Оптическая память

В 1983 году был представлен один из самых удачных потребительских про­дуктов всех времен — компактная дисковая (CD) цифровая аудиосистема. CDявляется "нестираемым" диском, который может хранить более 60 минут аудио­информации на одной стороне. Огромный коммерческий успех CD позволил раз­вить недорогую технологию хранения данных на оптических дисках, что стало революционным шагом в компьютерном хранении данных. Разнообразные сис­темы оптических дисков представлены в табл. 11.8.

Таблица 11.8. Продукты на основе оптической технологии дисков

CD CD-ROM CD-R CD-RW DVD DVD-R DVD-RW Магнитоопти-ческий диск

Компакт-диск. Нестираемый диск, хранящий аудиоинформацию в цифровом виде. Стандартная система использует 12-сантиметровые диски и может записать более 60 минут непрерывного времени звучания Компакт-диск с постоянной памятью. Нестираемый диск, используемый для хранения компьютерных данных. Стандартная сис­тема использует 12-сантиметровые диски и способна содержать более 650 Мбайт информации CD с возможностью записи. Подобен CD-ROM. Пользователь может записать информацию на диск только один раз CD с возможностью перезаписи. Подобен CD-ROM. Пользователь может стирать и производить перезапись данных на диске до 1000 раз Универсальный цифровой диск. Технология для хранения как цифрового сжатого представления видеоинформации, так и больших объ­емов других цифровых данных. Используются как 8-, так и 12-сантиметровые диски, с двусторонней записью объемом до 15,9 Гбайт. Базовый DVD — с постоянной памятью (DVD-ROM) DVD с возможностью записи. Подобен DVD-ROM. Пользователь может записать информацию на такой диск только один раз DVD с возможностью перезаписи. Подобен DVD-ROM. Пользователь может стирать и перезаписывать информацию на диске до 1000 раз Диск, использующий оптическую технологию для считывания и технологию магнитной записи при содействии оптической фокусировки. Используются как 3.25-дюймовые, так и 5.25-дюймовые диски. Общий объем хранимой информации — более 5 Гбайт

CD-ROM

Аудио-CD и CD-ROM (постоянное запоминающее устройство на компакт диске) используют одну и ту же технологию. Главное различие заключается в том, что дисководы CD-ROM являются более грубыми и имеют возможно­сти коррекции ошибок для гарантии корректности данных. Оба типа дисков изготавливаются одинаково. Диск выполняется на пластиковой основе, на­пример поликарбонате, и имеет поверхность с хорошим отражением (обычно алюминиевую). Информация, записанная в цифровом виде (музыкальные или компьютерные данные), отпечатывается в виде серий микроскопических впадин на отражающей поверхности. Это может быть выполнено точно сфо­кусированным лазером высокой интенсивности для создания исходного дис­ка, называемого мастер-диском. Мастер-диск, в свою очередь, используется для производства штампа, на основе которого изготавливаются копии. По­верхность дисков-копий защищена от пыли и царапин своеобразной "рубашкой" из чистого лака.Извлечь информацию из CD или CD-ROM можно с помощью маломощного лазера, размещенного в дисководе. Луч лазера проходит сквозь чистое защищен­ное покрытие при вращении диска. Интенсивность отраженного луча лазера из­меняется при попадании на впадину. Это изменение фиксируется фотодатчиком и преобразовывается в цифровой сигнал.

Впадина вблизи центра вращения диска проходит мимо зафиксирован­ной точки (такой, как лазерный луч) медленнее, чем впадина на внешнем краю диска, так что нужно найти способ компенсации изменения линейной скорости, необходимый для возможности сканирования информации с оди­наковой частотой. Это может быть достигнуто, как и на магнитных дисках, посредством увеличения пространства между битами информации, записан­ной в сегментах диска. После этого информация может быть сканирована с одинаковой частотой при постоянной угловой скорости. На рис. 11.20,а при­ведена схема распределения данных на диске при использовании постоянной угловой скорости. Диск делится на концентрические дорожки с определен­ным количеством секторов. Преимущество использования постоянной угло­вой скорости заключается в возможности непосредственной адресации от­дельных блоков путем указания их дорожки и сектора. Неудобство такой схемы заключается в том, что суммарное количество данных, которые хра­нятся на внешней дорожке, такое же, как и на внутренней.

Рис. 11.20. Способы размещения данных на диске

Поскольку при размещении малого количества информации на участке внешней дорожки неэкономно расходуется пространство, метод постоянной угловой скорости не используется в CD и CD-ROM. Вместо этого информация равномерно распределяется по всем дисковым сегментам одинакового разме­ра, которые впоследствии сканируются с одной и той же скоростью путем вращения диска с переменной скоростью. Впадины сканируются лазером при постоянной линейной скорости. При обращении ко внешним дорожкам диск вращается медленнее, чем при обращении ко внутренним. Поэтому емкость дорожки и задержка из-за вращения увеличиваются для дорожек вблизи внешнего края диска.

Производятся CD-ROM с различной плотностью записи. Далее представлены типичные величины. Расстояние между дорожками составляет 1.6 m. Ширина записи CD-ROM — 32.55 m, поэтому общее количество дорожек равно 20344. Однако фактически мы имеем дело с одной спиральной дорожкой, вычислить длину которой можно путем умножения средней длины окружности на количе­ство витков спирали (эта длина приблизительно равна 5.27 km). Постоянная ли­нейная скорость CD-ROM равна 1.2 m/s, в итоге получается 4391 с (или 73.2 мин), что приблизительно равно стандартному максимальному времени звучания аудио компакт-диска. Поскольку данные пересылаются из диска со скоростью 176.4 Кбайт/с, емкость CD-ROM составляет 774.57 Мбайт.

На рис. 11.20,6 показана схема размещения данных для CD и CD-ROM при работе с постоянной линейной скоростью. Случайный доступ при этом становит­ся более сложным. Перемещение к определенному адресу включает перемещение головки в требуемую область, регулирование скорости вращения и чтение адре­са, а после этого выполнение легкой регулировки для поиска и доступа к опре­деленному сектору.

CD-ROM пригоден для распространения большого количества данных среди большого количества пользователей. Он обладает тремя главными преимущест­вами по сравнению с традиционными магнитными дисками.

• Объем хранимой информации намного больше у оптического диска.

• Оптический диск вместе с сохраненной на нем информацией может быть массо­во тиражирован при небольших денежных затратах, в отличие от магнитного диска. База данных на магнитном диске может быть воспроизведена путем копирования одного диска за один раз с использованием двух дисководов.

• Оптический диск является переносным, что позволяет использовать его для архивного хранения.

• К недостаткам CD-ROM относятся следующее.

• Режим "только для чтения" не позволяет обновлять информацию.

• Время доступа к диску намного больше, чем у магнитного накопителя.

CD с возможностью записи

Для тех случаев, когда требуется только одна копия диска или небольшое количество копий, можно использовать CD с возможностью записи (CD-R). CD-R подготавливается таким образом, чтобы он мог быть один раз последовательно записан лазерным лучом умеренной интенсивности. С помощью такого, немного более дорогого, чем CD-ROM, дисковода покупатель может один раз записать и сколько угодно раз прочитать диск.

Физическая структура CD-R схожа со структурой CD или CD-ROM, но не идентична ей. В CD и CD-ROM информация записывается с помощью впадин на поверхности пластины, что приводит к изменению отражающей способности. В CD-R добавлен окрашенный слой. Краска используется для изменения отра­жающей способности и активизируется высокоинтенсивным лазером. Получив­шийся диск может быть считан приводом CD-R или CD-ROM.

Оптический диск CD-R удобен для архивного хранения документов и файлов. Он обеспечивает постоянную запись больших объемов пользовательских данных.

CD-R с возможностью перезаписи

Оптический диск CD-RW может быть повторно записан и перезаписан, как и магнитный диск. Несмотря на то что было опробовано большое количество подходов, достоин внимания только чисто оптический подход, вызывающий фа­зовые изменения. Такой диск использует материал, имеющий отражательную способность, значительно отличающуюся в двух различных фазовых состояниях: аморфном состоянии, в котором молекулы ориентированы случайно и отражение луча-света слабое, и кристаллическом состоянии, хорошо отражающем свет. Ла­зерный луч может изменить фазу материала с одной на другую. Основной недос­таток оптических дисков с переменной фазой состоит в том, что материал в ко­нечном счете теряет свои свойства. Материалы, используемые в настоящее вре­мя, могут выдержать от 500000 до 1000000 циклов стирания информации.

CD-RW обладает очевидным преимуществом перед CD-ROM и CD-R, которое со­стоит в том, что информация на нем может быть перезаписана, и поэтому он может использоваться как устройство для вспомогательного хранения данных. Поэтому CD-RW вполне может конкурировать с магнитными дисками. Основные преимущества стираемого оптического диска — большая емкость, портативность и надежность.

DVD

В образе DVD электронная промышленность наконец-то нашла достойную замену аналоговым видеолентам VHS. Однако DVD заменит не только видеолен­ты, но и, что более важно для нас, CD-ROM в персональных компьютерах. DVD — это наступление века цифрового видео. Он позволяет получать фильмы с превосходным качеством, и при этом доступ к информации может осуществлять­ся случайным образом — как у аудио CD, которые DVD-устройства также могут проигрывать. Объем DVD-диска на сегодня приблизительно в семь раз больше объема обычного CD-ROM.

Магнитооптические диски

В магнитооптическом дисковом накопителе для увеличения емкости обыч­ной магнитной системы применяется лазер, обеспечивающий фокусировку маг­нитной головки для достижения большей емкости хранения. Диск покрывают материалом, полярность которого может быть изменена только при высоких температурах. Информация записывается с помощью магнитной головки на диск в точку, прогретую лазерным лучом. Поскольку этот процесс не вызывает физи­ческих изменений на диске, он может быть многократно повторен.

Операция чтения — чисто оптическая. Магнитное поле фиксируется посред­ством поляризации лазерного луча (меньшей мощности, чем при записи).

1Некоторыми исследователями и производителями определены дополнительные уров­ни, однако семь описанных в этом разделе уровней наиболее распространены и универсальны. В этом докладе аббревиатура RAID расшифровывается как "избыточный массив недорогих дисков". Термин "недорогой" был использован для различения малых и отно­сительно недорогих дисков, составляющих массив, и их альтернативы — одиночного большого и дорогого диска (single large expensive disk — SLED). Поскольку теперь в разных дисках используются одни и те же технологии, естественно, что термин "недорогие" был заменен термином "независимые", который подчеркивает повышение производительности и надежности при использовании RAID.

3Иногда в литературе можно встретить перевод mirroring как "зеркалирование".

4Здесь  обозначает операцию "исключающее или".

1Термин "винчестер" был впервые применен компанией IBM как кодовое название диска модели 3340 перед ее анонсом. Модель 3340 представляла собой съемный дисковый пакет с головками, закрепленными внутри него. Сейчас этот термин применяется к любому герметичному диску с аэродинамической конструкцией головки. Диски этого типа нашли свое применение в персональных компьютерах и рабочих станциях, где они именуются жесткими дисками.