|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Структура DVD-дисков и принцип записи
Основой записи и хранения данных на дисках DVD–RAM и DVD-RW является технология изменения фазового состояния вещества. При записи и считывании информации используется различие отражательной способности поверхности в зависимости от того, находится ли она в кристаллическом или аморфном состоянии. При считывании информации с диска измеряется различие между темными аморфными и яркими прозрачными зонами. Эту технологию вполне можно назвать оптической - для чтения и записи достаточен всего лишь лазер. Послойная структура одной половины диска показана на рисунке5.32.
Рис. 5.32. Послойная структура одной половины диска Форматы DVD Сегодняшний стандарт DVD позволяет реализовать несколько различных конструкций диска. Это односторонние или двусторонние диски, с одним или двумя несущими информацию слоями на каждой стороне. Один слой толщиной 0, 6 мм может уместить до 4, 7 Гб информации, а весь диск – до 17 Гб. Возможны четыре разновидности DVD дисков: DVD-5, DVD-9, DVD-10 и DVD-18. DVD-5 - это первая рыночная версия DVD диска: односторонний диск с однослойной записью и емкостью 4, 7 Гб. DVD состоит из 0, 6 мм пленки, покрытой алюминием и наклеенной на чистую подложку. Технология напыления та же, что используется при изготовлении обычного CD. Алюминиевая пленка имеет толщину 55 нанометров, как и для аудио-CD и CD-ROM. Структура DVD-5 показана на рисунке 5.33.
Рис. 5.33.Структура DVD-5 DVD-9 - это двухуровневый односторонний диск с емкостью 8, 5 Гбайт. Для производства такого диска необходимо создать полупрозрачный слой, который отражает 18-30% лазерного излучения. Этого достаточно, чтобы можно было считывать информацию с верхнего слоя. И в то же время полупрозрачный слой будет пропускать достаточно излучения, чтобы сигнал от нижнего уровня с высокой отражательно способностью тоже читался. Информационные уровни разделяет высокооднородный клей (толщина клеевой прослойки составляет 40-70 микрон), используемый для соединения двух половин диска. Это расстояние необходимо, чтобы различить сигнал, отраженный от одного и другого уровней. Структура DVD-9 показана на рисунке5.34. Использование полупрозрачного слоя диктует более жесткие требования к материалу и используемой технологии:
С одной стороны, оптимальным материалом для полупрозрачного слоя является золото. С другой стороны, применение вместо золота другого материала поможет сократить издержки производства на 70%.
Рис. 5.34. Структура DVD-9 DVD-10 – однослойный двухсторонний диск с емкостью 9, 4 Гб. В принципе это двойной DVD-5 без чистой подложки. Два диска, покрытых металлическими пленками, соединены вместе. Чтобы считывать информацию с двух сторон диска, используется один лазер. Следующий рисунок (рис. 5.35) показывает структуру DVD-10.
Рис. 5.35. Структура DVD-10
DVD-18 Структура DVD-18 в принципе та же самая, как у DVD-9, но DVD-18 может читаться с обеих сторон. Результат – двойная емкость по сравнению с DVD-9.Принципиальная структура диска на рисунке5.36.
Рис. 5.36. Структура DVD-18 Технические характеристики и спецификации, рассмотренных выше дисков, приведены в табл.5.4.
Таблица 5.4.
Оптическая запись За последние годы оптическая запись, использующая изменение фазового состояния вещества, значительно продвинулась. Теперь это полноценная технология для создания перезаписываемых носителей информации. Принцип работы Луч лазера вызывает кристаллографические изменения в активном слое оптического диска (а именно, в результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и наоборот). Запись аморфных областей показана на этом графике (рис. 5.32). Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, T > T плавл). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации (T крист).
Рис. 5.37. Запись аморфных областей Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии.
Рис. 5.38. График стирания данных Следующий график (рис.5.38) объясняет механизм стирания данных. Для стирания надо вернуть вещество в кристаллическое состояние. Опять же с помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры Т, которая меньше температуры плавления, но больше температуры кристаллизации (T крист < Т < Т плавл). Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени (t отж), достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации (t крист, t крист< t отж). Если необходима очень быстрая запись, например для DVD-RW, то жизненно необходима быстрая кристаллизация. Поэтому время t крист должно быть ниже 100 наносек, а это строго ограничивает выбор используемого материала. Оптимально использование различных сплавов Ge, Sb и Te - они не только удовлетворяют требованию к времени кристаллизации, но и обладают большим оптическим контрастом между аморфной и кристаллической фазой. Кроме того, они имеют приемлемые температуры кристаллизации и плавления (Tкрист = 150-200°C, Tплавл = 600°C). Механизм записи Существенной частью каждого метода, основанного на изменении длительности импульса, является использование многоимпульсной стратегии записи (рис. 5.39).Каждая записываемая метка формируется посредством мощных лазерных импульсов (P записи = 12 мВт, длительность импульса 15 нс). Между импульсами интенсивность лазерного излучения уменьшается. Таким образом, после каждого импульса расплавляемый материал охлаждается до температуры ниже температуры кристаллизации, формируя область с аморфной фазой. Стирание (то есть кристаллизация) достигается посредством длительного импульса лазера (P стирания < P записи). Чтение информации осуществляется ужепри гораздо меньшей мощности лазера(P чтения = 0, 5-0, 6 мВт).
Метка записывается посредством серии мощных импульсов. Стирание достигается длительным лазерным воздействием с мощностью P стир< P записи. CD-RW, DVD-RAM. Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество, способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками. Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c. Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0, 66 mm). Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти. Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST " выдавлены" дорожки (A), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое, и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).
Голографическая память 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 заявлению разработчиков, с применением данной технологии на пятидюймовый оптический диск можно записать 1, 6 Тбайт информации при пропускной способности до 120 Мбайт/с. В сочетании с невысокой ценой хранения за 1 Гбайт и обеспечением успешного чтения данных более чем через 50 лет после записи эта технология выглядит весьма перспективной. Но все же интересно, откуда появилась цифра «50», если с начала работ до появления коммерческих изделий не прошло и шести лет? 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, приемлемом 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. Что ж, технология действительно интересная и перспективная, а значит, имеет смысл рассмотреть ее во всех подробностях. Как известно, современные методы записи основаны на последовательных принципах: в каждый момент времени на поверхность 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.
Рис. 5.40Схема 1. Принцип голографической записи В общих чертах принцип голографической записи InPhase Technologies выглядит достаточно просто (рис. 5.40). Световой поток разделяется на два луча: сигнальный и референсный; сигнальный луч обеспечивает запись данных, референсный 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. 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. После преобразования в SLM уже несущий определенную информационную нагрузку сигнальный луч проецируется на физический носитель. В точку проекции направляется и референсный луч, пересекаясь в ней с сигнальным. В этот момент происходит химическая реакция и, как следствие, запись информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Отпечатка на носителе не остается, иначе соответствующая точка «выжигается». Если изменять длину волны референсного 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 референсного 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.
Рис. 5.41. Схема 2. Считывание записанных данных Считывание записанных голограмм обеспечивается одним референсным лучом, который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на особый чувствительный элемент (рис. 5.41). Этот же элемент преобразует попадающую на него «решетку» в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же способом, который применялся и при записи, — изменением угла наклона референсного 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 CD- и DVD-дисков и составляет 130 мм. 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 записи-чтения. 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, 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. 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. Остается надеяться, что конечные продукты попадут в приемлемую ценовую категорию и будут востребованы на рынке СХД. По материалам InPhase Technologies 5.8. Контроль правильность работы запоминающих устройств [19] Современные запоминающие устройства состоят из огромного количества запоминающих элементов, каждый из которых хранит бинарное значение – 0 или 1. При работе таких устройств могут возникать ошибки, обусловленные воздействием различных факторов. В таком случае для повышения надежности работы запоминающих устройств, как правило используют специальные коды. Различают коды, обнаруживающие ошибки, и корректирующие коды, позволяющие обнаруживать место где произошла ошибка и исправлять ее. Простейшим способом обнаружения ошибок является проверка на четность. В этом случае к битам передеваемого или хранимого М-разрядного слова добавляется еще один бит – бит четности, значение которого подбирается таким образом, чтобы среди получившихся N разрядов (N=M+1) обязательно было четное число единиц. Такой избыточный код позволяет лишь константировать факт наличия ошибки в слове даже без указания места где она произошла. Для повышения надежности работы запоминающих устройств используют корректирующие коды. Принцип построения корректирующих кодов заключается в том, что каждому хранимому или передаваемому м-разрядному слову добавляют ла. добавляют К битов с соответствующим их раположением среди битов М-разрядного слова. Подобные Nразрядные коды (N=M+K) были впервые рассмотрены в 1948 г. Р Хеммингом и с тех пор обычно называются кодами Хемминга (N, М). Рассмотрим принцип построения кода Хемминга для 16-разрядного слова данных (М=16), исправляющего все одиночные ошибки[15]. Сначала определим необходимое число проверочных разрядов Л(Л=N-М) из соотношения: 2N-M - 1 ≥ N. Откуда для M=16 находим N=21 и К=5 Верхние границы М и N для различных К представлены в табл. 5.5.
Таблица 5.5.
Нумерация битов кода Хемминга для 16-разрядного слова данных Нумерация информационных битов 16-разрядного слова данных Рис. 5.42. Код Хемминга для 16-разрядного слова данных Первый контольный разряд контролирует разряды кода Хемминга с номерами
Таким образом, первый контрольный разряд контролирует все нечетные номера. Второй контрольный разряд контролирует разряды кода Хемминга с номерами
Соответственно третий контрольный разряд контролирует разряды кода Хемминга с номерами
Таблица 5.6. Номера битов четности и контролируемых ими разрядов в коде Хемминга
Таким образом, в рассматриваемом примере (см. рис. 5.42): 1) первый контрольный разряд в коде Хемминга равен 0, так как биты 2) второй контрольный разряд равен 1, так как биты 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, 18 и 19 содержат шесть едигиц; 3) четвертый контрольный разряд равен 1, так как биты 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 20 и 21 содержат пять единиц; 4) восьмой контрольный разряд равен ), так как биты 9, 10, 11, 12, 13, 14, и 15 содержат четыре единиц; 5) щестнадцатый контрольный разряд равен 1, тка как биты 17, 18, 19, 20 и 21 содержат три единицы. Код образованный значениями контрольных разрядов, называют дополнительным кодом, т. е. для 16-разрядного кода данных 1101101001110110 дополнительный код равен 10100. Дополнительный код можно также получит путем инвертирования результата поразрядного сложения (т.е. сложения по модулю 2) номеров тех разрядов кода данных, значения которых равны 1. В нашем случае для 16-разрядного кода данных 1101101001110110 имеем: Таблица 5.7
Нумерация битов кода Хемминга для 16-разрядного слова данных
Рис. 5.43. Код Хемминга для 16-разрядного слова данных с искаженным девятым разрядом (одиннадцатым информационным) Проверка образовавшегося кода дает следующий результат: биты четности 2, 4 и 16 правильны, а биты четности 1 и 8 неправильны. Получение неправильного значения бита четности 1 указывает на то, что ошибка должна быть в одном из контролируемых им битов: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 или 21.поскольку бит четности 2 правилен, то правильны и контролируемые им нечетные биты 3, 7, 11, 15 и 19, так что ошибка произошла не в них. Правильность контрольного бита 4 исключает возникновение ошибки в битах 5, 13 и 21, а правильность контрольного бита 16 – в бите 17. Следовательно, под подозрением остаются биты 1 и 9. Так как неправилен и бит четности 8, который не контролирует бит с номером 1, но контролирует бит с номером 9, то можно сделать вывод об ошибочности бита 9. Инвертирование этого бита (изменение его значения с 0 на 1) исправляет положение – все биты четности становятся правильными. Таким образом, номер искаженного разряда определяется суммой номеров неправильных битов четности. В нашем примере биты 1 и 8 неправильны, следовательно, искаженный разряд – 9 (9=1+8). Определить номер искаженного разряда можно также следующим способом. После считывания информационогокода данных с искаженным разрядом (в нашем случае 16-разрядного кода данных 1101001001110110, рис. 5.43), для него вновь расчитывается дополнительный код и сравнивается с исходным. Фиксируется код сравнения (поразрядная операция отрицания равнозначности), и если он отличен от ноля, то его значение и есть номер искаженного информационного разряда. Рассчитаем дополнительный код для информационного кода с искаженным девятым разрядом: Таблица 5.8
После инвертирования получаем дополнительный код – 11111. Для нахождения кода сравнения проведем поразрядную операцию отрицания данного кода с дополнительным кодом исходного (неискаженного) слова данных: 11111 Таким образом, код сравнения – 01011, что означает ошибку в девятом разряде. Применение корректирующего кода Хемминга означает, что каждое слово памяти содержит не 16 бит, а 21 бит. Пять лишних битов в каждом слове – это биты четности. Они недоступны пользователю, так как зарезервированы для образования корректирующего кода. Контрольные вопросы:
6. Объясните принцип функционирования запоминающих элементов статического и динамического ОЗУ. 7. Расскажите об основных типах памяти современных ПЭВМ. Что представляют собой элементы памяти ПЗУ? 8. Что такое синхронная динамическая память? Что такое DDR SDRAM принцип построения? 9. Расскажите о конструкции flash памяти. 10. Что такое структуры данных? По каким признакам их можно классифицировать? 11. Как Вы понимаете логическую и физическую организацию данных в ЭВМ? 12. Что такое древовидная структура? Как она представляется в машинной памяти? 13. Какие типы внешних запоминающих устройств Вы знаете? Дайте характеристику основным из них. 14. Объясните принцип записи цифровой информации на магнитный диск. В чем сущность винчестерной технологии? 15. Что такое файл? Что такое кластер? Что такое файловая система, для чего она предназначена? 16. В чем основное отличие между FAT 16 и FAT 32? Из каких этапов состоит процедура форматирования жесткого диска? 17. В чем особенность файловой системы NTFS? 18. Какие виды накопителей на оптических дисках Вы знаете? Объясните принципы записи информации на оптические и магнитооптические диски. 19. Расскажите о голографической записи. 20. Для чего используются корректирующие коды в запоминающих устройствах? Поясните принцип построения кода Хемминга.
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 3200; Нарушение авторского права страницы
Запись информации
Стирание данных
Рис. 5.39. Методика прямой перезаписи информации
и т.д.