- 27 -
Таблица 4 "Емкость DVD -R(W)"
Тип диска
Число секторов Ёмкость в байтах Гигабайты Гибибайты
1-слойный DVD-R(W) 2 298 496
4 707 319 808
4,7
4,384
1-слойный DVD+R(W) 2 295 104
4 700 372 992
4,7
4,378
1-слойный DVD-RAM 2 295 072
4 700 307 456
4,7
4,378
2-слойный DVD-R(W) 4 171 712
8 543 666 176
8,5
7,957
2-слойный DVD+R(W) 4 173 824
8 547 991 552
8,5
,961
Примечание: формат DVD-R(W) не задаёт точное число секторов, а лишь
требует, чтобы ёмкость была не ниже 4,7 млрд байт. Однако большинство
производителей придерживаются цифры 2 298 496 секторов, что и указано в
таблице.
Вместимость можно определить на глаз — нужно посмотреть, сколько
рабочих (отражающих) сторон у диска и обратить внимание на их цвет:
двухслойные стороны обычно имеют золотой цвет, а однослойные — серебряный,
как компакт-диск.
Единица скорости (1x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то
есть около 1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й
скорости (9x) чтения/записи CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким
образом, 16-скоростной привод обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD
равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с.
- 28 -
HD DVD
HD DVD (англ. High-Density DVD — DVD высокой ёмкости) — технология
записи оптических дисков, разработанная компанией Toshiba, NEC и Sanyo. HD
DVD (как и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120
миллиметров в диаметре) и голубой лазер с длиной волны 405 нм.
19 февраля 2008 года компания Toshiba объявила о прекращении поддержки
технологии HD DVD в связи с решением положить конец войне форматов.
ОБЗОР
Однослойный диск HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный — 30 GB.
Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который может хранить до 45 GB
данных. Это меньше, чем ёмкость основного соперника Blu-ray, который
поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата
используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2, Video Codec 1 (VC1,
базируется на формате Windows Media 9) и H.264. Важным фактором
привлекательности HD DVD по сравнению с Blu-ray является также тот факт, что
большая часть оборудования для производства DVD может быть переоснащена
для производства HD DVD, так как использует ту же технологию производства.
ВОЙНА ФОРМАТОВ
Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray, неофициально
названное «Война форматов» разрешилась в пользу последнего. Компания
Toshiba (основной сторонник HD DVD) официально отказалась от данного
формата и прекращает его производство. Важным аргументом в этом споре
- 29 -
выступило то, что ряд голливудских
киностудий и, в частности, Warner
Bros отказались от формата HD DVD в пользу Blu-ray.
BLU-RAY DISC
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray — голубой луч и disc — диск) — формат
оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных,
включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray
был совместно разработан консорциумом BDA.
Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от использования для
записи и чтения коротковолнового (405нм) «синего» (технически синефиолетового) лазера.
ВАРИАЦИИ И РАЗМЕРЫ
Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб,
двухслойный диск может вместить 46,6/50 или 54 Гб. Также в разработке
находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно
четырёх и шести слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип
четырёхслойного диска объёмом 100 Гб.
На данный момент доступны диски BD-R и BD-RE, в разработке находится
формат BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм,
выпущены варианты дисков размером 80 мм для использования в цифровых фотои видеокамерах. Планируется, что их объём будет достигать 15 Гб для
двухслойного варианта.
- 30 -
Таблица 5 "Вместимость BD"
Физический размер
Однослойная вместимость
Двухслойная вместимость
120 мм
23,3/25/27 Гб
46,6/50/54 Гб
80 мм
7,8 Гб
15,6 Гб
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Лазер и оптика
В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый
лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и
инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно.
Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с
обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных.
Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить
больше информации на 12 см дисках того же размера, что и у CD/DVD.
Эффективный «размер пятна», на котором лазер может сфокусироваться,
ограничен дифракцией и зависит от длины волны света и числовой апертуры
линзы, используемой для его фокусировки. Уменьшение длины волны,
использование большей числовой апертуры (0,85, в сравнении с 0,6 для DVD),
высококачественной двухлинзовой системы, а также уменьшение толщины
защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность
проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи.
Это позволило записывать информацию в меньшие точки на диске, а значит,
- 31 -
хранить
больше
информации
в
физической области диска, а также
увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.
Технология твёрдого покрытия
Из-за того, что на дисках Blu-Ray данные расположены слишком близко к
поверхности, первые версии дисков были крайне чувствительны к царапинам и
прочим внешним механическим воздействиям, из-за чего они были заключены в
пластиковые
картриджи.
Этот
недостаток
вызывал
большие
сомнения
относительно того, сможет ли формат Blu-ray противостоять HD DVD —
стандарту, который в то время рассматривался как основной конкурент Blu-ray.
HD DVD, помимо своей более низкой стоимости, мог нормально работать без
картриджей, также как и форматы CD и DVD, что делало его более удобным для
покупателей, а также более интересным для производителей и дистрибьюторов,
которым было невыгодно нести дополнительные траты на изготовление
картриджей.
Решение этой проблемы появилось в январе 2004 года, с появлением нового
полимерного покрытия, которое дало дискам более качественную защиту от
царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией TDK, получило
название «Durabis», оно позволяет очищать BD при помощи бумажных салфеток
— которые могут нанести повреждения CD и DVD. Формат HD DVD имеет те же
недостатки, так как эти диски производятся на основе старых оптических
носителей. По сообщению в прессе «голые» BD с этим покрытием сохраняют
работоспособность даже будучи поцарапанными отвёрткой.
МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ
CD-MO
CD-MO (Compact Disc-Magneto-Optical, Магнито-оптический компакт-диск)
— разновидность компакт-диска (CD), разработан в 1988 году и позволяет
многократно записывать и стирать информацию. Стандарт CD-MO является
- 32 -
частью стандарта «Orange Book» —
part I, и в общих чертах является
компакт-диском с магнито-оптическим записывающим слоем. Появился до
внедрения технологии записываемых CD-RW компакт дисков.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ
Запись данных производится нагреванием магнито-оптического материала
записывающего слоя до точки Кюри, при которой теряется упорядоченная
намагниченность материала, то есть информация стирается, а затем магнитная
записывающая
головка
намагничивает
только
что
стёртый
участок
в
определённом направлении, то есть записывает новую информацию. Подобным
способом
записывается
и
Minidisc
—
стандарт
оптического
носителя,
разработанный фирмой Sony. Чтение с магнитооптических дисков основывается
на физическом эффекте Керра, и по замыслу разработчиков стандарта такие диски
можно было бы легко считывать в обычных читающих приводах компакт дисков
CD/CD-ROM. Однако, на практике, CD-MO диски поставлялись в специальных
защитных футлярах (картриджах), что не позволяло использовать их как обычные
CD-ROM, и часто ограничивало пользователя только определённым типом
приводов от одного конкретного производителя.
Данный формат не получил широкого коммерческого распространения и
успеха, так как в основном позиционировался на рынке как замена накопителей
на магнитной ленте. Каждый производитель делал свой тип картриджей, их
приводы требовали специфичного программного обеспечения. Часто параметры и
формат записи не соответствовал общему стандарту (даже на физическом
уровне). Всё это приводило к невозможности прочитать записанные диски на
оборудовании другого производителя или даже на том же самом приводе если
версия
программного
обеспечения
не
соответствовала
тому,
которое
использовалось при записи диска.
Скорости записи, также были весьма ограниченными, примерно 1х или 2х
стандартной скорости CD-ROM, иногда и меньше.
- 33 -
В связи с тем, что это был самый
первый
вариант
записываемых
оптических дисков, неразберихой со стандартами записи и несовместимостью
ПО, огромными размерами самих приводов и высокими ценами на носители и
сами приводы, и низкими скоростями записи — эта технология использовалась в
очень узком круге задач. Вскоре появившийся стандарт CD-R/CD-RW очень
быстро вытеснил CD-MO почти отовсюду. Также появился и более развитый
стандарт МО дисков — ZIP диски. На 2006 год очень сложно найти в продаже
носители или приводы стандарта CD-MO.
- 34 -
Используемая литература, источники и материалы
1) Носитель информации - Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/носители информации , вход свободный.
2) Жесткий диск – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Жёсткий диск, вход свободный.
3) Дискета – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Дискета, вход свободный.
4) Компакт-диск – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Компакт-диск, вход свободный.
5) DVD – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/DVD, вход свободный.
6) HD-DVD – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/HD-DVD, вход свободный.
7) Blu-Ray – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Blu-Ray, вход свободный.
8) CD-MO – Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/CD-MO, вход свободный.
- 35 -