Глава 2. Хранение информации на оптических носителях §1. Оптические диски первого поколения 1.1. История создания компакт-дисков (CD)
В 1970 году инженеры компании Philips начали работать над ALP (audio long play) - системой аудио-носителей, которые могли бы заменить устаревающие виниловые пластинки. Диаметр ALP составлял около 30 см. Затем диск был уменьшен в диаметре, и время проигрывания было ограничено всего одним часом. Таким образом, самый первый компакт-диск для цифрового хранения аудио появился в 1979 году, и ознаменовал собой будущий переворот в мире музыки. Презентация первого CD-плейера, предназначенного для использования компакт дисков, состоялась также в 1979 году. Вскоре делегация Philips отправилась в Японию, чтобы найти партнера для развития новой технологии аудиозаписи. Президент Sony - Акио Морита позвонил главе аудио подразделения Philips - Йопу ван Тильбургу, когда тот уже собирался уезжать из Японии.
Партнерство Philips и Sony стало для всех "культурным шоком". Не один месяц инженеры двух компаний-партнеров провели в дискуссиях о том, каким должен быть новый аудиодиск. Жаркие споры разгорелись не только по технологическим вопросам. Технический директор Philips Лу Оттенс исходил из физических размеров CD: его идеалом был диск диаметром 11,5 см, на который можно было записать около часа музыки. Однако вице-президент Sony Норио Ога, выпускник берлинской консерватории, питавший слабость к Бетховену, настаивал на том, чтобы время воспроизведения CD составляло больше часа. Для того, чтобы полностью вместить девятую симфонию Бетховена, объем диска был расширен с одного часа до 74 минут.
Среди вариантов названия нового аудиодиска рассматривались Minirack, Mini Disc, Compact Rack. Однако в итоге победил Compact Disc - это словосочетание выбрали из-за успеха аудиокассет (Compact Cassette).
И вот, 17 августа 1982 в немецком городе Лангенхаген на фабрике Philips, был выпущен первый CD. На нем был записан альбом The Visitors группы ABBA.
Однако существует еще одна версия появления компакт-дисков. Из этой версии следует, что компакт-диск изобрели не Philips и Sony, а американский физик Джеймс Рассел, работавший в компании Optical Recording. Уже в 1971 году он продемонстрировал свое изобретение для хранения данных. Делал он это для "личных" целей, желая предотвратить царапание своих виниловых пластинок иглами звукоснимателей. Спустя восемь лет подобное устройство было "независимо" изобретено компаниями Philips и Sony.
Вначале компакт-диски использовались исключительно в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, заменяя устаревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты. Однако вскоре лазерные диски стали использоваться и на персональных компьютерах. Компьютерные лазерные диски были названы CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory, что переводится как компакт-диск - память только для чтения). В конце девяностых годов устройство для работы с CD-ROM стало стандартным компонентом любого персонального компьютера, а подавляющее большинство программ стали распространяться на компакт-дисках.
1.2. Технология хранения информации в оптических носителях первого поколения
Для примера автор рассматривает компакт-диски. В зависимости от количества возможных операций записи компакт-диски разделяются:
CD-ROM (read only memory), диск изготавливается на заводе, и дальнейшая запись на него невозможна
CD-R (recordable), диск предназначен для однократной записи в домашних условиях
CD-RW (rewritable), диск допускает множество операций записи.
Принцип работы компакт дисков – оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. Рабочая длина волны лазера - 780 нм. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, не отражение - как ноль.
Рассмотрим формат компакт-диска, поверхность диска разделена на области:
PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.
PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда).
Область данных (program area, user data area).
Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5 минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).
1.2.1. Однократно записываемые диски (CD-R).
По своему внутреннему строению CD-R диск напоминает слоеный пирог, "начинка" которого состоит из активного (информационного), отражающего и защитного слоев. Слои последовательно наносятся на основу из поликарбоната. При этом основа CD-R диска то есть пластмасса должна быть такова, чтобы луч лазера, проходящий сквозь нее, должным образом фокусировался и не вызывал разрушения диска.
На основу наносится активный (или регистрирующий) слой, на котором, собственно, и происходит запись информации. Во время записи мощный лазерный луч нагревает небольшие участки активного слоя. Под воздействием высокой температуры меняются свойства вещества регистрирующего слоя в месте нагрева, в результате он перестает пропускать свет. В других местах, которые не разогревались лазером, свет по-прежнему беспрепятственно проходит через регистрирующий слой.
Дальше следует отражающий слой, представляющий тончайшую пластинку из золота или серебра. Причем из серебра лучше, потому что у него больший коэффициент отражения, но золото - очень долговечный материал, а серебро со временем окисляется. Поэтому в тех случаях, когда требуется длительное хранение данных, применяются диски с золотым отражающим слоем.
Ну и последний слой, защитный, наносится поверх отражающего, и служит для механической защиты CD-R диска и нанесения на него этикетки. Тут тоже возможны варианты: в простейшем случае защитный слой являет собой покрытие лаком. Но лак можно ободрать, и, что еще хуже, возможна химическая реакция между лаком и различными веществами, которые на него попадают (например, с чернилами, которыми Вы сделаете надпись на обратной стороне диска). Однако последнее время некоторые производители CD-R дисков используют специальные устойчивые лаки для покрытия дисков, что сообщает им дополнительную надежность. Более надежные защитные покрытия - дополнительный слой специального пластика. Кроме защиты, такой способ еще и делает внешний вид диска более привлекательным по сравнению с лаковым.
Восстановить прозрачность веществ, используемых в качестве активного слоя в дисках CD-R, невозможно. С одной стороны, это дает некоторую гарантию того, что записанная информация будет надежно сохранена. Действительно, повредить запись, нанесенную на активный слой, можно только одним способом - сделать прозрачные участки непрозрачными. Что и может произойти под воздействием, например, яркого солнечного света. С другой стороны, один раз записанный диск переписать невозможно. К сожалению, решить это противоречие пока не удалось. На сегодняшний день мы вынуждены выбирать между возможностью перезаписи и надежностью хранения информации.
1.2.2. Многократно записываемые диски (CD-RW)
Если мы выбираем перезапись, то используем диск CD-RW. Единственное отличие таких дисков от CD-R заключается в устройстве регистрирующего слоя. У CD-R дисков запись основана на изменении оптических свойств слоя под действием температуры - при нагревании слой мутнеет. Принцип записи CD-RW дисков чуть сложнее, здесь используется явление фазового перехода. То есть промежуточный слой, из специального органического материала, может пребывать как в аморфном, так и в кристаллическом виде.
Аморфное вещество, как известно из курса физики, это такое вещество, которое при нагревании не превращается в жидкость, а постепенно размягчается, становятся все более текучими. Примером такого вещества может быть мед. Кстати, на примере меда хорошо видно общее свойство аморфных веществ - с течением времени они переходят в кристаллическую форму. Поставьте банку прозрачного свежего меда в шкаф, и не трогайте пару лет. Потом достаньте, и вы увидите, что мед загустел, а то и вовсе стал твердым, "засахарился". И стал непрозрачным. Вот на этом принципе и основана запись на CD-RW.
Прозрачность регистрирующего слоя CD-RW зависит от того, в каком состоянии это вещество находится, в аморфном или в кристаллическом. И мы можем управлять процессом перехода из одного состояния в другое. Если нагреть регистрирующий слой до достаточно высокой температуры и затем резко охладить его, то вещество переходит в аморфную форму. Именно так происходит процесс записи. На чистом диске CD-RW регистрирующий слой находится в кристаллической форме. Мощный луч записывающего лазера разогревает участок поверхности и выключается, диск быстро остывает и в этом месте часть активного слоя переходит в аморфную форму. Для того чтобы вернуть вещество активного слоя в кристаллическое состояние, его опять нагревают, но до меньшей температуры (менее интенсивным лучом). И вещество возвращается в кристаллическое состояние. Такую операцию можно проводить около 1000 раз, именно столько циклов перезаписи выдерживают CD-RW диски.
Но и здесь есть свои недостатки, заключающиеся в особенности аморфных веществ кристаллизоваться со временем. Как бы мы ни хранили CD-RW, через несколько лет запись будет безвозвратно утеряна. К тому же такие диски легко могут быть стерты простым нагреванием.
1.3. Способы записи компакт-дисков в домашних условиях
Для этого необходимо иметь не только записывающий CD-привод, но и специальное программное обеспечение. Примером таких программ могут служить Easy CD, CD Creator, CD Publisher и прочие.
Процесс записи одной дорожки (сессии) представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен. Для обеспечения равномерности поступления записываемой информации на лазер все приводы имеют буфер, исчерпание данных в котором (Underrun) приводит к аварийному прерыванию записи. Исчерпание данных в буфере может быть вызвано запуском параллельных процессов, работой системы виртуальной памяти (swapping), захватом процессора "нечестными" драйверами устройств, зависанием программы или операционной системы. К сбою записи приводят также механические толчки привода.
Различается два основных режима записи CD-R:
DAO (Disk At Once - весь диск за один прием) . При записи методом DAO лазер включен на протяжении записи всего диска. Диск, записанный за один прием, является наиболее универсальным и считывается любыми CD-ROM с любым файловым диспетчером, однако после записи невозможно дописывание новых данных на диск
TAO (Track At Once - одна дорожка (сессия) за один прием). При записи методом TAO лазер включается в начале каждой дорожки и отключается в ее конце; в точках включения и выключения лазера формируются серии специальных кадров - run-in, run-out и link, предназначенные для связывания дорожек между собой. В режиме TAO пишутся многосессионные диски, допускающие последующую дозапись данных; при этом для сессии записывается только зона Lead In (открытая сессия). При записи каждой последующей сессии предыдущая закрывается путем записи зоны Lead Out, за которой следует Lead In новой сессии. На эти две зоны расходуется дополнительно 13.5 Мб (6750 кадров) дискового пространства.
Для записи CD-RW 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 (Universal Disk Format — универсальный формат диска) и программы начальной разметки.
|
