Оптични устройства и дискове – всичко за тях

Често се срещат въпроси от объркани потребители “какво представляват оптичните устройства”. Макар названието “оптично устройство” да звучи малко по-сложно отколкото ще ви изглежда след като разберете отговора, то е най-точното определение за целия набор от различни продукти, създадени, за да работят с оптичните дискове (да, кръглите огледални дискове, които сте виждали навсякъде). Тяхната история започва много по-рано, отколкото бихте могли да предположите, а до края на тази статия ще се опитаме да обхванем всичко, което трябва да знаете за технологията, включвайки интересните и любопитни факти от прогреса ѝ.

История

Всичко започва през 50-те години на миналия век и по-точно през далечната 1958 година, когато Дейвид Пол Грег стоял на бюрото в офиса си в компанията Westrex Corp (по-късно закупена от Litton Industries). Работейки (или не чак толкова), той забелязва техническо списание с илюстрации, една от които го вдъхновява за създаването на прозрачен носител, използващ лазери за обработка на информацията. Дейвид бързо се захваща с идеята си и не след дълго тя наистина е реализирана. За да я защити, през 1961 година той я патентова с наименованието VideoDisk.

През 1968 година MCA (Music Corporation of America) закупуват патентите му, за да работят върху развитието им, а година по-късно обединяват усилията си с Philips, които пък конструират VideoDisk с отразяваща повърхност, подобрявайки характеристиките на оригинала. Демонстрацията на новите дискове се състои през 1972 година, а 6 години по-късно те се продават в Атланта (САЩ) под наименованието LaserDisc. За бързото развитие на технологията големи заслуги има и Джеймс Ръсел, отговорен за цялостната концепция за запис и плейбек. Две години преди LaserDisc вече са се продавали VHS (добре познатите ни “видео касети”) и вероятно това изпреварване е било решаващо за налагането на VHS стандарта, който е предлагал по-ниско качество от LaserDisc. Сравнение между големината на LaserDisc и днешно DVD може да видите на снимката отдолу.
Philips започват разработка на плеърите, а MCA – на дисковете. Взаимната им работа обаче се оказва не особено успешна и след няколко години прекъсва.

Първият филм, разпространяван чрез LD, е “Челюсти”. Премиерата му е на 20 юни 1975 година, а 3 години по-късно се появява и върху LaserDisc. По-интересно е обаче, че филми на LD се разпространяват и през 21 век, като последните такива са “Слийпи Холоу” и “До краен предел”, пуснати на пазара през 2000 година. Производството на LaserDisc плеъри продължава чак до 14 януари 2009 година, когато Pioneer (най-големият им производител) обявява официалния и окончателен край след 16.8 милиона продадени устройства по целия свят.
.

Връщаме се отново до 1979 година, когато на 8 март в Айндховен (Холандия) се провежда пресконференция на Philips, озаглавена “Philips представя Компакт Диск”. Това е и началото на един нов стандарт, който до скоро беше най-популярният начин за пренос на данни. Sony също се занимават активно с идеята, като през 1978 демонстрират “Дигитален Аудио диск” способен да събере 150 минутен запис с 44.056 Hz sampling rate. Първият компакт диск (CD) се произвежда тестово в Хановер (Германия) през 1981 година, а върху него се записва Алпийската Симфония на Рихард Щраус в изпълнение на Берлинската Филхармония.
На 1 октомври 1982 година Sony представят прототип на CD плеър (на снимката), който въпреки, че прилича повече на микровълнова фурна, поставя началото на дигиталната ера и впечатлява милиони меломани и любители на високите технологии. Името му е “Goronta”, но модела се разпознава като CDP-101.

През 1994 година се появява първият ноутбук с вградено CD-ROM оптично устройство – IBM ThinkPad 755.

Любопитен факт е, че най-продаваното CD в историята е “Beatles – 1”, пуснато на пазара през ноември 2000. Продадени са над 30 милиона копия.

Технологията на запис и четене

Форматите на оптичните дискове са много – ще стане дума за тях по-късно. Всички те обаче работят по приблизително една и съща технология, използвайки еднакви основни компоненти. Първо ще ви покажем конструкцията на оптичния носител, разделена на слоеве:

Шасито задържа диска – при поставянето му върху кръглия шпиндел и затваряне на устройството, шпинделът се развърта с много висока скорост, зададена на специално създаден за целта задвижващ мотор.

Стандартният диск се състои от три слоя – подложка от поликарбонат, на който е щампован релефът на диска, слой с отразяващо покритие от алуминии и тънък защитен слой от лак, върху който в последствие се нанасят надписите и рисунките (обложката на диска).

Информационният релеф на диска представлява спирална пътечка, тръгваща от центъра към периферията, по чиято дължина са разположени вдлъбнатините. Информацията се кодира с редуването на щрихи и промеждутъци между тях. Прочитането на информацията от диска става чрез регистрацията на изменението на интензивността на отразеното от алуминиевия слой излъчване на маломощния лазер. Оптоелектронният сензор определя дали се е отразил лъча от гладката повърхност или е бил разсеян и погълнат. Разсейването или поглъщането на лъча става на местата, където в процеса на запис са нанесени вдлъбнатини (щрихи). Силното отражение на лъча става там, където липсват такива вдлъбнатити (лъча се връща от отразяващата повърхност). Сензорът приема отразения лъч, а след това тази информация във вид на електрически сигнали се подава на микропроцесор, който ги преобразува в двоични сигнали (нули и единици).

На малката снимка може да видите единична дупка (щриха) върху CD, заснета с електронен микроскоп. Дупките са дълбоки около 100 нанометра, широки около 500 и дълги между 850 нанометра и 3.5 микрометра.

Пътечката започва на някакво разстояние от централното отверствие и завършва на около 5 милиметра от външния край. Ако на компакт диска е необходимо да се намери мястото на записа на определени данни, то неговите координати предварително се изчисляват, след което приемното устройство се премества към нужната навивка на спиралата и чака появяването на определена последователност от битове. Във всеки блок на диска, записаното във формат CD съдържа 2352 байта. От тях 304 се използват за синхронизация, идентификация и корекция на грешките, а останалите 2048 – за съхранение на полезна информация (вашите данни).

Четене от CD:

1. Полупроводников лазер генерира маломощен лъч, който попада на отразяващо огледало (дясната призма).

2. Серводвигател по команда от вградения микропроцесор премества подвижната каретка с отразяващото огледало на необходимата пътечка на компакт диска.

3. Отразения от диска лъч се фокусира с леща, разположена под диска, отразява се от огледало (лявата призма) и попада на разделителна призма.

4. Разделителната призма насочва отразения лъч на друга фокусираща леща.

5. Тази леща направлява отразения лъч към оптоелектронния сензор, който преобразува светлинната енергия в ел. импулси.

6. Сигналите от фотодатчика се декодират от вградения микропроцесор и се предават в компютъра във вид на данни.

Битовите данни се отчитат като преход между високо и ниско ниво на сигнала, които физически се записват като начало и край на всеки щрих. Понеже за програмните файлове и файловете с дании е важен всеки бит, в CD устройствата се използват доста сложни алгоритми за корекция на грешките. Благодарение на тях, вероятността за неправилно прочитане на грешките съставлява по-малко от 0.125 %. С други думи, преди да възникне грешка безпогрешно се четат два квадрилиона диска. Нека си го представим нагледно – ако започнете да трупате тези дискове на купчинки, ще успеете да натрупате 5202 купчинки с дискове, всяка от които ще е висока до луната.

За да се реализират тези методи, към всеки 2048 “полезни” байта се добавят 304 контролни. Това позволява да се възстановят даже силно повредени последователности от данни (с дължина до 1000 грешни битове). Използването на толкова сложни методи за намиране и корекция на грешките е необходимо, защото носителите винаги са подложени на някакво физическо въздействие, което ги наранява. Освен това първоначално дисковете са били замислени единствено за аудио записи, при които не е от голямо значение дали ще бъде променена една микросекунда, но когато си говорим за софтуер – всяка малка част може да навреди много. Ако физическият “тормоз” над оптичните носители липсваше, DVD-тата например щяха да издържат над 50 години преди да започнат да правят проблеми или да се четат трудно.

Презаписваемите дискове могат да бъдат изтривани като лазерите ги загряват до по-ниска температура, което предизвиква рекристализиране на слоя и елиминира дупките. Този процес се нарича каляване.

Капацитети и скорости:

CD – 650 MB / 702 MB / 790 MB / 870 MB
Най-разпространени са 702-мегабайтовите.

1х – 150 KB в секунда
За да получите скоростта на запис при по-бързи записващи устройства и дискове, умножете числото по съответния множител (2x = 300 KB/сек, 4x = 600 KB/сек и т.н.)

DVD – 4.71 GB / 9.4 GB
Първите DVD-та са създадени от Pioneer и побират 3.95 GB информация. През 2005 година, отново Pioneer пускат на пазара двуслойни DVD-та с капацитет от 9.4 GB.

1х – 1.32 MB в секунда
За да получите скоростта на запис при по-бързи записващи устройства и дискове, умножете числото по съответния множител (2x = 2.64 MB/сек, 4x = 5.28 MB/сек и т.н.)

Blu-Ray – 25 GB / 50 GB

1х – 4.5 MB в секунда
За да получите скоростта на запис при по-бързи записващи устройства и дискове, умножете числото по съответния множител (2x = 9 MB/сек, 4x = 18 MB/сек и т.н.)

Видове оптични дискове и устройства

Пресовани дискове (Pressed CD) – Замисляли ли сте се някога как големите компании, издаващи списания записват дисковете, които предлагат с тях? Вероятно се сещате, че няма как всеки диск да бъде записван един по един, защото това ще отнеме не месец, а може би години или десетилетия. По тази причина са създадени огромни машини, на които се задава оригинален диск, а те го използват като шаблон за всички останали, чрез пресоване на информацията му върху стотици и дори хиляди копия. Записът на копие става напълно автоматично като отнема само една секунда, а след това върху него се принтира обложка и се поставя в кутиика от машината робот.
Този вид дискове не могат да бъдат дозаписвани или презаписвани.

“R” разширението означава, че дискът може да бъде записван (Recordable).
“RW” разширението обозначава, че дискът може да бъде записван, изтриван и презаписван.
“DL” означава, че дискът притежава два слоя за запис.
“BD-R” дисковете могат да бъдат записвани само веднъж, а “BD-RE” могат да бъдат изтривани и презаписвани.

При оптичните устройства обозначенията са същите. “ROM” разширението означава, че устройството може само да чете дискове. CD-ROM може единствено да чете CD-та, DVD-ROM може да разчита CD-та и DVD-та, а BD-ROM може да разчита CD-та, DVD-та и Blu-Ray дискове.
“DL” означава, че може да записва върху двуслойни такива.

Големият конкурент – USB флаш устройствата

Най-големият конкурент на оптичните дискове са USB флаш устройствата (широко разпространени под названието “флашки”). Те са по-малки, по-лесно преносими и по-лесни за използване, а капацитетът им в момента стига до 256 GB.
Голямото предимство на оптичните дискове обаче е в цената – докато едно DVD с вместимост от 4.7 GB струва стотинки, флаш памет със същия капацитет се продава срещу около 30 пъти по-голяма сума.

.

И все пак номер едно е…

Въпреки, че учените постоянно се стараят да създадат какви ли не носители на информация, най-добрият такъв си остава…мозъкът. Всички негови неврони работят както със записваща функция, така и с логическа обработка на информация. Средният обем на мозъка е литър и половина, масата – 1200 грама, а използваната мощност – 2.5 вата. За да работите с такъв капацитет в електронно устройство ще са ви необходими няколко кубически метра (хиляди литри), стотици килограми и мощност от няколко киловата.

.

Благодаря, че отделихте време, за да прочетете тази статия! Ако имате някакви въпроси или коментари, може да използвате формата отдолу или да посетите нашия форум.
Поздрави от мен Симеон Николов и целия екип на Laptop.bg!

Още по темата:

1. HP ще предлага супер бързи SSDs дискове в лаптопите си
   HP планира да започне предлагането на по-издържливи Solid-State Drives (SSDs) във всички професионални серии преносими компютри. Новите твърди дискове се очаква да се появят през...
2. SSD дискове. Що е то и струва ли си?
   Напоследък в цял свят станаха популярни ултрапортативните лаптопи или още наречени netbook устройства. Те въведоха нови стандарти при работата с мобилни компютри. На първо място...
3. Новите лаптопи на Dell с криптирани Seagate дискове
   Вторият най-голям в света производител на компютри, Dell, се подготвя да предложи нова възможност за твърдите си дискове в новата си Latitude серия. Преносимите компютри...