CD-ROM-накопители для работы с переносимыми изданиями

Ранее уже отмечалось, что компакт-диски служат важным средством распространения электронных изданий. CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory) - это оптический накопитель, представляющий собой память только со считыванием информации. Информация на такой диск заносится путем переноса с так называемого мастер-диска с помощью специального штампа. Аналогичным образом изготавливаются и аудио компакт-диски. Подобным же способом с начала XX века изготовлялись грампластинки, использовавшиеся в механических, а позднее - в электромеханических граммофонах.

С технологической точки зрения CD-ROM представляет собой диск диаметром около 120 мм и толщиной около 1,2 мм. Основная его часть - это подложка, изготавливаемая на основе поликарбонатного пластика, на которую с помощью пресса наносится рельеф или информационное содержание диска. После прессования на лицевую (информационную) сторону диска наносится отражающее покрытие (обычно это алюминиевая пленка толщиной в несколько микрон), на которое сверху напыляется защитный слой лака, предохраняющий информационный и отражающий слои от повреждения.

Информация нанесена на компакт-диск не в виде набора концентрических дорожек, как это выполнено в накопителях на магнитных дисках, а в форме спиральной дорожки, разворачивающейся от внутренней области диска к периферии. Сама информация содержится на этой дорожке в виде так называемых «питов», т. е. микроскопических углублений и промежутков между ними. Ширина информационной дорожки и линейный размер, соответствующий одному биту информации, близок к 0,6 мкм.

Накопители информации на магнитных дисках используют привод с постоянной угловой скоростью вращения. В результате размеры информационных областей, хранящих постоянное количество информации (например, секторов), изменяется в зависимости от положения дорожки, на которой эта область размещается: на минимальном расстоянии от оси вращения размер такой области также минимален, а на периферии диска протяженность этой области наибольшая.

У компакт-дисков каждый бит занимает строго определенное пространство, соответственно протяженность информационного сектора также должна быть постоянной, т. е. не может зависеть от расположения этого сектора на спиральной дорожке. Вследствие этого скорость перемещения считывающей головки вдоль информационной дорожки также должна быть постоянной. Компакт-диск, в отличие от магнитных дисков, относится к устройствам с постоянной линейной скоростью. Следовательно, угловая скорость вращения компакт-диска должна уменьшаться при чтении информации с периферийных участков диска и, наоборот, увеличиваться при чтении витков спирали, расположенных ближе к оси вращения.

Дисковод для компакт-дисков представляет собой достаточно сложную конструкцию, включающую в себя электронные, оптические и электромеханические узлы. Привод вращения оптического диска сложнее, чем магнитного, так как помимо стабилизации скорости вращения имеется еще узел ступенчатого изменения скорости вращения диска в соответствии с тем, на каком витке спирали находится головка считывания информации. Обычно имеется 8-10 таких ступеней, каждая из которых соответствует определенному диапазону витков спирали. Скорость на самой верхней ступени (для внутренних витков спирали) приблизительно вдвое больше, чем на самой нижней.

Три другие электромеханические подсистемы осуществляют различные виды автоматической регулировки параметров. В частности, система позиционирования головки считывания информации переводит ее на нужный виток спирали. Система автоматического слежения за информационной дорожкой с помощью специального оптического датчика в виде многосегментного фотоприемника, усилителя сигнала рассогласования и исполнительного механизма в виде поворотного зеркальца с гальванометрическим подвесом удерживает световое пятно на дорожке. Система автофокусировки осуществляет перемещение головки считывания вдоль оси вращения оптического диска, обеспечивая точную фокусировку в той плоскости, в которой размещается информация на диске. Кстати, датчиком системы автофокусировки служит тот же самый многосегментный фотоприемник, отдельные элементы которого включены по дифференциальной схеме, а исполнительным механизмом служит так называемый «линейный двигатель». Последний выполнен в виде тонкой электрической катушки стоком, внутри которой находится намагниченный сердечник. Изменение величины и полярности тока в катушке приводит к ее перемещению в ту или иную сторону вдоль сердечника (такая система много лет используется для преобразования электрических колебаний в звуковые в громкоговорителях или динамиках). Особенность всех этих трех систем состоит в их высокой точности и скорости перемещения.

Главная из оптических подсистем - оптическая головка. Она включает в себя полупроводниковый лазер, фокусирующий объектив, который преобразует излучение лазера в световое пятно диаметром менее 1 мкм, которое должно находиться на соответствующем витке спиральной информационной дорожки, оптический расщепитель, который направляет отраженный от диска световой луч на фотоприемник системы считывания информации. Фокусирующий объектив жестко связан с электрической катушкой системы автофокусировки. Изменение положения объектива компенсирует вибрацию и другие неконтролируемые перемещения оптического диска, поддерживая точную фокусировку света на информационной дорожке.

Позиционер оптической головки на нужный виток спирали двухступенчатый: первая ступень с шаговым двигателем осуществляет грубое позиционирование, точность которого 10-20 витков спирали от требуемой позиции, вторая ступень реализует точное позиционирование с помощью легкого зеркальца, закрепленного на гальванометрическом подвесе. Оно же используется для упоминавшегося ранее слежения за дорожкой.

Скорость информационного обмена с оптическим диском при номинальной скорости вращения диска (приблизительно от 250 до 500 об/с) составляет около 150 Кб/с. Для современных персональных компьютеров это совершенно недостаточно. Поэтому все современные дисководы для оптических дисков работают на кратных скоростях вращения, которые в 40~50 раз превышают номинальную скорость, что позволяет увеличить скорость обмена до 7 Мб/с и более. Емкость оптического диска близка к 700 Мб, т. е. приблизительно за 100 с можно считать всю информацию с оптического диска.

5.1.4. Другие виды оптических накопителей

В конце 1998 г. появился новый оптический носитель для хранения и распространения мультимедийных изданий. Он получил название DVD-диск, что представляет собой аббревиатуру от Digital Video Disk - цифровой видеодиск. Инфракрасный полупроводниковый лазер с длиной волны 780 нм, используемый в дисководах для компакт-дисков, в DVD-дисководе заменен красным лазером с длиной волны 635 нм. Это позволило за счет улучшения фокусировки вдвое уменьшить диаметр сфокусированного пятна на информационной дорожке. В результате удалось вдвое увеличить как плотность записи вдоль информационной дорожки, так и плотность размещения витков спирали. Действие этого эффекта, а также использование более совершенного формата секторов, более эффективного кодирования и автоматической компрессии при занесении данных на DVD-диск позволило достигнуть увеличения емкости диска до 4,7 Гб.

Другие конструкции DVD-диска позволили еще в несколько раз увеличить информационную емкость. Так, односторонний двухслойный диск содержит два информационных слоя, расстояние между которыми близко к 0,5 мм. Один из этих слоев полупрозрачен, в результате чего проходящая сквозь него часть светового потока полупроводникового лазера может быть сфокусирована на другом слое. Информационная емкость каждого слоя близка к 4,25 Гб, а общая емкость такого диска составляет 8,5 Гб.

В двустороннем однослойном диске используются два полупроводниковых лазера, по одному с каждой стороны диска. Каждый лазер работает со своим информационным слоем. Если емкость одного такого слоя 4,7 Гб, то суммарная емкость диска составит 9,4 Гб. Последняя конструкция может быть усовершенствована таким образом, что с каждой стороны диска будут по два информационных слоя, причем внешние, т. е. расположенные ближе к периферии диска, делаются полупрозрачными. Суммарная емкость такого четырехслойного диска близка к 17 Гб.

Скорость вращения DVD-дисков не слишком велика и соответствует 2-4-кратному приводу CD-ROM. При этом скорость информационного обмена составляет приблизительно 1,5 Мб/с. Такая скорость обмена отвечает требованиям форматов MPEG-2 и MPEG-4. Дальнейшее совершенствование таких устройством связано с развитием полупроводниковых лазеров по пути укорочения длины волны излучения. Фирма Hitachi, лидер в области DVD-технологий, обещает в ближайшие годы разработать голубой полупроводниковый лазер, что позволило бы еще втрое увеличить плотность записи информации.

В последние годы все шире используются устройства для записи информации на компакт-диск - CD-R-дисководы (CD-Recorder). Такие диски практически вытеснили существовавшие с 1985 г. диски WORM (Write Once Read Many), размеры которых изменялись в пределах от 5,25 до 12 дюймов. Причина этого очевидна - компакт-диск стал практическим стандартом в компьютерных технологиях. Записываемый компакт диск успешно может быть прочитан с помощью любого CD-ROM-дисковода.

Компакт-диск с однократной записью несколько отличается от обычного. В качестве отражающего слоя в нем используется тончайшая пленка золота, а информационный слой - диэлектрик с низкой температурой испарения. Сфокусированный луч лазера локально испаряет диэлектрик, в результате чего возникают локальные вздутия отражающей пленки, изменяющие характеристики отражения для считывающего луча полупроводникового лазера.

При занесении информации на CD-R-диск можно сразу, за один прием заполнить весь диск. Такой режим называют односеансовым или односессионным. Можно и несколько раз устанавливать диск в дисковод и постепенно заносить информацию на спиральную дорожку. В течение одного сеанса можно заполнить один или несколько витков спирали. Первый сеанс записи требует не менее 22 Мб информационного пространства, а каждый последующий - не менее 13 Мб. В течение каждого сеанса наряду с полезной на диск заносится большое количество служебной информации, поэтому количеством сеансов записи не следует злоупотреблять. Кроме того, следует иметь в виду, что односеансовые диски читаются всеми стандартными дисководами для компакт-дисков, а многосеансовые - только дисководами CD-RW.

Среди характеристик CD-R дисковода указывают скорость занесения информации на диск и ее чтения с диска. Обычно эти значения составляют 2-8 и 10-12 крат. Лишь в 2000 г. фирме Philips удалось довести скорость записи в своих моделях CD-RW до 10-12 крат. Отметим также, что в режиме записи мощность излучения лазера приблизительно в 10 раз больше, чем в режиме чтения. Впрочем, эти дисководы для чтения применяются весьма редко - только для многосеансовых дисков.