Реферат: Принцип работы CD-ROM
Принцип работы дисковода CD-ROM
Принцип работы дисковода напоминает принцип работыобычных дисководов для гибких дисков. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительнолазерной головки постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положенияголовки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощьюкатушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающийслой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражаетсяна детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительныйдиод. Если луч попадает в ямку онрассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительногодиода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркоеизлучение преобразуется в нули слабое — в единицы. Таким образом ямкивоспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность каклогические единицы
Производительность дисководов CD-ROM.
Производительность CD-ROM обычно определяется его скоростнымихарактеристиками при непрерывной передаче данных в течение некоторогопромежутка времени и средним временем доступа к данным, измеряемымисоответственно в Кбайт/с и мс. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти,шести и восьмискоростные дисководы, обеспечивающие считывание данных соскоростью 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1200 Кбайт/с соответственно. Внастоящий момент рапространены двух- и четырехскоростные дисководы. В общемслучае дисководы с четырехкратной скоростью обладают более высокойпроизводительностью, однако оценить чистое преимущество дисковода счетырехкратной скоростью по сравнению с дисководом с удвоенной скоростью бываетне так просто. Прежде всего это зависит от того с какой операционной системой ис каким типом приложения ведется работа. При высокой интенсивностиповторяющегося доступа к CD-ROM и считывании небольшого количества данных (например при работе с базамиданных) “импульсная” скорость считывания информации приобретает важноезначение. Например, по данным журнала InfoWorld, производительность дисководов с четырехкратной скоростью, по сравнению сдисководами с удвоенной скоростью, в случае операции доступа к базе данных всреднем повышается вдвое. В случае простого копирования данных выигрышсоставляет от 10 до 30%. Однако наибольшее преимущество получется при работе сполноформатным видео.
Для повышения производительности дисководов их снабжаютбуферной памятью (стандартные объемы кэша: 64, 128, 256, 512, 1024 Кбайт).Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных,после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация даетвозможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями,а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных.Например, согласно требованиям стандарта MPC уровня 2 накопитель CD-ROM удвоеннойскоростью должен занимать не более 60% ресурсов ЦП.
Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера, котораявлияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Этавеличина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер изнакопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, кобщему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степеньзаполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугойстороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать большевнимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывамизображения во время воспроизведения.
Конструктивные особенностиприводов CD-ROM
Как известно, большинствонакопителей бывают внешними ивстраиваемыми (внутренними). Приводы компакт-дисков в этом смысле не являютсяисключением. Большинство предлагаемых в настоящее время накопителей CD-ROMявляются встраиваемыми. Внешний накопитель стоит заметно дороже. Это легкообъяснимо, так как в этом случае накопитель имеет собственный корпус и источникпитания. Форм-фактор современного всраиваемого привода CD-ROM определяетсядвумя параметрами: половинной высотой (Half-High, HH) и горизонтальным размером5.25 дюйма.
На передней панели каждого накопителяимеется доступ к механизму загрузки компакт-диска. Одним из самыхраспространенных является механизм загрузки CD-ROM с помощью caddy. Caddy представляет из себя пластмассовый прозрачный контейнер, в которыйкладется компакт-диск перед загрузкой непосредственно в привод. Другим способомявляется загрузка с помощью tray-механизма. Tray-механизм действительно похожна поднос, который выдвигается из накопителя обычно после нажатия кнопки Eject.На него устанавливается компакт-диск, после чего “поднос” в накопительзадвигается в ручную. Существуют разновидности tray-механизма, например pop-up.В этом случае загрузка диска на ”подносе” происходит полуавтоматически, послелегко касания.
На передней панели привода, крометого, расположены: индикатор работы устройства (busy), гнездо для подключенияголовных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков),регулятор громкости звука (также для аудиоCD). Для системы caddy предусмотренно также отверстие, с помощьюкоторого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, еслидаже не срабатывает кнопка Eject.
Устройство и технология производства CD-ROM.
Устройство CD-ROM.
Все CD-ROM имеют один и тот же физическийформат изготовления и емкость 650 Мбайт. Диск диаметром 120 мм, толщиной 1,2 мм и центральным отверстиемдиаметром 15 мм. Центральная область вокруг отверстия шириной 6 мм называетсязоной крепления (clamping area). За ней непосредственно следует заголовочная область (lead in area), содержащаяоглавление диска (table of content). Далее расположена область шириной33 мм, предназначенная для хранения данных и физически представляющая собойединый трек. Завершающей является терминальная область (lead out) шириной 1 мм. Внешний обод диска шириной 3мм.
Область хранения данныхлогически может содержать от 1 до 99 треков, однако разнородная информация неможет быть смешанна на одном треке. Цифровая информация хранится на CD-ROM в видечередующихся по ходу спирали ямок, нанесенных на поверхность полиуглеродногопластика. Ямка воспринимается лучом лазера как логический ноль, а гладкая поверхностькак логическая единица.
СD-ROM изготавливается методом штамповки. Со стеклянной матрицы изготавливают пластиковую основу, после этого поверхпластика для отражения лазерного луча наносится слой алюминия, который в своюочередь покрывается защитным слоем лака. В CD-R для увеличения кэффициента отражениялазерного луча на пластик наносят слой золота, который покрывают красителем,затем на краситель наносят защитный слой лака.
В отличии от CD-Rзапись информации на CD-ROM производится в момент его изготовления т.е. штамповки. На СD-R информация записывается припомощи CD рекодера.Луч лазера выжигает на “тарелке” отверстие колоколообразной формы, что даетпреимущество перед обычным CD-ROM, так как в такой ямке луч лазера рассеивается сильнее и меньшая частьизлучения попадает в приемник. Однако после записи информации на CD-R, он фактически становится обычнымкомпакт диском.
Подключение дисководов CD-ROM
Цифровые интерфейсы.
В настоящее время наиболеее распространенными являются SCSI и IDE интерфейсы. Помимо этих интерфейсовсуществует масса других стандартов конкретных производителей таких как Sony, Panasonic, Mitsumi, Matsushita, однако их роль весьма мала. В свою очередь оба интерфейса SCSI и IDE имеют усовершенствованные версии. Для SCSI это SCSI-2 и Fast SCSI-2, для IDE — интерфейс EIDE. Последний поддерживает двапараллельных канала и по характеристикам занимает промежуточное место между SCSI и IDE. Интерфейс SCSI по сравнению с IDE в принципе является более быстрым попотенциальной скорости обмена данными с диском, однако реально это не даетпреимущества, поскольку даже дисководы CD-ROM с четырехкратной скоростью не могутпередавать данные быстрее 700 Кбайт/с. Все же, если учесть, что общая концнпциявычислений постепенно сдвигается в сторону мультизадачной среды, когдаодновременно требуется доступ как к жесткому диску, так и к устройству типа CD-ROM, использование интерфейса SCSI в будующем может оказаться болеепредпочтительным.
Подключениедисководов CD-ROM.
На сегодняшний день существует несколько способовподключения дисководов CD-ROM. Первый способ основан на том, что один канал интерфейса IDE может поддерживать два встроенныхустройства. Накопитель CD-ROM подключают к плате ввода-вывода через интерфейс IDE вместе с жестким диском по принципу master/slave. Однако вэтом случае снижается скорость обмена данными с жестким диском. Однимиз способов решения этой проблемы является подключение устройств CD-ROM к различнымканалам одного интерфейса EIDE или к двум различным котроллерам IDE. Если CD-ROM имеет SCSI интерфейс, то его соответственно подключают к SCSI контроллеру. Другим подходом является применение 32-битных драйверов дисководов CD-ROM вместо используемых в настоящее время 16- битных. Существует такжевозможность подключения дисководов CD-ROMчерез контроллер звуковой карты. Также не следуетзабывать, что современные материнские платы могут содержать встроенныеконтроллеры SCSI и IDE, что вообще исключает необходимость вдополнительной плате ввода-вывода для подключения дисководов CD-ROM.
Подключениеаудиоканалов.
Практически каждый дисковод CD-ROM обладает встроенным цифро-аналоговымпреобразователем (ЦАП), а также выходным разъемом для вывода стереофоническихсигналов. На внешней панели дисководы CD-ROM (как внешние так и внутренние), кроме того, имеют разъем, для головныхтелефонов (наушников). Если на компакт-диске находится аудиоинформация, ЦАПпреобразует ее в аналоговую форму и подает сигнал на разъем, предназначенныйдля головных телефонов, а так же на выходные аудио-разъемы дисковода, с которыхв свою очередь, сигнал поступает на усилитель и аккустическую системунепосредственно или через звуковую карту. Преимущество активного выходазаключается в том, что аудиосигнал с CD-ROM дополнительнообрабатывается звуковой картой.
Одной из основных, встречающихся при работе саудиосигналами, проблем является физическая несовместимость аудио-разъемов длявстраиваемого дисковода CD-ROM и звуковой карты. Как правило, и дисковод, и звуковая карта имеютаудио-разъемы с четырьмя выводами ( двастереоканала и по одному заземляющему контакту для каждого из них). Назначениеконтактов обычно одинаково на обоих типах устройств, однако, проблема состоит втом, что эти разъемы могут иметь различные размеры. Еще одна неприятностьсвязана с тем, что, если ЦАП конструктивно расположен внутри самого дисковода,это может негативно отразиться на качестве воспроизведения звука. В своюочередь физическое разделение дисковода CD-ROM и ЦАП, с которым он работает, позволяетизбежать дополнительных шумов.
Стандарты на компакт-диски.
Все стандарты на компакт-диски больше известны по цветамбиблиотек, в которых они описываются. В 1980 году была принята серия стандартовпод названием Red Book, относящихся к аудио компак-дискам. Согласно этому документу частотадискретизации при считывании аудио сигналов с диска CD-ROM должна быть равна 44,1 КГц. Амплитудноеразрешение представляется 16- битной величиной. Так как стандарт определяетстереозвук, то каждую секунду должна считываться не одна, а две 16- битныевеличины.
Первый стандарт под названием Yellow Book для компакт-дисков с разнороднойинформацией был принят в 1985 году. Это было одним из первых шагов компьютернойиндустрии в сторону технологии мультимедиа. Согласно этому стандарту все дискибыли поделены на две категории: Mode1 и Mode2.Носители, относящиеся к первой категории, записывались с битами коррекцииошибок, а скорость передачи полезной информации составляла при этом 150Кбайт/с. Для дисков второй группы она была выше 170 Кбайт/с за счет отсутствиякорректирующих битов.
Режим Mode2 в первоначальном виде так и не был реализован. Аудио- и видеоинформацияхранилась в разных частях диска, в результате чего лазерный луч вынужден былпостоянно “бегать” от одной области диска к другой. Хотя стандарт определилпроцесс коррекциии ошибок, используемый при считывании данных с CD-ROM, он в тоже время не давалдостаточной спецификации относительно структуры хранимого файла, которую болеечетко определил вышедший в 1988 году стандарт ISO 9660.
Стандарт Green Book, принятый в 1986 году посвящен интерактивным компакт дискам СD-i (CD-interactive). В нембыла заложена концепция заголовков для упрощения работы с постоянноперемежающейся видео- и аудиоинформацией. В стандарте Green Book идея построения Mode2 была формально переработана.Компакт-диски группы Mode2 были подразделены на две подгруппы: Form1 и Form2. Первая, как и в случае категории Mode1 стандарта Yellow Book, определяла процесс коррекции ошибок засчет дополнительных битов и скорость передачи информации 150 Кбайт/с. Втораяподгруппа позволяла иметь скорость считывания 170 Кбайт/с за счет отсутствиякодов коррекции ошибок.
Стандарт XA(Extended architecture) был разработан в 1990 годусовметно фирмами Philips, Sony и Microsoft иустанавливал критерии совместимости между компакт дисками CD-ROM, удовлетворяющими стандартам Green Book и Yellow Book. Онопределяет способ индексирования мультимедиа-информации — графики, текста,растровых картинок, звука. Диск, отвечающий стандарту XA, может быть воспроизведен на устройствесчитывания интерактивных дисков CD-i, совместимых со стандартом Green Book, или с помощью дисковода CD-ROM, который удовлетворяет стандарту YellowBook, поддерживает ХА- операции и управляет специальнымпрограмным драйвером.
Наконец, в 1991 году появился стандарт Orange Book, посвященныйкомпакт-дискам с возможностью многократной записи.
Динамические изображения и
стандарт White Book
Экспертная группапо стандартизации (MPEG — Moving Picture ExpertGroup), разработала стандарт MPEG-1, касающийся вопросов сжатияполноформатного видео (Full-MotionVideo). Следует заметить, что этот стандарт неопределяет формата хранения данных. Данные в нем могут быть воспроизведены наустройстве считывания интерактивных дисков CD-i, которое оборудовано MPEG- декодером. Другим вариантомявляется хранение сжатого по стандарту MPEG полноформатного видео на устройстве CD-ROM, отвечающем стандарту Yellow Book.
Стандарт White Book, принятый в 1993 году, ввел некоторые интерактивные возможности,позволяющие производить быстрый поиск информации по отдельным кадрам в режимепрямого доступа. Первые диски со стандартом White Book и называемые Video-CD появились в 1994 году. В настоящее времянекоторые компакт-диски типа Video-CD могут быть воспроизведены на компьютерах IBM PC и Macintosh посредством распаковки по стандарту MPEG, если установить плату, аппаратно выполняющую MPEG- преобразования. Однако многие диководы CD-ROM не считываютинформацию в непрерывном режиме, что не позволяет воспроизводить эти диски дажепосле установки MPEG- платы. К тому жепроцессор должен быть не ниже 386/25.
Все компакт-диски для современных мультимедиа-систем,включая интерактивные компакт диски CD-iи Video-CD, записываются в стандарте Mode2/Form2,т.е. без использования коррекции. Возникающий приэтом выйгрыш в скорости 20 Кбайт/с используется для улучшения качества видеоизображения. В данном классе приложений отсутствие коррекции ошибок неотражается на качестве, чего никак нельзя сказать о бизнес-приложений.
Диски Photo CD и мультисессии
Одним из типов CD-ROM с возможностью дозаписи информации являются так называемыеPhoto CD. Единовременная запись информации на диск называется сессией (session). Соответственно многократная записьназывается мультисессией (multisession). Необходимо учитывать, что каждаясессия требует своего оглавления, поэтому чем большее количество сессийиспользуется, тем меньшее количество информации на диске. В настоящее время ужепоявились дисководы, обрабатывающие мультисессии и позволяющие проигрыватьдиски Photo CD.
Фирма Kodak разработала устройства типа Photo CD, позволяющиехранить снимки, сделанные на 35-миллиметровой пленке вколичестве до 100 кадров.Идея состоит в том, чтобы потребитель мог сканировать снимки, полученные припомощи оборудования фирмы Kodak, а в последствии воспроизводить на любом дисководе. Реально на диске могутхраниться пять различных версий одного и того же слайда при разном разрешении24- битной палитры.
С помощью сжатия (безпотери разрешающей способности) данные пяти изображений могут быть упакованы в файл размером 6 Мбайт. Такимобразом на компакт-диске емкостью 600 Мбайт может храниться до 100 фотоснимков.
Для работы с Photo CD рекомендуютсябыстрые дисководы, потому что отдельные кадры могут достигать размеров до 18Мбайт.
Будущее CD-ROM приводов и CD дисков
В настоящий момент емкости CD-ROM не хватает для мультимедиа продуктовнавого поколения. Для увеличения емкости CD-ROM, способного хранить больший объемданных, упакованных по стандарту MPEG-2, необходимы более высокие скоростисчитывания. Разрабатываемый сейчас новый формат CD-ROM (HD-CD или High Density CD) способен обеспечить пятикратноеувеличение объема компакт-дисков без каких-либо особых технических ухищерений.При этом ужесточаются требования на физическую разметку диска, а именноуменьшается расстояние между соседними треками и размер ямок. Длина волнысчитывающего луча уменьшается с 780 нм до 635 нм, однако возможностьиспользования все тех же дешевых лазеров, работающих в красной области спектра,остается. Структура данных также становится более эффективной за счет болеесовершенной логической системы коррекции ошибок, что увеличивает информационнуюемкость диска на 10-15%. Комбинация указанных новшеств позволит довести объем записываемойинформации до 3,7 Гбайт.
В технологию HD-CDтак же вводится концепция переменной скоростисчитывания информации с компакт-диска. Вместо того чтобы заносить на дисккакую-либо короткую видео запись, оставляя на нем массу свободного места, можнобудет записывать данные с меньшей плотностью. При этом предусматриваетсявозможность динамического регулирования этого процесса. Например, плотностьзаписи может быть изменена для различных последовательностей битов в случаеразличной сложности кодирования информации.
По мнению специалистов процесс производства HD-CD мало чем будет отличаться отпроизводства обычных компакт-дисков, за исключением гораздо более сложныхдопусков. Наибольшую трудность, вероятно, будет представлять изготовленимематрицы компакт-диска высокой плотности. Дисководы HD-CD появятся по всей видимости в этом году.
В настоящее время ведутся работы над мультиповерхостным CD-ROM. Суть этой технологиизаключается в наличии двух слоев, содержащих записанные данные и находящихсяодин над другим. Лазерный луч может фокусироваться как на нижнем так и наверхнем слое. Первый вариант таких систем, выпущенных фирмой 3М, вмещает до 7,8Гбайт информации при двухслойной записи, хотя не существует никакихприпятствий, мешающих дальнейшемуувеличению количества слоев.
В свою очередь основная идея дальнейшего повышенияскорости работы дисководов CD-ROM связана с использованием двух лазерных лучей. Это может сделать данныеустройства значительно дороже, поэтому некоторые производители считаютцелесообразным усовершенствовать технологию производства приводов CD-ROM и выпуск вближайшее время относительно дешевых моделей с 8-ми кратной скоростью прииспользовании одного считывающего луча. Наличие дисков с высокой плотностьюзаписи в сочетании имеющихся дисководов с четырех-, шести- и восьмикратнойскоростью дает возможность встраиватьмультимедиа данные в любые приложения.
Список литературы
1. CompUnity N1(2) 1995
2. Hard и Soft N5, Май 1995
3. PC Magazine Russian Edition N6 1994