Организация данных и основные характеристики CD-ROM
Компакт-диск –оптический или магнитно-оптический диск, предназначенный для записи и чтения цифровых данных при помощи лазерного луча. Технология лазерных компакт-дисков продолжает развиваться сразу в нескольких направлениях. Это CD-ROM, DVD-ROM, устройства с однократной и многократной записью CD-R и CD-RW, перезаписываемые DVD.
Технологии изготовления CD-ROM уже более десяти лет. За этот немалый для компьютерных технологий срок сменилось несколько поколений накопителей CD-ROM. Рассмотрим основы технологии CD-ROM и ее главные характеристики. Толщина диска составляет 1,2 мм, диаметр – 120 мм. Диск изготавливается из прозрачного поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака. Информация на диске записана в виде чередования углублений в поверхности металлического слоя (load). Двоичный нуль представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица – в виде границы между ними.
В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области.
• Входная директория (lead in) – область в форме кольца шириной 4 мм, ближайшего к центру диска. Считывание информации с диска начинается именно со входной директории, где содержатся оглавление (Table of Contents – ТОС), адреса записей, число заголовков, суммарное время записи (объем), название диска (Dick Label).
• Основная область данных, или файловая система, представлена на диске кольцом шириной 33 мм.
• Выходная директория (lead out) с меткой конца диска.
Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, полупроводниковый лазер, система оптических линз и датчиков, электронная схема предварительной обработки информации и управления приводом.
В настоящее время можно выделить семь основных групп задач, решаемых с помощью накопителей CD-ROM:
• установка и обновление программного обеспечения;
• работа с программными продуктами;
• поиск информации в базах данных, архивах, энциклопедиях, справочниках;
• работа с обучающими, развлекательными и игровыми программами;
• просмотр видеофильмов и фотоизображений;
• использование накопителя CD-ROM в качестве разделяемого ресурса локальной компьютерной сети;
• прослушивание музыкальных компакт-дисков.
Рассмотрим основные характеристики приводов CD-ROM с точки зрения их влияния на производительность накопителя в составе персонального компьютера и качество решения задач, возлагаемых на накопитель. К основным характеристикам приводов CD-ROM относятся:
• скорость передачи данных (Data Transfer Rate – DTR);
• среднее время доступа (Access Time – AT);
• объем буферной памяти (Buffer Memory);
• коэффициент ошибок (Error Rate);
• средняя наработка на отказ (Mean Time Between Failure – MTBF);
• тип интерфейса;
• перечень поддерживаемых форматов CD;
• параметры трактов воспроизведения.
Скорость передачи данных DTR – это максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD-ROM, которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связан такой параметр, как скорость вращения диска (“кратность”). Первое поколение приводов (или дисководов) CD-ROM имели скорость передачи данных 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиоCD. Скорости передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратны этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название “накопителей с двух-, трех-, четырехкратной и т.д. скоростью”. Причем скорость передачи данных приводов с n-кратной скоростью зависит от типа читаемой информации. Например, если считывается информация со звукового диска, то скорость передачи составляет 150 Кбайт/с (normal speed), а если считываются файлы данных, то скорость передачи может быть равна 300, 450, 600 Кбайт/с и т. д. Иногда для характеристики накопителей на CD-ROM используют такой показатель, как скорость постоянной передачи данных (Sustained Data Transfer – SDT).
Скорость передачи данных приводов CD-ROM различной кратности представлена ниже:
Продолжение
С переходом на быстродействующие модели приводов наметилась тенденция к размыванию понятия “кратность”. Дело в том, что термин “кратность” соответствует не угловой скорости вращения диска, а линейной скорости движения дорожки диска относительно считывающего устройства. В этом состоит важное отличие накопителя CD-ROM, например, от накопителя на жестких дисках. Если одной из главных целей конструкторов жестких дисков было повышение средней производительности накопителей, то дисководы CD-ROM изначально проектировались для нужд аудиотехники, где требовалось, прежде всего, постоянство скорости передачи данных, независимо от того, с какой области диска в данный момент производится считывание – с внешней или внутренней. До недавнего времени приводы CD-ROM, в отличие от накопителей на магнитных дисках, использовали метод считывания информации с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity – CLV), при котором угловая скорость вращения диска является величиной переменной, зависящей от места считывания информации (уменьшается по мере продвижения головки от центра к краю диска).
Для преодоления серьезных технических проблем, возникающих при скоростях передачи информации 2400 Кбайт/с (кратность 16х) и более, производители CD-ROM начали выпускать накопители с частично-постоянной угловой скоростью вращения диска PCAV (Partial Constant Angular Velocity). При использовании метода PCAV (иногда встречается обозначение CLV-CAV) паспортное значение скорости передачи информации достигается только при считывании данных из области на внешнем крае диска, а в области, ближайшей к центру, этот параметр может быть меньше указанного почти в два раза.
Интересное решение предложено специалистами фирмы Hitachi для поддержания постоянной производительности накопителя при чтении как на внешних, так и во внутренних областях диска (Hitachi 16maX Partial CAV-технология). По мере того как оптическая головка перемещается от внутренних областей диска к внешним, скорость передачи данных растет благодаря постоянной скорости вращения диска (CAV-режим).
Современные приводы CD-ROM по максимальной скорости считывания данных превосходят устройства первого поколения в 32–50 раз (32х – 50х, где 1х соответствует 150 Кб/c). Увеличение скорости чтения приводов CD-ROM – это фактически единственное направление совершенствования. Для 40–50-скоростных приводов скорость вращения достигает очень высоких величин – 8600–10400 об/мин. При таких скоростях для обеспечения надежного считывания требуются особые меры. В частности, фирма ASUSTEK снабжает свои приводы 43х, 36х, 40х, 50х специальной виброзащитой, обеспечивая надежное считывание на любой скорости.
В последнее время предложено принципиально новое решение, которое позволяет резко увеличить скорость чтения без увеличения скорости вращения диска. Технология, получившая название TrueX, разработана фирмой Zen Research. Основана она на параллельном считывании данных с нескольких соседних витков дорожки. Первой приводы CD-ROM, использующие эту технологию, выпустила фирма Kenwood. В новых приводах применен более широкий луч лазера, засвечивающий одновременно 7 дорожек, данные с которых считываются параллельно с помощью специального датчика матричного типа.
Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом, или скоростью ошибок (Error Rate). Данный параметр отражает способность привода CD-ROM корректировать ошибки записи/чтения. Паспортные значения коэффициента ошибок составляют 10–10–10–12. Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Когда привод считывает данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, он регистрирует группу ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить за счет избыточности помехоустойчивого кода (применяемого при записи/чтении), то привод переходит на пониженную скорость считывания данных с многократным его повтором. Если механизм коррекции ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение “Сектор не найден” (Sector not found). В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.
Среднее время доступа AT (Access Time) – это время (в миллисекундах), которое требуется приводу для нахождения на носителе нужных данных.
Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных (выбранных случайным образом) участков диска. По мере совершенствования приводов CD-ROM величина среднего времени доступа уменьшается, но все же этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100–200 мс для CD-ROM и 8–12 мс для жестких дисков). Столь существенная разница объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок, и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки в приводе CD-ROM. Типовые значения среднего времени доступа приводов CD-ROM представлены ниже:
Приведенные данные характерны для высококачественных устройств. В каждой категории накопителей (с одинаковой кратностью) могут быть устройства с более высоким или более низким значением среднего времени доступа.
Объем буферной памяти (Buffer Memory – ВМ) – это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (или кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью. Например, данные обычно размещены в различных областях диска, а поскольку накопители на CD-ROM имеют относительно большое время доступа, это может привести к задержке поступления данных в компьютер. Это практически незаметно при работе с текстовыми файлами, но при выводе видеоизображений или звукового сопровождения паузы недопустимы. Если для управления приводом CD-ROM используются специальные программы-драйверы, то в буферную память может быть заранее записано оглавление диска. В этом случае обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит значительно быстрее.
Оптимальный объем буферной памяти определяется многими факторами. Принято считать, что для приводов CD-ROM с двукратной скоростью объем буферной памяти должен составлять не менее 64 Кбайт, а для накопителей с кратностью 4х и выше – не менее 256 Кбайт. Современные устройства имеют буферную память объемом 256–512 Кбайт.
Средняя наработка на отказ MTBF (Mean Time Between Failure) – это среднее время (в часах), характеризующее безотказность работы привода CD-ROM. MTBF определяет надежность накопителя как технического устройства.
Для первых моделей приводов CD-ROM средняя наработка на отказ составляла около 30 тыс. ч, или 3,5 года круглосуточной работы. У современных моделей этот показатель лежит в пределах 50–125 тыс. ч, что почти на порядок превышает срок морального старения накопителя.
Параметры аудиотракта. Поскольку приводы CD-ROM используются и для воспроизведения аудиодисков формата CD-DA (Compact Disk-Digital Audio), то они характеризуются и параметрами, описывающими качественные показатели тракта звуковоспроизведения, а именно:
• полосой воспроизводимых частот;
• динамическим диапазоном;
• отношением сигнал/шум;
• коэффициентом нелинейных искажений;
• сопротивлением на выходе;
• э. д. с. сигналов на выходе;
• переходным затуханием между каналами и др.
По этим характеристикам можно судить о том, способен ли привод CD-ROM заменить пользователю аудиоCD-проигрыватель.
Типы интерфейсов
Как и для жестких дисков, основное разделение приводов CD-ROM на классы производится по типу интерфейса. Для подключения к компьютеру в приводах CD-ROM могут использоваться следующие интерфейсы:
• стандартные интерфейсы типов IDE, EIDE/ATAPI;
• стандартные интерфейсы SCSI;
• нестандартные интерфейсы, применяемые производителями CD-ROM в одной или серии моделей своих приводов.
Интерфейс IDE хорошо известен и широко используется как интерфейс накопителей на жестких дисках. Попытка устранения ограничений по скорости передачи данных для интерфейса IDE и ограничений по емкости накопителей привели к появлению модифицированного интерфейса EIDE/ATAPI, предложенного фирмой Western Digital. Этот интерфейс поддерживает работу до четырех устройств, в том числе приводов CD-ROM. Включение привода CD-ROM с интерфейсом EIDE в систему компьютера осуществляется с помощью драйверов привода и/или операционной системы без изменения установок программы Setup BIOS, т.е. не требуется информирование BIOS о наличии нового периферийного устройства. Для новых моделей IDE приводов CD-ROM начинают все шире использоваться скоростные варианты интерфейса, то есть поддерживающие режим UltraATA/33.
Приводы с интерфейсом SCSI относятся к более высокому классу. Для них характерен более сбалансированный подход, в частности, скорость чтения чрезмерно не форсируется, используются большие объемы кэш-памяти.
Интерфейс SCSI предусматривает подключение к одному адаптеру до семи устройств, в том числе приводов CD-ROM. Интерфейс SCSI является наиболее универсальным, имеет явные преимущества при просмотре видеоизображений, однако его аппаратная реализация дороже, чем реализация интерфейса EIDE.