Внешние запоминающие устройства

Накопители DVD

DVD (ди-ви-ди, англ. Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc - цифровой видеодиск) - носитель информации, выполненный в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить больший объем информации за счет использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт-дисков.

Фактически каждый накопитель DVD-ROM является дисководом CD-ROM, т.е. накопители этого типа могут читать как обычные компакт-диски, так и DVD. Цифровые универсальные диски используют ту же оптическую технологию, что и компакт-диски, и отличаются только более высокой плотностью записи. Диски CD-ROM могут содержать максимум 800 Мбайт данных, DVD диски могут содержать до 4,7 Гбайт (однослойный диск) или 8,5 Гбайт (двухслойный диск).

В соответствии с оригинальным стандартом, DVD является односторонним, однослойным диском и содержит 4,7 Гбайт информации. DVD диск имеет такой же диаметр, как современные компакт-диски, однако он в два раза тоньше (0,6 мм). Применяя сжатие MPEG-2, на новом диске можно разместить 135 минут видео - полнометражный фильм с тремя каналами качественного звука и четырьмя каналами субтитров.

Первый DVD диск был выпушен в сентябре 1995г. в связи требованиями создать один стандарт. Вначале DVD расшифровывали как цифровой видеодиск (Digital Video Disc), но позднее переименовали в цифровой универсальный диск (Digital Versatile Disc). В конце 1996 года, после принятия соглашения о защите от нелегального копирования, были опубликованы стандарты DVD-ROM и DVD-Video. В 2001 году был принят формат +RW, превративший цифровой универсальный диск "только для чтения" в полностью перезаписываемый носитель. В настоящее время разработку и распространение стандартов DVD контролирует организация DVD Forum. В эту организацию входят следующие компании: Hitachi, Ltd.; Matsushita Electric Industrial, Co., Ltd.; Mitsubishi Electric Corporation; Victor Company of Japan, Limited; Pioneer Corporation; Sony Corporation; Toshiba Corporation; Philips Electronics N.V.; Thomson Multimedia; Time Warner Inc. и др.

DVD по структуре данных бывают трех типов:

• DVD-видео - содержат фильмы (видео и звук);
• DVD-Audio - содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);
• DVD-Data - содержат любые данные; смешанное содержимое.

Технология DVD

Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию компакт-дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же размера (наружный диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия 15 мм, толщина 1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. В отличие от обычных компакт-дисков, DVD могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одно- или двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологический процесс изготовления дисков практически не отличается, помимо того что слои и стороны DVD штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с другом, формируя законченный диск. Основным различием стандартных компакт-дисков и DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с более короткой длиной волны (красный лазер с длиной волны 650 нанометров). Каждый слой DVD содержит одну физическую дорожку, которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней части. Цифровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Каждый записанный слой покрывается тонкой металлической пленкой отражающей лазерный луч. Внешний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него и считывает данные, которые записаны на внутреннем слое. Этикетка обычно располагается на верхней части одностороннего диска; на вухстороннем диске для этого отводится узкая кольцевая поверхность в центральной части.

Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор улавливает уже отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается.

Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт-диска, равна 0,105 микрона, а ширина - 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет примерно 0,4 микрона, максимальная - 1,9 микрона (на однослойных дисках).

Для увеличения емкости DVD можно изменять такие параметры:

• уменьшать длину штриха (~2,25х, от 0,9 до 0,4 микрона);
• уменьшать расстояние между дорожками (~2,16х, от 1,6 до 0,74 микрона);
• увеличивать область данных (~1,02х, от 8,605 до 8,759 мм2);
• обеспечивать более эффективную модуляцию (~1,06х);
• повышать эффективность кода коррекции ошибок (~ 1,32х);
• уменьшать секторы (~ 1,06х, от 2 048/2 352 до 2 048/2 064 байт).

Дорожки и секторы DVD

Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку (в каждом слое) с расстоянием 0,74 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 1 351 виток на миллиметр, или 34 324 витка на дюйм. В целом это составляет 49 324 витка, а общая длина дорожки достигает 11,8 км (или 7,35 мили). Дорожка разбита на секторы, каждый из которых содержит 2 048 байт данных. Диск разделен на четыре основные области.

• Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт-диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой-либо информации или данных.
• Начальная область. Включает в себя буферные зоны, код ссылки, а также, главным образом, зону служебных данных, содержащую информацию о диске. Зона служебных данных состоит из 16 секторов, продублированных 192 раза, что составляет в целом 3 072 сектора данных. В этих секторах расположены данные о диске, в частности указана категория диска и номер версии, размер и структура диска, максимальная скорость передачи данных, плотность записи и распределение зоны данных.
• Область данных. Содержит видео-, аудио- или другие данные
• Конечная (или средняя) зона. Отмечает завершение области данных. Секторы конечной зоны содержат только значения 00h. В том случае, если диск имеет два слоя записи и записан в режиме обратного считывания ( Opposite Track Path - OPT ), где второй слой начинается с внешней стороны диска и считывается в противоположном по от ношению к первому слою направлении, эта зона называется средней.

Спиральная дорожка стандартного DVD начинается с нулевой области и заканчивается конечной (средней) зоной, расположенной на расстоянии 58,5 мм от центра диска или 1,5 мм от его внешнего края. Длина одной спиральной дорожки достигает 11,84 км (или 7,35 мили). При считывании внешней части дорожки посредством накопителя 20x CAV, имеющего постоянную угловую скорость (Constant Angular Velocity - CAV) , перемещение данных по отношению к лазеру происходит со скоростью 156 миль/ч (251 км/ч).

Существуют однослойные и двухслойные, а также односторонние и двухсторонние версии DVD. Двухсторонние диски, в сущности, представляют собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами друг с другом. Между двух- и однослойными версиями имеется более существенное различие. Длина впадин (штрихов) двухслойных дисков немного больше, что приводит к незначительному уменьшению емкости диска.

Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 676 секторов в секунду. Каждый сектор содержит 2 048 байт данных. Секторы организованы в кадры данных, содержащие 2 064 байт, из которых 2 048 байт являются общими данными, 4 байта содержат идентификационную информацию, 2 байта - код обнаружения ошибок ID (IED) , 6 байт - данные относительно авторского права на носитель, а 4 байта представляют собой код обнаружения ошибок (EDC) для кадра данных.

Кадры данных, содержащие код коррекции ошибок, преобразуются в кадры ЕСС. Каждый кадр ЕСС содержит 2 064-байтовый кадр данных, а также 182 баша верхнего (РО) и 120 байт нижнего контроля четности (PI), что составляет в целом 2 366 байт для каждого кадра ЕСС.

Кадры ЕСС преобразуются отдельными группами размером 91 байт в физические секторы диска. В цифровых универсальных дисках, в отличие от стандартных компакт-дисков, подкоды не используются. Вместо этого каждый кадр данных содержит идентификационные байты (ID), используемые для хранения номера сектора и другой информации, относящейся к сектору.

Обработка ошибок

DVD обрабатывает ошибки в кадрах ЕСС. Для выявления и исправления ошибок в кадры данных были введены биты верхнего (столбец) и нижнего (строка) контроля четности. Информация, находящаяся в кадрах данных, вначале разбивается на 192 строки по 172 байта в каждой. После этого с помощью полиномиального уравнения высчитываются 10 байт контроля четности PI, которые добавляются к каждой строке, увеличивая тем самым их длину до 183 байт. С помощью второго полиномиального уравнения вычисляются 16 байт контроля четности PO, которые, в свою очередь, добавляются к каждому столбцу. Таким образом, при добавлении байтов контроля четности PI и PO объем кадров ЕСС, содержавших вначале 192 строки по 172 байта в каждой, увеличивается до 208 строк по 182 байта.

Для того чтобы объяснить функцию байтов верхнего ( РО ) и нижнего ( PI ) контроля четности, воспользуемся следующим примером. Рассмотрим два байта, в которых записаны символы "N" и "O" ( N = 01001110, О = 01001111 ). Чтобы ввести код коррекции ошибок, указанные байты организованы в строки.

После с помощью функции проверки на нечетность к каждой строке добавляется 1 бит PI. Это значит, что нужно подсчитать количество единичных битов, а затем прибавить бит, имеющий соответствующее значение. Количество единиц в первой строке равно 4, следовательно, для получения нечетной суммы значение бита контроля четности должно быть равно 1. Сумма битов второй строки является нечетными числом, поэтому значение бита контроля четности должно быть равно 0.

Значения битов контроля четности для каждого столбца вычисляются точно так же, после чего добавляются к столбцу. Другими словами, значение бита контроля четности должно быть таким, чтобы сумма единиц каждого столбца была нечетным числом.

Теперь код завершен и дополнительные биты сохранены вместе с данными. Таким образом, к 2 байтам данных добавлены еще 11 бит, предназначенных для коррекции ошибок. Во время считывания данных происходит повторное вычисление битов коррекции ошибок и проверка соответствия условиям нечетности. Теперь в качестве примера изменим значение одного из битов данных (тем самым допустим, что произошла ошибка считывания) и повторим вычисление битов коррекции ошибок.

Значения битов PI и PO, вычисленные после считывания данных. В частности, это относится к значениям бита PI в строке 1 и бита РО в столбце 6. Это позволяет точно определить строку и столбец, где была совершена ошибка. В данном случае это байт 1 (строка 1), бит 6 (столбец 6). Теперь известно, что этот бит был по ошибке прочитан как 0, поэтому его необходимо изменить на 1. Перед тем как передать данные в систему, схема коррекции ошибок исправляет ошибочное значение. Таким образом, код коррекции ошибок благодаря некоторым дополнительным данным, введенным в каждую строку и столбец, может прямо "на лету" выявлять и исправлять ошибки.

Емкость DVD (слои и стороны)

Стандарт	Тип	Емкость	Конструкция	Примечание
DVD-5	односторонний однослойный диск	4,7Гбайт
DVD-9	односторонний двухслойный диск	8,5 Гбайт
DVD-10	двухсторонний однослойный диск	9,4 Гбайт		для чтения второй стороны диск необходимо извлечь и перевернуть
DVD-18	двухсторонний двухслойный диск	17,1 Гбайт		для чтения второй стороны диск необходимо извлечь и перевернуть

Диски DVD, записанные в режимах РТР и ОТР

Обратите внимание, что, хотя на схеме DVD-18 изображены два лазера, считывающие данные нижней части двухслойных дисков, фактически используется только один. Для чтения данных, расположенных на разных слоях, изменяется только фокусировка лазера.

Существует два способа записи слоев двухслойных дисков: противоположное (ОТР) или параллельное (РТР) направление дорожек. Метод OTP позволяет минимизировать время, затрачиваемое во время чтения диска, при переходе с одного слоя на другой. При достижении внутренней части диска (конца слоя 0) лазерный датчик остается практически в том же положении и лишь немного перемещается для фокусировки на слое 1. Конечная область диска при его записи в режиме OTP называется средней зоной.

Запись (и чтение) спиральных дорожек DVD, записанных в режиме РТР, происходит по-другому. При переходе от слоя 0 к слою 1 лазерный датчик должен переместиться с наружной части диска (т.е. с конца первого слоя) на его внутреннюю часть (на начало второго слоя). Кроме того, необходимо изменить фокусировку лазера. Для ускорения перехода практически все диски DVD записываются в режиме OTP.

Отличается и направление спиральных дорожек различных слоев, записанных в режиме РТР. Это позволяет упростить процесс считывания дорожек, расположенных одна над другой. Спиральная дорожка слоя 0 направлена по часовой стрелке, а дорожка слоя 1- против часовой стрелки. Поэтому для чтения второго слоя необходимо изменить направление вращения диска, но в дисках OTP считывание спирали происходит снаружи внутрь. Таким образом, спиральная дорожка слоя 0 направлена изнутри наружу, а дорожка слоя 1 - снаружи внутрь.

Кодирование данных на диске

Как и в компакт-дисках, значения битов не определяется непосредственно параметрами впадин и площадок, образующих спиральную дорожку. Для этого используются переходы от впадины к площадке и от площадки к впадине или, иначе говоря, изменяется отражательная способность. Дорожка диска разделена на одноразрядные регистры или временные интервалы (T), а длина впадины или площадки, используемой для представления данных, должна составлять не менее 3T и не более 11T интервалов (регистров). Впадина (или площадка) длиной 3Т имеет значение 1001, а впадина (или площадка) длиной 11T - 100000000001.

Запись данных выполняется посредством модуляции 8/16, которая является модифицированной версией EFM -модуляции (т.е. 8/14), используемой в компакт-дисках. Поэтому метод иногда называется EFM+. Модуляция EFM представляет собой процесс преобразования каждого байта (8 бит) в 16-разрядное значение для снижения плотности впадин на оптическом диске; 16-разрядные коды преобразования разработаны таким образом, что не могут содержать менее 2 и более 10 смежных битов, имеющих нулевое значение (0). Эта форма кодирования с ограничением длины поля записи ( Run Length Limited - RLL ) получила название RLL2,10 (в общем виде RLL x,y, где x - минимальное, а y - максимальное значение поля записи нулевых битов). Такая схема позволяет избежать появления длинных строк нулевых битов (нулей), которые могут быть считаны неправильно, а также ограничить минимальную и максимальную частоту переходов, существующих на носителе записи. В отличие от EFM-модуляции, применяемой при записи компакт-дисков, в этом случае объединяющие биты не используются. Кроме того, 16-разрядные коды модуляции рассчитаны на то, чтобы не нарушать форму RLL2,10 при отсутствии объединяющих битов. Уже упоминалось о том, что EFM -модуляция требует не менее 17 бит для представления каждого байта на компакт-диске (из-за дополнительных объединяющих байтов и байтов синхронизации). Модуляция EFM+ несколько превосходит предыдущий метод, так как для представления каждого кодированного байта требуется только 16 бит.

Несмотря на то что в модуляции, сгенерированной EFM+, допускается не более 10 смежных нулей, биты синхронизации, добавленные при записи диска, могут содержать до 13 нулей (0). Таким образом, временной период между единицами (1), записанными на диске, может достигать 14T; т.е. длина впадины или площадки в этом случае составляет 14 временных интервалов или одноразрядных регистров.

Стандарт HD-DVD

Данный стандарт, также известный как Advanced Optical Disc (AOD) , - это еще один формат оптических дисков следующего поколения с использованием синего лазера, разработанный компаниями Toshiba и NEC. Стандарт HD-DVD очень похож на стандарт Blu-ray, также использует синий лазер для обеспечения высокой емкости. На записываемых дисках HD-DVD-R может уместиться до 15 Гбайт (на однослойном диске) или 30 Гбайт (на двухслойном). На перезаписываемых дисках HD-DVD-RW может уместиться до 20 Гбайт (на однослойном диске) или 32 Гбайт (на двухслойном).

Форматы компакт-дисков и накопителей

Чередование фрагментов

Накопители CD-ROM XA используют метод, называемый чередованием (interleaving). На дисках, записанных в соответствии со стандартом ХА, перемежаются фрагменты, содержащие разную по своей природе информацию. При этом в начале каждого фрагмента записывается специальный код, по которому накопитель может определить, с каким видом данных ему предстоит иметь дело на данном участке дорожки - со звуком, текстовой информацией или графическим изображением. Изображения могут быть неподвижными, анимационными или полноценными видеофрагментами. Порядок следования фрагментов может быть совершенно произвольным. Например, на участке дорожки сначала может быть записан видеокадр, потом сегмент со звуковым сопровождением, затем следующий кадр и т.д. Эти фрагменты в накопителе считываются последовательно, запоминаются в буферной памяти, а затем пересылаются в компьютер, где и происходит их окончательная взаимная синхронизация.

Многосессионная запись

До того как была создана спецификация Orange Book, компакт-диски записывались только одной сессией. Сессия (session) представляет собой нулевую дорожку, за которой следуют одна или несколько звуковых или информационных дорожек, завершенные конечной областью (зоной). Нулевая дорожка занимает на диске 4 500 секторов (1 мин или около 9,2 Мбайт данных). Данные, расположенные на нулевой дорожке, указывают, является ли этот диск многосессионным, а также определяют следующий записываемый адрес диска (если, конечно, на диске есть свободное место). Первая конечная область (или единственная, если диск является односессионным либо записан в режиме Disk At Once) занимает 6 750 секторов (1,5 мин или примерно 13,8 Мбайт данных). В многосессионных дисках любые последовательные конечные области занимают 2 250 секторов (30 с или 4,6 Мбайт данных).

Многосессионный компакт-диск содержит несколько сессий, каждая из которых имеет собственную нулевую дорожку и конечную зону. Наличие нулевой и конечной дорожек является обязательным для каждой сессии, что приводит к уменьшению свободного дискового пространства.

Стандарт Orange Book поддерживает многосессионную запись и определяет три основных метода (режима) записи.

• Disk-at-Once (DAO) .
• Track-at-Once (TAO).
• Пакетная запись.

Disk-at-Once

Это метод односессионной записи компакт-дисков, при котором нулевая дорожка, дорожки данных и конечная область диска записываются в течение одной операции без отключения записывающего лазера, после чего содержимое диска уже не подлежит изменению. Диск считается "закрытым" в том случае, если последняя (или единственная) нулевая дорожка записана полностью и не содержит в себе следующего используемого адреса. В этом случае записывающее устройство не сможет записать какие-либо дополнительные данные на компакт-диск Обратите внимание, что для чтения диска стандартным накопителем CD-ROM "закрывать" диск совершенно не обязательно.

Track-at-Once

Для записи многосессионных дисков обычно используется метод Track-at-Once (TAO) , или режим пакетной записи. При выполнении записи методом Track-at-Once каждая дорожка сессии записывается отдельно (лазер включается и выключается), после чего сессия закрывается. Закрытие сессии представляет собой процесс такой записи конечной области, чтобы к этой сессии уже нельзя было добавить дополнительные дорожки. Закрытие диска, в свою очередь, означает невозможность записи дополнительных сессий.

Дорожки, записанные в режиме TAO, обычно отделяются друг от друга двухсекундными интервалами. Каждая записанная дорожка содержит 150 служебных секторов, используемых для входа, выхода, создания интервалов и связывания. Накопители CD-R/RW позволяют читать дорожки даже при открытой сессии, но для чтения дорожек в накопителях CD-DA или CD-ROM сессию необходимо закрыть. Для записи дополнительных сессий закрывать сам диск не следует, достаточно закрыть сессию, после чего можно начать следующую сессию и записать еще несколько дорожек Самое главное - не забывайте о том, что перед записью дорожек предыдущая сессия должна быть закрыта, т.е. следует создать конечную область. Это же условие является необходимым при чтении дорожек сессии обычными накопителями CD-DA или CD-ROM.

Пакетная запись

Этот метод используется для выполнения нескольких записей на одной дорожке, что позволяет уменьшить нерационально используемое дисковое пространство. В каждом пакете используется четыре сектора для входа, два для выхода и один для связывания. Пакеты могут иметь фиксированную или переменную длину, но большинство накопителей, как и программы пакетной записи, используют фиксированную длину, упрощая тем самым способы обработки пакетов.

При записи пакетов обычно используется файловая система UDF (Universal Disk Format) , позволяющая работать с компакт-дисками практически так же, как и с гибкими дисками большой емкости. Файлы можно "перетаскивать", копировать на диск с помощью соответствующих команд и т.д. Всем этим управляют программное обеспечение пакетной записи и файловая система UDF.

Более усовершенствованный, современный стандарт, получил название Mount Rainier. Стандарт Mount Rainier позволяет ввести метод пакетной записи в операционную систему в качестве служебной программы, что обеспечивает поддержку обработки ошибок данных, необходимую для полноценного использования накопителей в качестве запоминающих устройств со сменными носителями.