Современные устройства записи информации

Современные устройства записи информации
Лекция 1
5 курс специальность 210303
На сегодняшний день существует 3 основных технологии записи
информации: электронная (микросхемы памяти различных видов),
магнитная (жёсткие (гибкие) диски, стримеры, накопители на сменных
дисках большой ёмкости), оптическая (оптические диски CD-ROM, DVD и
др.) и магнитооптическая.
Оптическая технология
Накопители на CD (приводы CD-ROM и др.)
На сегодня существует три оптических технологии (о 4-ой (DVD) речь
пойдёт в отдельной главе) – это собственно CD-ROM (функционально
соответствует ПЗУ, потому и ROM), дисководы WORM (Write Once Read
Many times) и последний, известный под именами перезаписываемый
оптический, стираемый оптический или CD-RW (ReWritable).
CD-ROM
Музыкальные оптические компакт-диски пришли на смену виниловым
в 1982 году - примерно в то же время, когда появились первые
персональные компьютеры фирмы IBM. Эти устройства явились
результатом плодотворного сотрудничества двух гигантов электронной
промышленности - японской фирмы Sony и голландской Philips. Строго
определенная емкость компакт-дисков связана с такой интересной
историей.
Исполнительный директор фирмы Sony Акио Морита решил, что
компакт-диски должны отвечать запросам исключительно любителей
классической музыки - не более и не менее. После того, как группа
разработчиков провела опрос, выяснилось, что самым популярным
классическим произведением в Японии в те времена была 9-я симфония
Бетховена, которая длилась 72-73 минуты. Поэтому было решено, что
компакт-диск должен быть рассчитан именно на 74 минуты звучания, а
точнее, на 74 минуты и 33 секунды. Так родился стандарт, известный как
“Красная Книга” (Red Book). Когда 74 минуты пересчитали в килобайты,
получилось 640 Mb.
Специалисты же Philips определили минимальные требования к
качеству записи звука и регламентировали, например, такие
характеристики аудио компакт-дисков, как их размер, метод кодирования
данных и использование единой спиральной дорожки.
Две вышеназванные фирмы сыграли также ведущую роль при
разработке первой спецификации цифровых компакт-дисков - так
называемой “Желтой Книги” (Yellow Book), или просто CD-ROM. Она
послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным
представлением информации, то есть способных хранить не только
звуковые, но и текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CDDA). При этом привод, читая заголовок диска, сам определял его тип 1
аудио- или цифровые данные. В этом формате, однако, не
регламентировались логические и файловые форматы компакт-дисков,
поскольку решение данных вопросов было полностью отдано на откуп
фирмам-производителям. Это, в частности, означало, что компакт-диск,
соответствующий требованиям “Желтой Книги”, мог работать только на
конкретной модели накопителя. Такое положение дел, особенно в связи с
большим коммерческим успехом компакт-дисков, разумеется, не могло
удовлетворить производителей подобных устройств. В общих интересах
необходимо было срочно найти компромисс.
Именно поэтому вторым стандартом де-факто для цифровых компактдисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High
Sierra. Этот документ носил рекомендательный характер и был предложен
основными производителями цифровых компакт-дисков с целью
обеспечить хотя бы некоторую совместимость. Данная спецификация
определяла уже как логический, так и файловый форматы компакт-дисков.
Созданная спецификация оказалась настолько привлекательной, что
стандарт ISO-9660 (1988 год) для цифровых компакт-дисков, в принципе
совпадал с основными положениями HSG. Заметим, что все компактдиски, соответствующие требованиям стандарта ISO-9660, который
определяет их логический и файловый форматы, являются совместимыми
друг с другом. В частности этот документ определяет, каким образом
найти на компакт-диске его содержимое (Volume Table Of Contents,
VTOC). Базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во многом
напоминал формат флоппи-диска. Как известно, системная дорожка (трек
0) любой дискеты не только идентифицирует сам флоппи-диск (его
плотность, тип используемой ОС), но и хранит информацию о том, как он
организован по директориям, файлам и поддиректориям. Инициирующая
дорожка данных на компакт-диске начинается со служебной области,
необходимой для синхронизации между приводом и диском. Далее
расположена системная область, которая содержит сведения о
структурировании диска. В системной области находятся также
директории данного тома с указателями или адресами других областей
диска. Существенное различие между структурой компакт-диска и,
например, дискетой заключается в том, что на CD системная область
содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно облегчить
их поиск.
Международный стандарт ISO-9660 описывает файловую систему на
CD-ROM. ISO-9660 первого уровня напоминает файловую систему MSDOS: имена файлов могут содержать до 8-ми символов, расширение имени
файла (состоящие из 3-х символов) отделяется от имени файла точкой.
Имена файлов не могут содержать специальных символов (“~”, “-”, “+”,
“=”). При именовании файлов используются символы только верхнего
регистра, цифры и символ “_”. Имена каталогов не могут иметь
расширений. Каждый файл имеет версию; номер версия отделяется от
расширения символом “;”. Каталоги могут иметь вложенности 8. Стандарт
2
ISO-9660 второго уровня позволяет использовать в именах файлов до 32
символов, накладывая описанные выше ограничения. Диски, созданные с
применением такого стандарта, не могут использоваться в ряде ОС, в том
числе и MS-DOS.
Спецификация CD-I (Interactive) была предложена в 1988 году. Этот
стандарт определял использование дискового плеера без подключения его
к компьютеру. Устройством отображения в данном случае должен был
стать, например, обыкновенный телевизор. Кроме этого, CD-I предлагала
несколько уровней качества воспроизведения аудио- и графической
информации. Данная спецификация изложена в “Зеленой Книге” (Green
Book). Заметим, что так называемые CD-I-Ready-диски являются некой
смесью между аудио-CD (Red Book) и мультимедиа-диском (Green Book).
Таким образом, на аудиоплеере прослушивается только звуковая
информация, а на устройстве CD-I воспроизводится вся вместе.
Стандарт CD-ROM XA был создан в 1990 году усилиями фирм
Microsoft, Philips и Sony как “мост” между CD-ROM и CD-I. Таким
образом, ХА-диск мог воспроизводиться на CD-I-плеере или приводе,
отвечающем стандарту Yellow Book (при использовании специального
программного обеспечения). Формат спецификации CD-ROM XA
совместим сверху вниз с форматами, рекомендованными High Sierra и ISO9660. Однако в новой спецификации заложено уже гораздо больше
возможностей. Во-первых, формат ХА позволяет осуществлять много
сеансовую запись на диск. Во-вторых, основной отличительной
особенностью приводов CD-ROM ХА является так называемая техника
чередования (interleaving). Спецификация ХА позволяет одновременно
хранить на диске графические, текстовые и звуковые данные, причем
графика может включать как стандартные картинки и анимацию, так и
полнообъемное видео (full-motion).
Другой отличительной особенностью спецификации ХА является
сжатие звуковых данных, что позволяет хранить на одном диске до
нескольких часов аудиоинформации вместо обычных 74-х минут. Кстати,
именно из-за сжатия минимальная скорость передачи информации не
должна быть меньше 150 Кбайт/с.
Еще одна спецификация, принятая в 1991 году и изложенная в
“Оранжевых Книгах” (Orange Books), относится к записываемым и
стираемым дискам. В первой книге речь идет о магнитооптических дисках
(CD-MO), которые допускают как стирание, так и перезапись информации.
Вторая книга посвящена накопителям с однократной записью типа WORM.
К подобным накопителям относятся устройства, отвечающие, например,
спецификации CD-ROM XA.
В 1993 году была анонсирована еще одна книга - White Book
(“Белая”). В ее создании приняли участие JVC, Matsushita, Philips и Sony. В
этом документе определялись основные параметры видео-СД - компактдиска, на котором можно было хранить 72 минуты высококачественного
видео вместе со стереозвуком. Хранение данных на видео-CD базируется
3
на методе сжатия информации, называемом MPEG (Motion Picture Experts
Group). Видео-CD могут воспроизводиться на специальных видео-CDплеерах, CD-I-плеерах со специальным картриджем “Digital Video”, а
также на компьютере со специальной платой MPEG-декодера и приводом
CD-ROM.
Спецификация White Book является в настоящее время идеальным
средством для хранения цифрового видео - это единственный стандартный
путь воспроизведения видео на мультимедиа-PC.
После принятия спецификации White Book были пересмотрены и
переделаны с ее учетом первые версии стандарта Green Book. Мир
цифрового видео стал принадлежать “Белой Книге”.
В конце 1994 года были анонсированы так называемые музыкальные
мультимедиа-компакт-диски. Эта спецификация носит название CD Plus.
Подобные диски содержат две части, одна из которых - аудио, а другая CD-ROM. Записанную музыку можно прослушивать на аудиоплеере, а
доступ к мультимедиа-информации (и музыке) возможен на приводе,
подключенном к ПК.
Итак, были рассмотрены практически все наиболее распространенные
форматы хранения данных на CD-ROM. Как уже было сказано,
отличительной особенностью всех этих форматов является их отличие от
файловой системы, используемой в MS-DOS. Таким образом, для доступа к
данным, хранимым на CD-ROM, необходимо преобразование форматов.
Для этих целей фирма Microsoft выпустила специальный драйвер, который
называется Microsoft CD Extention (mscdex.exe). Он входит в комплект
поставки MS-DOS, а также поставляется практически со всеми приводами
CD-ROM.
Устройство и принцип работы
Как известно, большинство накопителей бывают внешними и
встраиваемыми. Приводы компакт-дисков в этом смысле не являются
исключением. Большинство предлагаемых в настоящее время накопителей
CD-ROM относятся к встраиваемым. Внешний накопитель, как правило,
стоит дороже.
Необходимо помнить что, все магнитные диски вращаются с
постоянным числом оборотов в минуту, т.е. с неизменной угловой
скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается
обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную
линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким
образом, чтение внутренних секторов осуществляется с увеличенным, а
наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим
обусловливается достаточно низкая скорость доступа к данным для
компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.
Интерфейсы
Довольно часто фирмы производители поставляют привод CD-ROM с
обязательной картой контроллера, на которой реализован так называемый
(собственный) proprietary-интерфейс. Обычно это собственная реализация
4
одной из версий интерфейсов IDE или SCSI. Часто при покупке накопителя
на CD-ROM в составе Multimedia Kit на звуковой карте находится именно
proprietary-интерфейс. Стандартами де-факто для интерфейсов приводов
компакт-дисков стали спецификации Mitsumi, Panasonic и Sony. Одним из
популярных интерфейсов всех приводов, включая приводы CD-ROM,
является IDE, SCSI или SCSI-2.
Как известно, отличительной особенностью интерфейса IDE является
реализация функции контроллера в самом накопителе. Именно поэтому
подключение подобных приводов к компьютеру выполняется
непосредственно к IDE контроллеру на материнской плате ПК. Данный
интерфейс поддерживает, как правило, программный ввод-вывод.
Компания Western Digital разработала так называемую спецификацию
Enchanced IDE. Этот документ поддержали практически все ведущие
компании по производству накопителей. Новый интерфейс позволяет
подключать одновременно до четырех приводов жестких дисков. Но самое
главное, спецификация Enchanced IDE позволяет не только увеличить
количество подключаемых устройств, но и использовать другие типы
устройств, например приводы CD-ROM или стримеры. В частности,
Western Digital для поддержки накопителей CD-ROM с интерфейсом IDE
предлагает протокол ATAPI (ATA Packed Interface). ATAPI является
расширением протокола ATA и требует незначительных изменений в
системной BIOS. В общем случае используется специальный драйвер. В
последнее время появились накопители, которые поддерживают не только
интерфейс IDE, но и EIDE/ATAPI.
Как известно, интерфейс SCSI стал одним из важнейших
промышленных стандартов для подключения таких периферийных
устройств, как, например, винчестеры, стримеры, лазерные принтеры,
приводы CD-ROM и т.п. Необходимо отметить, что SCSI - интерфейс
более высокого уровня, нежели IDE.
Версия интерфейса SCSI-2 позволяет повысить пропускную
способность магистрали за счет увеличения тактовой частоты обмена и
сокращения критических временных параметров шины, применения
новейших БИС и высококачественных кабелей. Таким образом реализуется
“скоростной” вариант SCSI-2 - Fast SCSI-2. Обычно скорость передачи
данных по шине SCSI(-2) для приводов CD-ROM достигает от 1.5-2 до 3-4
Mbайт/с.
Основные параметры приводов
Скорость доступа (access time) определяет среднее время (в
миллисекундах), необходимое для обнаружения и загрузки первого блока
данных во внутренний буфер. Стандарт MPC 1 устанавливает такое время
в одну секунду или менее, но большинство современных приводов имеют
скорость доступа около 0.3 с. Разумеется, этот параметр не включает в себя
время, необходимое для выхода двигателя на рабочий режим.
5
Скорость передачи данных (data-transfer rate) зависит от двух факторов
- плотности данных и скорости вращения диска. Под плотностью в данном
случае понимают количество бит (впадин) на дюйм (или миллиметр). Так,
для 16-битного стереосигнала качества аудио-CD (частота 44.1 кГц)
скорость должна быть 1.4 Mbита/с. Разделив это значение на число бит в
байте (8), мы получим 176.4 Кбайта/с - усредненное значение для скорости
передачи данных. Стандарт МСР 1 определяет скорость передачи данных
как 150 Кбайт/с, МСР 2 - 300 Кбайт/с. Сравнительно недавно появились
модели приводов с 24-х, 32-х и даже 40-х скоростью передачи данных.
Размер блока данных (data block size) это минимальное количество
байт, которые передаются на компьютер через интерфейсную карту. Иначе
говоря, это единица информации, с которой оперирует контроллер
привода. Минимальный размер блока данных в соответствии со
спецификацией МРС равен 16 Кбайт. Поскольку файлы на компакт-диске
обычно достаточно большие, то промежутки между блоками данных
ничтожно малы.
Размер буфера - размер внутреннего буфера (кэш-памяти),в который
считываются файлы перед их передачей. Стандарт МРС устанавливает
размер буфера в 64 Кбайт, а это в буфере будет находиться около 0.4
секунды 16-битного стереосигнала качества CD-Audio (частоты 44.1 кГц).
Для скоростных устройств размер буфера может достигать 256 Кбайт и
даже 1 Mbайта.
Поддержка проигрывания аудиодисков означает, что с помощью
привода CD-ROM вы сможете слушать обычные музыкальные компактдиски. Этой возможностью обладают практически все современные модели
приводов. Некоторые модели не требуют для этого специальных программ
- воспроизведение аудио-CD выполняется на “аппаратном” уровне. Для
включения этого режима на передней панели привода имеется специальная
кнопка.
Поддержка формата CD-ROM/XA. Подразумевается использование
дисков формата ХА, поддерживающего хранение аудио- и видеоданных
единым блоком, в который также включается информация о
синхронизации звука. Данные на аудиодисках и CD-ROM хранятся на
дорожках, вмещающих 24-байтовые “кадры”, проигрываемые со
скоростью 75 кадров в секунду. Хранящиеся данные могут включать звук,
текст, статические и динамические изображения. При содержании в
обычном формате каждый тип должен располагаться на отдельной
дорожке, когда в формате ХА данные различного типа могут храниться на
одной дорожке.
Тип загрузки диска. Существует два типа приводов CD-ROM. В
первом случае диск устанавливается напрямую (например, в приводах
Mitsumi). Во втором случае для установки диска используется специальная
кассета (в настоящее время вышла из употребления).
WORM технология
6
В настоящее время технология WORM лучше всего проявляет себя в
трёх областях: накопление данных, хранение резервных архивов
информации и в системах восстановления данных. Все эти области
системы WORM вносят также много одинаковых физических достоинств.
WORM-системы очень хороши для составления баз данных, когда не
подразумевается изменение записанной информации.
Магнитооптические накопители и накопители типа WORM являются
относительно
низкоскоростными
по
сравнению
с
другими
рассматриваемыми
нами
устройствами
внешней
памяти.
Это
обуславливается несколькими причинами. Во-первых, оптический
носитель вращается, как правило, с меньшей скоростью, чем жесткие
магнитные диски - обычно около 3000 - 4200 об/мин (против скоростей для
винчестерских накопителей от 3600 до 7200 об/мин). Второй фактор - это
характерная для оптического носителя высокая интенсивность ошибок,
которые требуется исправлять. Оптический носитель в принципе является
более ненадежным (при записи/воспроизведении, но не хранении), чем
магнитный, и поэтому для работы с ним требуются сложные алгоритмы
исправления ошибок. А это приводит к потерям в скорости обмена
данными примерно на 3-5 %. Оптические накопители характеризуются
также более длительным временем доступа. Их среднее время установки
головки составляет от 30 до 50 мс против 10-16 для НЖМД, а время
ожидания ( пока нужный сектор данных не окажется под головкой
чтения/записи) составляет 13 мс против 8-15 мс для НЖМД.
WORM системы используют довольно мощный лазер для записи
информации. С помощью лазера WORM-устройства обрабатывают
поверхность диска для изменения отражающей способности определённых
участков диска или для удаления ямок с его поверхности (это достигается
за счёт изменения поверхностного натяжения рабочей поверхности диска
под действием температуры).
CD-r технология
Основная цель большинства разработчиков оптических дисков –
создание продукта, который сочетал бы в себе все преимущества
оптических носителей (большое время жизни, надёжность хранения
информации, большая плотность носителя) с гибкостью, скоростью и
простотой использования обычных магнитных дисков. Кроме того
носитель должен быть стираемый и перезаписываемый. Эти требования
смогли быть осуществлены с помощью двух технологий.
Красящий полимер
Первым и получившим наибольшую известность примером данной
технологии является система THOR фирмы Tandy. Как и все остальные
сделанные по этой технологии системы THOR основывается на
полупрозрачных дисках с подкрашенным внутренним слоем, который
7
обесцвечивается от нагрева лазером. Меняется отражательная способность
диска. Второй лазер разглаживает рабочую поверхность диска, эффективно
стирая ранее записанные данные.
Изменение фазы
В оптических системах, использующих изменение фазы, состояние
активного слоя для сохранения нулей и единиц цифрового кода изменяется
от кристаллического к аморфному и обратно. Материал, использующийся
для записи, может быть в виде правильно упорядоченной кристаллической
решётки или в виде хаотически расположенных молекул. Так, после
нагрева лазером, хотя химический состав носителя не изменился, его
отражательная способность меняется. В результате носитель оказывается
как бы состоящим из светлых и тёмных пятнышек, которые могут
использоваться для кодирования информации.
Эти изменения состояния эффективнее аналогичных изменений
носителя в WORM-устройствах. Несколько коммерческих продуктов
используют эту технологию для получения устройств двойного
назначения: один дисковод работает и с WORM-дисками и с CD-r дисками.
Примером является продукт Hewlett Packard CDWriterPlus 7200i.
Магнитооптические системы.
Все оптические устройства можно разделить на два класса. Это
накопители, предназначенные для записи информации пользователем и ее
хранения, и приводы CD-ROM. Накопители подразделяются на устройства
с однократной записью - WORM (Write Once Read Many) и
перезаписываемые. Последние в свою очередь делятся на оптические, в
которых для записи используется луч лазера, изменяющий оптические
свойства среды, и магнитооптические, в которых запись осуществляется
изменением намагниченности подложки из ферромагнитного материала
путем нагревания с помощью луча лазера ее небольшого участка во
внешнем магнитном поле. Обе технологии обеспечивают примерно
одинаковые параметры. Крупнейшими производителями таких устройств
являются
японские
компании
Sony
(оптические)
и
Fujitsu
(магнитооптические).
Принципиальное отличие оптических и магнитооптических
накопителей от приводов CD-ROM связано с разными форматами записи
информации. Так, для первого класса изделий информация располагается
на концентрических дорожках, как и в винчестерах, то есть запись и
соответственно воспроизведение осуществляются с постоянной угловой
скоростью
Запись
информации
в
магнитооптических
накопителях
осуществляется на диск из стекла или прозрачного поликарбоната,
содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта (либо
другой комбинации с участием редкоземельных элементов). Этот сплав
обладает необходимыми магнитными свойствами и имеет низкую - около
8
300 градусов Цельсия - температуру Кюри. С помощью луча лазера
небольшой мощности можно очень быстро нагреть небольшой участок
магнитного слоя, около 0.5 кв. Микрона, до более высокой температуры,
так что при охлаждении даже в достаточно слабом внешнем магнитном
поле участок оказывается намагниченным в направлении этого внешнего
магнитного поля. Поле прикладывается перпендикулярно поверхности
диска. Меняя направление этого поля, можно по- разному намагничивать
разные участки, осуществляя таким образом запись информации. Для
считывания данных используется эффект Керра, который заключается в
изменении направления поляризации луча, отраженного от намагниченной
поверхности. Поскольку в данном случае направление намагничивания
перпендикулярно поверхности диска (так называемая вертикальная
запись), достигается плотность записи информации в 5 раз выше, чем в
винчестерах - более 19 тыс. Дорожек на дюйм.
Сплав, из которого изготовлен активный слой, обладает одной
особенностью. Он при обычной температуре (из-за высокой коэрцитивной
силы) не может быть перемагничен приложенным к нему магнитным
полем определенной напряженности. Только при нагревании (достигнув
температуры Кюри) соответствующий участок активного слоя
перемагничивается должным образом.
В настоящее время выпускается магнитооптические накопители,
предназначенные для работы с носителями диаметром 3.5 и 5.25 дюйма.
Диски помещены в неразборные картриджи, напоминающие по
конструкции 3.5-дюймовые дискеты, таким образом, они надежно
защищены от случайного повреждения. Используя магнитооптические
диски, можно добиться чрезвычайно надежного хранения информации, так
как время сохранности данных определяется фактически стойкостью
использованной подложки (стекло или поликарбонат). Что касается циклов
записи, то в испытании на 100 миллионов циклов не было замечено
никаких необратимых изменений свойств магнитного слоя и подложки.
Благодаря тому, что головки чтения/записи в них никогда не касаются
диска, обеспечивается высокая устойчивость к вибрациям и ударным
нагрузкам. В магнитооптических дисках, в отличие от магнитных, не
наблюдается самопроизвольное искажение информации, что делает эти
устройства пригодными для долговременного архивирования данных. Они
не боятся воздействия повышенных и пониженных температур,
электромагнитных излучений и загрязнений. Срок гарантированной
сохранности информации не магнитооптических дисках, по разным
оценкам, колеблется до 70 лет. Эти устройства вне конкуренции по
вместимости - 5.25 дюймовые диски, заполненные с двух сторон, вмещают
до 4.6 Gb информации. И хотя начальные затраты на приобретение
магнитооптического дисковода (за счет цены дисковода) гораздо выше,
чем на приобретение любого накопителя со сменным магнитным
носителем, благодаря высокой емкости и относительно небольшой
9
стоимости самих дисков стоимость хранения информации на разных
носителях оказывается сравнимой.
Кроме того, в магнитооптическом накопителе запись данных
осуществляется
таким
образом,
что
существенно
снижается
быстродействие. В отличие от накопителя типа WORM, в котором
операция записи выполняется за один оборот диска, в магнитооптическом
накопителе перезапись данных осуществляется за два оборота: стирание,
непосредственно запись и контроль.
В некоторых 5.25-дюймовых МО-дисководах используется технология
phase change (изменение фазового состояния). Эта технология позволяется
считывать и записывать данные за один проход, вместо двух, что вдвое
сокращает время доступа. Однако, записанные таким образом диски
несовместимы с традиционными МО устройствами.
Низкое быстродействие делает эти магнитооптические накопители
непригодными для применения в качестве основной внешней памяти. Это
обстоятельство и высокая цена являются их главными недостатками,
которые частично компенсируются приличными емкостями и
нечувствительностью к магнитным полям.
Тем, кто нуждается в хранении очень больших объемов информации,
компания Pinnacle Micro предлагает 4.6 Gb накопитель Apx Optical Hard
Drive. Его удобно использовать, например, для производства звуковой и
видеопродукции, а также для архивации. По заявлению фирмы Pinnacle, ее
накопитель работает почти так же быстро, как некоторые жесткие диски.
Технология DVD
Технические характеристики.
Самая простая модификация DVD отличается от обычного диска
только тем, что отражающий слой расположен не на составляющем почти
полную толщину (1,2мм) слое поликарбоната, а на слое половинной
толщины (0,6мм). Вторая половина — это плоский верхний слой. Емкость
такого диска достигает 4,7 GB и обеспечивает более двух часов видео
телевизионного качества (компрессия MPEG-2). Кроме того, без особого
труда на диске могут дополнительно сохраняться высококачественный
стереозвук (на нескольких языках!) и титры (также многоязычные). Если
оба слоя несут информацию (в этом случае отражающее покрытие
полупрозрачное), то суммарная емкость составляет 8,5 GB (некоторое
уменьшение емкости каждого слоя вызывается необходимостью сократить
взаимные помехи при считывании дальнего слоя). Toshiba и Time Warner
предлагают использовать также двухсторонний двухслойный диск. В этом
случае его емкость составит 17 GB!
Как же достигается столь значительное увеличение объема
информации на DVD диске? Для ответа на этот вопрос сравним его со
знакомым нам CD-ROM. Главное отличие, конечно, в повышенной
10
плотности записи информации. За счет перевода считывающего лазера из
инфракрасного диапазона (длина волны 780 нм) в красный (с длиной
волны 650 нм или 635 нм) и увеличения числовой аппаратуры объектива до
0,6 (против 0,45 в CD) достигается более чем двукратное уплотнение
дорожек и укорочение длины отражающих питов (выступов/впадин).
Изменилась не только физическая плотность размещения информации
на диске, но и способы ее представления. Так, на смену способу модуляции
8/14 (EFM - eight to fourteen modulation) пришел способ, называемый
EFM+. Он отличается несколько иным алгоритмом преобразования и,
главное, требует ввода на границе следующих друг за другом 14-разрядных
кодов не трех, а только двух дополнительных битов, поддерживающих
условие ограниченности размеров пита в диапазоне от 3 до 11 битов (т. е.
между двумя последовательными единицами после кодирования не менее 2
и не более 10 нулей). Таким образом, из каждого байта получаем не
14+3=17, а 14+2=16 кодовых битов. Изменение метода модуляции - только
одно из множества форматных изменений, позволяющих в целом
увеличить объем сохраняемых данных. Собственно переход к EFM+
добавляет еще почти 6% к объему диска. Более мощный механизм
коррекции ошибок RS-PC (Red Solomon Product Code) обещает быть на
порядок более устойчивым к возможным ошибкам воспроизведения.
Из неназванных еще характеристик отметим номинальную скорость
передачи данных - 1108 Кб/с, поддерживаемую при постоянной линейной
скорости (CLV — constant lineal velocity) 4 м/с.
Не следует особо обольщаться - увеличивается на порядок также и
объем данных, которые нам хотелось бы прочитать без ошибок. Кроме
того, резкое уменьшение отдельных элементов на отражающей
поверхности неизбежно приведет к увеличению количества случайных
сбоев при чтении.
Итак, подведя итоги определим, что такое DVD?
Это - носители информации. которые имеют такие же размеры, как и
компакт-диски, но обладают очень большой емкостью - от 4,7 до 17 GB, в
зависимости от формата. Последнее значение почти в 25 раз больше
максимальной емкости компакт-дисков, составляющей 682 MB, и всего
несколько лет назад казалось немыслимым.
Однако технология DVD имеет уязвимые места. Например, уже
упомянутая проблема, связанная со стандартами и средствами защиты от
копирования.
Тем не менее, потребность пользователей в устройствах хранения
информации емкостью в несколько гигабайт, скорее всего, перевесит,
поэтому с большой вероятностью можно утверждать, что успех
технологиям DVD-ROM, DVD-Recordable (DVD-R) и DVD-RAM
гарантирован.
11
"...никогда не бывает много" Дополнительная память никогда не
помешает. Несколько мегабайт памяти для мультимедиа-приложений всего лишь "разминка", к тому же все больше компаний поставляют
документы, базы данных и различное ПО на дисках CD-ROM.
Обеспечиваемая технологией DVD-ROM высокая плотность записи
позволяет уместить на одном цифровом видеодиске данные, занимающие
несколько дисков CD-ROM. Кроме того, она обеспечивает высокую
производительность.
Как говорилось ранее, помимо обычных дисков, фирмы стали
разрабатывать технологии производства двухслойных, двухсторонних и
т.д. В результате возникает необходимость по крайней мере в пяти
физических форматах. Но и это еще не все. Ожидается появление дисков
DVD-R. Идейно они подобны CD-R, в которых вместо углеродной пленки
используется слой органического красителя. Запись производится путем
выжигания отверстий в этом слое. Правда, из-за некоторых ограничений,
связанных с применением красителя, емкость односторонних дисков DVDR меньше, чем DVD-ROM (около 4 GB по сравнению с 4,7 GB). Кроме
того, подобная технология не подходит для создания двухслойных дисков.
Стандарты DVD
На сегодняшний день существует в общей сложности девять
стандартов для записи DVD. Многие стандарты не совместимы (или не
полностью совместимы) между собой, да и с бытовыми DVD.
И даже если сразу отбросить DVD-RAM (весьма специфический и
интересный только очень узкому кругу пользователей формат, к тому же
не совместимый ни с бытовыми, ни с компьютерными DVDпроигрывателями), то список остается весьма и весьма обширным. Ниже
мы попытаемся кратко обрисовать существующие форматы и отметить их
преимущества и недостатки.
12
DVD-R
Формат однократно записываемых носителей, разработанный фирмой
Pioneer на основе технологии обыкновенных CD-R-дисков. В качестве
активного слоя применяется органический полимер. Стандарт
регулируется книгой "D" организации DVD Forum. Записанные в этом
формате диски совместимы с достаточно большим количеством бытовых
DVD-плееров.
Однако существуют две версии этого формата -- DVD-R Authoring и
DVD-R General (DVD-R(A) и DVD-R(G) соответственно). Первым на
рынке появился именно DVD-R(A). В то время он именовался просто
DVD-R и использовался в основном в профессиональной сфере для
изготовления демонстрационных дисков, в медицине для хранения
высококачественных видео- и фотоизображений в автоматизированных
DVD-библиотеках, в банковской сфере и т. д.
Однако вскоре встал вопрос о необходимости использования таких
дисков и в быту. Тогда и произошло разделение стандарта DVD-R на две
ветки - профессиональную DVD-R(A) и бытовую DVD-R(G). Для
обеспечения сохранности авторских прав и невозможности копирования
лицензионных DVD-video-дисков, защищенных CSS, в формат DVD-R(G)
были внесены некоторые коррективы. Во-первых, Authoring и General не
совместимы на физическом уровне из-за изменения длины волны лазера
(635 нм для первого и 650 нм для второго), а во-вторых, приводы стандарта
DVD-R(G) физически не могут побайтово скопировать диск, защищенный
CSS. То есть копируется только контент, без ключа, а следовательно,
дубликат оригинала при воспроизведении не может быть расшифрован.
В настоящий момент все пишущие DVD-приводы, доступные на
потребительском рынке, поддерживают только формат DVD-R(G).
DVD-RW
Также разработка компании Pioneer, "выросшая" из стандарта DVD-R.
В DVD-RW используется аналогичная плотность дорожек и длина питов.
Разница между форматами DVD-R и DVD-RW приблизительно такая же,
как между CD-R и CD-RW.
В качестве активного слоя применяется материал с изменяемым
фазовым состоянием. Как известно, он имеет меньший коэффициент
отражения, чем у дисков DVD-R, что приводит к невозможности
воспроизведения DVD-RW в некоторых моделях бытовых DVD-плееров.
Имеется три версии этого формата. В версии DVD-RW 1.0 зона LeadIn на носителе физически "пропечатывается" изготовителем. Это делается
опять же для невозможности копирования на такую заготовку дисков,
защищенных CSS. В то же время подобный вариант изготовления
13
приводит к проблемам совместимости этих заготовок с бытовыми
плеерами. В версии 1.1 зона Lead-In уже не "выбивается" на диске в
процессе его производства, а записывается (pre-record) после изготовления.
Это также защищает лицензионные продукты от копирования, однако
существенно повышает совместимость дисков этого стандарта с бытовой
техникой.
Следующая вариация -- стандарт 1.1B. В этой версии каждый диск
имеет уникальный ID-код, записанный в BCA (Burst Cutting Area,
служебная область заготовки, в которую при изготовлении заносится
уникальный для каждого диска штрих-код). Делается это опять же для
защиты лицензионного контента от копирования. Механизм CPRM
(Content Protection for Recordable Media), собственно и реализующий
алгоритм защиты, предусматривает наличие на каждой записываемой
заготовке уникального 64-битового ID-кода в BCA-области, позволяющего
однозначно идентифицировать носитель. Когда на диск записываются
данные, подлежащие защите, они могут быть зашифрованы с помощью 52битового ключа, зависящего от ID носителя, на который производится
запись. Если этот диск будет скопирован, ID носителя в BCA
соответственно изменится, что сделает невозможной генерацию ключа для
расшифровки и приведет к неработоспособности копии.
DVD+RW
В отличие от двух выше приведенных форматов, этот стандарт
официально не поддерживается организацией DVD Forum. Его продвигает
DVD+RW Alliance, в который входят компании Philips, Sony, HewlettPackard, Dell, Ricoh, Yamaha и т. д.
Изначально формат DVD+RW разрабатывался для рынка
персональных компьютеров и не позиционировался для записи DVD-video.
На самом деле этот стандарт ориентирован на максимальную
совместимость с бытовыми DVD-плеерами. Для этого используются тип
модуляции, плотность дорожек, минимальная длина пита и длина волны
лазера, полностью аналогичные таковым у приводов DVD-ROM. Однако
справедливости ради стоит отметить, что первая версия этого стандарта,
предусматривающая
использование
двухсторонних
носителей
с
плотностью записи 2,8 GB на сторону, действительно была не совместима
с существующими плеерами.
За основу формата взята технология приводов CD-RW. В качестве
активного слоя также используется материал с изменяемой фазой. Но в
отличие от DVD-RW этот стандарт имеет ряд существенных преимуществ:
1. Lossless linking -- механизм точного связывания различных участков
записи на диске. Это позволяет обеспечить как повышенную
совместимость с бытовой техникой, так и посекторное редактирование
записанного диска - произвольные участки на носителе могут быть
изменены без перезаписи всей заготовки.
14
2. Поддержка формата DVD+VR. В отличие от формата VR,
реализованного в приводах стандарта DVD-RW, эта технология позволяет
создавать видеодиски, полностью совместимые с существующими
плеерами, и при этом не накладывает никаких ограничений на процесс
редактирования данных. То есть возможно, к примеру, изменение
оформления дискового меню, его фона или замена любой части
записанного видеоряда без необходимости перезаписи всего диска, как в
стандарте DVD-RW.
3. Механизм обработки ошибок. Формат DVD-RW не предусматривает
подобного механизма, что негативно сказывается на совместимости
записанных заготовок.
4. Технология адресации секторов во время записи. В процессе
создания диска DVD+RW-привод может определить адрес сектора,
записываемого в данный момент. Это позволяет в случае возникновения
сбоя продолжить запись с прерванного участка. Стандарт DVD-RW такой
возможности не обеспечивает, так как приводы этого формата в процессе
записи не могут получить информацию об адресах записываемых секторов.
5. Поддержка технологии фонового форматирования чистой заготовки
и поддержка формата Mount Rainier. Процесс записи носителя можно
начинать сразу же, как только в фоновом режиме запустилось
форматирование новой заготовки. А поддержка Mt. Rainier существенно
облегчает создание собственных дисков для неподготовленного
пользователя -- так называемая технология Easy Write. По сути работа с
приводом, поддерживающим этот стандарт, для пользователя аналогична
по сложности работе с дисководом, но очень большого объема.
6. Обеспечение записи дисков в двух режимах -- CLV (с постоянной
линейной скоростью) и CAV (с постоянной угловой скоростью). Первый
больше подходит для создания аудио- и видеодисков, тогда как второй -для записи данных и обеспечения наименьшего времени поиска на диске.
7. И наконец, минимальная скорость записи для дисков DVD+RW
составляет 2,4Х. То есть любой носитель этого стандарта поддерживает
работу на такой скорости.
Как видим, этот формат существенно гибче и функциональней аналога
- DVD+RW -- и представляет собой некий гибрид между оптимальной
совместимостью,
свойственной
для
бытовых
устройств,
и
многофункциональностью,
пришедшей
из
мира
персональных
компьютеров.
DVD+R
Подмножество вышеописанного формата для носителей с однократной
записью. Как и в обычных CD-R, активный слой изготовлен из
органического полимера.
Чтобы подытожить описание форматов +R/+RW, отметим еще один
момент - и первый, и второй стандарты существуют в одном варианте, без
15
всяких дроблений на версии, подмножества и ветки, что существенно
облегчит покупателю как выбор соответствующего привода, так и
совместимых с ним носителей.
Итак DVD - оптических диски, подобны CD. Под таким девизом уже
начат выпуск новых устройств, знаменующих переход к 17-гигабайтным
носителям данных и цифровому видео. После нескольких лет обсуждения
(и довольно жесткой конкуренции) различных вариантов улучшенных
оптических дисков, 15 сентября 1995 года между различными группами
разработчиков было наконец достигнуто принципиальное согласие о
технических основах создания нового диска. 8 декабря 1995г. крупнейшие
производители приводов CD-ROM и связанных с ними устройств (Toshiba,
Matsushita, Sony, Philips, Time Warner, Pioneer, JVC, Hitachi and Mitsubishi
Electric) подписали окончательное соглашение, утвердив не только
"тонкости" формата, но и название новинки DVD (Digital Video Disk),
HDCD (High Dencity CD — диск высокой плотности записи), MMCD
(MultiMedia CD). SD (Super Density — сверхвысокой плотности).
16
Форматы, файлы
Требования к DVD изложены в "книгах". Но, в отличие от СД, эти
"упорядочены по алфавиту". В настоящий момент обсуждаются пять книг от "А" до "Е". Книга может содержать до трех частей. При этом, в первой
части описываются физические спецификации, во второй - файловая
система, а в третей - приложения. Первые три книги определяют,
соответственно, ROM, Video и Audio DVD, используя одинаковый
физический формат носителя, который изготавливается "штамповкой", и
файловую систему. Файловая система этих стандартов переходная (UDFBridge). Она обеспечивает комбинацию возможностей CD-ROM файловой
системы ISO-9660 и новой системы Universal Disk Format - UDF,
разработанной Optical Storage Technology Association (OSTA) и
реализующей рекомендации ISO/IEC 13346. Два других стандарта D и Е
распространяются на записываемые (DVD-R (recordable) или иначе DVDWO (write once)) и перезаписываемые (DVD-RAM, DVD-W (rewritable) или
иначе DVD-E (erasable)) диски. В отличие от CD, диски DVD рождаются
сразу с возможностью записи, и даже перезаписи информации. Однако эти
стандарты наименее устоявшиеся. Особо следует сказать о совместимости
уже существующими дисками. Такая совместимость стандартами явно не
требуется. Однако подавляющее большинство производителей готовит
устройства способные считывать CD-ROM за счет использования
специально сконструированной оптической головки, обладающей
возможностью перенастройки, или даже за счет установки
дополнительного объектива.
Еще одним форматом является гибрид СD/DVD. В этом диске
полупрозрачный слой DVD может быть размещен поверх полностью
отражающего слоя CD. Более тонкий слой DVD (толщиной 0,6мм) будет
практически прозрачным для существующих дисководов CD-ROM и CDплееров, инфракрасные лазеры которых обеспечат считывание
информации с внутреннего слоя CD толщиной 1,2мм. Такой гибридный
диск может использоваться в дисководах обоих типов.
Сравнение DVD и CD: углубления меньше, а дорожки плотнее
Возможно даже создание универсальных дисководов CD/DVD, хотя
это и не предусмотрено стандартом DVD. Вместо того. чтобы использовать
при этом два лазера (красный и инфракрасный), компания Mitsubishi
предлагает помещать на пути лазерного луча две различные линзы,
изменяющие длину волны излучения от 635 до 780 нм. Еще одно
оригинальное решение предлагает компания Matsushita. Идея его
заключается в том, чтобы пропускать луч лазера через несферическую
линзу из специального стекла (aspheric molded-glass lens), на поверхность
которой нанесена специфическая голографическая картина. Благодаря
явлению дифракции длина волны излучения изменяется в зависимости от
17
того, с какого диска - CD или DVD - считывается информация (повидимому, в обоих случаях используются явления нелинейной оптики, по
сколько только они позволяют изменять длину волны излучения).
Так, если вы внимательно изучите строение одностороннего DVD, то
наверняка обратите внимание, что он, как и двухсторонний диск, содержит
две углеродные пленки, разделенные слоем отражающего материала, при
этом одна из них совершенно не используется. Это является результатом
того, что альянс Toshiba-Time Wamer отстаивал двухсторонние диски,
требующие подобного скрепления пленок. Толщина одной пленки равна
0,6мм, а толщина двух скрепленных пленок — соответственно 1,2мм.
Использовать же единую пленку толщиной 1,2мм невозможно из-за того.
что лазер рассчитан на чтение данных "на глубине" именно 0,6мм. Таким
образом, односторонний диск должен иметь две пленки толщиной 0,6мм
каждая, хотя только одна из них является полезной.
Что же касается Sony и Philips, то свою позицию они подкрепляли
следующими аргументами: во-первых, производство дисков со
скрепленными пленками обходится дороже, во-вторых, при использовании
двухсторонних дисков их приходится переворачивать вручную. Конечно,
можно для каждой стороны приспособить отдельный лазер, но это почти в
два раза увеличило бы стоимость и сложность дисковода DVD. Более того,
в этом случае размеры его будут настолько велики, что он вряд ли
поместится в стандартном гнезде дисковода. В то же время представители
Toshiba и Time Warner утверждают, что технология скрепления пленок
вполне законченная (она уже применяется несколько лет при производстве
12-дюймовых лазерных видеодисков) и что двухсторонние диски DVD
имеют большую емкость. В конечном счете, последний аргумент является
решающим.
К счастью, обе стороны выработали согласие по поводу логического
формата. До настоящего момента речь шла о физических форматах, т. е. о
физических методах хранения данных на диске. В то же время логический
формат определяет структуру файлов на диске. Все диски DVD будут
соответствовать стандарту Universal Disk Format (UDF), являющемуся
частью oпpеделяющего метода обмена данными стандарта ISO-13346.
Стандарт UDF облегчает создание дпсков, которые могут использоваться при работе с нсколькими операцинными системами) включая DOS,
Windows, OS/2, MacOS и UNIX. Когда в этих ОС будет поддержка UDF (с
помощью новых драйверов или расширений), они смогут распознавать
любой диск DVD. Фактически UDF "абстрагирует" такие специфические
особенности операционных систем, как соглашения об именах файлов,
побайтовой структуре (byte ordering). Конечно, исполняемые программы
будут работать только под управлением какой-то одной ОС однако данные
можно переносить с одной платформы на другую.
Следует отметить, что даже если поначалу поддержка стандарта UDF
будет обеспечена не во всех операционных системах, первые диски DVDROM могли бы стать своеобразным переходным звеном, так как на них
18
можно размешать относящиеся к одним и тем же данным файловые
структуры UDF и ISO-9660 (стандарт для дисков CD-ROM). В то же время
видеоплееры DVD смогут распознавать только диски, соответствующие
специальному "подстандарту" UDF, а именно Micro UDF. По сути, это тот
же UDF, но им предусмотрено, что видеоплееры ищут нужные файлы в
сигнальном каталоге. Это позволяет разработчикам размещать на одном
диске как видео, для просмотра которого необходима обыкновенная
6ытовая видеодека, так и данные для компьютеров. для чтения которых
требуется дисковод DVD-ROM. Например, компания Walt Disney могла бы
поставлять мультфильм "The Hunchback or Noire Dame" и компьютерную
игру на его основе на одном диске.
Технология двухслойного DVD+R
Практически с момента появления технологии DVD-R индустрия
исподволь внушала потребителю, что болванки для записи скорее всего
останутся однослойными, так как реализовать технологию двухслойной
записи в бытовых условиях чрезвычайно сложно (двухслойные диски
DVD-ROM, делать несравнимо проще, поскольку они штампуются на
фабриках как сэндвичи из уже готовых форм). Но затем разгорелась война
конкурирующих форматов DVD-R и DVD+R, начались лихорадочные
поиски дополнительных преимуществ, и — как благотворный результат
конкуренции — родилась новая технология.
Онако в октябре 2003 голландская компания Philips объявила, что в
сотрудничестве с японским партнером Mitsubishi Kagaku Media
(MKM/Verbatim) ею разработана новая двухслойная технология DVD+R,
повышающая емкость дисков с 4,7 до 8,5 Гбайт. При этом полностью
сохраняется совместимость новых дисков с существующими DVDвидеоплейерами и приводами DVD-ROM. Теперь, как объявлено
разработчиками, «пользователи смогут записывать до четырех часов видео
с качеством DVD или до шестнадцати часов с качеством VHS, не меняя
диск в лотке».
19
В двухслойной системе DVD+R используются две тонкие пленки
активного вещества (dye), между которыми находится прозрачный
разделительный слой. Как и в однослойной технологии, разогрев
сфокусированным лазерным лучом необратимо меняет оптические
свойства активного вещества в точках «прожига». В Philips отмечают, что
главной трудностью было достижение совместимости с существующим
парком DVD-устройств. Для этого под первым dye-слоем пришлось
поместить полупрозрачную пленку на основе серебряного сплава, которая,
с одной стороны, хорошо отражает лазерный луч, чтобы можно было
считать данные с первого слоя, а с другой — пропускает достаточно света,
чтобы мог работать и второй слой (отражательная способность каждого
слоя составляет около 18% от значений, предусмотренных стандартом
двухслойного DVD-ROM).
20
Что такое Blu-Ray
Blu-Ray (сокращённо BR) или Blu-Ray Disk (BD) - это формат нового
поколения дисков высокого качества. Эти диски могут использоваться как
долговременные хранители различных данных: фильмов, музыки, игр и т.д.
История Blu-Ray
В недалёком 2002 году мировые компании: Hitachi, LG, Matsushita
(Panasonic), Thomson , Philips, Samsung, Sharp, SONY и Pioneer задумали
создание нового формата отличного от DVD. На этом этапе и произошёл
раскол: одна сторона предложила доработать красный лазер (DVD), а
другая взялась за разработку абсолютно нового - сине - фиолетового.
Впоследствии формат доработанного красного лазера назовут HD DVD, а
сине - фиолетового Blu-Ray.
В технологии Blu-Ray (BR) были явные преимущества по отношению
к сопернику - его ёмкость составляла 27 гигабайт на один слой. Кроме того
BR поддерживает до 8 слоёв это значит около 200 Гб информации.
В названии Blu Ray (или более правильно Blu-Ray) специально была
убрана буква "е", потому что выражение Blue-Ray часто используется и не
может быть зарегистрирована как торговая марка.
Собственно, назвать Blu-Ray принципиально новым форматом нельзя это скорее эволюция формата DVD. Как следует из названия в Blu-Ray для
записи и воспроизведения диска вместо красного лазера, который
используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер (blue-violet laser). У
синего лазера длина волны составляет 405 нанометров, что значительно
меньше длины волны красного лазера (650 нм). Меньшая длина волны соответственно меньшая интерференция отраженного луча, соответственно
можно сделать толщину дорожку данных тоньше, что приводит к
значительному увеличению емкости носителя.
Изменения Blu-ray коснулись толщины прозрачного слоя,
защищающего подложку. У DVD и HD-DVD она составляет 0,6мм, в то
время как у Blu-ray - 0,1мм. В результате подложка оказывается намного
ближе к поверхности, у лазера возникает меньше рассеивания, и лазеру
нужно проходить меньший слой материала, что даст более высокую
численную апертуру. То есть можно использовать меньший зазор между
дорожками и меньшую длину пита. Говоря простыми словами, подобная
толщина прозрачного слоя обеспечивает более плотную упаковку данных
на диске Blu-ray, чем на DVD или HD-DVD.
21
Однако при этом повышается вероятность ошибки. Даже 0,5мм - это
слишком тонкая защита от царапин. Данные Blu-ray лежат практически на
поверхности, поэтому такой диск следует беречь, защищать от царапин и
других дефектов. Что ещё хуже, считывающая головка оказывается ещё
ближе к диску, поэтому плеер хуже реагирует на толчки и удары.
Сфера использования - хранение цифровых данных, включая видео
высокой чёткости с повышенной плотностью. Формат BD разработан
Ассоциацией Blu-ray дисков (BDA) - группой компаний по производству
бытовой электроники во главе с фирмой Sony.
Однослойный диск имеет емкость 23.3, 25, или 27 Гб, двухслойный
может вместить 46,6, 50, или 54 Гб — достаточно для записи на него
приблизительно восьми часов HD-видео. Скорость потока данных
достигает 54 Мбит/с (из которых на видео приходится около 40 Мбит/с с
переменным битрейтом). В разработке BD-ROM'ы емкостью 200 Гб со
скоростью записи и считывания до 216 Мбит/с. с использованием
соответственно четырёх и восьми слоёв
Как уже говорилось, покрытие Blu-Ray на которое записываются
данные (optical transmittance protection layer) очень тонкое - 0.1мм. Из этого
факта можно сделать 3 вывода. Первое - чем тоньше слой, тем меньше
рассеяние отраженного луча и больше данных можно вместить на
квадратный дюйм, то есть тонкий слой - это необходимость для
достижения большой емкости диска. Второе - настолько тонкий слой
позволит без проблем сделать диск многослойным (по крайне мере
двухслойным, как DVD), так как уменьшается рефракция луча
отраженного от более глубокого слоя. Третье - настолько тонкий слой
легко повредить, следовательно Blu-Ray Disс потребует защиты, то есть
будет упакован в пластиковую оболочку, наподобие MiniDisk от Sony.
Последний факт, к сожалению, говорит о том, что цены на Blu-Ray
приводы возможно будут существенно выше, чем на DVD, так как, если бы
Blu-Ray Disc оставался бы диском без упаковки, то производители смогли
бы использовать корпуса и механику от DVD-приводов без переделки,
сменив лишь лазер и декодирующую микросхему, а так придется начинать
практически с нуля. Возможен компромиссный вариант, когда
односторонние диски относительно малой емкости (23-27 ГБ) будут
производиться без упаковки и иметь соответствующие приводы, мало
22
отличающиеся от DVD-приводов по внешнему виду и по цене, такие
объемы для домашних мультимедийных компьютеров на первое время
более чем достаточны, по крайне мере объем Blu-Ray диска в разы
превосходит DVD, а для пользователей весьма важна цена. Потребители
голосуют рублем, неважно зеленый он или нет, соответственно, чем
меньше будет начальная стоимость Blu-Ray для домашнего и
мультимедийного сектора, тем быстрее он наберет популярность. Так же
диски этого формата будут использоваться для цифровых пишущих
видеоплееров нового поколения, так как на один Blu-Ray Disc умещается
до 13 часов видеоинформации качества VHS (MPEG-2 c bitrate 3.8Mbps)
или же 2 часа видео в модном сейчас в Японии формате HDTV
(телевидение высокого разрешения до 1600х1200х32bit, MPEG-2 c bitrate
от 8Mbps и выше).
Для hi-tech учреждений, предприятий, систем управления,
образовательных заведений и других, где требуются большие объемы
информации, понадобятся более емкие - двусторонние, двухслойные (или
многослойные). В настоящее время стандартные диски Blu-ray вмещают в
основном 23,3Гб, 25 Гб и 27 Гб информации, но производители
продолжают поиск решений по увеличению их объемов. На
международной конференции ISOM'06 компания Panasonic представила
четырёхслойный Blu-Ray диск общим объемом 100 Гб – по 25 Гб на
каждом слое. Такие диски будут заключены в прозрачный картридж и
использовать специальные Blu-Ray приводы, оснащенные лазерами с
разной длиной волны (в пределах синей части спектра) для чтения разных
слоев. Первые прототипы 100 ГГб дисков уже созданы.
Hitachi рассчитывает превзойти конкурента, увеличив число
записываемых слоёв до восьми. Кроме того, компания планирует
применить новую технологию считывания данных с нижних слоёв: из-за
их пониженной отражающей способности запись и чтение информации
существенно затруднено.
Задачу разработать и выпустить диск в 200 Гб поставила перед собой и
корпорация TDK: на выставке CES 2007 ею даже был продемонстрирован
прототип Blu-Ray диска, на который можно вместить около 18 часов
высококачественного HD-видео. Но дальше выставочного варианта дело
пока не продвинулось, так что у Hitachi вполне есть шанс первой выйти на
рынок с новинкой.
Нельзя не упомянуть о высокой скорости пересылки данных, которая
будет осуществлена в Blu-Ray устройствах. Так, согласно спецификации,
максимальная скорость пересылки данных между Blu-Ray приводом и
целевым устройством (MPEG-2 декодер или компьютер) будет достигать
36Mbps, что при огромных объемах носителя весьма актуально.
Blu-Ray использует 128-битное шифрование Advanced Encryption
Standard (AES), при котором ключ меняется через каждые 6 кбайт данных.
В итоге расшифровка одного ключа дает хакеру доступ к 6 кбайт данных.
23
Такую защиту сломать невозможно (ну по крайней мере на данный
момент).
Позже была реализована поддержка AACS (Advanced Access Content
System), использующая систему MMC (принудительно-управляемая копия)
и позволяющая сделать копию лицензионного диска для воспроизведения
его на домашнем медиацентре или на портативном плеере, но
невозможность её распространение.
Тем не менее хакеры взломали защиту Blu-Ray
Ещё
недавно
разработчики
нового
формата
гордились
невозможностью взломать защиту. И вот спустя немного времени
24.01.2007 года хакер по прозвищу Muslix64 вместе с Janvitos, взломали
систему защиты контента диска Blu-Ray. Неделю спустя о взломе диска
было сообщено СМИ. Перед взломом Blu-Ray Muslix64 обошёл систему
защиты HD DVD и разместил фильм "Миссия Сиренити" в интернете.
Скорее всего "наш герой" действовал по аналогии с Blu-Ray. После
анализирования взлома оказалось, что хакер скорее обошёл, чем взломал
защиту. Он подобрал уникальный ключ для чтения диска и перекодировал
фильм. В роли "испытуемого" выступил фильм "Оружейный барон" (герой
фильма - Николас Кейдж) в формате MPEG2. Так что вполне может быть,
что с дисками Blu-Ray произойдёт то же что и с DVD. Т.е. массовое,
незаконное и дешёвое копирование копий не за горами.
Ответные меры на взлом диска
В ответ на атаку AACS (система кодирования созданная для защиты
против пиратства) Ассоциация BDA ускорила время выпуска для BD-Plus
(Blu-Disk +).
Достоинства Blu-Ray Disc состоят не только в огромной емкости, но и
в том, что его разрабатывали и собираются производить сразу девять
крупнейших электронных корпораций, что должно застраховать
пользователей от проблем несовместимости приводов
Недостатки Blu-Ray не очевидны и компенсируются достоинствами.
Это предполагаемая высокая цена приводов и дисков и проблемы обратной
совместимости с предыдущими носителями информации. Насчет цены ситуация
должна
улучшиться
после
привлечения
сторонних
производителей, которые так же возможно помогут разобраться и с
защитой от копирования, хотя вряд ли - девять основных компаний, думаю,
смогут настоять на соблюдении условия полного соответствия формату. А
насчет совместимости - все зависит от массовости старта Blu-Ray, его
разрекламированности и грядущей популярности. Если Blu-Ray появится
на каждой машине (что маловероятно, пользователи - народ очень
консервативный), то, возможно, старые форматы вымрут, как динозавры и
поддерживать совместимость с ними нет никакой надобности. На
массовость старта очень сильно будет влиять цена устройств, дисков и
24
жесткость лицензионной политики правящей девятки. Так что судьба
формата целиком в руках его создателей. У каждой из девяти компаний
есть огромный опыт за плечами, успехи и провалы, так что давать советы
им бессмысленно, а вот способны ли они учиться на собственных и чужих
ошибках - покажет будущее, будущее формата Blu-Ray...
Характеристики Blu-Ray DiscЕмкость носилеля 23.3 Гб / 25 Гб / 27 Гб
/ 50 Гб / 100 Гб
Длина волны лазера
405nm (blue-violet laser)
Шаг линзы 0.85 NA (numerical aperture)
Скорость пересылки данных 36Mbps
Диаметр диска
120mm
Толщина диска
1.2mm (толщина оптически активного слоя 0.1mm)
Толщина трека
0.32um
Минимальная длина точки
0.160/0.149/0.138um
Плотность записи 16.8/18.0/19.5 Gbit/inch2
Формат записи видео
MPEG2 video (для видеоплеера),
для компьютера - любые
Формат записи аудио
AC3, MPEG1, Layer2 (для видеоплеера),
для компьютера - любые
Размер картриджа 129 x 131 x 7mm
Носитель информации HD DVD
HD DVD (англ. High Definition DVD — DVD высокой чёткости) — формат оптических
дисков для хранения информации и видео от компании Toshiba (совместно с
компаниями NEC и Sanyo). HD DVD подобен соперничающей технологии Blu-ray Disc,
которая также использует такие же диски стандартного размера (120 миллиметров в
диаметре) и синий лазер (технически сине-фиолетовый) с длиной волны 405
нанометров. К альянсу HD DVD присоединились Microsoft, Intel, а также возможна
неэксклюзивная поддержка киностудий: Paramount Pictures, Universal Studios и Warner
Bros.
Физический размер
Объём однослойного диска Объём двухслойного диска
12 см, односторонний
15 GB
30 GB
12 см, двухсторонний
30 GB
60 GB
8 см, односторонний
4.7 GB
9.4 GB
8 см, двухсторонний
9.4 GB
18.8 GB
25
Однослойный HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный — 30 GB.
Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который будет хранить 45
GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного соперника Blu-ray,
который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя, но
защитники HD DVD утверждают, что диски Blu-ray более дорогие в
использовании и поддержке. Оба формата обратно совместимы с DVD и
оба используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2 (для
обратной совместимости с DVD), Video Codec 1 (VC1, базируется на
формате Windows Media 9) и H.264/MPEG-4 AVC. MPEG-2 может
использоваться для кодировки видео 1080, но при этом требуется
пропускная способность от 20 до 25 Мбит/с. В принципе, и с этим проблем
нет, так как HD-DVD поддерживает пропускную способность 36 Мбит/с, а
Blu-ray - 54 Мбит/с. Но формат MPEG-2 постепенно теряет свои
преимущества.
Основное преимущество HD-DVD заключается в том, что у него много
общего с DVD, и производителям будет легче перестроиться на HD-DVD.
Как и предыдущие форматы дисков, HD DVD способны поддерживать
такие файловые системы как ISO 9660 и Universal Disk Format (UDF).
HD DVD могут содержать до 7.1 каналов звука. Аудио дорожка
кодируется с использованием форматов линейного (несжатого) PCM, Dolby
Digital, Dolby Digital EX, DTS и DTS ES также используемых на DVD.
Кроме того, существует возможность использования новых форматов
Dolby Digital Plus и DTS-HD High Resolution Audio, Dolby TrueHD и DTSHD Master Audio.
ФОРМАТ HD VMD
В то время как между Blu-ray и HD DVD за кошельки потребителей на
европейский рынок вышел еще один игрок. Британской компании New
Medium Enterprises (NME) На берлинской выставке IFA 2007 официально
26
заявила о предстоящем старте продаж новых оптических дисков, HD VMD
(Versatile Multilayer Disc).
HD VMD определяется как “Низкое по цене истинное высокое
разрешение” (Low-cost True High Definition), и кое в чем такой лозунг
имеет право на существование. Ведь цена проигрывателей дисков HD
VMD, начало продаж которых запланировано на октябрь, будет составлять
лишь 179 евро, что дешевле, чем последние анонсированные цены на HD
DVD и Blu-ray плееры. Главная особенность новой технологии –
использование дешевого красного лазера, знакомого нам по обычным DVD
плеерам.
Формат HD VMD не предусматривает региональной защиты. От
копирования диски будут защищены фирменной технологией OPTIKEY®.
В настоящее время производитель собирается выпускать диски
ёмкостью 15 или 20 Гб (3 или 4 слоя, соответственно). В будущем
планирует увеличить объем дисков до 40 Гб и более.
Напомним, технология работает с красным лазером, а большая
ёмкость (до 20 Гб в текущий момент) достигается путем использования
нескольких рабочих слоёв, кадый из которых вмещает 5 Гб информации.
Собственно, проигрыватели как раз и отличаются количеством
поддерживаемых слоев (2 или 4) носителей.
Компания NME говорит, что её формат лишен тех недостатков,
которые не позволили выпустить DVD с более, чем двумя слоями. К
настоящему моменту разработчик уже имеет спецификации дисков
объёмом в 24, 30, 40 и 48 Гб. Последний показатель вполне
конкурентоспособен с HD DVD (51 Гб на трёхслойном носителе к концу
текущего года, пока 30 Гб) и Blu-ray (50 Гб на двухслойном носителе, уже
в продаже).
Тем не менее, даже нынешних 20-Гб дисков должно вполне хватать
для фильмов высокого разрешения. VMD будет работать с теми же
кодеками и системами защиты контента, что используются сегодня HD
DVD и Blu-ray. Проигрыватели будут обратно совместимы с DVD, будет
поддерживаться масштабирование изображения до HD-разрешений.
Описание и технические характеристики оптического формата HD
VMD.
New Medium Enterprises предлагает дешевое High Definition решение
медиа-носителя, основанное на использовании современной технологии
красного лазера и существующей инфраструктуры производства DVD.
Концепция VMD направлена на воспроизведение с высоким
разрешением (High Definition контента) 1920х1080i и скоростью до 40
Мбит/с, используя 20 – 40 ГБ оптические диски на базе красного лазера,
плееры и записывающие устройства как автономные, так и встроенные в
компьютер, принципиально совместимые с DVD и CD.
Технология
27
Многослойный универсальный диск – VMD, во всех отношениях
может стать наиболее современным стандартом видеодисков, являясь
предпочтительным форматом для high-definition видео контента и имея
большую емкость запоминающего устройства. Для того, чтобы
воспроизвести HD изображение для полноформатной версии кинофильма,
необходима емкостьносителя, как минимум, 20 ГБ, в то время как
последние DVD9 имеют лишь 8.5 ГБ. VMD – это долгожданное открытие и
оптимальное решение для HD ROM дисков и HD плееров.
VMD по своему размеру и толщине в точности повторяет DVD. В то
время как DVD технология позволяет использовать два слоя диска, VMD
технология дала начало многослойному использованию, что позволило
значительно увеличить емкость носителя. Каждый дополнительный слой
прибавляет до 5 ГБ памяти по сравнению со стандартным DVD диском.
VMD позволяет разместить до 20 слоев на одном диске, при этом качество
хранимой информации не ухудшается. Это означает возможность записать
до 100 и более ГБ.
В настоящее время все оптические лазерные устройства, такие как
DVD-системы, функционируют на базе технологии красного лазера, они
имеют длину волны 650 нм (нанометров) и воспроизводят изображение
качества Standard Definition (стандартной четкости). Появившаяся позднее
«технология синего лазера», предназначенная для чтения дисков с
помощью лазера с меньшей длиной волны 405 нм, позволяет хранить
больший объем информации, чем в стандартном DVD. Недостаток этой
технологии заключается в том, что производство существующих драйвов и
дисков должно быть остановлено и полностью пересмотрено, что,
разумеется, повлечет значительные убытки производителей, а это, в свою
очередь, скажется на потребителе.
Не отказываясь полностью от «технологии красного лазера»,
разработчики NME нашли способ использования незадействованного
пространства между существующими слоями стандартного DVD
посредством применения уникальной многослойной технологии. Эта
выдающаяся передовая технология нашла отражение в Многослойном
универсальном диске или VMD, который, имея сегодня объем 20 ГБ, в
третьем квартале 2005г. – 40 ГБ, а в перспективе может обладать еще
большей емкостью.
28
Забегая вперед – в 2007г., если и когда синий лазер станет более
надежным, для применений, когда нужны более значительные объем
памяти, таких как ВИДЕО ПО ЗАПРОСУ (100-200 ГБ), могут
разрабатываться многослойные диски на базе «технологии синего лазера» с
использованием VMD технологии. VMD может усовершенствовать
«технологию синего лазера» с помощью своей многослойной технологии,
увеличивая заявленный максимальный объем памяти 50 ГБ до 100 ГБ и 200
ГБ.
Ключевые преимущества
Универсальность: Совместимость со всеми существующими сегодня и
в прошлом форматами дисков. VMD -драйвы способны воспринимать все
стандартные форматы, включая CD и DVD.
Адаптивность: Многослойная технология VMD не предназначена для
производства дисков, работающих исключительно с красным лазером, она
может быть применена также и для дисков, работающих с синим лазером,
когда последний станет работать идеально. Тогда VMD достигнет даже
большего объема , с легкостью обойдя все конкурентные продукты,
предоставляя возможность хранения большего количества информации вне
зависимости от того, на базе какого диска производятся носители.
Доступность: Для использования VMD потребуются лишь
минимальные изменения производственного оборудования, в целом же эта
технология не затронет основные компоненты, используемые в настоящее
время. Это дешевле обойдется производителям, а, значит, сэкономит
средства покупателя. Другими словами, цены будут незначительно
отличаться от существующих DVD дисков и плееров.
Привычные CD/DVD технологии не позволяют задействовать более,
чем два слоя (с одной стороны диска). VMD технология в свою очередь
делает возможным создание дисков (и совместимых с ними плееров) с 5,
10, максимум 20 слоями. VMD – это многослойный отражающий диск. Его
формат, размер, вес, кодировка, технологические стандарты и стандарты
его работы, также как и соответствующие параметры драйвов/плееров
(включая скорость считывания и потребляемую мощность), соответствуют
обычным стандартам CD, DVD, мини дисков и других существующих
информационных носителей.
Плеер
VMD привод практически аналогичен стандартному DVD драйву с
некоторыми
особенностями,
обеспечивающими
возможность
29
многослойного считывания. Приводы встраиваются в VMD плееры и
компьютеры, что делает возможным чтение многослойных дисков.
Не считая некоторых небольших изменений существующего процесса
производства, используемая технология и производственное оборудование
остаются прежними. Должно быть добавлено программное обеспечение,
которое приведет драйв в работу, то есть заставит читать между слоями.
Это могут быть приводы для OEM проигрывающих устройств, устройств
доступа, а также и приводы, встраиваемые в персональные компьютеры. В
целом эти приводы идентичны за исключением того, что в случае
встраиваемого в персональный компьютер привода не потребуется HD
декодера, так как большинство современных компьютеров его уже имеют.
HD VMD плеер
New Medium Enterprises (NME) в сотрудничестве с Beijing E-World
Technology Limited (BEW), производителей УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ
УНИВЕРСАЛЬНЫХ ДИСКОВ – EVD, совместно разработали EVD – VMD
плеер. Совместная научно-исследовательская и опытно-конструкторская
программа NME и BEW оказалась успешной и завершилась разработкой
современной технологии HD систем. Драйв EVD – VMD сможет читать все
существующие форматы.
30
Голографическая запись: 1,6 Тб на оптическом диске.
Лекция 4
Особый сегмент рынка составляют средства для резервного хранения
информации. Наибольшее распространение получили такие решения для
резервирования данных, как жесткие диски и ленточные носители.
Первый метод выбирают компании с ограниченным бюджетом на IT,
второй — предприятия, ставящие во главу угла надежность и безопасность.
Однако совершенно очевидно, что существующие подходы уже не могут
справиться с нарастающими объемами информации и обеспечить быстрое
оперативное резервирование, сделать «слепок во времени».
Сегодня необходим качественный прорыв в технологиях хранения. И
если с объемом ситуация разрешима — в конце концов можно увеличить
число жестких дисков или ленточных кассет для резервирования, то
скорость уже давно стала узким местом всего процесса резервирования.
Реалии требуют универсального накопителя, сопоставимого или
превосходящего по объемам жесткий диск и ленточный картридж, но
выполняющего процедуры записи и считывания с гораздо большей
скоростью. Решить проблему могут устройства на основе голографических
технологий.
Еще семь лет назад начались работы в этой области: В 2000 году на
рынке технологий хранения данных возникла новая компания InPhase
Technologies, приступившая к созданию устройств записи данных
принципиально нового типа. Новый разработчик появился не на пустом
месте — о создании этого небольшого предприятия объявила корпорация
Lucent Technologies.
InPhase занялась созданием голографических систем хранения на
основе технологии, разработанной в бюро Bell Labs. В отличие от
существующих методов записи информации на поверхность диска, новая
технология позволяет использовать всю толщину материала, то есть запись
ведется не по поверхности, а по объему. Помимо многократного
увеличения плотности записи, данная разработка предоставляет
возможность повысить скорость считывания информации — за один
«машинный отсчет» с носителя можно скачать до 1 млн бит информации.
К сегодняшнему дню появились готовые решения, разработанные
InPhase в сотрудничестве с Maxell, в частности оптические носители,
использующие голографический метод. По заявлениям разработчиков,
применение этой разработки позволяет записать на 5,25" оптический диск
1,6 Тб информации при пропускной способности до 120 Мб/с.
В сочетании с минимальной ценой хранения за гигабайт и
обеспечением успешного чтения данных более чем через 50 лет после
записи, эта технология выглядит весьма перспективной.
Высокая пропускная способность решений на основе голографии
обеспечивается возможностью параллельной записи и чтения сразу
нескольких миллионов битов, в отличие от существующих
последовательных методов работы с оптическими носителями. Технология
31
голографической записи позволяет реализовывать разнообразные
приложения – например, использовать носители разнообразных формфакторов (кроме дисков, это могут быть, скажем, карты и т.д.), а также
использовать лазеры с различной длиной волны (красные, зеленые и
голубые). Появление первого поколения голографических носителей
появилось в сентябрь 2006 г.
Технология голографической записи позволяет реализовывать
разнообразные
приложения,
например,
использовать
носители
разнообразных форм-факторов (помимо дисков, это могут быть, скажем,
карты и другие типы накопителей) или лазеры с различной длиной волны
(красные, зеленые и голубые). Первое поколение голографических
носителей появилось в сентябре 2006 года. InPhase Technologies и Hitachi
Maxell Conduct (партнер и инвестор InPhase Technologies) провели
испытания действующей технологии совместно с компанией Turner
Entertainment Networks, одним из ведущих игроков на рынке телевещания.
Новая голографическая система хранения данных получила название
Tapestry. Ее демонстрация оказалась довольно простой, но наглядной. На
диск Tapestry специалисты записали рекламный ролик, который
впоследствии переписывался на сервер и в заданное время
воспроизводился в трансляционной сети Turner Entertainment Networks.
Как отметил вице-президент Turner Entertainment Networks Рон Тарасов
(Ron Tarasov), «демонстрация проводилась для того, чтобы показать
возможности голографических систем хранения данных с точки зрения
трансляции телевизионного контента. Голографические носители —
идеальный способ хранения видеороликов в высоком разрешении, так как
огромная емкость голографических дисков позволяет нам хранить
телепрограммы в виде файлов, а скорость передачи данных подразумевает
очень быстрое чтение и запись с диска и на диск».
Специалисты подсчитали, что один диск Tapestry способен хранить до
26 часов видеоматериала высокого разрешения в качестве, приемлемой для
телевещания, — подразумевается диск емкостью 300 Гбайт, записанный с
потоком 160 Мбайт/с.
Отгрузки дисков Tapestry емкостью 300 Гбайт начнутся в конце
текущего года, а нынешний уровень развития технологий голографической
записи допускает емкость до 1,6 Тбайт при потоке до 960 Мбайт/с.
Разработчики обещают, что в массовом сегменте это произойдет к 2010
году. Одним из последних шагов InPhase Technologies на пути
коммерциализации голографической технологии стало заключение
соглашения с австрийской компанией DaTARIUS, которая занимается
разработкой и производством тестового оборудования для оптических
дисков.
Голографические
тестовые
системы
используются
в
производственном процессе для того, чтобы убедиться, соответствует ли
качество оптического носителя определенным требованиям.
Как известно, современные методы записи основаны на
последовательных принципах: в каждый момент времени на поверхность
32
плоского носителя может быть записан только один бит информации (мы
не рассматриваем случаи с множеством головок записи, при которых имеет
место «квазипараллельный» процесс). В то же время голографический
метод выглядит как действительно параллельный: единственная вспышка
лазера формирует пространственную запись миллионов битов
информации. Различие существенно: один бит на поверхности носителя
или же миллионы битов в пространстве, ограниченном структурой
носителя.
Схема 1. Принцип голографической записи
В общих чертах принцип голографической записи InPhase
Technologies выглядит достаточно просто (схема 1). Световой поток
разделяется на два луча: сигнальный и эталонный; сигнальный луч
обеспечивает запись данных, эталонный остается неизменным. Цифровые
данные формируют «образ» сигнального луча при помощи специального
устройства — пространственного светового модулятора (Spatial Light
Modulator, SLM), который преобразует последовательность нулей и
единиц, составляющих страницу данных, в массив черных и белых точек.
Грубо говоря, создается подобие решетки, в которой просветы
соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку
просвечивает сигнальный луч, имеющий на выходе точную копию
текущего состояния решетки в SLM. Когда эталонный луч складывается с
33
белым пятном шахматной доски и попадает на носитель, происходит
химическая реакция и на носителе остаётся след. Соответственно, там, где
было чёрное пятнышко доски, след не остаётся. Разумеется, чем больше
разрешающая способность пространственного светового модулятора, тем
большую порцию данных может запечатлеть сигнальный луч в текущий
момент времени, но на сегодня эта способность исчисляется миллионами
битов.
Если изменять длину волны эталонного луча, угол его наклона или
пространственное положение носителя, в один момент времени можно
записать множество разных голограмм. Процесс записи данных на
поверхности и в глубине носителя назвали мультиплексированием.
Кстати, есть несколько способов выполнения мультиплексирования,
например при помощи варьирования угла наклона эталонного луча. К
сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как,
например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с
толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или
атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать
настоящей революцией на рынке хранения данных.
Схема 2. Считывание записанных данных
Для считывания информации необходим только эталонный луч. Он
отражает голограмму, воссоздавая "шахматную доску" из чёрных и белых
квадратиков, которая затем проецируется на специальный чувствительный
34
элемент (схема 2). Этот элемент преобразует попадающую на него
«решетку» в последовательность битов, за счёт чего удаётся достичь
высокой скорости считывания данных, а чтение голограмм на различной
глубине носителя обеспечивается тем же способом, который применялся и
при записи, — изменением угла наклона эталонного луча и т. д..
Естественно, для воплощения идеи голографической записи
потребовалось разработать особый тип носителя, который бы сочетал
большую светочувствительность, прочность, дешевизну производства и
стабильность. Немаловажны и линейные размеры носителя, поэтому
специалисты InPhase Technologies решили, что оптимальным вариантом
будет использование фотополимерных дисков, заключенных в особые
картриджи, — примерно как в свое время DVD-RAM. Диаметр
голографического диска ненамного превышает диаметр современных CDи DVD-дисков и составляет 130мм. Необходимо подчеркнуть, что сам диск
полностью находится в «темном» картридже и попадание света на
поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, способную
разрушить записанные данные.
На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase
Technologies уверяет, что в 2008 году появятся и перезаписываемые
носители. Компания-разработчик Tapestry уделила огромное внимание
безопасности информации, благо кое-какие аспекты присутствовали
изначально, в силу самой природы процессов голографической записичтения.
Во-первых, при голографической записи невозможно получить прямой
доступ к носителю, в отличие от жестких дисков и CD, — данные
находятся в глубине носителя, что уже намного усложняет попытки
несанкционированного доступа.
Кроме того, InPhase Technologies озаботилась логическими методами
обеспечения безопасности. Каждый накопитель Tapestry снабжен особой
микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на
диске. При чтении привод в первую очередь обращается к этой
информации, а если, например, ее зашифровать с учетом определенных
условий, считать данные окажется невозможно (без необходимых сведений
для доступа). То же происходит и в случае повреждения информации в
микросхеме — в бытовых условиях диск станет нечитаемым, хотя путем
определенных усилий информацию все-таки можно спасти.
Помимо этого, имеется и более примитивный метод — нанесение
особых меток, которые также необходимо считать и распознать. На более
глубоком уровне защиты расположены уникальные метки с
определенными координатами. Для того чтобы взломать этот вид защиты,
35
требуется красный лазер, недоступный в массовых приводах Tapestry, —
иначе, без знания координат «секретных» меток, данные считать
невозможно.
Весьма эффективна защита, основанная на изменении длины волны
лазера (в диапазоне 403–407 нм). Привод, в котором используется лазер с
«несоответствующей» длиной волны, диск прочитать не сможет. Более
того, возможны даже такие меры, как привязка диска к микропрограмме
конкретного привода, — также при помощи особых встроенных средств
защиты.
Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая
маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать
определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска
потребуется как при записи, так и при считывании данных. После
применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже
не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по
заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она
получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её
не удастся.
Голографическая технология InPhase Technologies выглядит
достаточно впечатляюще, особенно если «примерить» все возможности
Tapestry на потребности корпоративного рынка: высокая емкость, высокая
скорость
записи-чтения
информации,
средства
защиты
от
несанкционированного доступа.
Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гигабайтные
диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года компания InPhase Tech обещает
достигнуть ёмкости 1.6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения
данных на одном диске, как уже говорилось, составляет не менее 50 лет, то
есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными
картриджами.
Нельзя ожидать, что такой носитель, рассчитанный на корпоративный
рынок, будет стоить дёшево. Однако, возможно, развитие технологий
голографической записи позволит когда-нибудь перенести их и на
потребительский рынок.
Остается надеяться, что конечные продукты попадут в приемлемую
ценовую категорию и будут востребованы на рынке СХД.
36
Магнитная технология.
Накопители типа Bernoulli
Этот накопитель является, по-видимому, самым уникальным. Вместо
того, чтобы идти по пути применения жесткого магнитного диска, который
должен иметь защиту против неблагоприятных внешних факторов, в том
числе загрязнений и вибраций, инженеры компании Iomega разработали на
основе принципов динамики потоков, впервые сформулированных
швейцарским математиков XVIII века Даниэлем Бернулли, оригинальный
принцип действия
системы
“гибкий
магнитный диск-головка
чтения/записи”.
Головка чтения/записи, спроектированная с учетом требований
аэродинамики, “плавает” над поверхностью гибкого диска Бернулли.
Воздушные потоки, возникающие вследствие вращения диска с высокой
скоростью, вызывает изгиб части поверхности диска, находящейся под
головкой чтения/записи, в направлении к последней. Однако диск не
соприкасается с головкой, между ними остается небольшой достаточно
стабильный зазор, который обеспечивается потоками воздуха, уравнения
для описания которых впервые предложил Бернулли.
Какое-либо изменение нормальных условий работы накопителя
Бернулли (например, из-за удара или появления пятнышка загрязнения на
поверхности диска ) вызывается нарушение эффекта Бернулли и приводит
к тому, что диск отходит от головки, вместо того чтобы соприкоснуться с
ней (как это бы произошло на обычном винчестере). Благодаря этому
исключается возможность отказов накопителя, поскольку вращающийся
диск практически не может соприкоснуться с головкой. Поэтому диски
Бернулли самые удароустойчивые.
Сам накопитель Бернулли, хотя он является гибким и по виду похож
на обычную дискету, действительности может эксплуатироваться до пяти
лет в режиме считывания/записи - т.е. характеризуется в 20 раз большей
долговечностью, чем дискета, - согласно данным поставщика. Носитель с
бариево-ферритовым покрытием не только позволяет записывать данные с
втрое более высокой плотностью чем носитель с обычных винчестерских
накопителей или НГМД, но и отличается существенно большей
стойкостью к износу, чем у обычных дискет.
Накопители Бернулли по скорости доступа не уступают ряду широко
используемых накопителей на жестких дисках со средним
быстродействием. Так, например, Bernoulli230 имеет емкость одной
кассеты 230 Mb, строенный кэш 256 Кб, интерфейс SCSI-2 или IDE и время
доступа 12 мсек.
Накопители на жестких дисках
37
Что такое жесткий диск
Основными элементами накопителя являются несколько круглых
алюминиевых или не­кристаллических стекловидных пластин. В отличие
от гибких дисков (дискет), их нельзя согнуть; отсюда и появилось название
жесткий диск. В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда
такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют
также накопители со сменными дисками, например устройства Zip и Jaz.
Замечание
Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот
термин появился в 60-е годы, когда фирма IBM выпустила
высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным
дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин,
которые вращались с высокой скоростью, и парящих над ними головок, а
номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30)
совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester,
поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого
стационарно
закрепленного
жесткого
диска.
Это
типичный
профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с
обычными винчестерами (т.е. с оружием) ничего общего.
■ Максимальная емкость возросла от 10 Мбайт для накопителей
размером 5,25" (1982 год) до 20 Гбайт и больше для накопителей размером
3,5" и до 10 Гбайт и больше для накопителей 2,5", используемых в
портативных компьютерах.
■
Скорость передачи данных возросла от 85-102 Кбайт/с в
компьютере IBM XT (1983 год) до более чем 30 Мбайт/с в самых
быстродействующих современных системах
■ Среднестатистическое время поиска уменьшилось от 85 мс для
накопителя компьютера IBM XT объемом 10 Мбайт (1983 год) до менее
чем 8 мс для самых быстродействующих современных накопителей.
Поверхностная плотность записи. Поверхностная плотность записи
является основным критерием оценки накопителей на жестких дисках Она
определяется как произведение линейной плотности записи вдоль
дорожки, выражаемой в битах на дюйм (BPI — Bits Per Inch), и количества
дорожек на дюйм (TPI — Tracks Per Inch). В результате поверхностная
плотность записи выражается в Мбит/дюйм . На основании этого значения
можно сделать вывод об эффективности того или иного способа записи
данных В современных накопителях размером 3,5" величина этого
параметра составляет около 3 Гбит/дюйм , а в экспериментальных моделях
она достигает 10 Гбит/дюйм . Это позволяет выпускать накопители
38
емкостью более 20 Гбайт для портативных компьютеров с одним дискомносителем на 2,5".
Поверхностная плотность записи (и, соответственно, емкость
накопителей) удваивается примерно каждые два-три года. Дальнейшее
повышение поверхностной плотности записи связано с созданием новых
типов носителей (с использованием некристаллических стекло­видных
материалов),
конструкций
головок,
использованием
метода
псевдоконтактной записи, а также статистических методов. Для
достижения более высокого уровня поверхностной плотности необходимо
создать такие головки и диски, которые могли бы функционировать при
минимальном зазоре между ними.
Принципы работы накопителей на жестких дисках
Основные принципы работы накопителей на жестких и гибких дисках
практически одинаковы: данные записываются и считываются
универсальными головками чтения-записи с поверхностей вращающихся
магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как
на рис. 12.3.
Рис. 12.3. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках
В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные
записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве
накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет
выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также
устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково
расположен­ные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в
цилиндр (рис. 12.4). Для каждой сто­роны каждого диска предусмотрена
39
своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на
общем стержне, или стойке. По этой причине головки не могут
переме­щаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.
Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их
вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин
(т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего
времени была почти стандартом для жестких дисков Но в настоящее время
частота вращения жестких дисков возросла Например, в моем портативном
компьютере диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но
уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200 и даже 10
000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от
частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и
количества секторов на дорожке. Кроме того, благодаря сочетанию всех
этих факторов обмен данными с жесткими дисками осуществляется
гораздо быстрее, чем с накопителями на гибких дисках.
Жёсткие диски являются самыми распространёнными устройствами
хранения
информации,
потому
что
они
обладают
такими
характеристиками, которые больше всего привлекают пользователей.
Жёсткий диск – это единая система, собранная из нескольких частей.
Часть её запрашивается в BIOS, а коды жёсткого диска хранятся на
системной плате в ПЗУ. Связь диска с системой реализуется через
интерфейс. Здесь сигналы становятся взаимопонятными для дисковода и
для ПК. Интерфейс может реализовываться отдельным дисковым
контроллером или через электронику, встроенную в дисковод. Существует
множество интерфейсов жёстких дисков, которые могут работать и с
другими устройствами. Это IDE, SCSI, SCSI-2, W-SCSI, U-SCSI и т.д.
Интерфейсом, наиболее часто использующимся в настольных системах,
является IDE. От других он отличается скоростью работы, но современные
его решения позволили приблизить его показатели к системам,
работающим на интерфейсе SCSI, по крайней мере в настольных системах.
Остальные же интерфейсы нашли своё применение главным образом в
сетевой индустрии как накопители для серверов.
Для работы жёсткому диску необходимо реализовать 3 функции:
нужно усилить слабые логические сигналы до значений, способных
изменить магнитную направленность доменов во время записи
информации и различить слабые сигналы магнитного покрытия во время
чтения и преобразовать их в форму, понятную остальной системе; головка
диска должна позиционироваться с точностью до домена при выполнении
операций чтения/записи; подложка должна вращаться с как можно более
постоянной скоростью, чтобы последовательное чередование доменов по
радиусу происходило через равные промежутки времени. Различия
характеристик каждой части влияют на производительность всего жёсткого
диска в целом и на совместимость компьютерных систем.
40
Массивы жёстких дисков
Массивы жёстких дисков используются там, где необходимо
сохранить громадные объёмы хранимой информации и при этом сделать
минимальным риск потери этой информации в результате какого-либо
сбоя. Объём современных массивов жёстких дисков может достигать
нескольких сотен терабайт.
Идея массивов элементарна: объединить несколько жёстких дисков
для создания массива виртуальной системы. Но это не простое
подключение нескольких дисков к одному контроллеру. В массиве работа
дисков координируется, и специальный контроллер распределяет между
ними информацию. Вращение каждого диска в массиве синхронизировано,
и каждый байт данных может храниться на нескольких дисковых
поверхностях.
Очевидное преимущество – ёмкость. На двух дисках может храниться
больше, чем на одном, а на четырёх – больше чем на двух. Но массивная
технология позволяет ускорить процесс обработки информации и
увеличить надёжность. Секрет кроется в способе объединения дисков в
массив. Они не образуют последовательность, когда после заполнения
одного диска начинает заполняться другой. Вместо этого каждый байт
информации делится между дисками. Например, в системе с четырьмя
дисками два бита каждого байта идут на первый диск, следующие два на
второй и т.д. Таким образом, каждый байт данных обрабатывается в
четыре раза быстрее, чем в однодисковой системе.
Выигрыш в ёмкости и производительности подкрепляется большой
надёжностью системы. Ключ – в избыточности. При разбиении
информации между дисками она записывается с перекрытиями. Например,
в системе с четырьмя дисками на каждый диск записывается не по 2 бита, а
по 4. Так на первый диск запишутся первые четыре бита, на второй тоже
четыре, но начиная с третьего, на третий – начиная с пятого и т.д. Такая
технология позволяет восстановить потерянную в одном месте
информацию или даже в случае выхода из строя целого диска.
Такие диски называют защищёнными от сбоев. Приведённый выше
пример показывает примитивнейший алгоритм работы массива.
Улучшенные способы кодировки позволяют избежать дублирования
каждого бита. Более того, повреждённый диск может быть заменён без
прекращения работы остальной системы.
Электронная технология.
Электронная технология в настоящее время применяется в
микросхемах памяти для различных устройств и в чипах, где хранятся
системные настройки ПК или других устройств (например, BIOS).
Электронная технология позволяет добиться производительности в тысячи
раз больше, чем в других устройствах накопления информации, при
41
меньших размерах и при меньших энергозатратах. Современные чипы
имеют объём 256 Mb при скорости доступа менее 10 нс.
Наиболее часто используемым типом памяти является DRAM
(Dynamic Random Access Memory). Они называются динамическими
потому, что хранят данные в виде электрических зарядов, которые
медленно разряжаются и должны периодически обновляться для
обеспечения достоверности хранимых данных.
В случае обычных DRAM-микросхем каждому чипу требуется период
восстановления между последовательными операциями чтения или записи,
что может вызвать снижение общей скорости системы в случае нескольких
последовательных обращений к такому чипу. Время, которое требуется для
упомянутого восстановления, называется временем доступа чипа, и оно
может представлять принципиальное ограничение для скорости всей
памяти системы.
Для
минимизации
задержек,
предполагаемых
в
случае
последовательных обращений к чипу памяти, были созданы микросхемы
памяти других типов. Чипы памяти страничного режима разрешают
повторный доступ в пределах одного блока памяти в чипе без периода
восстановления. Похожий тип микросхем, которые называются staticcolumn RAM-микросхемами, позволяет повторяющийся доступ в пределах
колонки, и это тоже не ведёт к ограничениям скорости.
Статическая RAM представляет собой совершенно другую
технологию памяти, при которой данные сохраняются путём изменения
положения электронных переключателей, называемых флип-флопы.
SRAM-микросхемы не требуют периодов восстановления и имеют более
высокое быстродействие, чем DRAM-микросхемы.
Микросхемы видео-RAM – это специальный вариант DRAMмикросхем с двумя портами, когда данные могут записываться в чип и
одновременно считываться из другого порта. Данный тип памяти
применяется в видеоадаптерах, потому что он позволяет обновлять
изображение (вести запись в чип) в то время, когда данные из него
посылаются на экран. Существует также WRAM (Window RAM),
предложенная фирмой Samsung, которая также применяется в
видеоадаптерах.
Существуют также и другие виды памяти. Это PROM (Programmable
ROM), EPROM (Erasable PROM) – память, которая может быть
подвергнута многократному стиранию и перепрограммированию (стирание
обычно предполагает то, что чип будет подвергнут сильному
ультрафиолетовому излучению через специальное окошечко в верхней
части корпуса), EEPROM (Electrically Erasable ROM) – то же самое, но с
помощью электрических сигналов, но не таких как в случае DRAM. FlashROM – это специальная разновидность EEPROM, но приспособленная для
частых стираний и перепрограммирований. Также, не так давно в
компьютерной индустрии стала использоваться SDRAM и RDRAM
42
(Synchronous DRAM и Rambus DRAM) – памяти с очень маленькими
временами доступа и конвейерной организацией.
AT83SND2CMP3
Однокристальный MP3-декодер с полным аудио интерфейсом
Отличительные особенности:
Аппаратный декодер MPEG I/II-Layer 3
– Автономный MP3-декодер
– Частота дискретизации 48, 44.1, 32, 24, 22.05, 16 кГц
– Раздельная регулировка громкости на левом и правом канале
(программное управление, 31 ступень)
– Управление тембром низких, средних и высоких частот (31 ступень
регулировки)
– Эффект усиления низких частот
– Вспомогательное извлечение данных
– Индикаторы ошибки CRC и синхронизации кадра MPEG
20-разрядный аудио ЦАП
- Стереофонический канал воспроизведения с отношением сигнал-шум
93 дБ
– Драйверы наушников 32 Ом/20 мВт
–
Стереофонический
линейный
вход,
вспомогательный
дифференциальный монофонический вход
Программируемый аудио выход для подключения к внешней
аудиосистеме
– I2S-совместимый формат
Монофонический аудио усилитель мощности
– 440 мВт на нагрузке 8 Ом
Контроллер USB версии 1.1
- Полноскоростная передача данных
Встроенная схема ФАПЧ
– Синхронизация преобразования MP3
– Синхронизация интерфейса USB
Интерфейс флэш-карт MultiMediaCard и Secure Digital
Стандартный полноскоростной дуплексный УАПП с генератором
скорости связи
Управление энергопотреблением
- Сброс при подаче питания
– Режим холостого хода, режим снижения мощности
Рабочие условия:
– 2.7…3В, ±10%, 25 мА при температуре 25ºC (типичные значения)
– 37 мА (типичное значение) при температуре 25ºC при
воспроизведении музыки в наушниках
– Температурный диапазон: -40ºC…+85ºC
– Напряжение питания усилителя мощности 3.2…5.5В
Корпуса
43
– 100-выв. CTBGA
Области применения:
MP3-плееры
Персональные цифровые помощники, камеры, мобильные телефоны с
воспроизведением MP3
Автомобильные аудиосистемы с воспроизведением MP3
Домашние аудиосистемы с воспроизведением MP3
Игровые устройства
Промышленная фоновая музыка/подсказки
Области применения:
Демультиплексор позволяет легко связать высокоскоростной поток
данных аналогово-цифрового преобразователя (TS8388B, TS83102G0B,
AT84AS008) со стандартными FPGA-процессорами (125…500 МГц).
Описание:
AT83SND2CMP3 разработан в качестве универсального MP3-плеера с
дистанционным управлением, с помощью которого можно легко
реализовать функцию воспроизведения MP3 музыки в большинстве
существующих систем. Он идеально вписывается в конфигурацию
мобильных телефонов и игровых устройств, но также может
интегрироваться в любое портативное оборудование и промышленные
приложения.
Аудио файлы и любые другие данные могут храниться в Nand-флэшпамяти или в извлекаемой флэш-карте, например, MultiMediaCard (MMC)
или Secure Digital (SD). Хранение музыки осуществляется чрезвычайно
просто, также как и любых других данных в стандартной файловой
системе FAT12/16 и FAT32.
Благодаря интегрированию порта USB данные могут считываться и
записываться под управлением персонального компьютера с любой
операционной системой: Windows, Linux или Mac OS.
Файловая система управляется AT83SND2CMP3, тем самая, избавляя
от необходимости иметь дополнительный управляющий процессор.
Помимо шины USB, аудио MP3 система может быть связана с любым
микропроцессорным устройством посредством недорогой линии связи
УАПП, через который управляющий контроллер может дистанционно
управлять всеми функциями MP3-декодера посредством специального
протокола управления.
44
45