Чтение с оптического диска происходит с помощью
1. Кто изобрел первую действующую суммирующую машину?
4) Дж. фон Нейман.
2. Кто изобрел «аналитическую машину»?
4) Дж. фон Нейман.
3. Арифмометр – это:
1) механическое вычислительное устройство, способное выпол-нять 4 арифметических действия;
2) устройство, выполняющее основные логические действия;
3) логическое устройство, являющееся прототипом машины Тью-ринга;
4) арифметико-логическое устройство, выполняющее арифмети-ческие и логические действия.
4. Первая релейная машина называлась:
5. Первая действующая ЭВМ называлась:
6. В каком году был создан первый компьютер IBM PC?
7. Основные учения об архитектуре вычислительных машин заложил:
2) Дж. фон Нейман;
8. Принцип хранимой программы предложил:
3) Дж. фон Нейман;
9. Первое поколения ПК были:
10. Архитектура ЭВМ – это:
1) общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием её основных функциональных узлов;
2) общие принципы построения ЭВМ, не реализующие програм-мное управление работой;
3) дизайн внешнего вида ЭВМ;
4) принцип соединения внешних устройств в ЭВМ.
11. В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединены:
2) в материнской плате;
12. Изображение хранится:
1) на экране монитора;
13. Сопроцессоры используются для:
1) ускорения вывода информации на экран;
2) ускорения передачи данных;
3) ускорения обработки данных;
4) операций с плавающей точкой.
14. Появление 3-го поколения ЭВМ было обусловлено:
1) переходом от ламп к транзисторам;
2) переходом от транзисторов к интегральным микросхемам;
3) переходом от интегральных микросхем к микропроцессорам;
4) переходом от транзисторов к большим интегральным схемам.
15. Какой из классических «принципов построения архитектуры ЭВМ Дж. фон Неймана» изложен неверно?
1) использование двоичной системы представления данных;
2) принцип хранимой программы;
3) принцип параллельного выполнения операций;
4) принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти.
16. При каком поколении ЭВМ в качестве элементной базы процессора использовались транзисторы?
4) при четвертом.
17. В шинную архитектуру ЭВМ не входит:
4) шина управления.
Состав и назначение основных элементов персонального
Компьютера, их характеристики
1. По отношению к центральному процессору внутренним устройством персонального компьютера является:
3) оперативное запоминающее устройство;
2. Современный процессор выполнен в виде:
3) электронный лампы;
3. Внешние по отношению к центральному процессору устройства ПК называются:
4. Согласование между отдельными узлами и блоками ПК выполняют с помощью:
1) аппаратных интерфейсов;
5. Среди интерфейсов, присутствующих в архитектуре любой вычислительной системы, не встречаются:
6. Совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами называется:
7. Производительность параллельных интерфейсов измеряют в:
8. Производительность последовательных интерфейсов изме-ряют в:
9. В базовую конфигурацию ПК не входит:
1) системный блок;
1) набор проводников, по которым происходит обмен сигналами;
2) микросхема, выполняющая математические и логические операции;
3) набор микросхем, предназначенный для временного хранения информации;
4) набор микросхем, управляющий работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.
11. Среди приведенных стандартов видеоадаптеров не существует:
12. В формуле определения размера буфера кадра видеопамяти P = (m*n)*b/8 «m» – горизонтальное разрешение экрана; «n» – верти-кальное разрешение экрана; «b» – означает:
1) глубину цвета;
2) разрядность кодирования цвета;
3) оптическую плотность;
4) размер экрана монитора.
13. К устройствам мультимедиа относится:
3) звуковая плата;
14. Процессоры с расширенной системой команд называются:
15. Процессоры с сокращенной системой команд называются:
16. Внутренние ячейки процессора называют:
17. Какое имя из приведенных не является названием семейства процессоров?
18. К основным параметрам процессора не относится:
2) разрешающая способность;
3) тактовая частота;
4) размер кэш-пямяти.
19. К шинным интерфейсам не относится:
20. Неверным названием компьютера является:
Запоминающие устройства: классификация, принцип
Работы, основные характеристики
1. Информация на дискету заносится вдоль:
2. Каждая дорожка дискеты разбита на:
1) модули памяти;
3. Информационная ёмкость НГМД составляет:
4. Процедура разметки нового магнитного диска называется:
5. Чтение с оптического диска происходит с помощью:
1) лазерного луча;
2) магнитной головки;
4) системы магнитно-оптических контроллеров.
6. Энергонезависимая память, выполненная в виде микросхемы и расположенная на материнской плате, называется:
7. Компакт-диск с возможностью многократной перезаписи информации называется:
8. Стандартный DVD-диск имеет емкость:
9. Самые малые геометрические размеры имеет устройство хранения информации:
2) жесткий магнитный диск;
3) гибкий магнитный диск;
10. Какое устройство не относится к разряду оптических накопителей информации?
11. К запоминающим устройствам не относится:
12. К запоминающим устройствам не относится:
13. Самым быстродействующим запоминающим устройством из приведенных является:
14. Самую большую емкость для хранения информации имеет:
2) жесткий магнитный диск;
3) гибкий магнитный диск;
15. Стандартной частотой вращения блока дисков НЖМД является:
Устройства ввода/вывода данных, их разновидности
И основные характеристики
1. Устройство для ввода графического изображения с листа бумаги называется:
2. Монохромный монитор производит отображение:
1) в двух цветах;
2) в трех цветах;
3) в четырех цветах;
3. Печатающее устройство называется:
4. В основе функционирования матричного принтера лежит использование:
1) печатающих игл;
2) головки со специальной краской;
4) красящих пузырьков.
5. В основе струйного принтера лежит использование:
1) печатающих игл;
2) головки со специальной краской и микросоплом;
4) красящих пузырьков.
6. Устройством ввода информации не является:
7. Устройством вывода информации не является:
8. В режиме «True Color» монитор выводит на экран изображение глубиной (цветовым разрешением):
1) 16,7 млн. цветов;
3) 65 тыс. цветов;
4) 2,4 млн. цветов.
9. Какой из приведенных стандартов видеоадаптеров обеспечивает наиболее качественное отображение видеоинформации?
10. Мониторы, обозначаемые CRT, являются:
2) мониторами с электронно-лучевой трубкой;
11. Переключение между верхним и нижним регистром вводимых символов осуществляется с помощью клавиши:
12. Клавиша PAGE UP относится к группе:
1) служебных клавиш;
2) функциональных клавиш;
3) алфавитно-цифровых клавиш;
4) клавиш управления курсором.
13. Правильным обозначением разрешающей способности монитора является:
1) 16,7 млн. цветов;
3) 1024х768 точек;
14. Одним из основных модулей звуковой платы персонального компьютера является:
Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:
• CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory) — запоминающие устройства только для считывания с них информации;
• CD-WORM (Write Once Read Many) — запоминающие устройства для считывания и однократной записи информации;
• CD-R (CD-Recordable) — запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;
• МО — магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.
Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информации.
Приводы CD-ROM
CD-ROM — компакт-диск (CD), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, — дисковода для чтения компакт-дисков.
К числу задач, для решения которых предназначается устройство CD-ROM, можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск информации в базах данных; запуск и работу с игровыми и образовательными программами; просмотр видеофильмов; прослушивание музыкальных CD.
История создания CD-ROM начинается с 1980 г., когда фирмы Sony и Philips объединили свои усилия по созданию технологии записи и производства компакт-дисков с использованием лазеров. Начиная с 1994 г., дисководы CD-ROM становятся неотъемлемой частью стандартной конфигурации ПК. Носителем информации на CD-диске является рельефная подложка, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет материала, как правило, алюминия. Запись информации на компакт-диск представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом. Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска дает сигнал «нуль», а сигнал от штриха — «единицу».
Хранение данных на CD-дисках, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме.
По сравнению с винчестерами CD значительно надежнее в транспортировке. Объем данных, располагаемых на CD, достигает 700 — 800 Мбайт, причем при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.
Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов. На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рис. 3.7. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) — 0,8 — 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.
На следующем этапе производятся проявление фоторезисторного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр — 120 мм.
Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональные узлы:
• системы управления приводом и автоматического регулирования;
•универсальный декодер и интерфейсный блок.
На рис. 3.8 дана конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM, который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания по радиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 — 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер
Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.
Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.
Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.
Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к конкретным задачам.
Скорость передачи данных (Data Transfer Rate — DTR) — максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD-ROM, которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска. Первые приводы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков. Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной скоростью и т.д. Например, 60-скоростной привод CD-ROM обеспечивает считывание информации со скоростью 9000 Кбайт/с.
Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.
Однако дальнейшее, свыше 72-кратности, повышение скорости считывания приводов CD-ROM нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении скорости вращения CD не обеспечивается требуемый уровень качества считывания. И, кроме того, появилась более перспективная технология — DVD.
Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD-ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента — 10~11—10~12. Когда считываются данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить с помощью помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения.
Среднее время доступа (Access Time — АТ) — это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные. Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных участков диска. По мере совершенствования приводов CD-ROM среднее время доступа уменьшается, но тем не менее этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100 — 200 мс для CD-ROM и 7 — 9 мс для жестких дисков). Это объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки привода CD-ROM.
Объем буферной памяти — это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в компьютер с постоянной скоростью. Объем буферной памяти отдельных моделей привода CD-ROM — 512 Кбайт.
Средняя наработка на отказ — среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM. Средняя наработка на отказ различных моделей приводов CD-ROM 50—125 тыс. ч, или 6—14,5 лет круглосуточной работы, что значительно превышает срок морального старения накопителя.
В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD.
Формат CD-DA (Digital Audio) — цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.
Формат ISO 9660 — наиболее распространенный стандарт логической организации данных.
Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995 г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.
Формат Photo-CD разработан в 1990— 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений — 2048x3072 и 256^384, а также сохраняет звуковую информацию.
Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.
Формат CD-I (Intractive) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.
Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение. высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).
Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.
Формат 3DО разработан для игровых приставок.
Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.
Самые популярные дисководы CD-ROM в России — изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.
Оптический носитель представляет собой пластмассовый диск, покрытый тончайшей пленкой алюминия. При записи информации под действием луча лазера меняется форма поверхности носителя. Луч лазера либо выжигает углубление (отверстие), либо в результате нагрева алюминиевой пленки происходит вскипание пластмассы и ее вспучивание. В любом случае коэффициент отражения участка носителя подвергавшегося воздействию луча лазера уменьшается.
Диски, не предназначенные для записи, а только для считывания информации, изготавливаются методом штамповки. Запись на таком диске представляет собой чередование выпуклостей и впадин микроскопических размеров – единицы нанометров.
При чтении диск приводится во вращение, причем поддерживается постоянной линейная скорость движения дорожки диска относительно считывающей головки. Диск имеет одну спиральную дорожку.
Чтение осуществляется лазерной головкой, которая имеет следующую схему, приведенную на рисунке 75.
|
Рис. 75. Оптическая схема лазерной считывающей головки.
Луч полупроводникового лазера собирается коллиматором в параллельный пучок и через светоделительный куб и поляризационную пластину направляется на фокусирующий объектив. Объектив фокусирует луч на алюминиевой пленке диска. Отраженный от поверхности диска луч собирается объективом и, будучи поляризованным, отражается от поверхности раздела двух сред светочувствительного куба на фотоприемники. В зависимости от состояния поверхности дорожки диска во входной зрачок объектива, а, следовательно, и на фотоприемник попадает различное количество света. В результате меняется напряжение на выходе фотоприемника. Это и есть основная информация, считанная с диска.
Поскольку дорожка спиральная, то при вращении диска ее радиус постоянно меняется и требуется перемещение головки по радиусу диска, так, чтобы луч не уходил с дорожки диска. Слежение за дорожкой необходимо и в том случае если диск имеет радиальные биения. С этой целью в устройство введена система автоматического слежения за дорожкой. Эта система автоматического регулирования получает сигнал от дополнительных фотоприемников E и F.
В считывающей головке между коллиматором и светоделительным кубом находится дифракционная решетка, разделяющая световой поток лазера на три луча – центральный и два боковых. Дифракционная решетка слегка развернута, поэтому боковые пятна света на половину размера пятна смещены в сторону от дорожки.
|
Отраженные от диска световые потоки боковых лучей воспринимаются дополнительным фотоприемниками Е и F. Рис. 76.
Рис. 76. Расположение световых пятен на дорожке и на фотоприемнике.
Если центральный луч падает точно на дорожку, то среднее значение световой энергии отраженной от боковых пятен одинаковое и разность напряжений даваемых фотоприемниками Е и F равна нулю. Система автоматического регулирования (САР) не воздействует на роботу механизма перемещения головки.
Если же луч лазера начинает уходить с дорожки, то среднее значение светового потока отраженного от одного бокового пятна увеличивается (пятно смещается на зеркальную поверхность между дорожками), а от другого – уменьшается. В результате появляется разность напряжений фотоприемников Е и F, которая обрабатывается системой автоматического регулирования и частота вращения электродвигателя перемещения головки либо увеличивается, либо уменьшается так, что луч остается на дорожке диска.
В случае осевого биения диска меняется расстояние между поверхностью диска и считывающей головкой, что приводит к нарушению фокусировки луча и потери информации. Для обеспечения автоматической фокусировки луча и предотвращения потери информации вводится система автоматического регулирования фокуса. В считывающей головке основной фотоприемник разделен на четыре части A, B, C, D, а оптическая система фокусирующая луч на фотоприемнике содержит цилиндрические линзы. В результате форма пятна света на фотоприемнике зависит от расстояния между объективом и диском Рис. 77.
|
Рис. 77. Форма пятна света на основном фотоприемнике при различном расстоянии от считывающей головки до диска.
При точной фокусировке пятно круглое и суммарно-разностный сигнал фотоприемников (А+С)-(В+D) равен нулю, (А+С)-(В+D)=0.
При нарушении фокусировки пятно приобретает форму эллипса, наклон которого зависит от направления ( к головке или от нее) и величины смещения диска. Поэтому появляется суммарно-разностный сигнал определенного знака и величины. Он обрабатывается системой автоматического регулирования, которая и подает соответствующие напряжение на обмотку линейного электродвигателя перемещения объектива. В результате расстояние между объективом и поверхностью диска поддерживается постоянным, и луч лазера всегда фокусируется на поверхности алюминиевой пленке диска.
На рисунке 78 приведена структурная схема устройства чтения информации с оптических дисков (CD ROM).
Устройство содержит следующие узлы:
- Загрузочное устройство.
- Узел привода диска.
- Лазерная читающая головка
- Узел перемещения головки
- Система автоматического регулирования
- Канал чтения и преобразования информации
После установки компакт диска на панель загрузочного устройства включается электродвигатель загрузки диска. Диск автоматически устанавливается на шпиндель электродвигателя привода диска, центрируется и прижимается к шпинделю.
Диск приводится во вращение с максимальной для данного устройства скоростью и перемещением объектива лазерной головки луч фокусируется на поверхности диска, в результате обнаруживается диск и считывается служебная информация. Система автоматического регулирования осуществляет фокусирование луча, радиальное перемещение головки и слежение за дорожкой (САР – РС и РП), а также поддержание постоянной линейной скорости движения дорожки относительно головки (САР – ЛС). Система автоматического регулировки мощности излучения лазера (САР – М) поддерживает мощность его на уровне 5мВт независимо от изменений температуры, напряжения питания, помех и т.д.
Если при максимальной скорости запись читается с ошибками, то скорость уменьшается до тех пор, пока не будет достоверного считывания, но не менее 1,2м/с. С такой скоростью читаются аудиодиски.
Электрический сигнал основного фотоприемника усиливается предварительным усилителем и поступает в блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), где из сигнала ЕFM – кода выделяется сигнал частоты 4,32 МГц необходимый для работы декодера. Декодер представляет собой специализированный цифровой процессор обработки считанного с оптического диска сигнала. В его состав входит ЕFM – декодер, корректор ошибок, система управления ОЗУ и само ОЗУ. Функции всех устройств детектора выполняют три специализированные БИС и одна БИС ОЗУ общего применения.
Если читается аудиодиск, то информация на выходе преобразуется из цифровой формы в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем ЦАП и разделяется по каналам.
Рис
Оптический диск (англ. optical disc) - собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков чтение, с которых ведётся с помощью оптического излучения (рис.3).
Рис. 3. Оптический диск
Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде. Диск стал основным носителем для переноса информации между компьютерами.
Первые оптические диски появились в 1979 г. Фирма «Philips» создавала их для записи и воспроизведения звука. Оптический диск состоит из жёсткой, оптически прозрачной основы, на которую нанесён тонкий рабочий слой и дополнительный защитный слой (рис.4). Благодаря оптическому методу считывания оптические диски гораздо долговечнее грампластинок. Диаметр стандартного компакт-диска составляет 120 мм (4.5 дюйма), толщина - 1.2 мм, диаметр центрального отверстия - 15 мм.
Рис. 4. Считывание информации с компакт-диска: 1 - компакт-диск; 2 – светопрозрачное покрытие (защищающее нанесённую на CD информацию от повреждения); 3 - отражающее покрытие (собственно носитель записи); 4 – защитный слой; 5 – фокусирующий объектив; 6 – лазерный луч; 7 – оптический расщепитель; 8 – фотодетектор; 9 - лазер; 10 – электродвигатель, вращающий диск
Изготавливаются CD-диски из очень прочной прозрачной пластмассы - поликарбоната или полихлорвинила. На одной стороне диска помещается этикетка, а другая сторона имеет зеркальную поверхность, переливающуюся цветами радуги. Это зона записи, спиральная дорожка которой состоит из питов - углублений различной длины. Расстояние между двумя соседними дорожками спирали - 1.6 мкм, то есть плотность записи по сравнению с обычной грампластинкой больше в 100 раз. Ширина питов составляет 0,6-0,8 мкм, а длина их переменная (рис.5). Она отражает длину последовательностей одного записанного цифрового сигнала и может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. По сравнению с механической звукозаписью имеет ряд преимуществ: очень высокую плотность записи и полное отсутствие механического контакта между носителем и считывающим устройством в процессе записи и воспроизведения. Музыкальные CD-диски записываются в заводских условиях. Подобно грампластинкам, их можно только прослушивать. С помощью лазерного луча сигналы записываются на вращающийся оптический диск цифровым кодом. В результате записи на диске образуется спиральная дорожка, состоящая из миниатюрных углублений и гладких участков. В режиме воспроизведения лазерный луч, сфокусированный на дорожку, перемещается по поверхности вращающегося оптического диска и считывает записанную информацию. При этом впадины считываются как единицы, а ровно отражающие свет участки - как нули.
Рис. 5. Питы в увеличенном виде
Бесконтактное считывание информации с компакт-диска осуществляется с помощью оптической головки или лазерного звукоснимателя. Оптическая головка состоит из полупроводникового лазера, оптической системы и фотоприёмника, преобразующего световой сигнал в электрический. Считывающий лазерный луч фокусируется на спиральной дорожке с питами, находящийся в глубине диска. Головка никогда не соприкасается с диском - она находится всегда на строго определённом расстоянии от него, обеспечивающем нахождение дорожки из питов в фокусе оптической системы.
Технология мультимедиа позволяет объединить на персональном компьютере текст и графику со звуком и движущимися изображениями. В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - то есть память на компакт-диске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах.
Ёмкость одного CD-ROM достигает 650 Мбайт, по ёмкости он занимает промежуточное положение между дискетами и жёстким магнитным диском (винчестером). Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на персональном компьютере её можно только читать. На CD-ROM издаются самые различные игры, энциклопедии, художественные альбомы, карты, атласы, словари и справочники. Все они снабжаются удобными поисковыми системами, позволяющими быстро найти нужный материал. Объёма памяти двух компакт-дисков CD-ROM хватает для размещения энциклопедии, превышающей по объёму Большую советскую энциклопедию.
Информационные оптические CD-диски предназначены для однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записи информации на персональном компьютере, оснащённом специальным дисководом. Это даёт возможность, подобно магнитофону, делать на них записи в домашних условиях. На диски CD-R можно сделать запись только один раз, а на CD-RW - многократно, как на магнитном диске или ленте, можно стирать предыдущую запись и на её место делать новую.
На смену существующим компакт-дискам приходит новый стандарт носителей информации - DVD (Digital Versatilе Disc или цифровой диск общего назначения). На вид они ничем не отличаются от компакт-дисков. Их геометрические размеры одинаковы. Основное отличие DVD-диска - в десятки раз более высокая плотность записи информации. Это достигнуто благодаря более короткой длине волны лазера и меньшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность уменьшить вдвое расстояние между дорожками. Стандарт DVD определён таким образом, что будущие модели устройств считывания будут разрабатываться с учётом возможности воспроизведения всех предыдущих поколений компакт-дисков, то есть с соблюдением принципа «обратной совместимости». В 1995 г. фирма «Philips» разработала технологию компакт-дисков для повторных записей. Стандарт DVD позволяет значительно увеличить время и улучшить качество воспроизведения видеофильмов по сравнению с существующими СD-RОМ. Дисководы DVD представляют собой усовершенствованные дисководы CD-ROM.
DVD-диски имеют другие режимы записи: DVD-RAM пишется посекторно так же, как и жесткий диск или дискета, DVD+RW тоже поддерживает такое, но только после форматирования, DVD-RW поддерживает два режима - Sequential и Restricted Overwrite, DVD+R поддерживает единственный режим записи, по последовательности команд более всего похожий на Track-At-Once для CD.
В начале и конце CD-диска существуют так называемые lead-In и lead-Out зоны, по 150 блоков каждая. В однобитовых дополнительных каналах информации (1 бит на сектор) этих зон записывается окончательное оглавление диска. CD-R и CD-RW также поддерживают временное оглавление диска, находящееся в специальной перезаписываемой (даже на CD-R) области.
Не пишущие CD-устройства обычно не способны читать временное оглавление, то есть вообще читать диск, если на нем нет окончательного оглавления, то есть, не записаны lead-in и lead-out. Такие же ограничения бывают и у CD-R/RW приводов при использовании стандартной последовательности команд от CD-стека операционной системы. Чтение возможно только с помощью специального ПО, умеющего формировать специальные последовательности команд.
Таким образом, для возможности чтения диска такими устройствами необходимо сформировать lead-in и lead-out (на основании временного оглавления и данных, посланных хостом), что есть процесс небыстрый.
Методы записи отличаются тем, на кого возложена обязанность этого формирования - на прошивку привода или же на ПО хоста.
При записи диска с использованием Track-At-Once (Дорожка за раз) метод пишущий лазером записывает каждую дорожку по отдельности, оставляя при этом между дорожками промежутки в 2 секунды. Когда все дорожки на диск успешно записаны, по команде CLOSE TRACK/SESSION начинается запись служебной информации: Lead-In (в начале сессии) и Lead-Out (в конце сессии).
Название связано с тем, что пауза между записью двух дорожек может быть любой длительности и даже включать в себя перенос диска с одного компьютера на другой. Как правило, незакрытые сессии не доступны ни CD-плеерам, ни обычному CD-стеку операционной системы - только специальным программам записи на CD. Фиксация - когда на диске закрывается только сессия. Впоследствии на такой диск можно добавить ещё несколько сессий.
Финализирование - когда весь диск закрывается, и добавление на него новых сессий становится невозможным. Безфинализирования - когда на диск записываются одна или более дорожек и сессия остаётся открытой (в этом случае служебные области Lead-In и Lead-Out не записываются).
Такой диск будет нечитаемым на других компьютерах, пока сессия на нём не будет закрыта. Зато впоследствии на него можно дописать новые дорожки, и закрыть при этом сессию или весь диск, сделав его читаемым. При этом и старые и новые дорожки будут находиться в первой сессии.
Преимуществом метода является то, что на момент начала записи не нужно знание размера будущей дорожки - ее можно закрыть в любой момент.
Временное оглавление диска строится «на лету» операциями открытия дорожки и CLOSE TRACK/SESSION в режиме Close Track, lead-in и lead-out диска записываются на основе временного оглавления командой CLOSE TRACK/SESSION в режиме Close Session и Finalize Disc.
Существует две разновидности метода - Disc-At-Once (Диск за раз) и Session At Once (Сессия за раз) с дополнительным CLOSE TRACK/SESSION Finalize Disc в конце. В первом методе есть совсем иной режим, в которой содержимое lead-in и lead-out формируется программным обеспечением хоста и шлется приводу командами WRITE. Во всех иных режимах lead-in и lead-out формируются прошивкой привода.
В методе Session-At-Once (Сессия за раз) длительность и типы данных каждой дорожки сводят ПО хоста в таблицу, называемую cue sheet и представляющую собой оглавление будущей сессии.
Недостаток режима в том, что на момент начала записи необходимо знать длину всех дорожек. При использовании этого метода оглавление сессии известно из cue sheet с самого начала записи, что дает возможность записать lead-in перед записью данных.
Пишущий лазер включается, пишет служебную область Lead-In, затем пишет дорожки с пользовательской информацией, затем пишет Lead-Out и выключается. Диск при этом финализируется (то есть впоследствии на него невозможно добавление данных). При использовании этого метода лазер не оставляет промежутков в 2 секунды между дорожками (промежутки управляются ПО хоста в cue sheet). Поэтому этот метод хорошо подходит для создания матриц.
Packet Writing (Пакетнаязапись) в основе этого метода лежит запись информации на диск не дорожками, как в методах TAO, SAO и DAO, а порциями (пакетами). Таким образом, вы можете записывать, удалять и изменять файлы на перезаписываемых оптических дисках точно так же, как это делаете с дискетами, жёсткими дисками и Flash-носителями.
Термин относится только к CD, однако аналогичные режимы есть и у DVD так, например, DVD-RW в режиме Restricted Overwrite после полного форматирования есть устройство с произвольным доступом блоками по 64K. DVD+RW после форматирования и вовсе поддерживает блоки в 2K, а DVD-RAM и BD-RE вообще поставляются от производителя уже форматированными (повторное форматирование тоже поддерживается).
Поддержка дисков, используемых пакетный метод записи данных. Перед использованием RW-носителя в режиме пакетной записи нужно выполнить его форматирование. Во время форматирования диск проверяется на наличие повреждённых секторов, а после проверки плохие сектора помечаются особым образом (чтобы впоследствии в эти сектора не производилась запись), и на диск производится запись файловой системы - UDF. DVD+RW после форматирования поддерживает и создает на себе файловую систему FAT32, то же верно и для DVD-RAM и BD-RE.
Пакетная запись возможна только на перезаписываемых носителях, однако существуют программы (например, Roxio DirectCD), которые для таких целей могут использовать и однократно записываемые диски, однако физически удалять файлы с таких дисков всё равно нельзя (можно только убрать соответствующие ссылки на них в таблице размещения файлов, сделав их невидимыми).
Диски могут храниться долго, однако, нужно не забывать о способах хранения. Это должно быть сухое, темное место. Желательно хранить диски в боксах (рис.6). Обращаться с ними нужно осторожно, так как царапины могут сделать его нечитаемым. Не допускайте попадания пыли на рабочую область диска, вообще это самая нежная часть носителя.
| | |
Рис. 6. Боксы для дисков
Перед тем как вставлять диск в лоток привода, внимательно осматривайте его внутреннее кольцо на наличие трещинок. Их появление может привести к тому, что в самый ответственный момент ваш носитель информации просто разлетится на части прямо в приводе.
Нужно также помнить, что даже без повреждений диски, пролежав год другой, могут становиться нечитаемыми. Поэтому если у вас есть очень важная информация, лучше периодически пересохранять ее.
Писать на диске можно только специальным маркером и только на верхней, нерабочей поверхности. На сохранность информации влияют и другие факторы. Например, какой привод используется, какие программы для записи дисков используется.
Моя предыдущая статья была посвящена внутреннему устройству чипа от Nvidia, да и, пожалуй, внутреннему устройству любого современного процессора. В этой статье мы перейдём к средствам хранения информации, и я расскажу, что представляют собой CD и HDD диски на микроуровне.
Начнём с CD диска. Наш подопытный — простой CD-R от Verbatim. Обычный диск с записанной (а точнее, напечатанной) информацией состоит из 3 основных слоёв. Слой А – поликарбонатный диск, который отвечает сразу за несколько функций. Первое – основа диска, которая выдерживает огромные скорости вращения внутри дисковода.
Так в общих чертах можно представить строение CD диска [1]
Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.
Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат
Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо
Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы — будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм [1].
Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.
Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:
Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)
На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)
Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.
В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:
Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:
Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)
Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.
N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.
Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):
Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)
И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:
Оптическая микроскопия: слева — алюминиевый отражающий слой, справа — слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)
Приступим теперь к жёсткому диску. Для меня всегда, ещё со времён дискет и VHS оставалось загадкой, как же всё-таки устроена магнитная память?! Перед написанием статьи, я попытался найти хоть какие-то видео и медиа материалы, которые демонстрировали бы, как в предыдущем ролике, основные этапы производства жёстких дисков, и был неприятно обрадован Вики: «Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика — окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну» [2]. Пришлось смириться и не искать правды от производителей HDD (разве что, Seagate слегка приоткрыл свои секреты), тем более что с приходом эры SSD конкуренция на рынке ещё больше усилилась.
Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики, 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:
Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках
Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:
АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте
Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть тут.
Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!
Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках [2]
Хотел бы также поделиться тремя видео, которые нашлись на просторах Интернета и связаны с жёсткими дисками. Первое посвящено принципам работы HDD (How does it work?):
Читайте также: