Устройства накопителей информации на оптических накопителях

Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые  диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним  источником питания.

При поглощении квантов  света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Не основные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток, называется фототоком. Фотодиод обладает малой инерциальностью, а значит, есть возможность увеличить скорость передачи сигнала. Активной средой может быть смесь газов (таких, как гелий и неон) или ионы в кристаллической решетке (такой, как в арсенид-галлиевых лазерах, обычно используемых в записывающих и считывающих накопителях CD). Материалы и источники энергии, используемые для получения такого света, определяют мощность и интенсивность результирующего луча.  
     Лазер накопителя CD-ROM направлен на вращающийся диск, а отраженный свет проходит через линзу и попадает на светодиод. Данные на поверхности диска записаны в виде впадин (углублений в диске "pit") и выступов (их уровень соответствует поверхности диска "land"). Логические схемы, подключенные к светодиоду, могут регистрировать разность между расстоянием, пройденным светом до поверхности диска, и расстоянием, пройденным светом до углубления. Указанная разность обнаруживается в виде фазового сдвига в световом луче. Этот метод используется для хранения данных на CD-ROM и считывания их с него.  
     Как и все в цифровом мире, совокупность впадин и выступов (соответствующая последовательности единичных и нулевых сигналов на выходе светодиода) может представлять значительно более сложные аналоги, такие, как звуковой волновой пакет или прохождение форм и цвета в видеосегменте.

Компакт диски: CD-ROM/R/RW    

Компакт-диск имеет диаметр 4,72 дюйма (120 мм) и весит примерно 14 г. Отражающая поверхность - противоположная от наклейки (этикетки, маркировки) сторона диска создает призматический эффект, если ее поместить на свет. Медленно поворачивая диск под ярким светом, можно наблюдать разноцветные радужные картинки.

Что же представляет собой CD-диск и как производится чтение с него данных? Стандаpтный диск состоит  из тpех слоев: подложки из пластмассы (поликаpбоната), на котоpой отштампован pельеф диска, напыленного на нее отpажающего покpытия из алюминия, золота, сеpебpа или дpугого сплава, и более тонкого защитного слоя поликаpбоната или лака, на котоpый наносятся надписи и pисунки.      Компакт-диски в основном изготавливаются из пластмассы, известной как поликарбонат. Это чудо химии обычно поставляется на фабрики по тиражированию дисков в виде маленьких шариков, которые расплавляются до консистенции меда, а затем выдавливаются в формы. Последние уже имеют неровности поверхности - впадины и выступы, - соответствующие данным, которые были записаны с помощью лазера на стеклянный мастер-диск. Когда жидкий поликарбонат заполняет форму, он приобретает ту же самую картину углублений. Получаемый в результате пластмассовый диск, изготовленный в основном из материала, составляющего CD-ROM, называется пластмассовой подложкой. Как уже говорилось выше, углубления в пластмассовой подложке, называемые питами, располагаются в виде непрерывной спирали, выходящей из области вблизи оси диска и попадающей на внешнюю границу области записи данных. Участки между питами называются лендами. На эту поверхность напыляется алюминиевое покрытие, которое в точности сохраняет всю "географию" питов и лендов. Отражающий слой алюминия настолько тонкий, что измеряется ангстремами (один ангстрем равен одной миллиардной доли метра). Толщина алюминиевого слоя составляет несколько сотен ангстрем. Для предохранения алюминия от царапин и других повреждений, которые бы привели к потере данных, записанных на диске, поверх алюминия наносится прозрачный слой лака. Лазерный луч считывает данные через этот слой, без труда различая микроскопические отпечатки на поверхности диска.  Последним шагом в процессе создания диска является нанесение образа с названием на другую сторону диска.

CD-R имеют некоторые  важные отличия от стандартных  CD, выпускаемых массовыми тиражами. Хотя CD-R и является чистым, на нем уже есть спиральная канавка, нанесенная на подложку из поликарбоната, задающая для лазерной головки записывающего накопителя путь, по которому она будет следовать при прожигании шаблона данных. Вместо алюминиевого слоя, имеющегося в стандартных CD, CD-R имеет слой серебра. При этом серебро не только создает хорошо отражающую поверхность, но также обеспечивает очень высокую стойкость против коррозии. Еще один слой, выполненный из органического красителя и расположенный между подложкой из поликарбоната и слоем серебра, служит в качестве среды для осуществления записи. Как и в случае стандартных CD-ROM, дополнительная степень защиты от царапин и повышение срока службы диска обеспечиваются нанесением слоя лака на его поверхность. 
     ЗАМЕЧАНИЕ. Основные принципы работы накопителя CD-ROM и накопителя CD-R одинаковы, однако в накопителе CD-R используется сильнее сфокусированный и более интенсивный лазерный луч, способный прожигать слой красителя в записываемом компакт-диске.  
     В процессе записи луч лазера накопителя CD-R проходит через пластмассовую подложку и нагревает краситель, выбивая шаблон данных на диске. В местах нагрева краситель вспучивается, образуя холмики, продавливающие слой серебра. Образовавшиеся холмики соответствуют впадинам на стандартным образом записанном CD-ROM. Лазерный луч отклоняется при попадании на них, и холмики читаются накопителем CD-ROM точно так же, как впадины, хотя они выступают, а не образуют впадины.  
     Срок службы компакт-дисков - исключительно долгий по сравнению с жесткими магнитными дисками и дискетами, хотя тоже ограничен. CD требуют осторожного обращения с ними и хороших условий их хранения. Они могут стать нечитабельными из-за искривления поверхности или других повреждений, а их возможности в качестве среды для архивирования ограниченны из-за окисления. Хотя методы переработки вышедших из строя дисков еще не очень эффективны, некоторые исследования показывают, что пути для повышения эффективности существуют. Кроме того, замена бумажных материалов на значительно более компактные материалы служит делу охраны окружающей среды. Один диск может вместить информацию, содержащуюся во всех гражданских и деловых телефонных справочниках для целой страны. Очевидно, что легче изготавливать и хранить диск из пластмассы и алюминия весом около 14 г, чем многокилограммовые бумажные телефонные справочники.

Преимущества  оптических носителей и их устройство.

Преимущества  оптической памяти

CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory - память  на компакт-диске только для  чтения) принадлежит семейству оптических  устройств хранения данных. В  отличие от магнитных методов  хранения, в которых используется  разная поляризация сигналов для записи и чтения на магнитной поверхности, в устройствах оптической памяти используется лазерный луч для распознавания отпечатков на отражающей поверхности диска. Другой представитель указанного семейства - накопитель WORM (Write Once, Read Many - однократная запись, многократное чтение) - также "совершил" несколько попыток закрепиться в области архивирования и хранения данных. Однако несовместимость и отличающиеся стандарты ограничили возможности его использования в качестве основной среды обмена данными. Магнитооптический (МО) накопитель также принадлежит рассматриваемому семейству. Он обладает тем преимуществом, что с помощью оптических методов позволяет осуществлять многократную запись данных на один и тот же носитель.  
     Такие характеристики CD-ROM, как его малый вес, прочность, долгий срок службы и высокая емкость, привели к большой и все возрастающей популярности его как среды для архивирования различных типов данных. Дни использования магнитной ленты для архивного хранения как в картриджах, так и на бобинах, быстро оказались сочтены.  
     Кроме прочности и компактности CD-ROM также обладает решающим преимуществом в качестве среды для массового хранения данных: CD-ROM обеспечивает произвольный доступ к любой хранимой на нем информации. Для сравнения линейные методы хранения данных, такие, как ленточные устройства, использующие картриджи или катушки, не могут обеспечить легкий доступ к блоку данных, если он не расположен в непосредственной близости к текущему положению головки считывания или записи относительно ленты. Если попытаться считать блок данных, записанных в конце ленты, а головка считывания находится в начале, нужно промотать ленту вперед. А если следующая порция данных находится в начале ленты, опять требуется время для обратной перемотки.  
                                                                 

Целостность данных  

Оптические носители обеспечивают такую степень точности и целостности данных при хранении, которую трудно получить от магнитных носителей. Так как в оптической памяти данные представляются в форме отпечатков на поверхности носителя, единственную опасность для целостности данных представляет коррозия или физическое повреждение поверхности (которое может быть вызвано царапинами или чрезмерным перегревом). Магнитные же носители подвергаются медленному, но неизбежному старению из-за постепенного размагничивания начиная с того дня, когда на них первый раз что-либо записали. Соседние намагниченные участки, такие, как участки на поверхности жесткого магнитного диска, оказывают со временем влияние друг на друга, а также могут сильно изменяться при попадании в область сильного магнитного поля (например, поля, создаваемого ручным пылесосом, если переусердствовать с чисткой внутри корпуса компьютера).  
     Время жизни данных, хранимых на магнитной ленте, колеблется от 6 до 12 лет. Оценки времени жизни для CD-R составляют 100 лет устойчивого хранения данных! CD-ROM, созданные методами массового тиражирования, не являются столь долговечными в основном из-за материала подложек. Для таких CD-ROM известные оценки срока службы колеблются от 10 до 25 лет. Так как диски, используемые для хранения компьютерных данных, начали появляться не так давно, мы, возможно, начнем получать отчеты о реальных сроках службы CD-ROM только по прошествии определенного времени. Врагом компакт-дисков является коррозия алюминия. Когда микроскопические впадины, появляющиеся на поверхности диска из-за коррозии, станут сравнимыми со впадинами, несущими полезную информацию, то возникнет серьезная опасность потери данных. Слой серебра, используемый в CD-R, обладает гораздо большей устойчивостью к коррозии, что является основной причиной для более долгого срока службы среды CD-R

Вопрос «как делаются CD-R диски?», пожалуй, самый простой. Можно ответить всего одной фразой: CD-R делаются на заводе. Впрочем, вряд ли кто-нибудь собирается наладить самостоятельное изготовление CD-R на собственной кухне. Гораздо большее количество людей волнует вопрос «откуда же берутся плохие диски?». Всем ведь уже порядком надоело, что процесс записи диска со стороны напоминает шаманский обряд. Поэтому некоторые «производственные секреты», от которых больше всего зависит качество изготовленного диска, мы чуть позже рассмотрим. Но для начала давайте разберёмся, как этот диск всё же устроен. И начнём издалека, с устройства ближайшего родственника CD-R – «штампованного» CD-ROM.

Питы в «алюминиевых» дисках

Всем известно, что информация на компакт-диске («настоящем», который называется CD-ROM) представляется в виде «питов» (pit – яма, углубление). Внешний вид основы (до нанесения отражающего слоя) приведён на рис. 2. Трёхмерное изображение поверхности основы CD-ROM построено по результатам измерений, проведенных в лаборатории атомно-силовой микроскопии Института физики полупроводников Национальной академии наук Украины. Измерения выполнены с помощью атомно-силового микроскопа (Atomic Force Microscope) NanoScope IIIa фирмы Digital Instruments.

   Каждый пит – это не биты записанной информации, нельзя питы и ленды связывать с «1» или «0».

Каждый пит или ленд представляет сразу несколько бит  информации. Дело в том, что информация, подготовленная к размещению на компакт-диске, подвергается ряду сложных преобразований. В первую очередь это мощная система помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивое кодирование и особенно система, примененная в компакт-дисках, – это очень интересная, но и весьма сложная тема. В рамках данной статьи мы её касаться не будем. Для правильного понимания дальнейшего материала нам важно вспомнить только два момента. Во-первых, то, что информация представлена в последовательном коде. Во-вторых, то, что после всех преобразований, связанных с помехоустойчивым кодированием, непосредственно перед размещением информации на компакт-диске осуществляется ещё одно, так называемое канальное кодирование. В компакт-дисках применяется канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation). Этот код разработан фирмой Philips специально для лазерной звукозаписи. Суть канального кодирования EFM заключается в том, что каждый байт информации заменяется 14-разрядным словом из специальной таблицы преобразования. К полученному таким образом 14-разрядному слову по определённому правилу добавляется ещё три так называемых соединительных разряда. В результате канального кодирования получается непрерывная последовательность бит, причём между двумя единицами никогда не может быть меньше двух или больше десяти нулей. Именно эта последовательность бит, в которой между двумя единицами не меньше двух и не больше десяти нулей, и представлена на компакт-диске питами. Причём питы и ленды чередуются в моменты, соответствующие началу бита, равного «1». Если до этого был, например, «ленд», то становится «пит», и наоборот. Таким образом, питы и ленды с точки зрения представления информации равнозначны и характеризуют только временные интервалы между двумя единицами в последовательности бит. Поскольку состояние (ленд или пит) изменяется в моменты, соответствующие именно началу бита, равного «1», то протяженность каждого участка (и пита, и ленда) лежит в пределах от 3 периодов тактовой частоты (это называется интервалом 3Т) до 11 периодов (11Т), т.е. включает и длительность одного бита, равного «1» (рис. 3).

От участка, который  называется «ленд», свет лазера отражается и попадает в фотоприёмники. От участков, которые называются «пит», свет, конечно, тоже отражается, но из-за расфокусировки луча в фотоприёмники не попадает.

  Размеры каждого пита чрезвычайно малы, меньше диаметра сфокусированного пятна лазера. Поэтому ток фотоприёмника не мгновенно появляется и исчезает, а плавно изменяется от минимального до максимального значения. Это так называемый высокочастотный информационный сигнал.

          Чтобы можно было выделить информацию, высокочастотный информационный сигнал преобразуется компаратором в последовательность прямоугольных импульсов. Длительность каждого из полученных таким способом прямоугольных импульсов кратна периоду следования битов последовательного кода (рис. 2г). Каждые 14 последовательных периодов декодируются в один байт информации, соединительные разряды просто отбрасываются.

Такая сложная система появилась, конечно, не от хорошей жизни. Питы, кроме того, что в их расположении на диске содержится записанная информация, выполняют и другие, очень важные для считывания этой информации функции.

Дело в том, что на компакт-диске информация упакована с очень высокой плотностью. Размеры каждого пита очень малы – порядка 0,6 мкм, а шаг спирали – всего 1,6 мкм. При таких размерах точно позиционировать считывающую головку можно только с помощью замкнутой системы автослежения. Все приводы CD-ROM имеют достаточно сложный механизм автослежения (автотрекинга). Причём какой-либо дополнительной разметки на диске нет. Слежение осуществляется за самой дорожкой с данными и именно за расположенными по спирали питами. Управляющий сигнал для системы автослежения может вырабатывается только тогда, когда присутствуют тёмные участки (питы), поскольку ленд – это на самом деле вся остальная (кроме питов) поверхность диска, и какая-либо информация на ней отсутствует.

Благодаря описанному выше способу представления информации тёмные участки (питы) не могут отсутствовать больше, чем 10 периодов тактовой частоты. Этого вполне достаточно, чтобы следящая система успевала своевременно корректировать положение головки.

Вторая трудная задача, которая возникает при считывании информации с компакт-диска, – это точное выделение временных интервалов, соответствующих периоду следования символов последовательного кода. Ведь на самом деле период следования символов зависит от скорости вращения диска. Поддерживать скорость вращения диска с требуемой точностью практически невозможно. Поэтому было принято другое решение: скорость вращения диска только примерно соответствует требуемой, а временные интервалы определяются периодом следования встроенного тактового генератора. Частота и фаза этого генератора подстраивается под реальную скорость поступления информации с помощью инерционной системы автоподстройки. Благодаря инерционности этой системы корректировать частоту и фазу генератора не обязательно каждый период. Но периодическая коррекция всё же требуется, и канальный код EFM как нельзя лучше подходит для данной задачи.

CD-R в разрезе