Устройство и организация памяти на оптических дисках (CD ROM, CD RW, DVD ROM). Основные технические характеристики дисков и приводов

Оптический диск — Носители информации, выполненные в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками «питами» (от англ. pit — «ямка», «углубление») на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация.

Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали (более 5 км), идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.

Вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении. Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.

Считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, отражаясь, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль. В качестве отражающей поверхности компакт-дисков обычно используется алюминий. Разумеется, вся поверхность компакт диска покрыта прозрачным защитным слоем.

По возможности смены хранимой информации, будучи по своей природе функциональными "родственниками" ПЗУ, оптические диски также разделяются на прессованные с однократной записью и перезаписываемые.

Прессованные компакт-диски изготавливаются на заводах, обычно большими тиражами, что обеспечивает низкую их себестоимость. Они имеют самый простой носитель, состоящий из трех слоев.

Рисунок 6.1 - Пресованный компакт-диск (I) и его сечение (II): a) поликарбонатная основа, б) отражающий слой, в) защитный слой лака, г) витки спиральной дорожки с ямками в месте сечения, д) виток спиральной дорожки без ямки в месте сечения, е) направление считывающего луча лазера.

- пластмассовой (поликарбонатной) основы, на которой отштампована спиральная дорожка с ямками, несущая записанную информацию;

- отражающего слоя алюминиевой металлизации;

- слоя лака, защищающего отражающий слой от царапин и пыли, на который может быть нанесено полиграфическое оформление диска.

Прессованные диски можно отличить по белому (алюминиевому) цвету рабочей поверхности.

Технология изготовления компакт-дисков в чем-то схожа с технологией изготовления грампластинок. Сначала изготавливается так называемый мастер-диск. На стеклянную основу (совпадающую по размерам с конечным диском) наносится фоторезист (светочувствительный материал), на который лазерным лучом "записывается" информация будущего диска, тем самым участки, где должны быть ямки, засвечиваются. Затем фоторезист проявляется в специальном растворе, в результате чего (в отличие от фотопленки) удаляются засвеченные участки и образуется поверхность с ямками, соответствующая той, которая должна быть получена на конечном диске. Стекло используется только как подложка для фоторезиста.

После этого вакуумным напылением на диск наносится слой серебра, толщиной в несколько молекул, а затем на этот слой из раствора сульфата никеля электролитически осаждается слой металлического никеля. Отделив этот слой от стеклянного диска с фоторезистом, получают, практически, уже готовую форму (матрицу) для штамповки пластмассовых дисков. Правда, непосредственно эту форму не используют, а делают с нее несколько копий пресс-форм, с помощью которых потом и штампуют пластмассовые основы будущих дисков.

После штамповки пластмассовых (поликарбонатных) основ на них наносят металлизацией алюминиевый слой, который затем лакируют. Диск готов.

Диски с однократной записью (CD), имеют несколько иную технологию изготовления носителя и записи информации. Такой диск состоит уже из четырех слоев.

Рисунок 6.2 - Сечение записываемых (I) и перезаписываемых (II): компакт-дисков, а) поликарбонатная основа, б) записывающий слой, в) отражающий слой, г) защитный слой лака, д) канавки витков спиральной дорожки для записи данных, е) слои диэлектрика

- пластмассовой (поликарбонатной) основы;

- записывающего слоя из специального красителя;

- отражающего металлизированного слоя (из золота или серебра, что позволяет уменьшить коррозию этого слоя);

- защитного слоя лака, на который может наноситься полиграфическое оформление диска.

Пластмассовая основа имеет углубления, образующие спиральную дорожку, имеющую такой же шаг - 1,6 мкм, как и у штампованного диска, в местах расположения которой и будет записываться информация. Запись производится тепловым воздействием сфокусированного лазерного луча на красящий слой, в результате чего в местах воздействия лазера слой темнеет ("прожигается") и при считывании данных отраженный луч в них оказывается слабее, что подобно наличию ямок штампованных дисков в этих местах. Конечно, такой способ дает заметно меньшую интенсивность сигнала, чем в случае прессованного диска (порядка 70 %).

Записываемые диски имеют цвета зеленоватых или синих оттенков, что зависит от материала отражающего слоя и используемого в записывающем слое красителя.

Перезаписываемые диски (CD-RW или DVD-RW) обладают еще более сложной структурой носителя. Они состоят уже чаще всего из шести слоев, см рисунок выше

- пластмассовой (поликарбонатной) основы;

- слоя диэлектрического материала;

- записывающего слоя из специального материала;- отражающего слоя металлизации;

- еще одного слоя диэлектрического материала;- защитного слоя лака.

Пластмассовая основа такая же, как и у записываемого диска, с заготовленной спиральной дорожкой. Записывающий слой представляет собой композитный материал (например, смесь серебра, иридия, теллура и антимония), который может изменять свое фазовое состояние, переходя либо в кристаллическую фазу, либо в аморфное состояние. Причем переход в одно или другое состояние происходит при нагреве материала сфокусированным лазерным лучом и последующим охлаждением.

Нагрев до температуры порядка 200°C с последующим охлаждением переводит материал в аморфную фазу (стирание информации), а нагрев до температуры 500-700°C и последующее охлаждение переводят соответствующий участок записывающего слоя в кристаллическое состояние. Области кристаллизации при чтении обеспечивают лучшее отражение считывающего луча лазера, тогда как области, находящиеся в аморфном состоянии, в значительной степени поглощают этот луч.

Диэлектрические слои служат для отвода избытка тепла при записи, а сам лазер должен обеспечивать три режима:

- запись, в котором мощность луча лазера максимальна;

- стирание, с меньшей мощностью луча;

- чтение, с минимальной мощностью лазерного луча, не позволяющей изменить состояние записывающего слоя.

Однако отраженный луч у CD-RW значительно слабее, чем у записываемых и тем более прессованных дисков. Поэтому не все старые CD-ROM приводы могли их читать.

CD-RW диски можно отличить по сероватому цвету их поверхности.

С точки зрения возможности смены записанной информации DVD диски имеют такие же разновидности, как и компакт-диски, правда, перезаписываемых вариантов этих дисков несколько: DVD-RAM, DVD-RW и DVD+RW.

DVD диски состоят из двух соединенных между собой половинок ("сторон") толщиной по 0,6 мм каждая. Такое построение диска обусловлено тем, что поликарбонатная основа DVD делается тоньше, чем у CD, в связи с необходимостью считывания сигналов, отражаемых от ямок меньших размеров и от второго слоя, если он используется. Но это дает толщину как раз около 0,6 мм, и такой диск был бы слишком мягким и неудобным в использовании. Поэтому для придания диску жесткости (впрочем, и для увеличения его информационной емкости) две половинки и соединяют вместе (специальным адгезивным слоем).

Если одна из половинок не используется для хранения информации, то такие диски называют односторонними, если же данные хранятся на обеих половинках, то это двухсторонние диски. При этом если половинка имеет один слой для хранения (записи) информации, то такой диск называют однослойными, а если данные хранятся в двух слоях, то – двухслойными.

Прессованные DVD в зависимости от типа исполнения (однослойный/двухслойный и односторонний/двухсторонний) состоят из различного количества слоев. Односторонний однослойный DVD состоит:

- из пластмассовой (поликарбонатной) основы, на которой отштампована спиральная дорожка с ямками, несущая записанную информацию;

- отражающего слоя;

- защитного слоя лака, покрывающего отражающий слой;

- соединительного (адгезивного ) слоя между двумя половинами диска (этот слой может совмещаться с защитным);

- пластмассового слоя ("второй", неиспользуемой половинки-стороны), дополняющего диск до стандартной толщины 1,2 мм.

Такой диск позволяет хранить 4,7 Гбайт и называется DVD-5.

Рисунок 6.3 - Сечение односторонних однослойного (I) и двухслойного (II) DVD дисков: а) поликарбонатная основа и дополнительные слои, б) отражающий слой, в) слой лака, г) адгезивный слой, д) полупрозрачный отражающий слой двухслойного диска, е) слой фотополимера, на котором записаны данные второго слоя диска

На рисунке 6.3, II) оказано сечение одностороннего двухслойного DVD, который имеет два слоя, хранящих информацию. В этом случае нижний из отражающих слоев полупрозрачный, поэтому оказывается возможным считывать данные как с этого слоя, так и с расположенного над ним обычного отражающего слоя посредством фокусировки считывающего луча лазера на нужном слое. Причем переключение между слоями оказывается даже быстрее по времени, чем позиционирование на другое место в одном и том же слое.