Петровичев Е.И. Организация ЭВМ и систем

Подождите немного. Документ загружается.

Двухканальная память

Dual Channel - двойной канал, позволяет обращаться одновременно к двум модулям. Dual

Channel - это не тип модулей, а функция, интегрированная в материнскую плату. Может быть

задействована с двумя (желательно) идентичными модулями. Включается автоматически при

наличие 2-х модулей.

Модификации с контролем: Parity и ECC

Memory with Parity - это память с проверкой чётности, способная детектировать некоторые типы

ошибок.

Memory with ECC - это память с коррекцией ошибок; позволяет найти, а также исправить ошибку

одного бита в байте; медленнее обычной.

5.2.3. Статическая память

Статическая память (SRAM) в современных компьютерах обычно применяется в качестве кэш-

памяти для кэширования основного объема RAM.

Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по

способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным

называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени.

Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а

синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для

доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат используется

разновидность синхронной памяти - синхронно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для

которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая

операция занимает 3-1-1-1 такта при первом обращении и 1-1-1-1 при последующих обращениях,

что обеспечивает ускорение доступа более чем на 25%.

5.2.4. Обозначения модулей памяти

Существует два типа обозначений для одной и той же памяти: одно - по "эффективной частоте"

DDRxxx, а второе - по теоретической пропускной способности PCxxxx.

Обозначение "DDRxxx" исторически сформировалось из последовательности названий

стандартов "PC66-PC100-PC133" - когда было принято скорость памяти ассоциировать с частотой

(сокращение "DDR" ввели для того, чтобы отличать SDR SDRAM от DDR SDRAM). Одновременно

с памятью DDR SDRAM появилась память RDRAM (Rambus), на которой решили ставить не

частоту, а пропускную способность - PC800. При этом ширина шины данных осталась равной 64

бит (8 байт), то есть обозначение PC800 (800 Мбайт/с) получилось умножением 100 МГц на 8. От

названия ничего не изменилось, и PC800 RDRAM - суть та же самая PC100 SDRAM, только в

другом корпусе. Компании, которые выпускают модули, стали писать теоретическую пропускную

способность - PCxxxx. Так появились PC1600, PC2100 и следующие. При этом у DDR SDRAM

эффективная частота выше в два раза, а значит и большие числа в обозначениях.

Пример соответствия разных систем обозначения:

100 МГц = PC1600 DDR SDRAM = DDR200 SDRAM = PC100 SDRAM = PC800 RDRAM

133 МГц = PC2100 DDR SDRAM = DDR266 SDRAM = PC133 SDRAM = PC1066 RDRAM

166 МГц = PC2700 DDR SDRAM = DDR333 SDRAM = PC166 SDRAM = PC1333 RDRAM

200 МГц = PC3200 DDR SDRAM = DDR400 SDRAM = PC200 SDRAM = PC1600 RDRAM

250 МГц = PC4000 DDR SDRAM = DDR500 SDRAM

5.3. Видеопамять: MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM

Все перечисленные в заголовке технологии, используемые в видеоадаптерах, относятся к

динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей. Во-первых, доступ к

ней осуществляется достаточно крупными блоками. Во-вторых, она должна быстро

перезаписывать большие объемы данных без прерывания процедуры считывания, так как образ

картинки, формируемой на экране монитора, постоянно считывается из этой памяти с частотой

кадровой развертки монитора, и одновременно в эту же память операционная система

осуществляет запись, в результате чего происходит изменение изображения. Эту задачу наиболее

эффективно решает так называемая двупортовая RAM, для которой возможно одновременное

считывание данных системой развертки и запись. Двупортовая память представлена

дорогостоящей VRAM (Video RAM) и более дешевой и быстрой WRAM (Windows RAM). В системах

с двупортовой памятью увеличение частоты развертки не приводит к снижению

производительности видеоадаптера, поэтому в профессиональных моделях, рассчитанных на

использование с большими (19 дюймов и более) мониторами, применяется преимущественно

такая видеопамять.

Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в

3D-акселераторах) используется либо память Multibank DRAM (MDRAM), разработанная

компанией MosSys и использующая распараллеливание операций доступа к данным между

большим количеством банков памяти, либо синхронная память SGRAM (аналог SDRAM,

оптимизированный для задач видеопамяти), либо обычная SDRAM.

6. Жесткий диск (винчестер)

Жесткий диск (hard disk – HD) является основным энергонезависимым

устройством хранения информации персонального компьютера.

6.1. Краткое описание принципов работы жесткого диска

На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска.

Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок. Внутри жесткого диска

может быть установлено несколько пластин (дисков). Двигатель, вращающий диск, включается при

подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания. Если в разделе Power

Management программы Setup в BIOS установлен параметр выключения жесткого диска при

отсутствии обращения к нему, то двигатель может быть выключен программой BIOS.

Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm). Данные

организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры - концентрические дорожки

на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет

магнитный слой на каждой стороне пластины. Каждая пара головок одета как бы на "вилку",

обхватывающую каждый диск. Эта "вилка" перемещается над поверхностью диска с помощью

отдельного серводвигателя. Совокупность вращательного движения диска и радиального

перемещения блока головок обеспечивает произвольный доступ к любому сектору диска.

Основы магнитной записи – замыкание магнитной

силовой линии, созданной током в обмотке головки, не через ее

зазор, а через магнитный материал поверхности диска. При

этом размер намагниченной площадки (один бит информации)

определяется зазором в головке и зазором между головкой и

диском. Чем меньше эти зазоры – тем меньше размеры

площадки и тем больше плотность записи информации на

диске. При чтении информации происходит замыкание

магнитного потока через систему «головка – площадка», и этот

поток индуцирует электрический сигнал в обмотке головки.

Ориентация доменов площадки определяет направление потока и, следовательно, знак сигнала,

который распознается как двоичный ноль или единица информационного бита.

Поскольку время доступа к информации (время позиционирования головки над

информационной единицей) в этой электромеханической системе по изложенным выше причинам

не может выйти из миллисекундного диапазона, что на шесть порядков уступает быстродействию

электроники компьютера, в системе обмена «винчестер – процессор» не используется побайтные

чтение/запись.

Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления,

если на диске обнаружены дефектные сектора.

6.2. Пользовательские параметры винчестера

Устройство и принцип работы HD определяют его важнейшие пользовательские

характеристики:

 Скорость вращения диска;

 Количество секторов на дорожке;

 Время поиска/ время переключения головок/ время переключения между цилиндрами;

 Задержка позиционирования;

 Время доступа к данным;

 Кэш-память на жестком диске;

 Размещение данных на диске;

 Скорость обмена между процессором и диском;

 Интерфейс.

6.2.1. Скорость вращения диска

Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения 5400 или 7200 об/м (есть

дисководы со скоростями вращения 10000 и 15000 rpm). Чем выше скорость вращения, тем выше

скорость доступа к данным (1/7200 rpm = 8 мс; это время полного оборота диска, т.е. первое

слагаемое времени доступа к сектору; второе слагаемое – время позиционирования блока головок

на нужную дорожку). Следует только учесть, что при возрастании скорости вращения

увеличивается температура корпуса жесткого диска и высокооборотные диски требуют

обязательного внешнего обдува. Центробежные силы пропорциональны скорости его вращения и

приводят к искажению геометрии диска – вплоть до его разрыва. Если учесть, что магнитная

головка должна «плавать» над поверхностью диска, сохраняя постоянный микронный зазор с

поверхностью, то очевидно, что попытки наращивания скорости вращения приводят к проблемам

достоверности записи/чтения информации.

6.2.2. Количество секторов на дорожке

Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости

от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно

разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск

начинают записываться с внешней дорожки.

6.2.3. Время поиска/ время переключения головок/ время переключения между

цилиндрами

Время поиска (seek time) минимально только в случае операции с дорожкой, которая является

соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска - при

переходе с первой дорожки на последнюю. Как правило, в паспортных данных на жесткий диск

указывается среднее время поиска (average seek time).

Все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же

цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстро выполняется

переключение между головками при чтении или записи.

Время переключения между цилиндрами - это время, требуемое для перемещения головок на

один цилиндр вперед или назад.

6.2.4. Задержка позиционирования

После того, как головка оказывается над нужной дорожкой, она ждет появления требуемого

сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется

в миллисекундах (ms). Среднее время задержки позиционирования определяется временем

поворота диска на 180 градусов и поэтому зависит только от скорости вращения шпинделя диска.

Скорость вращения

(об/мин)

Задержка

(миллисекунды)

4500 6.7

5400 5.7

7200 4.2

10000 3.3

6.2.5. Время доступа к данным

Время доступа к данным - это сумма времени поиска, времени переключения головок и

задержки позиционирования. Поскольку это время чрезвычайно велико по сравнению с

быстродействием электроники компьютера, обращение к винчестеру на чтение/запись

производится поблочно, секторами и более крупными блоками – кластерами. Размер сектора для

любого диска стандартен – 512 байт. Поиск нужного сектора обеспечивается разметкой диска в

процедуре его форматирования – записью в начале каждого сектора специальной метки,

включающей номер сектора и номер дорожки (цилиндра).

Запись/чтение информации секторами, а не байтами приводит к недоиспользованию дискового

пространства: при некратных сектору размерах файлов в конце секторов остаются пустые

«хвосты».

В связи с тем что объем современных винчестеров составляет сотни гигабайт, адресация с

точностью до сектора требует от операционной системы обрабатывать адреса секторов длиной

(объем диска)/(размер сектора) двоичных разрядов. Работа с таким большим количеством

мелких адресуемых единиц понижает быстродействие системы, и в современных файловых

системах разбиение дисков производится не на сектора, а на более крупные блоки – кластеры,

размер которых кратен сектору. Обычно размер кластера – 8, 16 или 32 кбайт (в зависимости от

объема винчестера, а также от использования его в виде одного логического диска или дробления

его на несколько логических дисков). Очевидно, налицо компромисс между сокращением

количества непроизводительных операций обращения к диску и недоиспользованием дискового

пространства, которое растет с увеличением размера кластера.

6.2.6. Кэш-память на жестком диске

Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память,

называемая кэш-памятью (cache memory), или просто кэш. Производители жестких дисков часто

называют эту память буферной. Размер и структура кэш у фирм-производителей и для различных

моделей жестких дисков существенно отличаются. Обычно кэш память используется как для

записи данных, так и для чтения. Размер кэш не является определяющим для оценки

эффективности его работы; более важна организация обмена данными с кэш для повышения

быстродействия диска в целом.

Некоторые производители жестких дисков, такие как Quantum, используют часть кэш для

хранения служебной системной информации. Рациональнее для хранения firmware использовать

специально отведенные сектора на диске, невидимые для любых операционных систем. При

включении питания эта программа загружается в обычную дешевую DRAM на диске, и при этом

отпадают затраты на микросхему флэш-памяти для хранения firmware. Такой способ позволяет

легко исправлять встроенное программное обеспечение жесткого диска.

6.2.7. Размещение данных на диске

Конфигурация диска задается через количество цилиндров, головок и секторов на дорожке.

Ранее точное указание в программе SETUP всех этих параметров диска было обязательным.

Строго говоря, те параметры диска, которые вы видите в разделе SETUP Standard CMOS Setup,

как правило, ничего общего не имеют с реальными параметрами диска, причем эти параметры

меняются в зависимости от вида трансляции геометрии диска - Normal, LBA или Large.

Normal - геометрия в соответствии с документацией производителя данного диска (реальная

геометрия); не позволяет DOS увидеть более чем 504 Мбайт дискового пространства.

LBA -Logical Block Address - эта установка позволяет видеть DOS до 4 Гбайт.

Large - используется рядом операционных систем (например, Unix).

Логическое строение жесткого диска отличается от его настоящей (физической) геометрии, и

это необходимо учитывать при восстановлении информации. Как правило, современные диски (в

режиме адресации LBA) представляют собой несколько сот цилиндров имеющих 63…254

поверхностей по 63 сектора данных на каждой. Параметры, установленные в SETUP,

преобразуются в реальные физические параметры логикой управления жестким диском. Многие

современные операционные системы работают с диском через LBA, минуя BIOS.

Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются

сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.

При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от

цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности следующего диска

и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных,

например при записи "живого" видео.

Комбинированный способ отображения, используюет как "вертикальный", так и

"горизонтальный” способ.

При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже

параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках размещается больше секторов, и

считывание/запись выполняется быстрее.

Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с

одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".

Чем выше плотность записи на диск, тем выше будет скорость считывания с него. Именно

поэтому при прочих равных условиях из двух накопителей равной емкости быстрее будет работать

накопитель с меньшим количеством дисков.

6.2.8. Скорость обмена

Скорость обмена зависит как от физической скорости интерфейса подключения накопителя, так

и от способа размещения информации на диске, параметров файловой системы и от метода

организации передачи данных.

Функция Bus Master была введена в контроллеры EIDE с приходом процессоров Pentium.

Классический способ приема данных (PIO – программный ввод/вывод) от какого-либо устройства

следующий: процессор выполняет команду чтения порта, считывает байт или слово данных в свой

регистр, после чего переписывает этот байт или слово в память, затем повторяет эту процедуру до

тех пор, пока вся необходимая информация не будет считана из устройства в память.

С появлением многозадачных операционных систем стало слишком невыгодно использовать

процессор для операций ввода/вывода, поэтому контроллеры внешних устройств (EIDE, в

частности) стали оборудоваться как бы собственными процессорами ввода/вывода. С появлением

шины PCI, первой реально многопользовательской шины в архитектуре IBM PC, реализация этой

идеи стала совсем простой – стала возможной реализация режима прямого доступа к памяти

(DMA).

Процессор программирует контроллер EIDE на шине PCI, указывая ему, откуда он должен взять

данные и куда в память их отправить. После получения этих указаний контроллер захватывает

управление шиной PCI, а драйвер Bus Master управляет шиной доступа к памяти и совместно с

контроллером выполняет операции по считыванию данных с жесткого диска или CD-ROM

непосредственно в память с помощью контроллера прямого доступа в память (DMA - Direct

Memory Access). При таком способе обмена данных процессор свободен после выдачи команд

контроллеру EIDE и может эффективно реализовывать многозадачный режим работы.

Если доступ к диску выполняет только одна, запущенная в данный момент программа, то

значительного выигрыша в производительности не будет. Но достаточно запустить несколько

приложений, работающих с диском, как заметное повышение производительности будет

очевидным.

В Windows функция Bus Master может быть включена с помощью как специальных программ,

так и драйверов дисковых накопителей.

6.2.9. Интерфейс

Сейчас фактически осталось только два действующих интерфейса: IDE (распространенный

сейчас в варианте Enhanced IDE - EIDE) и SATA. Каждый контроллер EIDE имеет два канала

(primary - первичный и secondary - вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух

устройств (всего четыре). Через эти интерфейсы в настоящее время, кроме жестких дисков,

работают также приводы CD-ROM и DVD. Параметры этих интерфейсов рассмотрены в разделе

«Дисковые интерфейсы».

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале

подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор

будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску.

Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство

одновременно.

6.3. Структура системной области жесткого диска

Все дисковое пространство винчестера состоит из двух частей:

 Небольшой системной области, доступной пользователю при помощи специальных утилит

только на стадии создания логической структуры диска или ее изменении;

 Пользовательской области данных.

В самом начале диска (в секторе 0/0/1) находится РТ (Partition Table) - таблица разделов и MBR

(Master Boot Record) - главная загрузочная запись.

На следующем треке в первом секторе (секторах, начиная с 0/1/1) расположена ВА (Boot Area) -

загрузочная область операционной системы и BR (Boot Record) - загрузочная запись ОС.

Далее на этом же треке расположена 1-я копия FAT (File Allocation Table) - таблица размещения

файлов. Сразу за ней - 2-я копия FAT. Размер копии FAT (в секторах) определяется размером

раздела диска

После 2-й копии FAT расположены сектора ROOT (Root directory) - корневого каталога, за

которыми начинается DA (Data Area) - область данных.

РТ - состоит из 4-х строк, описывающих четыре возможных системных раздела диска

(винчестер может обеспечить загрузку до четырех различных операционных систем). Описание

каждого раздела диска содержит информацию о типе файловой системы, признаке того, что

раздел является загрузочным, о первых и последних головках, дорожках, секторах раздела,

количестве секторов смещения начала раздела от начала диска и об общем количестве секторов в

разделе.

MBR - находится в том же секторе, что и РТ. Данные в MBR представляют собой машинный код

процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы (обнаружение

текущего активного системного/загрузочного раздела и передачи ему управления по дальнейшей

загрузке системы). В последних двух байтах сектора MBR находится сигнатура 55ААh, которую

BIOS может использовать как маску при поиске РТ и MBR.

В соответствии с таблицей разделов, в начале каждого раздела создается загрузочный сектор

раздела (boot record), содержащий сведения о файловой системе раздела (название и версия

ОС, логические параметры диска, название и параметры файловой системы, размер кластера,

длина корневого каталога, общее количество кластеров и т.п.) и программу начальной загрузки.

Программа начальной загрузки должна обнаружить наличие в корневом каталоге раздела

файлов поддержки (ntldr, osloader, ntdetect и др.), необходимых для дальнейшей загрузки системы,

и передать управление операционной системе.

FAT32 обеспечивает определение местонахождения всех файлов раздела диска в его

кластерах. Создается две копии FAT – совпадение копий позволяет судить о целостности таблицы

и восстанавливать ее в случае повреждения. Первая строка FAT содержит дескриптор носителя

(F8h для жесткого диска). Следующие несколько байт описывают тип FAT, за ними идет сама

таблица. FAT создается при форматировании.

Таблица состоит из 32-битных элементов, содержащих либо номер следующего кластера

файла, либо специальные коды-признаки: конец файла, пустой кластер, испорченный кластер.

Количество элементов FAT соответствует количеству кластеров раздела диска. Из этих элементов

образуются цепочки номеров кластеров, описывающих расположение файлов на диске.

ROOT - корневой каталог диска. Содержит записи, описывающие файлы (дескрипторы файлов)

в корневом каталоге. Такая запись по структуре очень похожа на строку проводника Windows и

описывает имя, тип, дату создания, размер, атрибуты файла и т.п., а также содержит указатель на

первый кластер файла.

Каталоги представляют собой сектора, идентичные по структуре корневому каталогу. Каталог,

кроме описаний файлов, в самом начале содержит две записи, первая из которых содержит

указатель на первый кластер самого каталога, вторая - на первый кластер родительского каталога.

После Root Directory начинается собственно область файлов, где и хранятся все

пользовательские данные: операционная система, прикладные и системные программы и файлы,

файлы документов.

6.4. Файловые системы

Жесткие диски поступают с завода-изготовителя уже отформатированными. Все программы так

называемого низкоуровнего форматирования на самом деле не выполняют физического

форматирования (разметки) жесткого диска, а только полностью уничтожают содержимое диска

(что часто тоже требуется). Различные операционные системы же своими программами

форматирования создают лишь логическую структуру диска.

В настоящее время в IBM PC настольных компьютерах наиболее распространены 2 файловые

системы - NTFS и FAT32.

FAT32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно

использовать дисковое пространство.

Файловая система NTFS - улучшенная файловая система, обеспечивающая уровень

быстродействия и безопасности, а также дополнительные возможности, недоступные ни в одной

версии файловой системы FAT. Например, для обеспечения целостности данных тома в файловой

системе NTFS используются стандартные технологии записи и восстановления транзакций. В

случае сбоя компьютера целостность файловой системы восстанавливается с помощью файла

журнала NTFS и данных о контрольных точках. В операционных системах Windows 2000 и Windows

XP файловая система NTFS также обеспечивает такие дополнительные возможности, как

разрешения для файлов и папок, шифрование, дисковые квоты и сжатие.

6.5. Технология SMART

Идея SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology - технология самоанализа и

информирования) заключается в создании механизма предсказания возможного выхода из строя

жесткого диска и предотвращения тем самым потери данных. SMART была предложена фирмами

COMPAQ и IBM и используется в программе BIOS и в ряде программ под Windows.

Для анализа надежности жесткого диска используются две группы параметров (здесь и далее

подразумевается жесткий диск, поддерживающий SMART технологию). Первая характеризует

параметры естественного старения жесткого диска:

 количество циклов включения/выключения (старт/стоп);

 количество оборотов двигателя за время работы;

 количество перемещений головок.

Вторая группа параметров уже информирует о текущем состоянии качества накопителя. К этим

параметрам относятся:

 высота головки над поверхностью диска;

 скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью на диске;

 количество переназначений плохих секторов (когда вместо испорченного сектора

подставляется свободный исправный);

 количество ошибок поиска;

 количество операций перекалибровки;

 скорость поиска данных на диске.

Значения всех параметров (как и собственное программное обеспечение накопителя), как

правило, хранятся на специальных дорожках диска, невидимых со стороны компьютера или, что

бывает значительно реже, в энергонезависимой памяти.

Производители жестких дисков присваивают граничные значения (thresholds) всем параметрам.

Если хотя бы один параметр ушел за граничные значения, то накопитель желательно заменить.

Механизм наблюдения за накопителем может быть встроен в операционную систему или

реализован в виде программы мониторинга диска. Основная идея таких программ - проверка через

каждые, например, восемь часов работы поверхности всего диска, выявление секторов, которые

могут стать плохими, и перенос информации на резервные нормальные области диска. Понятно,

что все эти операции выполняются в паузах (которые составляют до 90% времени работы диска) и

никак не снижают производительность компьютера.

Например, фирма Quantum создала для серии своих жестких дисков Fireball технологию Data

Protection System (DPS), которая содержит программу диагностики, позволяющую выявить

возможные дефекты и во многих случаях устранить их.

7. Дисковые оптические накопители

В одном интерфейсе с жесткими дисками в современных настольных компьютерах работают

дисководы оптических дисковых накопителей. В настоящее время чаще всего принято

устанавливать в системный блок IBM PC комбинированный дисковод DVD/CD-RW.

Принцип работы и устройство накопителя CD-ROM подробно изложены в пособии [3].

7.1. История создания DVD-накоителей

В момент своего появления на свет технология DVD была новым способом записи и просмотра

именно видео. Поэтому вначале официально DVD расшифровывали как Digital Video Disk,

цифровой видеодиск. Второй официальный вариант расшифровки DVD - Digital Versatile Disk

(Цифровой Универсальный Диск).

Технология оптической записи информации на диск появилась сорок три года назад, в 1961

году, в Стэндфордском университете США. Запись информации осуществлялась

фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение

производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лампы.

В семидесятые годы технология оптических дисков была доведена до промышленного

производства и конкурировала с дисками механической (Telefunken, Decka), емкостной (RCA) и

магнитной (Bogen) видеозаписи. В 1975 году продавались звуковые диски сразу нескольких фирм -

Philips, Sony, Hitachi, Mitsubishi, Sanyo и ряда других. Самыми похожими на современные

оптические носители были образцы фирмы Philips. Диаметр диска составлял 12 см (у всех других -

30 см), время звучания - 1 час. В июне 1979 года между фирмами Philips и Sony был заключен

договор о совместной разработке системы оптической записи звука.

В 1980 г. компании Philips и Sony представили новый стандарт лазерного диска - CD-DA

(Compact Disk Digital Audio). Он определял способ записи и обработки звука, а также размер нового

носителя - 12 см, который используется и сегодня.

К концу 1994 года стали появляться сообщения о том, что компании Sony и Philips готовы

представить новый носитель информации, созданный на основе технологии CD. Название

носителя несколько раз менялось в процессе разработки, отражая основные намерения

разработчиков на том или ином этапе: MMCD (Multi Media CD), HD-DVD (High Density Digital Video

Disk) и HD-CD (High Density Compact Disk). Предполагалось, что проигрыватели новой системы

будут совместимы со всеми существовавшими на тот момент носителями в формате CD. Однако

обратной совместимости быть не могло - проигрыватели CD и CD-ROM не смогли бы

воспроизводить диски MMCD.

Причина несовместимости объяснялась большим числом технических новшеств, справиться с

которыми CD-устройства не могли. Во-первых, диск MMCD имел двухслойную структуру. Над

обычным отражающим информационным слоем располагался еще один информационный слой -

полупрозрачный. Расстояние между ними было 0,04 мкм, толщина каждого слоя - 0,05 мкм, что

вдвое меньше, чем у CD. В остальном структура MMCD была та же - поликарбонатная подложка

(1,2 мм) с одной стороны от информационного слоя и защитный лаковый слой (10 мкм) - с другой.

Поверх последнего располагается этикетка (маркируемая поверхность).

Каждый слой MMCD-диска должен был нести в 6 раз больше информации, чем целый CD - 3,7

Гб. Всего на двухслойном диске предполагалось разместить 7,4 Гб. Такой большой емкости

удалось достичь за счет более короткой длины волны излучения считывающего лазера - 0,635 мкм

(против 0,78 мкм у накопителей CD), и оптической системы с числовой апертурой 0,52 (0,45 у CD).

Новая оптическая система привода с такими параметрами позволила получить гораздо меньшее

световое пятно. Последнее, в свою очередь, обеспечивает возможность уменьшения

геометрических размеров питов (единиц записи информации) более чем в 2 раза и меньшие

расстояния между дорожками. При использовании компрессии по стандарту MPEG2 на таком

диске можно разместить 135 минут видеозаписи вещательного качества.

Группа крупнейших мировых компании во главе с Toshiba (Matsushita, Hitachi, Pioneer, Thomson,

MCA, Time Warner и MCM) предложила свой стандарт на дисковый носитель, весьма

напоминающий MMCD. Этот стандарт также имел несколько названий: SD-DVD (Super Density

Digital Video Disk) и SDD (Super Density Disk). Основные параметры этой технологии совпадают с

MMCD. SD-DVD тоже имел двухслойную структуру, однако она была реализована принципиально

иначе. Две половинки диска (каждая толщиной 0,6 мм) склеивались между собой со стороны

информационного слоя. Поэтому считывание такого диска могло производиться с обеих сторон.

Очевидно, что глубина расположения информационного слоя у SD-DVD получается вдвое

меньше, чем у MMCD. Однако емкость каждой стороны оказывается больше - 5 Гб, т. е. 10 Гб на

весь диск против 7,4 Гб у MMCD. Это в 15 раз больше, чем у обычного CD. Для записи

видеофильмов предполагалось также использовать компрессию MPEG2, что дает 135 минут видео

вещательного качества.

В сентябре 1995 года был создан единый стандарт, получивший название DVD. Стандарт был

создан на основе следующих требований:

 возможность записи на один диск полнометражного художественного фильма;

 качество изображения должно быть лучше, чем у любого существующего видеоаппарата,

включая проигрыватель лазерных видеодисков;

 новые накопители должны быть совместимы со всеми существующими CD-устройствами;

 должна быть обеспечена возможность записи звукового сопровождения не менее чем на

трех-пяти языках;

 запись должна быть защищена от пиратского копирования;

 должна быть предусмотрена возможность изменения формата записи, так как

предполагалось расширение рынка широкоэкранных фильмов;

 должна быть предусмотрена возможность записи на одном диске нескольких версий

одного и того же материала с возможностью введения пароля.

Через год появились DVD-ROM и DVD-Video, а в январе 1997 года проигрыватели, накопители

и диски DVD были представлены общественности на выставке бытовой техники в Лас-Вегасе,

США.

7.2. DVD-форматы

Сегодня стандарт DVD поддерживается самыми крупными кинокомпаниями, производителями

бытовой техники и программного обеспечения. Большой успех технологии DVD породил раскол в

рядах разработчиков. В настоящее время существуют три объединения крупнейших корпораций

мира, каждая из которых поддерживает и развивает свои форматы DVD.

Первым таким объединением является DVD Forum (http://www.dvdforum.org/). Оно было

образовано в 1995 году и носило название DVD Consortium. Компаниями-основателями DVD

форума являются Hitachi, Matsushita Electric Industrial, Mitsubishi Electric Corporation, Pioneer

Electronic Corporation, Royal Philips Electronics, Sony Corporation, Thomson, Time Warner, Toshiba

Corporation и Victor Company of Japan. Всего членами этой организации на май 2004 года являлись

230 компаний. Задачей DVD Forum является поддерживать и совершенствовать форматы «DVD -»

(DVD минус): DVD-Video, DVD-ROM, DVD-Audio, DVD-R, DVD-R for General, DVD-R for Authoring,

DVD-RW, DVD-RAM и DVD Video Recording. Остальные форматы DVD этой организацией не

признаются.

Вторым объединением является DVD+RW Alliance (http://www.dvdrw.com/). Образующие

компании - Dell, Hewlett-Packard Company, Mitsubishi Chemical Corporation/Verbatim, Philips

Electronics, Ricoh Company Ltd., Sony Corporation, Thomson Multimedia и Yamaha Corporation. Эта

организация поддерживает «плюсовые» форматы DVD (DVD+): DVD+RW и DVD+R.

Можно заметить, что некоторые компании входят в обе организации. Это позволяет им

выпускать как «минусовые» носители, так и диски конкурирующего формата.

Совсем недавно образовалось третье крупное объединение, которое отдельно поддерживает

формат DVD-RAM. Компании Hitachi, Hitachi-LG Data Storage (HLDS), JVC, LG Electronics, Maxell,

Panasonic, Samsung, TEAC, Toshiba и SHARP 17 ноября 2003 года объявили о создании

организации RAM Promotional Group (RAMPRG), задачей которой является поддержка и

распространение носителей обновленного формата DVD-RAM (http://www.ramprg.org/).

Сегодня основной выбор может лежать между форматами DVD+R и DVD-R, а также DVD+RW и

DVD-RW. Диски DVD-RAM имеют определенные преимущества перед ними, однако их

распространение ограничивают проблемы совместимости с большинством накопителей.

Теоретически «плюсовые» форматы более совершенны и перспективны, чем «минусовые».

Последние появились раньше и, как следствие, совместимы с наиболее широким кругом

накопителей. Каждое из преимуществ постепенно сглаживается. DVD Forum путем разработки

новых технологий постепенно совершенствует свои носители. В то же время все большее число

производителей накопителей ориентируются на оба формата, поэтому приводов, несовместимых с

DVD+R и DVD+RW, становится все меньше.

7.3. Параметры накопителей

Внутри DVD-привода диск вращается против часовой стрелки, если смотреть на него со

стороны светочувствительного слоя. Данные на носителе записываются вдоль дорожки, которая

представляет собой раскручивающуюся от центра спираль. На этой спирали располагаются питы

(углубления или темные участки) и лэнды (площадки или отражающие участки). Вопреки мнению,

которое можно встретить даже в уважаемых журналах, ни пит, ни лэнд не является логической

единицей или нулем. Оптическая система привода регистрирует только переходы пит-лэнд (от

неотражающей области к отражающей), и наоборот. Именно такой переход и будет логической

единицей. Отсутствие перехода - логический нуль. Питы и лэнды представляют собой различные

комбинации нулей и единиц в зависимости от своей длины.

Процесс чтения информации с диска может происходить двумя способами. Дорожка с данными

перемещается по отношению к считывающему устройству с одной и той же скоростью, равной 3,49

м/с (для двухсторонних дисков 3,84 м/с). Это первый способ, получивший название CLV (Constant

Linear Velocity - Постоянная Линейная Скорость). Поскольку витки спирали располагаются тем

плотнее друг к другу, чем меньше расстояние до ее центра, то скорость вращения диска должна

меняться по определенному закону. Другими словами, при считывании данных с внешней дорожки

диск должен вращаться медленнее, а при считывании информации с внутренней - быстрее.

Технология CLV используется при записи. На коробке носителя указывается максимальная

скорость, с которой можно записать информацию на диск. Однако некоторые приводы позволяют

записывать носители и на большей скорости. Например, диск, рассчитанный на 4Х, может быть

записан на скорости 6Х или 8Х.

Второй способ - технология «постоянной угловой скорости» CAV (Constant Angular Velocity).

Скорость вращения диска при чтении остается постоянной, а равномерность потока данных с

устройства обеспечивается встроенным буфером данных. Это позволяет использовать более

скоростные двигатели. Понятно, что максимальная скорость считывания такого привода будет при

чтении данных с внешнего края носителя.

Что это означает в практическом плане? Если в характеристиках вашего DVD-привода стоит

скорость чтения 4Х, то диск будет читаться со средней скоростью 2,9Х, а за маркировкой 6Х стоит

среднее значение 4,3Х.

Самый распространенный в продаже сегодня тип DVD-болванок имеет маркировку скорости 4Х

и емкость 4,7 Гбайт. Однако это не означает, что на скорости 5,54 Мбайт/с вы запишите именно 4,7

Гб информации. На самом деле «Гбайт» здесь означает «миллиард байт» - 10

= 1 000 000 000

байт. В двоичном гигабайте содержится 2

= 1 073 741 824 байт, т.е. емкость стандартного DVD

составляет 4,37, а не 4,7 Гб.

7.4. Типы DVD-дисков

На сегодняшний день существуют четыре различных типа DVD-носителя. Диск может иметь от

одного до четырех информационных слоев. Кроме диска диаметром 12 см, выпускаются 8-

сантиметровые DVD, так что всего получается восемь различных носителей, отличающихся

информационной емкостью. Однослойный односторонний 8-сантиметровый диск может содержать

1,46 Гб информации. Двухслойный двухсторонний 12-сантиметровый - 17 Гб. Рассмотрим каждый

тип диска подробнее.

 Однослойный односторонний (SSSL - Single Sided Single Layer) диск. Представляет

собой две склеенные между собой подложки. Одна из них изготовлена из прозрачного

поликарбоната и содержит информационный слой. Другая изготовлена из непрозрачной

пластмассы. Она нужна для обеспечения нужной толщины диска (1,2 мм). Сверху на нее

наклеивается этикетка. Информационный слой металлизирован слоем алюминия

толщиной 0,05 мкм. Емкость такого диска составляет 4,7 Гб для 12-сантиметрового и 1,46

Гб для 8-сантиметрового носителя. Маркируются они соответственно как DVD-1 и DVD-5.

Цифра соответствует приблизительному значению емкости.

 Двухсторонний однослойный (DSSL - Double Sided Single Layer). Прямой потомок

технологии SD-DVD. Аналогичен диску SSSL, только в нем обе подложки содержат

информационный слой. Емкость, соответственно, в два раза больше. Неудобство

использования заключается в том, что при воспроизведении его необходимо

переворачивать (как грампластинку). Емкость 8,54 Гб (DVD-9) и 2,66 Гб (DVD-2).

 Односторонний двухслойный (SSDL - Single Sided Double Layer). Как и двухсторонний

однослойный (DSSL), имеет информационный слой на каждой подложке, но считывается, в

отличие от него, с одной и той же стороны. Это возможно за счет того, что один из

информационных слоев металлизирован не алюминием, а полупрозрачным слоем золота

и кремния. При считывании лазер накопителя может фокусироваться как на верхнем

(полупрозрачном) слое, так и на нижнем (отражающем). Понятно, что уровень шумов при

считывании с такого диска будет выше, нежели в случае SSSL и DSSL. Поэтому питы

приходится делать гораздо крупнее, что в итоге уменьшает суммарную емкость носителя

по сравнению с двухсторонним однослойным диском.

Особенностью этих дисков является то, что если данные на нем записаны в формате DVD-

Video или DVD-Audio, то первый слой (полупрозрачный) считывается от центра к краю (как

у всех оптических дисков), а второй - от края к центру (как грампластинки). Это сделано для

того, чтобы при воспроизведении фильма или музыкального фрагмента не было паузы.