Каким образом луч лазера считывает или записывает диск? CD-R — Compact Disk Recordable – диск с однократной записью и многократным чтением. Cеанс практической магии в Video CD

Внимание! Не все приводы поддерживают чтение/запись "сырых" субканальных данных. Убедитесь, что в "Параметрах профиля" Clone CD стоит "чтение субканалов из треков с данными" и галочка "не восстанавливать субканальные данные" сброшена. В противном случае, у вас ничего не получится.

Приложение: тестирование дисков на надежность

Заключение

Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диске, и под воздействием температуры сопротивляемость изменению полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается но полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем примененным к ней в момент нагрева. В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла, цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом, при считывании хранимая информация не разрушается.

Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема, это такие задачи, как САПР, обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличии от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут хранится в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связанны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы, из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система уже реализована некоторыми фирмами производителями. Существуют еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология основанная на изменении фазового состояния, основана на способности вещества переходить из кристаллического состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом процессе деформируется поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

Технология основанная на полимерных красителях, также допускает повторную запись. При этой технологии поверхность диска покрывается двумя слоями полимеров, каждый из которых чувствителен к свету определенной частоты. Для записи используется частота, игнорируемая верхним слоем, но вызывающая реакцию в нижнем. В точке падения луча нижний слой разбухает и образует выпуклость, влияющую на отражающие свойства поверхности диска. Для стирания используется другая частота, на которую реагирует только верхний слой полимера, при реакции выпуклость сглаживается. Этот метод, как и предыдущий, имеет ограниченное число циклов записи, так как при записи происходит деформация поверхности.

В настоящие время уже разрабатывается технология позволяющая менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле синхронно с поступлением данных на запись. Существует также технология, построенная на модуляции излучения лазера. В этой технологии дисковод работает в трех режимах - режим чтения с низкой интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска, и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера. В процессе записи инициализирующий слой записывается нулями, а при воздействии лазерного луча средней интенсивности записывающий слой намагничивается инициализирующим, при воздействии луча высокой интенсивности, записывающий слой намагничивается в соответствии с полярностью магнита смещения. Таким образом, запись данных может происходить за один проход, при переключении мощности лазера.

Безусловно, МО диски перспективные и бурно развивающиеся устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски, возможно, займут доминирующие роли.

На лазерных, или оптических, дисках информация записывается благодаря разной отражающей способности отдельных участков такого диска. Все оптические диски схожи тем, что носитель (диск) всегда отделен от привода, который является стан­дартным устройством компьютера. В отличие от жестких дисков или flash-накопи­телей аппаратных проблем с лазерными дисками гораздо меньше, и решаются они намного легче - простой заменой привода. Физическое расположение данных на лазерном диске строго стандартизировано, а сведения обо всех стандартах обще­доступны, хотя спецификаций создано много.

Виды носителей и технологии

Первые лазерные диски были созданы в 1980 году компаниями Sony и Philips для записи звука. Эти диски (CD-DA) воспроизводились на бытовых проигрывателях. С тех пор внешний вид и геометрические размеры любых лазерных дисков оста­ются неизменными. Диск представляет собой поликарбонатную пластину диамет­ром 120 мм и толщиной 1,2 мм, в центре которой находится отверстие диаметром 15 мм. На диск нанесена спиральная дорожка, начинающаяся в центральной части и идущая к периферии. Первоначально существовали лишь диски, тиражируемые промышленным способом со специально изготавливаемых матриц, но впослед­ствии были разработаны технологии, позволяющие записывать лазерные диски на компьютерных приводах CD-R, а затем и CD-RW

В начале XXI века были разработаны стандарты DVD, которые постепенно долж­ны заменить CD. Эти диски отличаются от CD возросшей в несколько раз плотно­стью дорожек, а для их чтения и записи используется лазер с меньшей длиной волны. Появились двухсторонние (Double-Sided - DS) и двухслойные (Double Layer - DL) диски, которые содержат два отражающих слоя и обладают почти удвоенной, по сравнению с обычными дисками, емкостью. Последние разработ­ки - стандарты Blu-Ray и HD-DVD позволили еще больше увеличить объем дан­ных, хранящихся на лазерном диске, хотя принцип записи остался почти тем же. Большое значение придается обратной совместимости стандартов и форматов, чтобы более современные приводы могли работать и со старыми дисками.

На заводских, или штампованных, дисках дорожка образована чередованием впа­дин и выступов, выдавливаемых на поверхности пластины в процессе штамповки диска. На эту поверхность впоследствии напыляется тонкий отражающий слой алюминия. Поскольку выступы и впадины отражают лазерный луч по-разному, становится возможным считывание получившегося узора.

На записываемых и перезаписываемых дисках («болванках») обе поверхности пластины совершенно гладкие, а запись и считывание информации связаны с из­менением физико-химических характеристик тонкого записываемого слоя, нане­сенного на верхнюю сторону пластины (рис. 5.1). Записываемый слой в дисках однократной записи (CD-R или DVD-R) состоит из органического красителя, необратимо изменяющегося под воздействием мощного лазерного луча, а в пере­записываемых дисках (CD-RW или DVD-RW) он образован пленкой специаль­ного сплава, способного менять свою отражающую способность в зависимости от условий нагрева и остывания. Так или иначе, физическое качество записи всецело зависит от качества самой болванки и характеристик привода, на котором произ­водилась запись: скорости, точности фокусировки и мощности луча.

Во всех случаях на верхнюю, дальнюю от лазера, поверхность диска наносится ряд защитных слоев, предохраняющих отражающий слой от повреждений. Хотя за­щитные слои довольно прочны, с этой стороны диск гораздо уязвимее, чем со стороны подложки. Особенно незащищенными являются перезаписываемые дис­ки - активный слой близок по своим свойствам к жидким кристаллам и реагирует даже на незначительное давление или сгибание диска.

От центра к периферии диск разбит на несколько концентрических областей, или зон (рис. 5.2). Диаметр каждой области строго стандартизирован:

Рис. 5.2. Зоны лазерного диска

Область посадки, или фиксации, не содержит каких-либо данных и ложится на шпиндель привода. Неровности и грязь в этой области могут повлиять на ба­лансировку и биения диска при его вращении;

Область калибровки мощности (Power Calibration Area - PC А) присутствует только на записываемых дисках и служит для пробной записи и автоматической регулировки мощности записывающего лазера в зависимости от индивидуаль­ных особенностей диска и привода;

Программируемая область памяти (Program Memory Area - РМА) также суще­ствует только на записываемых дисках. В ней предварительно записывается временная таблица оглавления (Table of Content - ТОС). При завершении сеанса записи эта информация переписывается на нулевую дорожку;

Нулевая дорожка (Lead-in) содержит оглавление диска или сеанса записи. Оглавление включает в себя начальные адреса и длины всех дорожек, общую длину области данных и информацию о каждом из сеансов записи. Если диск записывается в несколько сеансов, своя нулевая дорожка создается для каждого из сеансов. Стандартный размер нулевой дорожки - 4500 секторов, или около 9,2 Мбайт данных;

Область данных содержит полезные данные. Это основная часть диска;

Конечная зона (Lead-Out) служит маркером конца сеанса записи. Если диск записан в один сеанс, размер конечной зоны составляет 6750 секторов. Если диск записывался в несколько сеансов, для каждого последующего сеанса соз­дается своя конечная зона размером 2250 секторов.

Информация при записи на компакт-диск является многократно избыточной. Это нужно для коррекции возможных ошибок. Хотя считается, что емкость диска CD-ROM составляет около 700 Мбайт, в действительности такой диск несет около 2,5 Гбайт информации!

Спиральная дорожка разделена на секторы, длина одного сектора CD-ROM состав­ляет 17,33 мм, а на стандартном диске помещается до 333 ООО секторов. Для диска DVD стандартное количество секторов составляет 2 298 496 (однослойный DVD, DVD-R(W)) или 2 295 104 (однослойный DVD+R(W)). Каждый сектор состоит из 98 блоков, или фреймов (frames). Фрейм содержит 33 байта информации, из которых 24 байта несут полезные данные, 1 байт содержит служебную информа­цию, а 8 байтов служат для контроля четности и коррекции ошибок. Эти 8 байтов содержат так называемый код Рида - Соломона, вычисляемый на основании 24 по­лезных байтов. Таким образом, объем сектора составляет 3234 байта, из которых 882 байта являются избыточными. По ним микропрограмма привода способна воссоздать истинные значения остальных 2352 байтов в случае возникновения ошибок. Более того, из оставшихся 2352 байтов 304 байта отведены для синхрони­зирующих кодов, битов идентификации, кода коррекции ошибок ЕСС и кода об­наружения и исправления ошибок EDC. В результате в одном секторе полезными являются 2048 байтов.

Чтобы минимизировать влияние царапин и других физических дефектов, исполь­зуется перекрестное чередование блоков между смежными секторами. Благодаря этому любой ограниченный дефект, скорее всего, затронет блоки, относящиеся к раз­ным секторам, и не окажется на двух или трех последовательных блоках. В таком случае коррекция ошибок может оказаться весьма эффективной.

Физически на диск записываются последовательности «темных» и «светлых» участ­ков, получаемых в результате EFM-модуляции. Eight-to-Fourteen Modulation - еще один уровень, призванный обеспечить избыточность и сохранность данных. Вместо каждого байта, то есть 8 битов, записывается последовательность из 14 дво­ичных значений (битов). К этим 14 битам добавляются по три объединяющих бтз, (merge bits), и длина последовательности возрастает до 17 битов. В начало каждого блока добавляется 24-разрядное число синхронизации.

Схематично описанные здесь алгоритмы являются стандартными и заложены в микропрограмму любого привода. В процессе чтения диска микропрограмма привода осуществляет при необходимости коррекцию ошибок и показывает через интерфейс уже чистые секторы по 2048 байтов каждый.

Приводы оптических дисков

Конструкция любых приводов лазерных дисков практически не изменилась с XX века (рис. 5.3). Все существенные различия приводов CD или DVD, читающих или записывающих, состоят только в лазерах, датчиках и оптических элементах. Разумеется, поддержка новых стандартов потребовала и новых алгоритмов кор­рекции ошибок, закладываемых в микропрограммы дисководов.

Рис. 5.3. Схема привода лазерных дисков

Диск вращается на оси шпинделя. Частота вращения может доходить до 12 ООО об/мин. Под диском перемещается по направляющим каретка, на которой закреплены ми­ниатюрный полупроводниковый лазер, система линз, призм и зеркал, а также при­емник-фотоэлемент. В современных комбинированных приводах может быть не­сколько лазеров. Лазерный луч проходит через оптическую систему, фокусируется на нижней поверхности вращающегося диска, отражается от нее и через те же линзы и призмы вновь попадает на приемник. Приемник преобразует световой луч в электрические сигналы, которые поступают на предварительный усилитель и да­лее в электронную схему привода.

Верхняя линза является фокусирующей. Она закреплена на очень легких подвесах и может немного смещаться относительно остальных деталей оптической системы. Положением этой линзы управляет сложная автоматика, поэтому луч всегда дол­жен точно фокусироваться на отражающем слое компакт-диска. За счет перемеще­ния каретки лазерный луч можно направить на любой участок диска.

По стандарту на компакт-дисках ширина дорожки составляет около 0,6 мкм, рас­стояние между соседними дорожками - около 1,6 мкм. Каждый элемент дорожки (впадина или площадка либо участок, отличающийся по отражающей способности от соседнего на записываемом диске) должен иметь протяженность от 0,9 до 3,3 мкм. Для DVD эти размеры значительно меньше. Разница в отражающей способности «темных» и «светлых» участков совсем невелика и составляет не более нескольких десятков процентов. При чтении привод лазерных дисков улавливает довольно незначительные колебания яркости отраженного луча. Когда лазерный луч сфо­кусирован на отражающем слое диска, создаваемое им пятно должно примерно соответствовать геометрическим размерам дорожек. Если пятно больше, колебания яркости отраженного луча становятся еще меньше, а отклонения в позициониро­вании усугубляют ситуацию.

Мощность лазера, точность фокусировки, скорость реакции фокусирующей сис­темы, а также степень вибрации и биения диска различны у разных моделей приво­дов. Кроме того, в работу конкретного экземпляра устройства вносит свой отрица­тельный вклад износ подшипников и направляющих, а также старение подвесов.

Этим объясняется знакомый всем случай, когда на одном приводе диск читается нормально, на другом читается, но неуверенно, а на третьем не читается вовсе с вы­водом сообщения об ошибке. Парадоксально: вовсе не обязательно, что диск будет лучше всего читаться на том же приводе, на котором он был записан! Разнообразие параметров, как самих дисков, так и приводов, достаточно велико. О дешевых болванках от неизвестных производителей и доле брака среди них даже не стоит говорить. Существуют и изначально неудачные модели приводов.

Качество привода - понятие весьма расплывчатое. К нему можно отнести тщатель­ность и точность изготовления и сборки механики и оптики, конструктивные осо­бенности, в том числе механизмы балансировки и компенсации люфта, свойства лазерного излз^ателя, а также особенности микропрограммы.

От микропрограммы зависит поведение привода при неустойчивом чтении про­блемных дисков. В общем случае, чем ниже скорость, тем больше шансов успешно считать диск с плохими оптическими характеристиками. При возникновении боль­шого количества ошибок привод должен ступенчато снижать скорость чтения до тех пор, пока чтение не станет устойчивым, но этот механизм по-разному реализо­ван в различных приводах. Чем ниже скорость вращения диска, тем проще требо­вания, предъявляемые к его качеству. Практика показывает, что о качестве приво­да CD или DVD можно косвенно судить по соотношению пластмасса/металл, то есть по весу устройства и его цене. При этом речь идет о ценах на модели одного поколения.

Хорошо известны приводы от компании Plextor. Они имеют стоимость, превыша­ющую среднюю цену для распространенных приводов вдвое или втрое, однако отличаются стабильностью работы и долговечностью. Кроме того, способностью прочитать даже сильно поцарапанный диск или самую некачественную болванку обладают некоторые модели дисководов марки LG. Стабильным чтением характе­ризовались и приводы Теас, однако модели выпуска после 2006 года по каким-то причинам стали вызывать нарекания. Опытные компьютерные пользователи, которым по роду занятий часто приходится извлекать данные с нестабильно чи­тающихся дисков, обычно долго выбирают, а затем бережно используют привод. Иногда такой привод подключают к компьютеру лишь для того, чтобы прочитать проблемный диск, а в остальное время отключают физически во избежание лиш­него износа.