3. Технологии сменных носителей

Гибкие магнитные диски

В 1969 г. первая реализация гибкого диска была использована в системе универсальных компьютеров IBM 370. Это было устройство только для чтения, в форме пластмассового диска диаметром 8" (20 см), покрытого оксидом железа, весом менее 2 унций и емко­стью около 80 Кбайт. Диск размещался в защитном корпусе, обли­цованном изнутри тканевым покрытием для его очистки.

В 1973 г. IBM выпускает новую версию такого устройства для использования в системах ввода данных серии 3740. Оно имело совершенно другой формат записи, двигатель вращался в противоположном направлении, устройство обладало способностью как чте­ния, так и записи и имело вместимость 256 Кбайт. В 1976 г. (при­мерно в это время персональные компьютеры выходили на сцену) форм-фактор 8" был заменен дискетой в 5,2", а затем - 3,5".

Первоначально 5,25"(133 мм) дискета имела вместимость 160 Кбайт, которую быстро сменили 180 и затем 360 Кбайт с появ­лением двусторонних дисков. В 1984 г. 5.25" дискета достигла мак­симальной вместимости в 1,2 Мбайт, и тогда же Apricot и Hewlett-Packard начали выпускать персональные компьютеры с но­вым 3,5" (89 мм) дисководом Sony емкостью 720 Кбайт. Через три года емкость удвоилась до 1,44 Мбайт (табл. 3.11).

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным оксидом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищаю­щее покрытие. В упаковке с двух сторон сделаны радиальные про­рези, через которые головки считывания/записи накопителя полу­чают доступ к диску (рис. 3.16, 3.17).

Когда диск 3,5" вставляется в устройство, защитная металличе­ская заслонка отодвигается, шпиндель дисковода входит в среднее отверстие, а боковой штырек привода помещается в прямоугольное отверстие позиционирования, расположенное рядом. Двигатель вра­щает диск с частотой 300 об/мин.

Головка перемещается ведущим винтом, который в свою оче­редь управляется шаговым двигателем, и, когда винт поворачивает­ся на определенный угол, головка проходит установленное расстоя­ние. Плотность записи данных на дискету ограничивается точно­стью шагового двигателя, в частности, это означает 135 tpi для дискет 1,44 Мбайт. Диск имеет четыре датчика: дисковый двигатель; защита от записи; наличия диска; и датчик дорожки 00 (останов на краю дискеты).

Дисководы для гибких дискет (рис. 3.18) используют так называемый «трекинг разомкнутого цикла», они фактически не ищут дорожки, но просто устанавливают головку в «правильную» позицию. В жестких дисках, наоборот, двигатели сервомотора используют го­ловки для проверки позиционирования, что позволяет производить запись с поперечной плотностью во много сотен раз выше, чем это возможно на гибком диске.

За прошедшие годы был ряд попыток увеличить вместимость дискеты, но ни одна не имела успеха. В 1991 г. IBM предложила стандарт на НГМД 2,88 Мбайт, использующие дорогие бариево-ферритовые диски - ED-дискеты (Extra High Density), однако это решение не получило распространения. В 1993 г. Iomega и ЗМ предложили «флоптический» диск емкости 21 Мбайт; однако этого не было достаточно, чтобы привлечь интерес потребителей, и изде­лие исчезло с рынка - оно было чрезмерно дорогим и имело слиш­ком маленькую емкость.

Таблица 3.11. Основные этапы исторической последовательности развития форматов гибких МД
Формат гибкого диска	Год выпуска	Форматированная емкость, KiB, если не указано
8" - IBM 23FD (только чтение)	1969	81,664 Кбит
8" - Memorex 650	1972	175,000 Кбит
8" - SSSD IBM 33FD / Shugart 901	1973	256,256 Кбит
8" - DSSD IBM 43FD / Shugart 850	1976	512,512 Кбит
5^1/4" (35 track)	1976	89,6
8" DSDD IBM 53FD / Shugart 850	1977	1200
5 ^1/4" DD	1978	360
3 ^1/2" HP односторонний	1982	280
3"	1982	360
3 ^1/2" (DD при первом выпуске)	1984	720
5 ^1/4" QD	1982 YE Data YD380	1 182 720 байт
3" DD	1984	720
3" Mitsumi Quick Disk	1985	128-256
2"	1985	720
5 ^1/4" Perpendicular	1986	100 MiB
3 ^1/2" HD	1987	1440
3 ^1/2" ED	1991	2880
3 ^1/2" LS-120	1996	120,375 MiB
3 ^1/2" LS-240	1997	240,75 MiB
З ^1/2" HiFD	1998/99	150/200 MiB

Сокращения:

KiB - KibiByte (1024 байт ≈ 1 Кбайт), MiB - MiBibyte (1024 KiB ≈ 1 Мбайт);

SD (Single Density) - одинарная плотность - 48 tpi (дорожек на дюйм);

DD (Double Density) - двойная плотность (96 tpi);

QD (Quad Density) - учетверенная плотность;

HD (High Density) - высокая плотность (135 tpi);

ED (Extended Density) - повышенная плотность;

LS (Laser Servo) - лазерное позиционирование головок;

HiFD (High capacity Floppy Disk) - дискеты высокой емкости;

SS (Single Sided) - односторонняя запись;

DS (Double Sided) - двусторонняя запись.

Компакт-диски

Компакт-диск (CD) относится к внешней памяти и предназна­чен для длительного хранения программ и данных.

Вначале компакт-диски использовались исключительно в высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуре, заменяя устаревшие виниловые пластинки и магнитофонные кассеты. Однако вскоре лазерные диски стали использоваться и на персональных компьютерах. Компьютерные лазерные диски были названы CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory, или «компакт-диск - память только для чтения»). В конце 90-х гг. устройство для работы с CD-ROM стало стандартным компонентом любого персонального компьютера, а подавляющее большинство программ стало распро­страняться на компакт-дисках.

Принятый несколько позже международный стандарт ISO 9660 для цифровых компакт-дисков в принципе совпадал с основными положениями HSG. Компакт-диски, 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 содержание (Volume Table Of Contents - VTOC).

Для большинства компакт-дисков хранимая впоследствии на них информация заносится за один технологический цикл, или се­анс (single session). Оглавление диска, т. е. указатель того, где и как на нем хранится информация, содержится в VTOC. Однако после того как появилась технология, позволяющая дописывать информа­цию на специальные (дописываемые) CD-ROM, речь пошла уже о многосеансовых компакт-дисках и соответствующих приводах (multi session). Так, многосеансовые записи определены в форматах Kodak PhotoCD и CD-ROM XA (eXtended Architecture).

Появились диски с возможностью многократной записи CD-RW (Compact Disk - Rewritable: перезаписываемый компакт-диск). В настоящее время CD-R и CD-RW являются наиболее удобными средствами хранения и передачи больших объемов информации.

Стоимость хранения информации на компакт-дисках меньше, чем на любых других носителях.

Физическое устройство компакт-диска. Компакт-диск состоит из нескольких слоев, соединенных в единую круглую тонкую пла­стину. Диаметр подавляющего большинства компакт-дисков состав­ляет 120 мм, что равняется пяти дюймам. Стандартный 5-дюймовый диск содержит 640-700 Мбайт информации.

CD-ROM, созданный промышленным способом, состоит из трех слоев (рис. 3.19, а). Основа диска, созданная из прозрачного поли­карбоната, занимает основной объем диска. При изготовлении осно­вы методом штамповки или литья под давлением на нее наносится информационный узор, и в результате чего получается прозрачная пластиковая пластина, гладкая с одной стороны, а с другой - содер­жащая множество микроскопических впадин (называемых иногда питами, от англ. pit - углубление), глубина которых отсчитывается от поверхности (land). Далее на основу наносится отражающий металлический слой (чаще всего алюминий, хотя могут использо­ваться и другие металлы или сплавы), а затем - защитное покрытие из тонкой пленки поликарбоната или специального лака, на кото­ром часто размещается полиграфия - различные рисунки и надписи (рис. 3.19).

После создания всех слоев диск готов к использованию. Инфор­мация считывается с рабочей стороны диска через прозрачную ос­нову. Штампованный информационный узор и отражающий слой отражают луч считывающего лазера по-разному в разных участках.

Изготовление штампов для CD

Премастеринг. Термин «премастеринг» относится ко всем Шагам первой стадии изготовления диска. Сначала осуществляется кодирование на уровне ISO (логическое), включающее подготовку данных, индексирование, тестирование и создание образа диска. За­тем осуществляется кодирование на уровне CD (физическое), что включает внедрение в данные образа диска ряда служебных дан­ных - добавляются адреса секторов, синхронизация, обнаружение и коррекция ошибок и другие требуемые байты, что образует, в кон­це концов, файл, описывающий том CD в формате ISO 9660 («premastered file», «premastered source»).

Мастеринг. Поскольку стеклянная болванка (пластина около 10" диаметра и 6 мм толщины - «glass master»), на которой форми­руется матрица для печати CD, используется многократно, первым шагом технологического процесса является смывка фоторезистивного материала, оставшегося от прошлого раза. Затем очистка, про­мывка деионизированной водой и нанесение нового жидкого слоя фоторезиста и просушивание. После этого диск помещается в лазер­ное пишущее устройство (Laser Beam Recorder - LBR), соединенное с ПК. Для записи (мастеринга) используется голубой или фиолетовый лазер, луч которого модулируется так, чтобы экспонировать фоторезист в точках, где должны быть расположены углубления (питы, pits); запись происходит с постоянной линейной скоростью. Питы должны удовлетворять геометрическим требованиям, специфициро­ванным в «Красной книге» (Red Book) - рис. 3.19, б. После записи болванка помещается в раствор NaOH, смывающий засвеченные участки фоторезиста. Стеклянная поверхность не подвергается изме­нениям в этом процессе, а только является носителем фоторезиста.

Обработанная таким образом болванка методом вакуумного на­пыления покрывается тонким слоем (около 1 молекулы толщиной) серебра, образуя металлизированную болванку («metalised» glass master).

Затем электролизным методом на серебро наносят слой никеля, который затем снимается со стекла, образуя металлический лист, именуемый «отцом» («father»). Будучи зеркальным отображением нанесенных данных, он может уже использоваться для печати CD, однако процесс на этом не заканчивается, поскольку необходимо множество копий такого штампа. Поэтому «отец» используется для получения своего опять же никелевого обратного изображения - «матери» («mother»), которое применяется для производства подоб­ных «отцу» рабочих штампов (называемых «сын», «son»).

Перед передачей в производство штампы проходят тщательную выбраковку на предмет точности расположения центрального от­верстия, наличия продольных и поперечных биений при вращении на устройстве под названием «stamper player».

Рабочий штамп («stamper») используется для нанесения информационного узора на поверхность полимерной основы CD, которая затем покрывается отражающим алюминиевым и защитным акрило­вым слоями.

Накопитель на компакт-диске (CD-ROM). Считывание инфор­мации с компакт-диска так же, как и запись, происходит с помо­щью лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности.

Лазер излучает когерентный свет, состоящий из синхронизиро­ванных волн одинаковой длины (рис. 3.20, а). Луч, попадая на от­ражающую свет поверхность, через расщепляющую призму откло­няется на фотодетектор, который интерпретирует это как «1», а по­падая во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует «0».

В отличие от винчестеров, дорожки которых представляют концентрические окружности, компакт-диск имеет одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружной сто­роны диска к внутренней. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических: каждый из ее 360-гра­дусных фрагментов рассматривается как отдельная дорожка по ана­логии с магнитными дисками.

В то время как 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 треков осуществляется с увели­ченным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов.

Технология TrueX (Kenwood Technologies). Данный метод позволя­ет увеличить скорость передачи данных с диска за счет распаралле­ливания считывания. Излучение обычного лазерного диода пропус­кается через дифракционную решетку, которая расщепляет его на семь отдельных лучей, расположенных так, чтобы сканировать 7 до­рожек CD, центральная из которых является текущей, а остальные, прочитанные в буфер, обеспечивают возможность как повышения скорости обмена, так и улучшения надежности (рис. 3.20, б).

Механизм привода не имеет существенных отличий от традици­онного. Kenwood Technologies выпустила первый CD-ROM диско­вод TrueX со скоростью 40х в августе 1998 г. и через 6 месяцев - достигла скорости 52х.

Дисковод TrueX обеспечивает скорость передачи от 6750 до 7800 Кбайт/с (или 45х - 52х) на всей поверхности диска, в то время как обычный дисковод 48х-max - на внутренних дорожках работает со скоростью 19х, достигая скорости 48х на внешних дорожках (если, конечно, диск заполнен).

Записываемые форматы CD

CD-R. Тип оптического диска для одноразовой записи (Write Once/Read Many storage - WORM) был известен с конца 1980-х гг. При записи данных на WORM физические отметки (марки) делают­ся на поверхности носителя маломощным лазером и так как эти марки не могут быть стерты, запись осуществляется только однажды.

Характеристики записываемого компакт-диска были определе­ны в стандарте Orange Book II («Оранжевая Книга, часть II») в 1990 г. и первой на рынок с изделием CD-R в середине 1993 г. вы­шла компания Philips. Здесь использовалась та же технология, что и в WORM - изменение степени отражающей способности органиче­ского окрашивающего слоя, который играл роль отражающего алю­миниевого слоя в обычных CD-ROM. В первых версиях CD-R использовался окрашивающий слой из цианинов (cyanine), или их нейтральных к контакту с металлами производных. В дальнейшем стали применять фталоцианины (phtalocyanine), которые, как оказа­лось, менее подвержены деградации от воздействия видимого света или ультрафиолета (рис. 3.21, а).

Красящий слой из азосоединений, которые ранее использова­лись в других оптических носителях записи, теперь также применя­ется в CD-R.

Изготовители CD-R используют эти различные красители, ком­бинируя их, варьируя толщину окрашивающих и отражающих слоев и т. д. для получения широкого диапазона таких характеристик, как долговечность, скорость записи и мощность лазера, используемого при записи. Для устранения недостатков, присущих алюминиевому отражающему слою обычных CD, здесь используют отражающие слои из сплавов серебра или золота.

Цвет диска CD-R определяется красителями, которые использу­ются в записывающем слое, и меняется, если в отражающий слой добавлено золото или серебро. Эти сочетания (отражающий и кра­сящий слои) дают эффект зеленой, синей или золотистой окраски. Например, «золотисто-зеленые» диски используют отражающий слой из золота в сочетании с цианиновым красителем, что вызывает золотистый отблеск на стороне основы и зеленый - на стороне за­писи-чтения (такие диски выпускает, например, Taiyo Yuden). Mitsui Toatsu Chemicals выпускает «золотисто-золотые» диски. «Се­ребристо-синие» CD-R, изготовленные по технологии, запатенто­ванной Verbatim (Metall-Azo), стали выпускаться с 1996 г. «Серебриcто-серебряные» («платиновые») диски Ricoh, основанные на «мо­дифицированном цианиновом красителе», появились на рынке в середине 1998 г.

На записываемом диске имеется спиральное углубление (веду­щая дорожка), отштампованное при его изготовлении, на которое в дальнейшем заносятся данные. При записи пишущая лазерная го­ловка следует вдоль этой дорожки и в результате диск получает такие же характеристики, что и обычный компакт-диск - ширина дорож­ки 0,6 мкм и подача (шаг) дорожки - 1,6 мкм. Запись начинается от внутренней части диска и на полном диске спиральная фонограмма делает 22188 оборотов или примерно 600 оборотов на 1 мм.

Если обычный CD-ROM изготовляется путем механической штамповки углублений (марок, «питов»), при записи CD-R использу­ется лазер, «выжигающий» метки в органическом красителе. Будучи нагретой до критической температуры, «выжженная» область стано­вится непрозрачной (или поглощающей) и при считывании отражает меньшее количество света, чем смежные участки, которые не были нагреты лазером. Эта технология подражает способу, которым инфор­мация считывается с обычного CD, когда свет полностью отражается от поверхности («land»), но рассеивается углублением («pit»),

В отличие от технологии WORM, диски CD-R не позволяют стирать ранее записанные данные, однако они позволяют последовательно добавлять их за несколько сеансов (или сессий) в свобод­ные области диска. Проблема заключается в том, что такие мультисессионные диски могут быть не считаны полностью на более ранних версиях проигрывателей, компьютеров или при ис­пользовании устаревших операционных систем.

Изготовители устройств записи CD-R в середине 1990-х гг. начали быстро повышать их характеристики с одновременным удешевлением. В 1998 г. типичными характеристиками были - «четырехскоростная» скорость записи и «двенадцатискоростная» ско­рость считывания (что обозначается как «4х/12х»).

Первоначально CD-R выпускались в форматах 63- или 74-мин, этому соответствовали емкости в 550 или 650 Мбайт, в дальнейшем появляются диски емкостью 700 Мбайт. Формат CD-R не был сво­боден от проблем совместимости. В отличие от обычных ком­пакт-дисков, отражающая поверхность CD-R рассчитана так, чтобы точно соответствовать свету лазера обычного плеера CD-ROM (780 нм). Если поместить такой диск в дисковод первого поколения (лазер с длиной волны в 650 нм), то нет никаких гарантий точного счи­тывания информации. В последующем были разработаны лазерные головки с изменяемой (двойной) длиной волны, и эта проблема была решена.

CD-RW - перезаписываемый CD (rewritable CD). В середине 1997 г. был предложен стандарт CD-RW (известный как Orange Book III), который позволяет пользователю делать запись по старым данным или удалять отдельные файлы. Спецификации CD-RW га­рантируют совместимость в пределах семейства устройств считыва­ния компакт-диска так же, как и совместимость с CD-ROM.

Технология CD-RW - изменение оптического состояния (фазы) вещества - сама по себе далеко не новость. Заметим, одна­ко, что технологии CD-RW не требуют воздействия магнитных по­лей (как это используется в магнитооптических накопителях). На­копитель CD-RW отличается от дисков CD-R, и их структура в сво­ей основе сходна с дисками CD-R (пол и карбонатная основа с выплавленной ведущей спиральной дорожкой), но с существенны­ми различиями в подробностях - записывающий слой размещен между слоями диэлектрика, которые отводят от него избыточное те­пло в процессе записи.

В качестве среды записи CD-RW обычно использует прозрач­ный состав, составленный из соединений серебра, индия, сурьмы и теллура. В процессе записи сфокусированный лазерный луч выбо­рочно нагревает области материала выше температуры плавления (500-700 °С), и после достаточно быстрого охлаждения вещество переходит в так называемое аморфное состояние, формируя область непрозрачности (см. рис. 3.21, б).

При стирании слой нагревается до температуры, которая ниже точки плавления, но выше, чем температура кристаллизации (200 °С) в течение достаточного времени (по крайней мере, дольше, чем минимальное время кристаллизации), и атомы возвращаются к упорядоченному (прозрачному) состоянию.

Чтобы получить эти эффекты в записывающем слое, пишущий лазер устройства CD-RW использует три уровня мощности:

• высокая, так называемая «мощность записи», создает непрозрачные (поглощающие) участки в слое записи;

• средняя («мощность стирания»), расплавляет участок записывающего слоя и преобразует его к отражающему (прозрачно­му) состоянию;

• низкая («мощность считывания»), не изменяет состояние чувствительного слоя и может использоваться, чтобы считывать данные.

Прозрачные области позволяют металлизированному слою от­ражать свет, в то время как непрозрачные его поглощают. Возника­ет проблема, состоящая в том, что диск отражает меньше света, чем CD-ROM или CD-R и, следовательно, диски CD-RW могут считываться только на устройствах, которые поддерживают новую специ­фикацию Multiread (Мультичтение).

В середине 1998 г. устройства были способны к чтению со ско­ростями 6х, а к записи - 4х как на CD-R, так и CD-RW. К концу 2000 г. лучшие дисководы обеспечивали запись на CD-RW/CD-R и чтение CD-ROM со скоростями 10х/12х/32х соответственно. Шесть месяцев спустя эти характеристики достигли значений 10х/24х/40х.

Емкость дисков. CD-R содержит предварительно нанесенную спиральную дорожку, разбитую на блоки, причем адрес каждого блока закодирован непосредственно на носителе. Вместимость наи­более широко распространенного формата компакт-диска может быть выражена либо как 74 мин, либо 650 Мбайт. Каждая секунда времени воспроизведения занимает 75 блоков, следовательно, пол­ный компакт-диск имеет вместимость 74 × 60 × 75 = 333000 блоков. Фактическая вместимость этих 333 тыс. блоков зависит от того, что именно записано на диске - аудио или данные. Это связано с тем, что аудио предъявляет меньше требований к безошибочности записи и поэтому в этом случае в каждый блок записывается меньшее коли­чество контрольной, избыточной информации. В результате вмести­мость блока для аудио составляет 2353 байт (2048 для данных). Сле­довательно, 74-минутный диск имеет вместимость 783 216 000 байт (746 Мбайт) для аудио, но только 681 984 000 байт (650 Мбайт) для данных.

В конце 1990-х гг. начали появляться носители CD-R с большей вместимостью, чем тот 74-минутный максимум, который разрешали стандарты аудиокомпакт-дисков («Красная Книга») или стандарты CD-ROM («Желтая Книга»), Эти технологии получили общее на­звание «CD overburning». Дополнительная вместимость была достиг­нута путем сокращения шага дорожки, уменьшения допусков на скорость сканирования, уменьшения вероятности ошибки при за­писи-чтении (при этом возникают проблемы совместимости с более ранними устройствами или старыми записями на CD).

Первый из этих форматов повышенной вместимости обеспечи­вал время считывания 80 мин и вмещал 360 тыс. блоков вместо обычных 333 тыс. В терминах количества данных это означало 703 Мбайт по сравнению с 650 Мбайт стандартного компакт-диска. В начале нового тысячелетия появляются еще более высокие вме­стимости в форме 90- и 99-минутных форматов (приблизительно 791 и 870 Мбайт соответственно). Следует отметить, что, так как времен­ные отметки на компакт-диске кодируются парой десятичных цифр, невозможно, чтобы вместимость диска превышала 99 мин.

Overburning требует поддержки режима Disc-At-Once при записи и чтобы пишущий CD-плеер игнорировал информацию о свобод­ном месте, находящуюся на диске без записи (ATIP), а вместо этого использовал данные, передаваемые из пишущей программы.

Преодоление буферной недостаточности. К концу 1999 г. характеристики удвоились до «8х/24х», однако возникла проблема, из­вестная как буферная недостаточность (или опустошение буфера записи), когда быстродействие машины и накопителя на МД стали отставать от скорости устройств CD-R (устройство готово к записи на диск, но информация в буфере записи уже исчерпана и «нечего писать» - в результате диск оказывается испорченным). Для избежания подобных эффектов, во-первых, стали использовать кэш-память, размещенную на пишущем CD-плеере (размера от 256 Кбайт до 2 Мбайт), во-вторых, устройства стали адаптироваться к скорости подачи информации, снижая или повышая скорость записи.

Технология BURN-Proof (Buffer UndeRuN-Proof technology), предложенная Sanyo, заключается в постоянном контроле состоя­ния буфера данных компакт-диска так, чтобы запись была останов­лена в определенном месте, если появляется опасность буферной недостаточности (например, когда заполнение буфера снижается ниже заданного порога), а затем возобновлена путем позициониро­вания лазерной головки на соответствующий сектор.

Plextor использует технологию Sanyo в комбинации с собствен­ным методом «PoweRec» (Plextor Optimised Writing Error Reduction Control). Процесс записи здесь периодически приостанавливается (с использованием технологии BURN-Proof) для проверки качества записи и принятия решения о необходимости повысить или пони­зить скорость записи.

Файловые системы. Формат данных ISO 9660, разработанный Международной организацией по стандартизации (MOC/ISO) в 1984 г., описывает структуры каталогов и имен файлов на дисках. Имена файлов могут содержать только прописные буквы латиницы, цифры «0» - «9» и символ подчеркивания - «_». Имена каталога мо­гут иметь максимальную длину восемь символов (без расширения), степень вложенности каталогов не должна превышать восьми.

Каждый компакт-диск имеет оглавление (table of contents - ТОС), которое содержит информацию о треках (фонограммах), раз­мещенных на диске. «Оранжевая Книга» решает проблемы записи компакт-дисков, где при последующих сеансах записи на диск про­исходит модификация ТОС.

Компакт-диски имеют диаметр 12 см и центральное отверстие диаметром 15 мм. Аудио- или компьютерные данные записываются, начиная от радиуса 25 мм (после записи lead-in) до радиуса 58 мм (или до записи lead-out). Стандарт «Оранжевой Книги» CD-R в це­лом разбивает компакт-диск на две области (рис. 3.22, а):

• системную (System Use Area - SUA);

• информационную (Information Area - IA).

В то время как IA - только пространство для размещения дан­ных, SUA подобна загрузочному сектору жесткого диска и исполь­зует начальные 4 мм радиуса поверхности компакт-диска. Здесь за­писывается информация для считывающего устройства, где указы­вается, какой тип и формат информации следует ожидать. SUA, в свою очередь, разделяется на две части - область калибровки мощ­ности (Power Calibration Area - РСА) и область записи программы (Program Memory Area - РМА).

На каждом диске РСА используется как база для настройки ла­зера пишущего устройства. Как только диск вставляется в накопи­тель CD-R, луч лазера направляется на поверхность РСА, чтобы оценить оптимальную установку мощности для прожига ком­пакт-диска. На калибровку влияют такие факторы, как скорость за­писи, влажность и температура окружающей среды, тип используе­мого диска. На диске разрешается максимум 99 калибровок, по­скольку каждая из них разрушает участок поверхности РСА.

В области РМА находятся данные, содержащие описания до 99 треков (фонограмм) - времена их начала и остановки (для музы­ки), или адреса начальных секторов файлов данных (на ком­пакт-диске для данных).

Информационная область в свою очередь разделяется на три участка:

• область lead-in содержит нулевые биты («цифровую тишину») в главном канале плюс оглавление (VTOC) в подканале «Q». Длина lead-in определяется необходимостью разместить оглав­ление тома (VTOC), содержащее до 99 треков (фонограмм);

• область программы содержит приблизительно до 76 мин. дан­ных, разделенных максимум на 99 дорожек (фонограмм). В то время как на обычных носителях восемь битов образуют байт, последовательность которых свою очередь формирует блоки данных, на компакт-диске каждый байт (8 бит) кодируется как 14 бит плюс 3 присоединенных бита по алгоритму, именуемо­му «модуляция восемь к четырнадцати» (Eight To Fourteen Modulation - EFM);

• область lead-out, содержащая нулевые биты и определяющая конец программы.

Мини-диски (Mini media). Мини-диски CD-R и CD-RW диамет­ром 8 см и вместимостью 185 Мбайт были известны уже в течение многих лет. Большинство CD-плееров с автоматической подачей дисков (например, автомобильные проигрыватели) приспособлены и для этого формата. Только ПК с вертикальным расположением CD-ROM-накопителя не способны обработать этот формат.

Мини-компакт-диск также реализован в так называемом «фор­мате визитной карточки» (рис. 3.22, б). Это обычные носители CD-R, по форме напоминающие визитные карточки (для этого либо срезают две стороны диска, либо все четыре, чтобы получить действительно прямоугольную форму). Их вместимость изменяется от 20 до 60 Мбайт в зависимости от того, какая часть первоначаль­ного диска была срезана. Иногда называемый «персональный ком­пакт-диск» (Personal Compact Disk - PCD), этот носитель может также использоваться как ключ для безопасного доступа к сети или услугам электронной коммерции.

UDF. Стандарт ISO 9660, используемый CD-ROM и дисками CD-R, создает неудобства при добавлении данных на диски неболь­шими порциями. Запись многократных сеансов на диск приводит к потерям приблизительно 13 Мбайт дискового пространства на каж­дом сеансе, и первоначальный стандарт ограничивает числом 99 ко­личество треков (фонограмм), которые могут быть записаны на диск. Эти ограничения были сняты в стандарте ISO 13346 «Универ­сальный Дисковый Формат» (Universal Disc Format - UDF), разра­ботанном Ассоциацией технологий оптических ЗУ (Optical Storage Technology Association - OSTA). Этот стандарт не зависит от типа операционных систем, предназначен для записи данных на оптиче­ских носителях, включая CD-R, CD-RW и устройства DVD, и ис­пользует переработанную структуру каталога, которая позволяет устройству эффективно записывать файл (или «пакет») за один раз.

Режим пакетной записи не полностью совместим с логической файловой системой ISO 9660, так как при этом следует точно знать, какие файлы будут записаны в течение сеанса, чтобы заполнить служебные таблицы ФС (Path Tables и Primary Volume Descriptors), которые указывают на физическое размещение файлов на диске.

UDF позволяет добавлять файлы на диски CD-R или CD-RW порциями по одному файлу, без существенного переполнения слу­жебной информацией, используя методику, названную «пакетной записью» (packet writing). В UDF, даже если файл перезаписан, его виртуальная адресация остается без изменений. В конце каждого се­анса записи пакета UDF заносит на диск «Виртуальную таблицу размещения» (Virtual Allocation Table - VAT), которая описывает физическое местоположение каждого файла. Каждая вновь создан­ная VAT, включает данные из предыдущей VAT, позволяя таким об­разом UDF определить местонахождения всех файлов, которые когда-либо были записаны на диск.

К середине 1998 г. были выпущены две версии UDF - UDF 1.02 (версия, используемая на DVD-ROM и видео DVD) и UDF 1.5 (до­бавляет поддержку CD-R и CD-RW). Windows 98 обеспечивала под­держку UDF 1.02. Однако в отсутствии поддержки операционной системы UDF 1.5 требовалось специальное UDF-программное обес­печение для дисковода, поддерживающее пакетную запись на CD-R и CD-RW.

Первым образцом такого программного обеспечения являлся DirectCD V2.0 (разработка Adaptec), который поддерживал как па­кетную запись, так и произвольное удаление файлов с носителя CD-RW. DirectCD V2.0 обеспечивал запись двух видов пакетов - фиксированной и переменной длин. Пакеты фиксированной длины являются более подходящими для CD-RW, чтобы обеспечивать про­извольное удаление файлов.

Спецификация «Мультичтение» (MultiRead). Записанные на дис­ке CD-RW дорожки (фонограммы) считываются тем же самым спо­собом, как и дорожки обычного компакт-диска - путем обнаруже­ния переходов между низким и высоким коэффициентами отражения и измерения промежутков между переходами. Единственное существенное отличие состоит в том, что коэффициент отражения здесь ниже, чем для «правильных» CD, в результате этого носители CD-RW могут не читаться многими устаревшими дисководами CD-ROM или CD-плеерами.

Отметим, что первоначальные спецификации для CD требова­ли, чтобы коэффициенты отражения для поверхности диска и уг­лублений составляли минимум 70 и максимум 28%, соответственно. Эти требования были введены, чтобы гарантировать надежное счи­тывание данных фотодиодами 1980-х гг. В настоящее время, в связи с усовершенствованием электроники эти требования оказываются чрезмерно завышенными.

Диск CD-RW имеет поверхностный коэффициент отражения 15-25%. Поэтому система CD-RW работает в диапазоне коэффи­циентов отражения, равных ⅓ таковых из первоначальной специ­фикации компакт-диска. Однако для современных фотодиодов это не представляет никакой проблемы, достаточно организовать усиле­ние электросигнала.

Спецификация «Мультичтения» («MultiRead»), составленная Philips и Hewlett Packard, а затем одобренная Ассоциацией техноло­гий оптических ЗУ (Optical Storage Technology Association - OSTA), предусматривает необходимые корректировки, решая таким обра­зом любые проблемы совместимости.

Кроме того, максимальные и минимальные уровни коэффици­ентов отражения диска CD-RW соответствуют требованиям специ­фикации CD для минимальной модуляции 60%. Технология изме­нения фазы для CD-RW практически не зависит от длины волны лазера записи-чтения.

Диски CD-RW могут быть считаны как лазерами, используемы­ми в системах DVD (длина волны 650 нм), так и лазерами, приме­няемыми в приводах обычных CD (780 нм).

Mount Rainier. Спецификация, предложенная группой Mount Rainier (во главе с лидерами промышленности Compaq, Microsoft, Philips Electronics и Sony), имела своей целью сделать методы исполь­зования носителей CD-RW аналогичными НГМД или НЖМД - в частности, осуществлять при поддержке ОС операции в манере буксировки данных («drag and drop»). Спецификация Mount Rainier содержит следующие ключевые элементы:

• аппаратный контроль дефектных участков на диске. Хотя большинство программ, осуществляющих пакетную запись на CD-RW, использует возможности контроля дефектов, заложенных в UDF 1.5, проблема состоит в том, что программное обеспечение должно иметь полную информацию о дефектных участках диска. Подход, предложенный Mount Rainier, состоит в контроле на аппаратном уровне, так что если приложение будет пытаться произвести запись на «плохой» сектор, этот сектор будет «скрыт», а альтернативный предложен;

• логическая адресация записи в 2 Кбайта. В то время как CD-RW использует размер блока в 64 Кбайт, Mount Rainier требует поддержку логической адресации 2 Кбайт, таким об­разом обеспечивая «выстраивание» дисков CD-RW в одну ли­нию с другими системами хранения данных, которые базиру­ются на адресуемости 4 иди 2 Кбайт;

• фоновое форматирование. Mount Rainier устраняет как временные задержки, так и необходимость использование программ­ного обеспечения, не входящего в состав ОС или ПО записи на диск (это обычно связано с форматированием носителей CD-RW). Форматирование теперь осуществляется в режиме фоновой задачи, не заметной для пользователя.

Магнитооптические технологии

Как следует из названия, эти диски используют сочетание маг­нитных и оптических технологий, используя лазер, чтобы считывать данные с диска, при дополнительном использовании магнитного поля при записи данных. Устройство спроектировано так, что вставляемый диск подвергается воздействию магнитного поля с од­ной стороны и лазерного луча с противоположной (рис. 3.23). Дис­ки, имеющие форматы в 3,5" и 5,25", покрыты слоем специального сплава, который обладает свойством отражать излучения лазера под слегка различающимися углами в зависимости от направления на­магниченности, и данные могут записываться как «северные» и «южные» магнитные полюса, как и в случае жесткого диска.

В то время как жесткий диск может перемагничиваться при лю­бой температуре, магнитное покрытие, используемое на МО-носи­телях, чрезвычайно устойчиво к намагничиванию при комнатной температуре, сохраняя данные неизменными, пока записывающий слой не будет нагрет выше уровня температуры, называемого точ­кой Кюри (приблизительно 200 °С). Магнитооптические накопите­ли используют лазер для нагревания определенных областей маг­нитных частиц. После разогрева магнитных частиц направление их магнитных полей может быть легко изменено полем, сгенерирован­ным магнитной головкой.

Информация считывается, используя менее мощный лазер и эффект Керра, состоящий в том, что поляризация отраженного све­та меняется в зависимости от ориентации магнитного поля. В тех точках, где поверхность не была подвергнута лазерно-магнитному воздействию, участок представляет «0», а там, где точка была нагре­та и намагничена, будет записан сигнал «1».

LIMDOW. Light Intensity Modulated Direct Overwrite (прямая перезапись с изменяемой мощностью светового луча).

LIMDOW-дисководы и диски используют тот же самый основ­ной принцип, что и обычный МО-накопитель: поверхность для записи нагревается и намагничивается под воздействием внешнего магнитного поля. Но вместо использования магнитной головки в дисководе здесь магниты встроены в сам диск.

LIMDOW-диск имеет два магнитных слоя непосредственно по­зади отражающей рабочей поверхности. Эта поверхность при нагре­ве до одного уровня температуры принимает намагниченность од­ного из этих слоев, но при дальнейшем нагреве приобретает поляр­ность другого магнитного слоя. При записи данных на диск используются лазерные импульсы двух различных мощностей. Та­ким образом удалось существенно повысить скорость записи дан­ных до почти сравнимой с жесткими дисками.

Кроме создания МО, конкурентоспособного по скоростям запи­си, технология L1MDOW позволяет перейти к магнитооптическим дискам более высокой вместимости. Поскольку магнитный слой расположен рядом с рабочей поверхностью (а не где-нибудь вне диска), запись может быть сделана с намного более высокой плот­ностью, фактически ограниченной разрешающей способностью сле­да лазерного луча («пятна», нагревающего поверхность). В будущем с применением лазеров с более короткой длиной волны (красные лазеры, а затем синий лазер) ожидается снижение размера следа, и вместимость диска по отношению к сегодняшней (2,6 Гбайт и бо­лее) может увеличиться в 4 раза.

OSD-технология. Целью технологии сверхвысокой оптической плотности (Optical Super Density - OSD) была разработка сменного магнитооптического носителя большой емкости (40 Гбайт или бо­лее), который имел бы надежность, соответствующую сегодняшним требованиям ISO для МО, достигал норм передачи данных, конку­рентоспособных с жестким диском (30 Мбайт/с) и обеспечивал бы более низкую стоимость мегабайта памяти, чем другие оптические и магнитные технологии. Весной 1999 г. Maxoptix Corporation - веду­щий изготовитель МО-накопителей - объявил о создании OSD-технологии.

Достижение целей проекта сложилось на основе ряда инноваци­онных технологий:

• при технологии OverCoat Incident Recording (OCIR) записы­вающий слой размещается сверху подложки (подобно жестко­му диску), а также используется толстый прозрачный акрило­вый слой, подобный защитному покрытию обратной стороны CD или DVD. Покрытие OSD более чем в 1000 раз толще, чем у жесткого диска и лент, но намного более тонко, чем под­ложка, используемая на обычных носителях МО. Поскольку это позволяет расположить линзу намного ближе к записы­вающему слою диска, OSD способна использовать более вы­сокую числовую апертуру линзы, приводя к намного более высоким плотностям записи данных;

• массовая поверхностная запись - Surface Array Recording (SAR), здесь используются независимые головки для чте­ния/записи с обеих сторон носителя, чтобы позволить доступ к обеим сторонам диска одновременно. Это отличается от тра­диционных МО, где пользователи вынуждены переставлять носитель, чтобы прочитать данные, сохраненные на противо­положной стороне диска;

• модуляция магнитного поля (Magnetic Field Modulation - MFM) обходит ограничения, свойственные традиционному использованию подмагничивания при записи данных на диски МО. Посредством использования небольшой магнитной го­ловки в непосредственной близости от диска полярность маг­нитного поля может переключаться с самой высокой частотой;

• магнитное сверхразрешение - Magnetic Super Resolu­tion (MSR): использование MFM меняет фактор ограничения плотности записи с длины волны лазера к способности выде­лить индивидуальные отметки при чтении, используя пятно луча, которое может охватить несколько отметок.

Заменители НГМД и НЖМД

Поскольку сегодня емкость НЖМД измеряется в гигабайтах, а мультимедиа и графические файлы часто измеряются десятками мегабайт, вместимость от 100 до 150 Мбайт вполне достаточна, что­бы носитель занял традиционную нишу НГМД - перемещение не­скольких файлов между системами, архивация или резервное копи­рование отдельных файлов или каталогов и пересылка файлов по­чтой. В этом диапазоне предлагается ряд дисководов для следующих поколений гибких дисков. Они все используют гибкие магнитные носители и традиционную магнитную технологию хранения.

Zip-накопители. Без сомнения, самое популярное устройство в этой категории - дисковод Zip Iomega, впервые выпущенный в 1995 г. Секрет высокой эффективности накопителей Zip: во-пер­вых, высокая скорость вращения (3000 об/мин), а во-вторых, тех­нология, предложенная Iomega, основана на аэродинамическом эф­фекте Бернулли, при этом фактически гибкий диск «присасывает­ся» к головке чтения/записи, а не наоборот, как в НЖМД. Диски Zip мягки, подобно гибким дискам, что делает их дешевыми и ме­нее восприимчивыми к ударным нагрузкам.

Zip-накопители обладают вместимостью 94 Мбайт и выпуска­ются как во внутренних (встроенных), так и во внешних версиях. Внутренние модули соответствуют форм-фактору 3,5", используют интерфейс SCSI или ATAPI, среднее время поиска - 29 мс, ско­рость передачи данных - 1,4 Кбайт/с.

Супердискеты (super-floppies). Диапазону от 200 до 300 Мбайт лучше всего соответствует понятие территория супердискет. Вме­стимость таких устройств в 2 раза выше, чем у заменителя НГМД, и более характерна для НЖМД, чем для гибкого диска. Устройства в этой группе используют магнитную или магнитооптическую техно­логию. Магнитные носители предлагают лучшую эффективность, но даже диск МО для версий SCSI является достаточно быстрым, что­бы позволить просмотр видеоклипов непосредственно с диска.

Летом 1999 г. Iomega выпустила версию диска Zip на 250 Мбайт. Подобно его предшественнику, он использует интерфейсы SCSI и параллельный порт; последний предлагает поддержку скорости чте­ния вдвое выше скорости устройства на 100 Мбайт. Носитель Zip 250 обладает обратной совместимостью с дисками на 100 Мбайт.

В 2001 г. Matsushita объявляет технологию FD32MB, которая дает опцию высокоплотного форматирования обычной HD-дискеты на 1,44 Мбайт, чтобы обеспечить способность хранения до 32 Мбайт на диске.

Сменные жесткие диски. Следующий интервал вместимости (от 500 Мбайт до 1 Гбайт) достаточен для резервного копирования или архивации дискового раздела (партиции) разумно большого разме­ра. Большинство таких устройств также предлагает достаточно хоро­шую эффективность, чтобы функционировать как вторичный, или медленный жесткий диск. Здесь по-прежнему преобладают магнит­ные и МО-технологии, но в этой категории они наталкиваются на конкуренцию множества устройств, использующих изменения фа­зового состояния записывающего слоя.