Неперезаписываемые оптические диски CD-ROM

Компакт-диск CD-ROM представляет собой пластиковый поликарбонатный круг диаметром 4,72 дюйма (встречаются компакт-диски и диаметром 3,5; 5,25; 12 и 14 дюймов) и толщиной 0,05 дюйма, с отверстием в центре диаметром 0,6 дюйма, и имеет двухслойное покрытие: тончайший отражающий металлический (обычно алюминиевый) слой и лаковое покрытие. Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на них возможна только вне ПК, в лабораторных условиях, лазерным лучом большой мощности, который оставляет на поликарбонатной основе CD след — дорожку с микроскопическими впадинами (питами, pits). Питы имеют ширину около 0,5 микрон и следуют друг за другом, образуя единую спиральную дорожку с шагом 1,6 микрона (для сравнения: тонкий человеческий волос имеет диаметр 50 микрон). Каждый пит, в зависимости от своей длины, может кодировать несколько битов информации. Таким образом создается первичный «мастер-диск». Процесс массового тиражирования CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путем литья под давлением.

Дорожка на CD, в отличие от магнитных дисков, спиральная и очень узкая. Впадины имеют глубину примерно 5 миллиардных долей дюйма и ширину в 24 миллиардные доли дюйма; плотность дорожек — 16 000 дорожек на дюйм. Длина всей спиральной дорожки около 5 км. В оптическом дисководе ПК информация с дорожки читается лазерным лучом существенно меньшей мощности. Лазерный луч фокусируется на дорожке диска и отражается от выпуклостей питов, меняя свою интенсивность. Отраженный луч улавливается фотоприемником (фотодиодом) оптической читающей головки.

CD-ROM ввиду весьма плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт (наиболее распространенная емкость 650 Мбайт), время доступа (access time) в разных оптических дисках колеблется от 50 до 350 мс, скорость считывания информации — от 150 до 6000 кбайт/с. Приводы CD-ROM существенно отличаются по скорости передачи данных. Она зависит от двух факторов: плотности записи информации на поверхности диска и скорости вращения диска. Последняя является параметром, указываемым в марке дисковода в виде Nх-коэффициента кратности (data-transfer rate), сообщающего, во сколько раз линейная скорость дисковода превышает так называемую «единичную» скорость, равную 150 кбайт/с. Сейчас имеются модели с любыми четными значениями этого коэффициента от двух (2х) до 56 (56х), последние обеспечивают трансфер более 6 Мбайт/с. Следует заметить, что прямой линейной зависимости между коэффициентом кратности и трансфером нет, например, реальная скорость CD-ROM с кратностью 50х оказывается обычно намного ниже теоретической — часто соответствующей 40х. Дисководы CD-ROM менее чем с двадцатикратным увеличением скорости не позволят качественно реализовать многие современные технологии мультимедиа, да и многие программные приложения вообще, поэтому они сейчас не выпускаются.

Дисковод обеспечивает считывание информации «из глубины» диска, для этого лазер фокусируется не на внешней поверхности, а непосредственно на информационном слое. Грязь и царапины на покрытии, таким образом, оказываются не в фокусе и до определенного предела игнорируются. Кроме того, для обеспечения надежной работы информация на компакт-дисках кодируется с большой избыточностью с использованием корректирующего кода Рида–Соломона (Reed–Solomon code), обеспечивающего возможность восстановления исходной информации при значительном числе ошибок ее считывания.

К первым, не очень скоростным накопителям предъявлялось требование обеспечения минимальной постоянной линейной скорости считывания данных: CD используются для хранения аудио- и видеоинформации, а для нормального прослушивания аудиоданных она должна быть не менее 150 кбайт/с. Это обуславливало переменную угловую скорость. При считывании информации с внутренней части диска она должна быть 500 оборотов/мин, против 200 оборотов/мин при считывании с внешней, то есть должна меняться в 2,5 раза. Таким образом, для обеспечения быстрого переключения между областями диска двигатель должен обладать хорошей динамикой. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициента кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому современные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и, тем самым, непостоянную линейную.

Таким образом, в низкоскоростных накопителях при считывании (записи) угловая скорость меняется в зависимости от местонахождения считываемого (записываемого) участка дорожки с целью обеспечить постоянную линейную скорость носителя под головкой — этим обуславливается возможность работы с постоянной оптимальной плотностью записываемых данных и высокая емкость дисков. Высокоскоростные устройства лишены этой благоприятной особенности, но высокая емкость дисков обеспечивается в них иными технологическими приемами, в частности, благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity — постоянная угловая скорость). В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, соответственно на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4–7,8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинается с внутренних областей.

При выполнении реальных задач разница в производительности приводов, имеющих скорости в диапазоне 24х–50х, для пользователя практически не ощутима и может быть измерена только специальными тестами. Более скоростные приводы обладают преимуществом лишь в случае считывания большого объема непрерывно расположенных данных, например, при установке программного обеспечения. В настоящее время (2005 г.) максимальная достигнутая скорость составляет 56x, то есть примерно 8000 кбайт/с. Эта величина соответствует частоте вращения 12 000 оборотов/мин. На таких скоростях начинают сильно сказываться дефекты производства дисков — искажения геометрии, неравномерность массы. Чтобы уменьшить паразитные биения, производители прибегают к различным ухищрениям, например, оборудуют приводы CD-ROM специальными демпфирующими устройствами.

Следует отметить, что большинство дисководов способно автоматически снижать скорость вращения при появлении большого количества ошибок считывания данных (и не все модели, кстати, способны в дальнейшем при уменьшении числа ошибок ее повышать). Номинальная же скорость, указываемая на дисководе, определяется на эталонном, безошибочном диске, не требующем снижения оборотов. Снижение скорости частично компенсируется наличием в устройствах большого кэша, который, кроме того, хорошо помогает при работе с большим количеством мелких файлов, требующим многократного позиционирования головки считывания/записи. Размер внутренней кэш-памяти, в который считываются данные перед их передачей, в современных накопителях достигает 1 Мбайт, но удовлетворительной величиной является и кэш емкостью 128 кбайт.

Устройство позиционирования оптической системы ориентируется на специальные метки диска и не требует прецизионной механики, что делает это весьма высокотехнологичное устройство достаточно дешевым в производстве. Изначально приводы CD-ROM имели свой интерфейс, обычно устанавливаемый на звуковой карте, и умели работать только с ним. Современные дисководы CD-ROM имеют IDE-ATAPI или SCSI-интерфейсы и могут подключаться непосредственно к разъему на материнской плате как IDE- или SCSI-устройства. IDE-ATAPI — более распространенный интерфейс. Большинство современных приводов CD-ROM с данным интерфейсом поддерживает протокол Ultra DMA/33 (UDMA), имеющий скорость передачи 33 Мбайт/с. SCSI-интерфейс обеспечивает скорости передачи данных до 80 Мбайт/с (для спецификации SCSI-3) и подключение максимум до 16 устройств. Область применения дисководов CD-ROM с интерфейсом SCSI — графические станции, серверы и другие мощные системы. Пока только SCSI и последовательные интерфейсы USB, SATA, SAS, PCI Express и др. способны поддержать надежное функционирование систем с подключением нескольких дисководов CD-ROM и их работу в многозадачном режиме.

Типовой дисковод состоит из блока электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. В блоке электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной угловой скоростью. Система оптической головки включает в себя саму головку и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Лазер имеет длину волны 0,78 мкм.

Конструкции дисководов предусматривают возможность загрузки как одного, так одновременно и нескольких компакт-дисков. Последний вариант иногда более удобен, но рекомендовать его безоговорочно нельзя: часто в этом случае снижается качество воспроизведения записи и надежность устройства.

Наконец, нужно иметь в виду, что все современные модели CD-ROM позволяют качественно воспроизводить и музыкальные записи. Для этого следует установить в ПК необходимые драйверы (при работе в среде MS DOS, например, это специальная постоянно находящаяся в памяти (резидентная — TSR) программа; при работе под Windows — драйвер CD Audio). В ряде моделей есть кнопка Play для запуска проигрывания аудиодисков. Чаще эта кнопка является двухфункциональной (например, Play/Next) и служит также для перехода между звуковыми дорожками. Другая кнопка, Eject, при проигрывании аудиодисков обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В обычном режиме кнопка Eject служит для загрузки/выгрузки диска. Слушать диски можно как через выход для наушников на передней панели CD-ROM, так и через внешнюю акустическую систему. В последнем случае необходима звуковая карта с усилителем.