Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кеш-буфером) и компьютером. В настоящее время в настольных ПК, чаще других, используются две разновидности интерфейсов ATAPI - AT Attachment Packet Interface (Integrated Drive Electronics - IDE, Enhanced Integrated Drive Electronics - EIDE) и SCSI (Small Computers System Interface).
Интерфейс IDE
Разрабатывался как недорогая и производительная альтернатива высокоскоростным интерфейсам ESDI и SCSI. Интерфейс, предназначен для подключения двух дисковых устройств. Отличительной особенностью дисковых устройств, работающих с интерфейсом IDE состоит в том, что собственно контроллер НЖМД располагается на плате самого накопителя вместе со встроенным внутренним кэш-буфером. Такая конструкция существенно упрощает устройство интерфейсной карты и дает возможность размещать ее не только на отдельной плате адаптера, вставляемой в разъем системной шины, но и интегрировать непосредственно на материнской плате компьютера. Интерфейс характеризуется простотой, высоким быстродействием, малыми размерами и относительной дешевизной.
Сегодня на смену интерфейсу IDE пришло детище фирмы Western Digital - Enhanced IDE, или сокращенно EIDE. Сейчас это лучший вариант для подавляющего большинства настольных систем. Жесткие диски EIDE заметно дешевле аналогичных по емкости SCSI-дисков (см. ниже) и в однопользовательских системах не уступают им по производительности, а большинство материнских плат имеют интегрированный двухканальный контроллер для подключения четырех устройств.
Можно выделить шесть основных отличий расширенного стандарта:
большая емкость дисков; если IDE не поддерживал диски свыше 528 мегабайт, то EIDE преодолевает это ограничение;
к нему подключается больше устройств - четыре вместо двух. Вместо одного канала контроллера для подключения двух IDE устройств используются два: основной - на высокоскоростной локальной шине и вспомогательный;
появилась спецификация ATAPI, дающая возможность подключения к этому интерфейсу не только жестких дисков, но и других устройств - стриммеров и дисководов CD-ROM;
повысилась производительность: НЖМД с интерфейсом IDE имели максимальную скорость передачи данных на уровне 3 мегабайт в секунду, а диски EIDE поддерживают несколько новых режимов обмена, которые обеспечивают скорость передачи данных 11.1 и 16.6 мегабайт в секунду соответственно.
поддерживается режим прямого доступа к памяти - Multiword Mode 1 DMA (Direct Memory Access) или Multiword Mode 2 DMA и Ultra DMA, которые поддерживают обмен данными в монопольном режиме, при котором канал ввода-вывода в течение некоторого времени обслуживает только одно устройство;
расширена система команд управления устройством, передачи данных и диагностики, увеличен кеш-буфер обмена данными и существенно доработана механика.
Интеллектуальный многофункциональный интерфейс SCSI
Был разработан в конце 70-х годов в качестве устройства сопряжения компьютера и интеллектуального контроллера дискового накопителя. Интерфейс SCSI является универсальным и определяет обмен данными между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер. Помимо электрических и физических параметров, определяются также команды, при помощи которых, устройства, подключенные к шине, осуществляют связь между собой. Интерфейс SCSI поддерживает значительно более широкую гамму периферийных устройств и стандартизован ANSI (X3.131-1986).
Сегодня применяются в основном три стандарта:
SCSI-2
Ultra SCSI.
SCSI-3
В режиме Fast SCSI-2 скорость передачи данных доходит до 10 мегабайт в секунду при использовании 8-разрядной шины и до 20 мегабайт при 16-разрядной шине Fast Wide SCSI-2.
Появившийся позднее стандарт Ultra SCSI отличается еще большей производительностью - 20 мегабайт в секунду для
8-разрядной шины и 40 мегабайт для 16-разрядной.
В новейшем SCSI-3 увеличен набор команд, но быстродействие осталось на том же уровне.
Все применяющиеся сегодня стандарты совместимы с предыдущими версиями "сверху - вниз", то есть к адаптерам SCSI-2 и Ultra SCSI можно подключить старые SCSI-устройства. Интерфейс SCSI-Wide, SCSI-2, SCSI-3 - стандарты модификации интерфейса SCSI, разработаны комитетом ANSI. Общая концепция усовершенствований направлена на увеличение ширины шины до 32-х, с увеличением длины соединительного кабеля и максимальной скорости передачи данных с сохранением совместимости с SCSI. Это наиболее гибкий и стандартизованный тип интерфейсов, применяющийся для подключения 7 и более периферийных устройств, снабженных контроллером интерфейса SCSI. Интерфейс SCSI остается достаточно дорогим и самым высокопроизводительным из семейства интерфейсов периферийных устройств персональных компьютеров.
Теперь рассмотрим процесс работы накопителя от запуска до остановки. При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости давление набегающего на головки потока воздуха преодолевает силу пружин, прижимающих их к дискам, и головки "всплывают", поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности и его скорость приближается к номинальной (тысячи оборотов в минуту). В это время накопитель потребляет максимум питающего напряжения 12 вольт. Поскольку в любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы начинают поступать с головок сразу же после начала вращения, и по их частоте контроллер судит о скорости вращения дисков. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное "тарахтение", слышимое через несколько секунд после старта. Во время перемещения позиционера головок происходит слежение за поступающими с головок серво-импульсами, и система управления всегда "знает", над сколькими дорожками прошли головки. Аналогично происходит и удержание головок над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки изменяется во времени величина и форма серво-импульсов. Система управления может ликвидировать отклонение, изменяя ток в обмотках двигателя позиционера головок.
Микрокомпьютер НЖМД имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Также в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке или в специальных резервных зонах каждого диска. На каждом диске имеется некоторый запас резервных секторов, которыми можно подменить и появляющиеся впоследствии дефекты либо под управлением специальных программ, либо автоматически в процессе работы.
После начальной настройки электроники и механики микрокомпьютер ЖД переходит в режим ожидания команд контроллера, расположенного на системной плате или интерфейсной карте, который в свою очередь программируется процедурами собственной BIOS или BIOS компьютера под управлением ОС. Получив команду, он позиционирует на нужный цилиндр, по сервоимпульсам отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки дойдет нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации. Если контроллер запросил чтение/запись не одного сектора, а нескольких - накопитель может работать в блочном режиме, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись нескольких секторов с передачей информации к контроллеру или от него.
При выключении питания двигатель шпинделя работает в режиме генератора, обеспечивая питание плат электроники на время, необходимое для корректного завершения работы. Прежде всего, блокируется подача тока записи в магнитные головки, чтобы они не испортили информацию на поверхностях, а остаток энергии подается в обмотки привода головок, толкая их к центру дисков для автопарковки. Любой исправный накопитель всегда запаркует головки, как бы внезапно не было выключено питание, но если в этот момент происходила запись информации, то последствия могут быть плохими из-за недописанных областей данных или управляющих структур файловой системы ПК, независимо от типа и вида установленной ОС.
Устройство CD-диска
Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев:
основы,
отражающего
и защитного.
Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака - так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта с внешней средой.
Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений - питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от промежутка к питу и наоборот обозначает единицу, а длина пита или промежутка - длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1.4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние в 1.6 мкм.
Представление звукового сигнала
Исходный стереофонический звуковой сигнал подвергается оцифровке в 16-разрядные отсчеты (квантование) с частотой дискретизации 44.1 кГц. В начале диска располагается вводная зона, содержащая информацию о формате диска, структуре звуковых программ, адресах фрагментов, названиях произведений и т.п. В конце записывается выводная зона (дорожка с номером AA), выполняющая роль границы записанной области диска.
Общая длительность записи на компакт-диске - 74 минуты. Записи состоят из фреймов, по 588 отстчетов для левого и для правового каналов. В каждой секунде звукозаписи содержится по 75 фреймов соответственно. Можно перемножить 588*75=44100.
Способы записи и изготовления
Основной способ изготовления дисков - прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высокоточным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста - материала, изменяющего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальванопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матрицей при мелкосерийном производстве, либо основой для снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования. Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком.
Воспроизведение звука
При воспроизведении звуковой компакт-диск вращается с постоянной линейной скоростью относительно воспроизводящей головки (приблизительно 1.25 м/с). Система стабилизации скорости вращения обеспечивает скорость считан-ного цифрового потока равной 4.3218 Мбит/с, поэтому в зависимости от длины питов и промежутков действительная скорость может изменяться. Угловая скорость диска при этом изменяется от 500 об/мин при чтении самых внутренних участков дорожки до 200 об/м на самых внешних.
Для считывания информации с диска используется полупроводниковый лазер с длиной волны около 780 нм (инфракрасный диапазон). Луч лазера, проходя через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой, отраженный луч попадает в фотоприемник, где происходит определение питов и промежутков, а также проверка качества фокусировки пятна на дорожке и его ориентации по центру дорожки.
CD-R и CD-RW
Система однократной (CD-Recordable - записываемый CD) и многократной (CD-ReWritable - перезаписываемый CD) записи компакт-дисков. Терминами CD-R, CD-E и CD-RW обозначаются как устройства для записи, так и сами диски.
Для однократной записи используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою.
В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при охлаждении до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая спосо-бность существенно ниже штампованных и однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW формально необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника
Запись дисков CD-R выполняется при помощи специальных программ - Easy CD, CD Creator, CD Publisher, Direct CD и т.п. Процесс записи одной дорожки представляет собой единую операцию, которая не может быть прервана, иначе диск будет испорчен. Для обеспечения равномерности поступления записываемой информации на лазер все приводы имеют буфер, исчерпание данных в котором приводит к аварийному прерыванию записи.
Приводы CD-ROM
Типовой привод состоит из:
платы электроники,
шпиндельного двигателя,
системы оптической считывающей головки
и системы загрузки диска.
На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала.
Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью.
Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Изменение напряженности магнитного поля вызывает перемещение линзы и пеpефокусиpовку лазерного луча. Система перемещения головки имеет собственный приводной двигатель, приводящий в движение каретку с оптической головкой.
Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска, вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка, на который кладется сам диск.
При стандартной скорости вращения скорость передачи данных составляет около 150 Кб/с. В двух- и более скоростных CD-ROM диск вращается с пропорционально большей скоростью, и пропорционально повышается скорость передачи, например, 1200 Кб/с для 8-скоpостного диска.
В настоящее время типичные скорости 40-50.
Интерфейсы приводов CD-ROM
В настоящее время CD-ROM выпускаются только с интерфейсами SCSI и IDE. Диски подключается непосредственно к магистрали SCSI или IDE (ATA) с заданием номеpа устройства для SCSI или Master/Slave - для IDE.
DVD
Первоначально сокращение DVD расшифровывалось как digital video disc - оптические диски с большой емкостью. Эти диски используются для хранения компьютерных программ и приложений, а так же полнометражных фильмов и высококачественного звука. Появившаяся позже расшифровка аббревиатуры DVD, как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск - более логична.
Хотя DVD выглядят как обычные диски CD-ROM, они могут хранить в 26 раз больше данных. Однослойный, односторонний диск DVD может хранить 4.7GB данных, двухслойный, односторонний - до 8.5GB, двухсторонний - до 17GB.
Как и CD-ROM, диски DVD хранят данные за счет насечек , расположенных вдоль спиральных треков на отражающей металлической поверхности, покрытой пластиком. Используемый в устройствах чтения DVD дисков лазер скользит вдоль треков по насечкам, а отраженный луч интерпретируется приемным устройством в виде единиц или нулей. Благодаря разработке более высокочастотного полупроводникового лазера с меньшей длиной волны, стало возможным использовать насечки меньшего размера.
Другие новшества:
новый формат секторов,
более надежный код коррекции ошибок
улучшенная модуляция каналов.