Алгоритм работы накопителя CD-ROM

1.     Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

2.     Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт - диске.

3.     Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

4.     Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

5.     Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

6.     Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Штрихи, нанесённые на поверхность диска, имеют разную длину. Интенсивность отражённого луча изменяется, соответственно изменяя электрический сигнал, поступающий на фотодатчик. Биты данных считываются как переходы между высокими и низкими уровнями сигналов, которые физически записываются как начало и конец каждого штриха. 

Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок.

Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125 . Другими словами, безошибочно считывается два квадриллиона дисков, что соответствует стопке компакт - дисков высотой около двух миллиардов километров.

Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во- первых, с тем, что компакт - диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во- вторых , потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки.

Параметры накопителей CD-ROM

Время доступа (access time)

Время доступа к данным для накопителей CD - ROM определяется точно также, как и для жёстких дисков. Оно равняется задержке между получением команды и моментом считывания первого бита данных. Время доступа измеряется в миллисекундах и его стандартное паспортное значение для накопителей 4х скоростных приблизительно равно 200 мс. При этом имеется в виду среднее время доступа, поскольку реальное время доступа зависит от расположения данных на диске. Очевидно, что при работе на внутренних дорожках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних дорожек. Поэтому в паспортах на накопители приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких случайных считываний данных с диска.

Очевидно, что чем меньше время доступа, тем лучше, особенно в тех случаях, когда данные нужно находить и считывать быстро. Время доступа к данным на CD - ROM постоянно сокращается . Заметим, что этот параметр для накопителей CD - ROM намного хуже, чем для жёстких дисков (85-500 мс для CD - ROM и 10 мс для жёстких дисков).Столь существенная разница объясняется принципиальными различиями в конструкциях : в жёстких дисках используется несколько головок и диапазон их механического перемещения меньше. Накопители CD - ROM используют один лазерный луч, и он перемещается вдоль всего диска . К тому же данные на компакт - диске записаны вдоль спирали и после перемещения считывающей головки для чтения данной дорожки необходимо ещё ожидать, когда лазерный луч падает на участок с необходимыми данными. При чтении внешних дорожек время доступа больше, нежели при чтении внутренних дорожек.

Обычно, когда увеличивается скорость передачи данных, соответственно уменьшается и время доступа.

Скорость передачи данных (dats-transfer rate)

При стандартной скорости вращения скорость передачи данных составляет около 150 кб/с. В двух- и более скоростных CD-ROM диск вращается с пpопоpционально большей скоростью, и пpопоpционально повышается скорость пеpедачи (например, 1200 кб/с для 8-скоpостного).

Из-за того, что физические параметры диска (неоднородность массы, эксцентpиситет и т.п.) стандаpтизиpованы для основной скорости вращения, на скоростях, больших 4-6, уже возникают значительные колебания диска, и надежность считывания, особенно для дисков нелегального производства, может ухудшаться. Некоторые CD-ROM при ошибках чтения могут снижать скорость вращения диска, однако большинство из них после этого не могут возвращаться к максимальной скорости вплоть до смены диска.

На скоростях свыше 4000-5000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 10- и более скоростных CD-ROM ограничивают верхний предел скорости вращения. При этом на внешних дорожках скорость передачи достигает номинальной (напpимеp, 1800 кб/с для 12-скоpостных моделей, а по мере приближения к внутренним - падает до 1200-1300 кб/с.

Для указания скорости чтения CD по сравнению со стандартом Audio CD (CD-DA) обычно применяют цифры 24x, 32x, 34x и тд.. Однако за последнее время технология немного изменилась. Первые модели CD-ROM использовали постоянную линейную скорость чтения (CLV). Это требовало изменения скорости вращения диска при перемещении головки. Для устройств 1x (150kb/s) эта скорость лежала в диапазоне 200-530об/мин. Устройства 2x -12x скоростные просто повышали скорость вращения. Однако уже увеличение скорости до 12x требует частоты вращения 2400-6360об/мин что очень велико для сменного носителя (часто также плохо отцентрированного). К тому же разная скорость вращения для разных областей диска повышает время доступа, т.к. при перемещении головки необходимо и соответственно изменять скорость вращения диска. Дальнейшее повышение скорости таким способом очень проблематично, поэтому производители перешли к технологии P-CAV и CAV. Первая предусматривает переход от постоянной линейной скорости к постоянной угловой скорости (CAV) на внешних дорожках диска, а вторая использует постоянную угловую скорость для всего диска. В связи с этим цифры типа 32x немного утрачивают свое значение, т.к. обычно относятся к внешней стороне диска, а информация на CD записывается начиная с внутренних дорожек и на незаполненных полностью дисках эта скорость вообще не достигается.

Размер блока данных (data block size)

Под размером блока данных (data block size) понимают минимальное количество байт, которые передаются на компьютер через интерфейсную карту. Иначе говоря, это единица информации, с которой оперирует контроллер привода. Минимальный размер блока данных в соответствии со спецификацией МРС равен 16 Кбайт. Поскольку файлы на компакт-диске обычно достаточно большие, то промежутки между блоками данных ничтожно малы.

Размер буфера

Во многих накопителях CD-ROM имеются встроенные буферы, или кэш - память. Эти буферы представляют собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для записи считанных данных, что позволяет передавать в компьютер за одно сообщение большие массивы данных. Обычно ёмкость буфера составляет 256 Кбайт, хотя выпускаются модели как с большими, так и с меньшими объёмами. Как правило, в более быстродействующих устройствах ёмкость буфера больше. Это делается для достижения более высоких скоростей передачи данных.

Накопители, в которых есть буфер, обладают рядом преимуществ. Благодаря буферу данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью. Например, данные для считывания обычно разбросаны по диску и, поскольку накопители CD-ROM имеют относительно большое время доступа, это может привести к тому, что считываемые данные будут поступать в компьютер с задержками. Это практически незаметно при работе с текстами, но если у накопителя большое время доступа и нет буфера данных, при выводе изображений или звукового сопровождения возникающие паузы сильно действуют на нервы. Кроме того, если для управления накопителями используются достаточно сложные программы - драйверы, то в буфер может быть заранее записано оглавление диска, и обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит намного быстрее, чем при поиске с «нуля».

Пылезащищённость

Главными врагами устройства на компакт-дисках являются пыль и грязь. Их попадание в оптическое устройство или в механизм приводит к ошибкам считывания данных или, в лучшем случае, к снижению быстродействия. В одних накопителях линзы и прочие отвесные узлы располагаются в отдельных герметизированных отсеках, в других для предотвращения попадания пыли внутрь накопителя используются своеобразные «шлюзы» из двух заслонок (внешней и внутренней). Все эти меры позволяют продлить срок службы устройства. Накопители для дисков в контейнерах значительно лучше защищены от неблагоприятных факторов, чем модели с выдвижными лотками. В промышленных условиях можно пользоваться только ими.

Автоматическая очистка линз

Если линзы лазерного устройства загрязнены, считывание данных замедляется, поскольку очень много времени уходит на повторные операции поиска и чтение (в худшем случае данные могут вообще не считываться). В таких случаях необходимо использовать специальные чистящие диски. В некоторых современных высококачественных моделях накопителей имеется встроенное устройство очистки линз. Оно очень полезно, когда компьютер работает в сложных внешних условиях и трудно содержать рабочее место в чистоте.

Внешние и внутренние накопители

При выборе модели накопителя на компакт-дисках (внешний или внутренний) необходимо учитывать то, каким образом он будет использоваться и планируется ли модернизация компьютера. Каждый из этих типов накопителей имеет свои достоинства и недостатки. Вот некоторые из них: внешние накопители - эти портативные устройства прочнее и крупнее, чем встроенные, приобретать их рекомендуется только в случае нехватки места внутри компьютера или если необходимо подключить накопитель то к одному компьютеру, то к другому. Если в каждом из них имеется SCSI - адаптер, то эта процедура сводится к отключению накопителя от одного компьютера и подключению к другому. Внутренние накопители - эти устройства рекомендуется приобретать, если в компьютере есть свободный отсек или накопитель планируется использовать только на одном компьютере. Во всех современных компьютерах устанавливаются накопители на компакт - дисках.

Основы устройства DVD

Как и CD-ROM, диски DVD хранят данные, за счет расположенных насечек 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.

Основное требование, при разработке DVD, было простым: увеличить емкость хранимых данных, за счет расположения как можно большего числа насечек вдоль треков на диске, при этом технология изготовления должна быть дешевой.

Результатом исследований стала разработка более высокочастотного полупроводникового лазера с меньшей длиной волны, вследствие чего стало возможным использовать насечки более маленького размера.

В то время, как лазер в обычном устройстве CD-ROM имеет длину волны 780-нанометров (nm), устройства DVD используют лазер с длиной волны 650-nm или 635-nm, что позволяет покрывать лучом в два раза больше насечек на одном треке, и в два раза больше треков, расположенных на одной записанной поверхности.

Другие нововведения - это новый формат секторов, более надежный код коррекции ошибок, и улучшенная модуляция каналов.

Вместе, эти улучшения дополнительно увеличивают плотность записи данных в полтора раза. Жесткие производственные требования и незначительно большая поверхность записи, стали последним препятствием, при разработке DVD, из-за чего емкость данных, размещаемых на диске ограничена 4.7Gb. Но оказалось, что это не предел.

Для записи видео и звука на DVD применяется очень сложная технология компрессии данных, носящая имя MPEG-2. MPEG-2 представляет из себя следующее поколении стандарта на сжатие (компрессию) видео и звуковых данных, обеспечивающего возможность разместить большие объемы информации в меньшем пространстве.

Стандарт сжатия MPEG разработан Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group - MPEG). MPEG это стандарт на сжатие звуковых и видео файлов в более удобный для загрузки или пересылки, например через интернет, формат. По стандарту MPEG-1 потоки видео и звуковых данных передаются со скоростью 150 килобайт в секунду -- с такой же скоростью, как и односкоростной CD-ROM проигрыватель -- и управляются путем выборки ключевых видео кадров и заполнением только областей, изменяющихся между кадрами. К несчастью, MPEG-1 обеспечивает качество видеоизображения более низкое, чем видео, передаваемое по телевизионному стандарту.

Компрессия по стандарту MPEG-2 кардинально меняет положение вещей. Более 97% цифровых данных, представляющих видео сигнал дублируются, т.е. являются избыточными и могут быть сжаты без ущерба качеству изображения. Алгоритм MPEG-2 анализирует видеоизображение в поисках повторений, называемых избыточностью. В результате процесса удаления избыточности, обеспечивается превосходное видеоизображение в формате MPEG-2 при более низкой скорости передачи данных. По этой причине, современные средства поставки видеопрограмм, такие как цифровые спутниковые системы и DVD, используют именно стандарт MPEG-2.

Большинство дисков DVD имеют емкость 4.7GB. Применение схем удвоения плотности и их комбинирования, позволяет иметь диски большей емкости: от 8.5Gb и 9.4Gb до 17Gb.

Структурные типы DVD

Single Side/Single Layer (односторонний/однослойный): это самая простая структура DVD диска. На таком диске можно разместить до 4.7 Гб данных. Кстати, эта емкость в 7 раз больше емкости обычного звукового CD и CD-ROM диска.

Single Side/Dual Layer (односторонний/двуслойный): этот тип дисков имеет два слоя данных, один из которых полупрозрачный. Оба слоя считываются с одной стороны и на таком диске можно разместить 8.5 Гб данных, т.е. на 3.5 Гб больше, чем на однослойном/одностороннем диске.   

Double Side/Single Layer (двусторонний/однослойный): на таком диске помещается 9.4 Гб данных (по 4.7 Гб на каждой стороне). Нетрудно заметить, что емкость такого диска вдвое больше одностороннего/однослойного DVD диска. Между тем, из-за того, что данные располагаются с двух сторон, придется переворачивать диск или использовать устройство, которое может прочитать данные с обеих сторон диска самостоятельно.

Double Side/Double Layer (двусторонний/двуслойный): структура этого диска обеспечивает возможность разместить на нем до 17 Гб данных (по 8.5 Гб на каждой стороне).

Все приведенные цифры соответствуют емкости, указанной в миллионах байтов; если округлять по другой методике, принимая за основу, что 1Кб=1024 байта, а не 1000 байт, то получатся другие числа: 4.38GB, 7.95GB, 8.75GB, и 15.9GB соответственно.

Нетрудно заметить, что простейшим способом удвоения емкости является использование двухсторонних дисков. Производители могут изготавливать диски DVD толщиной 0.6мм, что в половину меньше толщины стандартного диска CD. Это дает возможность соединить два диска обратными сторонами и получить емкость в 9.4Gb.

По другой технологии, создается второй слой для размещения данных, это позволяет увеличить емкость одной стороны диска. Первый слой делается полупрозрачным, таким образом, лазерный луч может проходить через него и отражаться уже от второго слоя. По этой схеме на каждой стороне диска можно разместить по 8.5GB данных.

Если сложить двуслойные диски обратными сторонами вместе, получится очень приличная емкость в 17GB.

Скорость передачи и время доступа

Существующие приводы DVD имеют несколько более медленную скорость вращения дисков, по сравнению с устаревшими устройствами CD-ROM c 3-х кратной скоростью. Однако, благодаря более плотному размещению данных на DVD, скорость их передачи соответствует 9-ти кратной скорости передачи данных приводов CD-ROM, что в цифрах соответствует передачи около 1.3 MB/sec.

Соль в том, что видео на DVD прокручивается приблизительно с 9-ти кратной скоростью, в то время, как видеопрограммы на CD обычно рассчитаны на 2-х или 4-х кратную скорость (вот почему при использовании х24 скоростного привода CD нет никакого заметного улучшения качества при проигрывании видео). За счет передачи видеоданных в 2.25-4.5 раза быстрее, видеофильм, показываемый с проигрывателя DVD имеет такое качество, что по сравнению с ним видео с CD-ROM проигрывателя напоминает мерцающее изображение в старинном кинотеатре. И действительно, если запустить один и тот же фильм с VideoCD, VHS или DVD, то разница в качестве будет заметна на глаз, причем однозначно выигрывает DVD. Более того, на мониторе DVD фильм смотрится лучше, чем на телевизоре.

Практически не изменилось положение только с одним важным параметром, влияющем на производительность: время доступа, или то время, которое требуется лазерному лучу для перехода с одного трека на другой. Имея среднее время доступа между 150 и 200 миллисекунд (ms), приводы DVD-ROM, конечно же, не могут соперничать с жесткими дисками, по скорости запуска приложений или времени поиска разрозненных данных.

Но это не трагично, т.к. время доступа не влияет на проигрывание видео, потому что в этом случае данные располагаются на диске последовательно.

Кроме того, DVD-ROM, так же, как и CD-ROM, прекрасно подходят для загрузки программ и в качестве большого хранилища данных для приложений, которые не помещаются на Ваш жесткий диск.

Официальный наследник DVD – Blue-ray Disk

Blue-ray Disk – это новое поколения оптических дисков такого же диаметра, как и DVD (и как CD тоже) – 12 см. Главное отличие от предшественника, который надо сказать в нашей стране только набирает популярность, заключается в использовании не традиционного красного лазера длинной волны для записи, а синего. Так как длина волны синего спектра света гораздо меньше, то плотность записи можно увеличить просто фантастически при этом, не прикладывая особенных усилий.

Именно поэтому в принятых на форуме спецификациях можно видеть заявленные 27 ГБ диски 12 см с односторонней записью. Для сравнения: у обычного DVD на одну сторону можно записать только 4.7 ГБ информации, т.е. плотность записи возросла в 5.7 раза

Появление и распространение нового формата должно дать возможность крупнейшим производителям видео продукции таким как голливудские студии записывать фильмы в цифровом виде как и на DVD, но со сверх высоким разрешением 1080x768 и даже больше. Естественно для этого потребуются и другие скорости считывания приводов, да и вообще всю аппаратуру придется все же переделывать (это касается только модуля считывания лазера, так как некоторые уже существующие устройства поддерживают телевидение сверх высокой четкости и могут работать с ним). Опять же, можно не только записать фильм в высоком разрешении, но и записать традиционным способом в формате MPEG II (DVD). Это даст продолжительность воспроизведения в 5.7 раз большую, или 13 часов видео на одном диске. В то время как односторонний DVD диск способен вместить только 133 минуты фильма, если фильм больше, то делается двухсторонний диск.

Практика

Организация  ОАО «Триумф» предоставляет некоторые виды кредитов как физическим, так и юридическим лицам под процентные ставки (рис. 1).  На  фирме ведется журнал учета кредитов и их возврата (рис. 2).  При этом за каждый просроченный день возврата начисляется штраф в размере 1 % от суммы кредита.

1.     Построить таблицы по приведенным ниже данным (рис. 1-2).

2.     Организовать межтабличные связи для автоматического заполнения граф журнала регистрации кредитов (рис. 2): «Наименование кредита», «Сумма возврата по договору, тыс. руб.», «Штрафные санкции, тыс. руб.», «Общая сумма возврата, тыс. руб.».

3.     Определить наиболее востребованный вид кредита:

1.     подвести итоги в журнале регистрации кредитов;

2.     построить соответствующую сводную таблицу.

4.     Построить гистограмму по данным сводным таблицы.

Рис. 1. Список видов кредита и ставки по ним в ОАО «Триумф»

Рис. 2. Журнал регистрации кредитов

Описание алгоритма решения задачи

1.     Запустить табличный процессор MS Excel.

2.     Создать книгу с именем «ОАО «Триумф».

3.     Лист 1 переименовать в лист с названием Список видов кредита.

4.     На рабочем листе Список видов кредита MS Excel создать таблицу списка видов кредита и ставок по ним.

5.     Заполнить таблицу списков видов кредита и ставок по ним данными  (Рис. 1).

Рис. 1. Расположение таблицы «Список видов кредита и ставки по ним в ОАО «Триумф»

6.     Лист 2 переименовать в лист с названием Журнал регистрации кредитов.

7.     На рабочем листе Журнал регистрации кредитов MS Excel создать таблицу в которой будет список выдачи и возвращения кредитов.

8.     Заполнить таблицу со списком выдачи и возврата кредита исходными данными.(Рис. 2.)

Рис. 2.  Расположение  таблицы  со списком выдачи и возврата кредита на рабочем листе Журнал регистрации кредитов MS Excel

9.     Заполнить графу Наименование кредита таблицы «Журнала регистрации кредитов», находящейся на листе Журнал регистрации заказов следующим образом:

Занести в ячейку D3  формулу:

=ЕСЛИ(C3=100;"Бытовой";ПРОСМОТР(C3;'Список видов кредита'!$A$3:$B$7)).

Размножить введенную в ячейку D2 формулу для остальных ячеек (с D4 по D10) данной графы.

10.                         Заполнить графу Сумма возврата по договору, тыс. руб. таблицы «Журнала регистрации кредитов», находящейся на листе Журнал регистрации заказов следующим образом:

Занести в ячейку H3  формулу:

=E3+E3*(ЕСЛИ(C3=100;25;ПРОСМОТР(C3;'Список видов кредита'!$A$3:$C$7)))/100

Размножить введенную в ячейку H3 формулу для остальных ячеек (с H3 по H10) данной графы.

11.                        Заполнить графу Штрафные санкции, тыс. руб. таблицы «Журнала регистрации кредитов», находящейся на листе Журнал регистрации заказов следующим образом:

Занести в ячейку I3  формулу:

=ЕСЛИ(G3-F3<=0;0;(G3-F3)*0,01*E3)

Размножить введенную в ячейку I3 формулу для остальных ячеек (с I3 по I10) данной графы.

12.                        Заполнить графу Общая сумма возврата, тыс. руб. таблицы «Журнала регистрации кредитов», находящейся на листе Журнал регистрации заказов следующим образом:

Занести в ячейку J3  формулу:

=H3+I3

Размножить введенную в ячейку J3 формулу для остальных ячеек (с J3 по J10) данной графы.

13.                        В таблице «Журнала регистрации кредитов» подвести общий итог в журнале по полю Сумма кредита, тыс. руб., Сумма возврата по договору, тыс. руб., Штрафные санкции, тыс. руб., Общая сумма возврата, тыс. руб. (Рис. 3.)

Рис. 3. Регистрация кредитов, выданных ОАО «Триумф» физическим

и юридическим лицам

14.                         Лист 3 переименуем в лист с названием сводная таблица.

15.                        На рабочем листе Сводная таблица MS Excel создать таблицу, в которой будут суммы выплат по отдельным видам кредитов.

16.                        Путем создания межтабличных связей заполнить созданную таблицу полученными данными из таблицы «Журнала регистрации кредитов» (Рис. 4.)

Рис. 4. Сводная таблица ОАО «Триумф»

17.                        Лист № 4 переименовать в лист с названием График.

18.                        На рабочем листе График MS Excel представить графически результаты вычислений сводной таблицы ОАО «Триумф» (Рис. 5.)

Рис. 5. Сводная таблица и графическое представление

результатов вычислений

Список использованной литературы

1.     Уинн Л. Рош М.. Библия по модернизации персонального компьютера. Москва: Мир науки, 2005

2.     Жаров А. Железо IBM

3.     Бозенко А., Фёдоров А. Мультимедиа для всех: 2-ое издание, 2004

4.     Гуриков В. Восковой, виниловый, лазерный… // ТМ. – 2002