Выполнил студент группы 09-ОЗИ1:
Соболев В.В.

Физические принципы функционирования устройств хранения информации на оптических носителях

Введение

Большим шагом вперед в свое время стало появление накопителей на записываемых, а затем и перезаписываемых оптических носителях. Они имели существенно большие функциональные возможности по сравнению с привычными на тот момент стандартными приводами компакт-дисков. Правда, их быстрому распространению в системных блоках препятствовала высокая цена на подобные модели. По прошествии времени технологии, реализованные в CD-RW накопителях, постоянно совершенствовались, а стоимость приводов неуклонно снижалась. Последний процесс происходил значительно более быстрыми темпами по сравнению с классическими CD-ROM-приводами. Возможность записи и перезаписи компакт-дисков на CD-RW моделях стоит потраченных на них денег. Именно по этим причинам все большее количество покупателей сразу предпочитают приобретать CD-RW накопители. В тоже время те пользователи, которые имеют CD-ROM приводы, меняют их на модели с возможностью записи или ставят последних дополнительно – для работы в тандеме. Просматривая прайс-листы компьютерных компаний, можно обратить внимание на то, что по количеству предложений о продаже CD-RW накопители начинает опережать классические модели. Это является лучшим свидетельством растущей популярности пишущих приводов. С другой стороны нельзя не отметить, что все большую конкуренцию CD-RW накопителям начинают составлять комбинированные модели позволяющие читать DVD и записывать компакт-диски. Возрастающую роль на рынке накопителей с оптическими носителями с возможностью записи начинают также играть и постоянно совершенствующиеся приводы DVD в исполнении –RW, +RW и т.п.

CD-ReWritable, могут быть записаны по стандарту до 1000 раз (практически, конечно же, это число не гарантируется). Записанное на них можно стирать. CD-RW могут использоваться для тех же задач, что и CD-R - поскольку поддерживают все возможности CD-R, и с точки зрения софта, работающего с CD-R, CD-RW болванка ничем не отличается. Ещё одной возможностью CD-RW является запись с произвольным доступом. Однако, следует заметить, что на старой аппаратуре (примерно до 1997) CD-RW диски как правило не читаются.
Принцип записи на CD-RW - так называемый phase change, перевод информационного слоя в кристаллическую (частично пропускающую свет, который отражается от отражающего слоя) либо в аморфную (рассеивающую) форму.

Тип информационного слоя

"Информационный слой CD-RW болванок всегда одинаков и представляет собой металлический сплав Ag-In-Sb-Te (серебро и индий с добавками сурьмы и теллура), изолированный с верхней и нижней стороны диэлектрическими слоями." (4)

Объём

"Распространены 650Mb (74min) и 700Mb (80min) болванки. 650Mb болванки в действительности обычно имеют номинальный объём порядка 654Mb (74m30s), иногда 656Mb или около того. Номинальный объём 700Mb болванок всегда одинаков.

В последнее время появились болванки на 90 и 99 минут. Это весьма специфическая продукция по следующим причинам: дабы не нарушать стандарт, эти болванки имеют ту же номинальную ёмкость, что и 700Mb. Запись на них более чем 80 минут возможна только на приводах, умеющих overburn Кроме перечисленных, есть также 21-минутные, 6-минутные и т.п., отличающиеся от стандартных по размеру и форме." (4)

Размер и форма

Наиболее распространены болванки размером с обычный CD. Есть также маленькие восьмисантиметровые болванки - под углубление в трее CD-привода, и ещё одна новомодная разновидность – прямоугольные CD-визитки. Отличаются перечисленные болванки только объёмом.

Реальный ресурс CD-RW болванок на запись

"Практика показывает, что в большинстве случаев CD-RW болванки «дохнут» от механических повреждений, а не от перезаписи. Поэтому при необходимости частых перезаписей их следует использовать очень бережно, предохраняя от царапин. Царапины вредят не столько чтению, сколько записи - поскольку при записи луч преломляется царапиной два раза - в процессе записи и в процессе чтения записанного." (4)

"Существуют так называемые caddy - коробочки для CD, превращающие их в картриджи (похожие на используемые для магнитооптики, 3.5 дискет, Zip/Jaz). Для использования caddy нужны специальные CD-RW приводы с поддержкой caddy, при этом диски в обычных коробочках перед установкой в такой привод временно перекладываются в caddy. Такой вариант позволяет резко снизить износ болванки, однако в России он не распространён. В обычный привод засунуть caddy нельзя

Какие CD-R болванки лучше использовать для записи?

Прежде всего следует отметить: надпись на болванке в абсолютном большинстве случаев прямого отношения к изготовителю болванки не имеет. На этом рынке, что вызывает проблемы у потребителей, изготовители болванок чаще всего маркируют их названиями известных фирм - Philips, Basf и так далее. Иногда бывает так, что надпись на болванке может иметь прямое отношение к изготовителю, а иногда бывает и так, что изготовитель вообще никогда не выпускает болванки под
собственной маркой." (4)

Слой дисков

"В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW формально необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread; ранние приводы маркировались CD-Enabled.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF (Universal Disk Format - универсальный дисковый формат), позволяющая динамически создавать и
уничтожать отдельные файлы на диске.

Органический слой дисков CD-RW обычно имеет серо-коричневый цвет." (4)

Отличие CD-R/CD-RW от штампованного диска

"Прежде всего, эти диски изготовляются со вспомогательной разметкой (pregroove) в которой закодирована временная сетка (ATIP - Actual Time In Pregroove, действительное время по разметке), которая одновременно служит и для разбивки диска на кадры (блоки), и дополнительная информация о диске - коды, рекомендуемые значения скорости вращения и
мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и пользовательских областей диска и для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной информационной дорожке.

Кроме этого, диск содержит две служебные области: PCA (Power Calibration Area - область калибровки мощности) и PMA (Program Memory Area - область памяти программы), расположенные внутри от "официального" радиуса начала записи. PCA используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, а PMA – для временного хранения TOC в случае записи одной сессии в несколько приемов.

PCA и PMA являются таблицами фиксированной длины емкостью по 100 элементов каждая, что ограничивает как общее количество случаев записи, так и этапов формирования незакрытых сессий.

Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является дорожка (track) в формате CD-DA или CD-ROM. Минимальная длина дорожки - 300 блоков (600 кб, 4 сек). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (pre-gap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 кб, 2 сек) для однотипных дорожек и 225
блоков (450 кб, 3 сек) для дорожек разных типов.

Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area); которая может формироваться в несколько приемов, между которыми адреса и параметры дорожек (TOC) сохраняются в PMA. На этом этапе доступ к записанным дорожкам имеют только приводы CD-R, так как обычные приводы CD-ROM не знают о PMA и требуют, чтобы программная
область была обрамлена зонами Lead-In (4500 блоков - 9 Мб, 1 мин) и Lead-Out (2250 блоков - 4.5 Мб, 30 сек), а также наличия TOC в Lead-In. Структура из Lead-In, Program Area и Lead-Out называется сессией, а процесс записи Lead-In и Lead-Out вокруг области данных
закрытием сессии." (4)

Обозначения на записываемых дисках

"Обозначениями CD-R и CD-RW маркируются однократные и перезаписываемые
диски. Диски CD-R можно использовать для записи в приводах CD-RW, но не наоборот.

На всех дисках указывается максимальное гарантированное время записи (обычно 74 минуты, 333000 блоков). В случае, когда предварительная разметка сделана на большее время, на диск возможна запись более продолжительной программы, однако в случае недостаточной длины
размеченной дорожки диск будет испорчен. Точное количество доступных для записи блоков зависит от модели диска; его можно получить, запросив свойства диска в записывающей программе. Некоторые диски имеют менее 333000 доступных блоков.

На большинстве дисков указана их максимальная вместимость в мегабайтах данных (обычно 650 при размере блока 2048 байт). На дисках некоторых производителей (например, Maxell) вместимость в рекламных целях указывается в миллионах байтов (680), что означает те же 650 Мб. Отдельные диски маркируются цифрой 780, что обозначает емкость диска в звуковых секторах (74 минуты по 176 кб). При записи в формате mode 2 за счет большей величины блока данных возможна запись более 650 Мб ценой снижения корректирующей способности кода.

На диске или коробке сообщается также максимально допустимая скорость записи (1x..52x). Для записи на повышенных скоростях нужен рассчитанный на эти скорости регистрирующий слой, и превышение допустимой скорости записи может привести к смазыванию информационных меток и последующей плохой читаемости диска, либо к полной его негодности. Отсутствие маркировки скорости или упоминания о ней в сопроводительном тексте говорит о том, что запись на повышенных скоростях не гарантируется." (4)

Процесс записи на CD-RW

"В режиме TAO пишутся многосессионные диски формата CD-ROM, допускающие последующую дозапись данных; это также наиболее простой способ записи CD-DA с паузами между дорожками. Сессия может быть как полностью записана за один прием - с формированием TOC, файловой системы (для CD-ROM) и зон Lead-In/Lead-Out (запись с закрытием сессии), так и в несколько приемов, с сохранением временных TOC в элементах PMA (запись с оставлением открытой сессии).
Накладные расходы на первую сессию составляют 11250 блоков (22.5 Мб), на каждую последующую - 6750 (13.5 Мб), и проявляются не в ограничении доступного пространства в очередной сессии, а в его уменьшении для последующих сессий. Это означает, что все без исключения свободные блоки пользовательской области могут быть заняты новой сессией, однако число свободных блоков после записи сессии окажется меньшим еще на 11250 или 6750. Если при этом пользовательская область не будет исчерпана - останется возможной запись дополнительных сессий.

При закрытии сессии в ее Lead-In записывается указатель на свободную область диска непосредственно за Lead-Out, что дает возможность дописывания на диск новых сессий. Однако, по наиболее универсальным стандартам CD-DA и CD-ROM, чтобы нормально считываться во всех устройствах, диск должен быть полностью закрыт - в этом случае
указателя на свободную область не создается, и диск становится недоступным для последующей записи. Подавляющее большинство современных приводов не обращают внимания на закрытость диска.

Перед началом записи необходимо сформировать полный список входящих в сессию файлов; последующее добавление файлов на диск возможно лишь в виде дополнительных сессий. Приводы CD-ROM, не поддерживающие многосессионную запись, считывают с диска только первую TOC (сессию) - соответственно, с их помощью можно считывать лишь файлы первой сессии. Многосессионные CD-ROM считывают только последнюю TOC, поэтому последняя сессия на многосессионном диске должна содержать в своем оглавлении ссылки и на файлы предыдущих сессий. Для этого при записи очередной сессии применяется опция импортирования сессий (Import Track) для создания полного общего оглавления. Совпадающие по именам каталоги при этом объединяются, как при дописывании на обычный диск. Адресация файлов в любом случае ведется в пределах всего диска, поэтому объединению подвергаются только оглавления. Файлы сессий, которые не были импортированы при создании очередной, в результирующем каталоге присутствовать не будут и обычное обращение к ним будет невозможным, однако многие программы записи на CD-R позволяют выборочно считывать отдельные сессии диска. То же самое позволяет
делать одна из версий MSCDEX - MDCDEX, или Adaptec Session Selector (из комплекта Easy CD Creator), при условии поддержки со стороны привода.

Перед началом собственно процесса записи привод выполняет калибровку лазера, используя область PCA. Теоретически, таких калибровок может быть не более 100, однако ряд современных приводов записывают в PCA вместе с параметрами оптимального режима записи свой номер модели, так что при последующих операциях над этим диском в приводах этого же типа калибровка выполняться не будет.

Если запись на однократный многосессионный диск по какой-либо причине была прервана, в ряде случаев имеется возможность использовать оставшееся свободным пространство диска. Для этого требуется программа записи, имеющая опцию закрытия сессии (Close Track/Session), после чего нужные данные записываются очередной сессией без импорта
прерванной сессии (предшествующие ей сессии могут быть импортированы).

Поскольку конечная видимость каждого файла определяется процессом импорта оглавления, возможно исключение из каталога отдельных файлов и выборочная замена файлов с совпадающими именами. Старая копия файла продолжает оставаться на диске в одной из предшествующих сессий, однако в новый каталог помещается ссылка на новый экземпляр.
Выборочное исключение файлов предыдущих сессий в каталог новой сессии дает эффект их "удаления". Видимость "удаленных" таким образом файлов впоследствии может быть "восстановлена" путем их импорта в новые сессии.

Для записи CD-RW, кроме сессионного метода, может применяться их предварительное форматирование - разбивка на секторы, подобно магнитным дискам. После форматирования диск CD-RW может использоваться, как обычный сменный диск - стандартные файловые
операции копирования, удаления и переименования преобразуются драйвером привода CD-RW в серии операций перезаписи секторов диска. Благодаря этому для работы с дисками CD-RW не требуется специального программного обеспечения, кроме драйвера привода с поддержкой UDF (например, Adaptec DirectCD) и программы начальной разметки.

Некоторые версии записывающих программ позволяют записывать загружаемые (bootable) диски." (4)

Packet Writing

"Система пакетной записи на CD-R или CD-RW, позволяющая быстро включать и отключать записывающий лазер в промежутках между блоками, записывая 7 связующих блоков (2 - run-out, 4 - run-in, 1 - link) вместо обычных 150. Эта система была введена для записи CD-RW, поскольку его "секторная" структура требует точного управления лазером для снижения
накладных расходов на паузы.

Привод с пакетной записью не требует постоянного потока данных на входе - когда данные в буфере исчерпаны, лазер отключается, а при появлении данных запись продолжается с прерванного места с минимальными потерями в плотности. Такая технология исключает порчу диска в результате отставания потока данных от скорости записи. Однако этот способ записи не спасает от сбоев в результате толчков привода, зависания системы или отключения питания во время записи.

При помощи пакетной записи одна сессия обычного однократного диска может быть записана в несколько приемов; существующие программы позволяют представлять CD под их управлением в виде обычного диска, на который файлы пишутся стандартными операциями ОС. От DirectCD это отличается тем, что записанные файлы не могут быть переименованы,
изменены или удалеены. После завершения формирования сессии она закрывается обычным способом." (4)

ATIP

Absolute (или Actual) Time In Pregroove. Pregroove – это спиральная дорожка, нанесённая на диск при его изготовлении, и служащая для ориентации лазера при записи. ATIP по своему смыслу приблизительно соответствует неформатированной ёмкости дискеты. По значению ATIP можно определить матрицу, на которой отпечатана болванка, и соответственно - фирму, которая изготовила эту матрицу.
Большинство фирм пользуется только собственными матрицами, однако некоторые фирмы (например, Multi Media Masters & Machinery, сокращённо 4M) торгуют оборудованием со своими матрицами, и этот ATIP будет встречаться на болванках разных фирм, закупивших это оборудование. Конкретный пример такой фирмы - отечественный УЭЗ (болванки Mirex).

ATIP можно считать специальными утилитами типа CDRid, IdentCDR и тому подобными. Эти утилиты содержат базу названий фирм, соответствующих разным ATIP - отсюда берётся путаница в названиях. На самом диске никаких названий нет. Кроме этого, утилиты считывают из служебной области диска и другие параметры - тип информационного слоя, максимальную и минимальную скорость записи для CD-RW, и объём диска. (4)

Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными

"Поскольку отражающий слой дисков CD-R/RW обычно делается из золота и серебра, менее подверженных окислению, чем алюминий в большинстве штампованных дисков, они тускнеют медленнее обычных. Однако материал регистрирующего слоя CD-R/RW более чувствителен к свету и также подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому чувствительна к ударам и деформациям диска - например, к его перегибу при извлечении из коробки. Наиболее оптимистичная оценка времени жизни дисков на основе фталоцинанина - около 100 лет, однако реальные цифры для большинства современных дисков (цианин и другие материалы) гораздо ниже. Примерная оценка долговечности среднего CD-R на основе массовой статистики - около двух-трех и более лет при аккуратном обращении и около года -
при интенсивном использовании в сочетании с неаккуратным обращением (удары, перегибы, воздействие тепла, влажности, яркого света и т.п.). Для качественно изготовленных и записанных дисков при полном соблюдении условий хранения и эксплуатации время жизни оценивается минимум в 10 лет." (4)

Интерфейсы

"Если есть одна модель привода с разными интерфейсами - качество у них идентичное. Различия есть лишь между самими интерфейсами.

Для сравнения интерфейсов представим идеальный интерфейс. Такой интерфейс выглядит следующим образом - это шина достаточно большой для любых решаемых дома задач длины, объединяющая достаточное любому пользователю количество устройств, имеющая достаточную для одновременной работы необходимых в конкретный момент времени устройств пропускную способность, и позволяющая работать устройствам одновременно, чтобы их скорость при этом суммировалась (разумеется, не превышая предельной скорости шины).

Контроллер такого интерфейса обеспечивает прямой обмен с памятью компьютера при помощи DMA (Direct Memory Access), минуя процессор, что позволяет практически не загружать процессор этой задачей. И, разумеется, этот интерфейс должен быть как для внешних, так и для внутренних устройств.

Практически соответствуют идеалу в настоящее время интерфейсы SCSI и FireWire.

Однако, наиболее распространены приводы с интерфейсом IDE (ATAPI). Поэтому стоит рассказать про достоинства и недостатки этого интерфейса подробнее. Достоинством данного интерфейса является дешевизна – ввиду популярности IDE для винчестеров, поддержка IDE есть практически на всех материнских платах, что позволяет подключать IDE рекордеры без покупки дополнительного контроллера. В остальном же, интерфейс IDE характеризуется:

• ограничением на длину кабеля - больше 30см делать нежелательно
• отсутствием стандартных внешних разъёмов - эта шина чисто для внутренних устройств
• максимум два устройства на шлейф, и то мешающих друг другу при одновременной работе - поэтому крайне желательно выделять по контроллеру на устройство. Это вызовет проблемы, если на материнке только два контроллера, а хочется подключить больше устройств, чем винчестер и рекордер.
• для того, чтобы работало DMA, это DMA должно быть реализовано в устройстве, и реализовано правильно (встречаются ситуации, вынуждающие выключать DMA даже при его наличии). Более того, даже если DMA работает, загрузка процессора зависит от привода и может различаться в несколько раз.

Кроме того, есть чисто софтверная специфика IDE, связанная с различной его реализацией в разных ОС. При определённой комбинации IDE контроллера, ОС, драйверов и софта - ваш любимый софт может и не заработать. Либо работать будет, но не будет DMA. Всех этих недостатков лишены интерфейсы SCSI и FireWire.

Интерфейс USB 1.x интегрирован в большинство материнок, благодаря чему выглядит привлекательным для покупки внешнего рекордера без затрат на отдельный контроллер. Однако, он отличается крайне низкой скоростью работы - более чем 7 скоростей на нём получить не удастся. Кроме того, это сильно зависимое от операционки и софта решение - то, что ваш любимый софт под вашей любимой ОС не заработает, здесь фактически гарантируется Таким образом, всерьёз его рассматривать нет смысла.

Рекордеры с интерфейсом LPT обладают всеми недостатками USB 1.x, и даже в более ярко выраженной форме.

USB 2.x в настоящий момент распространён лишь в виде нескольких разновидностей PCI карт, и имеет ту же проблему с софтом. Поэтому, если уж покупать интерфейсную плату, лучше посмотрите в сторону SCSI или FireWire.

Подводя итоги, делаем выводы. Если вы хотите:
• чтобы во время записи CD можно было гарантированно, без
проблем и тормозов работать с другими приложениями, или
• сейчас или в будущем иметь рекордер внешним
(преимущества внешнего исполнения описаны ниже), или
• сейчас или в будущем работать в разных ОС и иметь гарантию,
что во всех этих ОС не будет проблем с записью CD, или же
• просто иметь заведомо хорошо работающую надёжную систему -
тогда ваш выбор - SCSI либо FireWire. Если же всё вышенаписанное для вас не имеет значения, а хочется просто сэкономить, тогда ваш выбор - IDE.

Заодно стоит развеять распространённый миф о том, что SCSI – это слишком дорого. Быстрые Ultra2Wide, Ultra160 и Ultra320 контроллеры действительно очень дороги, но на самом деле реально нужны только для серверных винчестеров. Оптимальная дисковая подсистема для домашнего компьютера выглядит так: один IDE шлейф на винчестер, второй на подключение приносимых винчестеров, а вся остальная периферия (CD/сканер/zip/jaz/магнитооптика/стример) висит на UltraSCSI
контроллере. Приличный UltraSCSI PCI контроллер, имеющий внутренний и внешний разъёмы, вполне можно купить долларов за двадцать. Он обеспечит скорость до 20Mb/s, более чем достаточную для данной цели." (4)

Новые технологии

"Sony выпустила приводы для нового стандарта болванок DDCD – Double Density CD. Эти приводы читают/пишут как обычные болванки, так и болванки нового стандарта. Вероятность того, что стандарт получит распространение, достаточно мала.

TDK и Sanyo заявили о технологии ML-R(W) - MultiLevel болванках. Это уже не удвоение, как у Sony, а утроение объёма. Кроме того, технология разработана таким образом, что путём установки чипов от Sanyo изготовители CD-приводов могут легко модифицировать свою продукцию до поддержки ML-R(W). Ввиду такой рыночной стратегии, стандарт может получить заметное распространение. Несмотря на очевидную попытку конкурировать с DVD, данный стандарт заявляется как мостик между CD и DVD-болванками.

Компания C3D уже несколько лет разрабатывает новый тип носителя - FMD. Это многослойный оптический диск с очень большим количеством слоёв, использующий принцип люминесценции - свечения в определённом участке спектра под воздействием лазерного луча в другом участке спектра. Диски имеют тот же конструктив, что и CD, объёмы заявляются до полутора терабайт (терабайт = 1024 гигабайта). О сроках начала коммерческой эксплуатации данной технологии ничего не известно." (5)

Заключение

В эти дни мы являемся свидетелями заката эры пишущих приводов CD-RW. На пороге уже давно и все увереннее топчется новый "самый удобный носитель на свете" емкостью 4.7 Гб. Несмотря на некоторые задержки в развитии (слишком долго был лишен записываемых версий, и слишком долго стоил неоправданно дорого) DVD и умеющие его читать/писать приводы уже начали гонку за скорости.

Сейчас, когда выходят модели CD-RW со скоростной формулой 52х24х52, растить их скорости дальше уже бессмысленно, ведь мы не можем нарастить объем. Какое-то время CD-RW еще просуществуют параллельно, как в свое время уживались пяти- и трехдюймовые дискеты, но уже сейчас ясно, что для CD настала осень, пора самых гипертрофированных вариантов, барокко.

Список источников

1. Сеть магазинов Stalker – компьютеры, URL: http://www.mf-stalker.ru/
2. MaxVideo – профессиональное видепроизводство, URL: http://www.maxvideo.ru/news.php?action=view&id=111
3. Компьютеры в Иркутске, URL: http://irkutsk.kompiko.info/main.php?/articles.php?cat_id=58&page=3
4. FAQ - ответы на вопросы по записи на CD-R/RW, URL: http://faqs.org.ru/hardw/storage/cd_record.htm
5. Выпуск рассылки "Компьютерные новости" от 14 марта 2003 года http://mail.content.ru/arch/2883/252265.html