Накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD

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.

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.

Типичный накопитель CD-ROM состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, устройства управления оптической головкой считывания (рис. 3), буферной памяти и механизма загрузки оптического диска.

Рис. 3. 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.

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», заверт шившая официальное оформление стандарта накопителя CD-RW.

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.

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.

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 °C (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.

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.

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.

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.

хранение данные диск накопитель.