Начало создания приводов компакт дисков было положено с появлением в 1982 г. первых аудио компакт-дисков, разработанных компаниями Sony и Philips. Объем информации на CD составлял 72 минутам, именно столько длится одна из популярных симфоний Баха, что составило 650 мегабайт. Вскоре, в 1985 году, появились и первые CD ROM приводы для ПК, тогда основным средством переноса информации между компьютерами были дискеты и объем 650 мегабайт казался очень большим.

Приводы компакт-дисков ( CDD ) – необходимый атрибут современного компьютера.

Приводы компакт-дисков работают с оптическими дисками информация на которых записывается и считывается с помощью лазера.

 Компакт – диск - предназначен только для хранения предварительно записанной на него информации в цифровом виде и считывания ее с помощью соответствующего устройства - привода (накопителя).

Принцип действия привода компакт дисков

Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, лазер, система оптических линз и датчиков, а также электронная схема, осуществляющая предварительную обработку (считывание и декодирование информации) и управление приводом.

Приводы компакт дисков работают не так, как все рассмотренные ранее электромагнитные носители информации. При записи компакт-диск обрабатывается лазерным лучом (без механического контакта), выжигающим тот учачток, который хранит логическую 1, и оставляет не тронутым тот участок который хранит логический 0. В результате чего на поверхности CD образуются маленькие углубления, - так называемые питы (Pits).

Считывание информации осуществляется следующим образом:

Электродвигатель вращает диск. Лазер генерирует световой луч, который системой оптических линз фокусируется на отражающей (металлической) поверхности диска. Свет по-разному отражается от переходов между основной поверхностью и углублениями. Отраженный свет через линзы попадает на датчик интенсивности света, который анализирует и преобразует его в электрический двоичный сигнал и направляет его для дальнейшей обработки в электронную схему привода.

Информация, хранимая на оптических дисках, в отличие от информации, хранимой на магнитных дисках, практически не подвержена разрушительному воздействию электрических и магнитных полей и в значительно меньшей степени подвергается разрушению в результате естественного старения материала носителя. Кроме того, стоимость записи и хранения единицы информации на CD-ROM существенно меньше, чем для магнитных дисков.

Структура оптического диска

Всоответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области:

1. Входная директория - область в форме кольца, ближайшего к центу диска (ширина 4 мм). Считывание информации с диска начинается именно с входной директории, где содержится оглавление, адреса записей, число заголовков, объем диска, название диска;

2. Область данных ;

3. Выходная директория – имеет метку конца диска.

Типы оптических дисков:

CD - ROM . На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали.

CD - R . Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков для серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. Назначение устройства CD-R - запись данных на компакт-диски CD-R, которые потом можно читать на накопителях CD-ROM и CD-RW.

CD - RW . Старые данные могут быть стерты и вместо них могут быть записаны новые. Емкость носителя CD-RW составляют 650 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.

DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW . Подобны рассмотренным ранее типам оптических дисков, но имеют большую емкость.

Разрабатывается HVD (Holografic Versatile Dosc) емкостью 1 Тб.

Технология DVD допускает 4 типа дисков :

односторонний, однослойный – 4,7 Гбайт

односторонний, двухслойный – 8,5 Гбайт

двусторонний, однослойный – 9,4 Гбайт

двусторонний, двухслойный – 17 Гбайт

В двухслойных дисках используется укрепляющий слой, на который стали записывать информацию. При считывании информации с первого слоя, расположенном в глубине диска, лазер проходит через прозрачную пленку второго слоя. При считывании информации со второго слоя контроллер привода подает сигнал фокусировки лазерного луча на втором слое и с него производится считывание. При всем при этом диаметр диска составляет 120 мм, а его толщина 1,2 мм.

Как уже упоминалось, например, двусторонний двухслойный диск DVD-диск может умещать до 17 Гбайт информации, это примерно 8 часов высококачественного видео, 26 часов музыки или что нагляднее всего – стопка бумаги исписанной с двух сторон высотой в 1.4 километра!

Форматы DVD

DVD - R . могут быть только однослойными, но возможно создание двухсторонних дисков. Принцип по которому производится запись DVD-R точно такой же, как и у CD-R. Отражающий слой меняет свои характеристики, под воздействием луча лазера повышенной мощности. DVD-R не несёт в себе ничего нового, технически это тот же CD-R, только рассчитанный на более тонкие дорожки. При создании DVD-R самое пристальное внимание уделено совместимости с существующими DVD-ROM приводами. Длина записывающего лазера 635 Нм + защита записываемых дисков от копирования.

DVD + R . Принципы, на которых построен DVD+R идентичны тому, что используется в DVD-R. Разница между ними в формате записи, который используется. Так, например, DVD+R диски поддерживают запись в несколько приёмов. Длина записывающего лазера 650 Нм + более высоко отражающая поверхность.

Существует два основных класса компакт-дисков: CD и DVD .

ТЕМА 3.3 Накопители на компакт – дисках

Существуют следующие носители на компакт-дисках (оптические):

¾ CD-ROM - устройство только для считывания информации

¾ CD-R – для считывания и однократной записи

¾ CD-RW – для считывания и многократной записи

¾ Магнитооптические накопители

Приводы: CD-R, CD-RW, CD-ROM, DVD-R, DVD-RW

Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии: луч лазера используется как для считывания так и для записи информации. Приводы CD-ROM.

Носители информации на диске CD-ROM является рельефная подложка. Запись информации представляет собой процесс формирование рельефа на подложке путем прожигания миниатюрных штрихов лазерным лучом. Считывание производится насчет регистрации отражения луча лазера. Сигнал от штриха 1, от поверхности без штриха 0.

Приводы CD-ROM

· Загрузочное устройство

· Оптико-механический блок

· Системы управления приводом и автономного регулирования

· Универсальный декодер

· Интерфейсный блок

Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется на поверхности диска. К нужной дорожке луч перемещается следующим образом: сперва двигатель по ком от встроенного микропроцессора перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом и нужной дорожке. Отраженный луч фокусируется линзой, отражается от зеркала, попадает на разделительную призму, и направляет луч на вторую фокусируемую линзу, далее луч попадает на фотодатчик, преобразует световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер, который и необходим для преобразования импульсов в понятную компьютеру цифровую информацию, представляет собой процессор.

Система автономного слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде импульсов поступает в систему автономного регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы с усилителя поступают в систему автономного регулирования: фокуса, системы автономного регулирования мощности излучаемого лазера, скорость вращения диска, радиальной подачи, мощность излучения лазера, линейной скорости вращения диска.

Накопители DVD

DVD-диски конструктивно выполняется односторонними и двусторонними.

В отличие от CD в DVD дисках расстояние между дорожками записи меньше и уменьшены размеры штрихов записи. В результате чего увеличена емкость. Количество изображений хранимых в формате DVD соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, а качество звука не уступает студийному.

Накопители с однократной и многократной записью

Для однократной записи используются диски CD-R, представляющие собой диск, регистрационный слой которого выполнен из материала темнеющего при нагревании. Темные и светлые участки CD-R аналогичны штрихам и ровным поверхностям CD-ROM.

CD-RW- перезаписываемые диски, регистрирующий слой которого выполнен из органических соединений, способных изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое под воздействием лазерного луча.

При нагревании лазерным лучом выше некоторой критической температуры, материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания. При нагревании до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное состояние (кристаллическое).

Лазерный луч Лазерный луч

Отражающий слой Регистрирующий слой

CD-ROM Защитный лаковый слой

Раздел 4. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

• 
  магнитные диски;
• 
  головки чтения/записи;
• 
  механизм привода головок;
• 
  двигатель привода дисков;
• 
  печатная плата с электронной схемой управления.

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмос­феру. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется спе­циальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рисунок 5 - Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по парамет­ру, называемому формфактор (Form-Factor). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров из­готовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В со­временных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и ке­рамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температу­ры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом - рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой сто­роны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давле­ние воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к повер­хности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

Механизм привода головок обеспечивает перемеще­ние головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и виб­рационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 - 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относи­тельной скоростью 60 - 80 км/ч). Скорость вращения дисков не­которых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вра­щается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только верти­кально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управ­ления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На пе­чатной плате монтируются электронные схемы управления двига­телем и приводом головок, схема для обмена данными с кон­троллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;
2. 
   Логическая структура дискет;
3. 
   Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;
4. 
   Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;
5. 
   Современные модели накопителей;
6. 
   Логическая структура жесткого диска;
7. 
   Форматирование жестких дисков;
8. 
   Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)

Студент должен:

иметь представление:

• 
  о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)

знать:

• 
  принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;
• 
  эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;
• 
  принцип действия и основные компоненты привода DVD;

уметь:

• 
  подключать приводы CD и DVD дисков;

Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Методические указания

Приводы CD-ROM

CD-ROM - компакт-диск (CD), предназначенный для хране­ния в цифровом виде предварительно записанной на него инфор­мации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, - дисковода для чтения компакт-дисков.

Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов.

На первом этапе создается информационный файл для последу­ющей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штри­хов), как показано на рисунке 6. Глубина каждого штриха-пита (pit) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плос­кости рисунка) - 0,8 - 3,0 мкм. Они расположены вдоль спираль­ной дорожки, расстояние между соседними витками которой со­ставляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблет­ся от 0,83 до 3,1 мкм.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой техно­логии диск называется мастер-диском. Для тиражирования ком­пакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимает­ся несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мас­тер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражи­рования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирова­ние осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поли­карбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом го­рячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обес­печивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр - 120 мм.

Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональ­ные узлы:

• 
  загрузочное устройство;
• 
  оптико-механический блок;
• 
  системы управления приводом и автоматического регулиро­вания;
• 
  универсальный декодер и интерфейсный блок.

Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считы­вания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последователь­ности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линей­ной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для об­работки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декоде­ра, оперативное запоминающее устройство и контроллер управле­ния декодером. Применение двойного декодирования дает возмож­ность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию бу­ферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых дан­ных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформа­ции ЦАП преобразует закодированную информацию в аналого­вый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильт­ром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к кон­кретным задачам.

Скорость передачи данных (Data Transfer Rate - DTK) - Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от но­сителя информации в оперативную память компьютера. Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необхо­дима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров ви­деоизображения и искажение звука.

Качество считывания характеризуется коэффици­ентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считыва­нии.

Среднее время доступа (Access Time - AT) - это вре­мя (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.

Объем буферной памяти - это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения счи­танных данных.

Средняя наработка на отказ - среднее время в ча­сах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.

В процессе развития накопителей на оптических дисках разра­ботан целый ряд основных форматов записи информации на CD.

Формат CD-DA (Digital Audio) - цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 - наиболее распространенный стандарт ло­гической организации данных.

Формат High Sierra (HSG) предложен в 1995,г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помо­щью приводов всех типов, что привело к широкому тиражирова­нию программ на CD и способствовало созданию компакт-дис­ков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo-CD разработан в 1990- 1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической ви­деоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений - 2048 х 3072 и 256 х 384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические дан­ные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории муль­тимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

Формат CD-I (Jntractive) разработан для широкого круга пользо­вателей как стандарт мультимедийного диска, содержащего раз­личную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD-DV(Digital Video) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 (Motion Picture Expert Group).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.

Формат 3DO разработан для игровых приставок.

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интер­фейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высо­коскоростным интерфейсом SCSI.

Самые популярные дисководы CD-ROM в России - изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производ­ства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических ре­шений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости.

Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуко­вой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуко­вое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улуч­шенными параметрами рабочей поверхности дисков. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полу­проводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой об­ласти 0,63 - 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравне­нию с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возмож­ность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи - с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоигра­ющих пластинках.

Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декоде­ром MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписы­вающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 - 5,2 Гбайт при скоро­сти записи информации около 1 Мбайт/с.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;
2. 
   DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Тема 4.3 Магнитооптические накопители. Накопители на магнитных дисках. Внешние устройства хранения информации

Студент должен:

иметь представление:

• 
  о назначении накопителей на компакт дисках;
• 
  о назначении магнитооптических накопителей;
• 
  о назначении накопителей на магнитных дисках;
• 
  о назначении внешних устройств хранения информации

знать:

• 
  форматы оптических и магнитооптических дисков;
• 
  принцип работы стримера

уметь:

• 
  записывать информацию на оптические и магнитооптические диски

Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики. Логическая структура и формат магнитооптических дисков. Накопители на магнитных лентах. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Методические указания

Накопители на магнитооптических дисках

Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюми­ниевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сто­рон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного поли­мера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании инфор­мации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия ме­няются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной темпе­ратуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из про­зрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового от­верждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специ­альный пластиковый конверт - картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздей­ствия неблагоприятных условий окружающей среды.

Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверх­ности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относитель­но небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориента­ции участка магнитного материала он интерпретируется как ло­гический нуль или логическая единица. Данные записываются бло­ками по 512 байт.

Для изменения части информации в блоке необходимо переза­писывать его полностью, поэтому при первом проходе инициали­зируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.

Считывание данных с диска происходит поляризованным ла­зерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании состав­ляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упорядоченно ориентированные при записи данных магнитные части­цы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра.

Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" - 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних - 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низ­кого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнит­ный узлы.

Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) - 75 000 ч.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершен­ствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно вы­сока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются ком­пании Sony, Fujitsu и Hewlett-Packard.

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям международных стан­дартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI.

Помимо обычных дисководов широкое распространение полу­чили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска - не­сколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными - такие же, как у обычных дисководов.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах ре­зервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результа­ты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.

В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стри­меров) сначала использовались катушечные накопители, анало­гичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназна­ченную для хранения данных. Внутри кассеты находились две ка­тушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC (Quarter-Inch-Catridge - накопитель на магнит­ной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела дли­ну около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа.

Внешние устройства хранения информации

Решение этой проблемы связано с созданием таких накопите­лей, как LS-120, SyQuest, Zip, Jaz, МО, ORB и др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD, т.е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства не­совместимы с FDD, поскольку работают только со своими дис­ками. Исключение составляет дисковод LS-120, который в состо­янии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартные дискеты емкостью 1,44 Мбайт.

Дисководы LS-120 выпускаются фирмами как внешние уст­ройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE. Несомненным преимуществом дисковода LS-120 является высо­кая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE. При этом скорость чтения/запи­си в несколько раз выше, чем у FDD (80- 100 Кбайт/с в DOS и 200 - 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD). Дисководы LS-120 являются магнитными накопителями инфор­мации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носи­тели информации: чувствительность к магнитным полям, пыли и механическим деформациям.

Сменные жесткие диски используются при необходимости раз­мещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает сило­вое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена инфор­мацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использо­вать сменные жесткие диски главным образом для целей архиви­рования данных.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью.
2. 
   Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.
3. 
   Логическая структура и формат магнитооптических дисков.
4. 
   Накопители на магнитных лентах.
5. 
   Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах.
6. 
   Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров.
7. 
   Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Раздел 5. Видеоподсистема: мониторы, видеоадаптеры, видеопроекторы

Тема 5.1 Мониторы ЭЛТ

Студент должен:

иметь представление:

знать:

• 
  принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
• 
  основные характеристики ЭЛТ мониторов.

уметь:

• 
  подключать мониторы на основе ЭЛТ;
• 
  устанавливать режимы работы мониторов на основе ЭЛТ;

Мониторы на основе электронно- лучевой трубки (ЭЛТ): основные принципы работы, типы ЭЛТ, конструкция, технические характеристики. Стандарты ТСО. Обзор основных моделей.

Методические указания

Мониторы на основе ЭЛТ - наиболее распространенные уст­ройства отображения информации. Используемая в этом типе мо­ниторов технология была разработана много лет назад и первона­чально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.

Конструкция ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной сторо­ны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В ка­честве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и др. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точ­ками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мони­торах.

На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка элек­тронов и связанную с ней яркость изображения; фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна; размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, которые из­меняют направление пучка. Любое текстовое или графическое изоб­ражение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами и представляющих со­бой минимальный элемент изображения-растра.

Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верх­него угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонталь­ной) развертки, а по вертикали - кадровой (вертикальной) раз­вертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонта­ли) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) производится посредством специальных сигналов об­ратного хода. Мониторы такого типа называются растровыми. Элек­тронный луч в этом случае периодически сканирует экран, обра­зуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере дви­жения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспро­изводить по горизонтали и вер­тикали, например, 640x480 или 1024 х 768 пикселов.

В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три электронные пушки с независимыми схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого.

Электронный луч каждой пушки возбуждает точки лю­минофора, и они начинают светиться. Точки светятся по-разному и представляют собой мозаичное изображение с чрезвычайно ма­лыми размерами каждого элемента. Интенсивность свечения каж­дой точки зависит от управляющего сигнала электронной пушки. В человеческом глазу точки с тремя основными цветами пересека­ются и накладываются друг на друга. Изменением соотношения интенсивностей точек трех основных цветов получают требуемый оттенок на экране монитора. Для того чтобы каждая пушка на­правляла поток электронов только на пятна люминофора соот­ветствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется спе­циальная цветоделительная маска.

В зависимости от расположения электронных пушек и конст­рукции цветоделительной маски (рисунок 8) различают ЭЛТ четы­рех типов, используемые в современных мониторах:

ЭЛТ с теневой маской (Shadow Mask) (см. рисунок 8, а) наибо­лее распространены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic, Hitachi, Belinea, Panasonic, Daewoo, Nokia;

ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP - Enhenced Dot Pitch) (см. рисунок 8, 6);

ЭЛТ со щелевой маской (Slot Mask) (см. рисунок 8, в), в которой люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, содержащие группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Этот тип маски применяется фирмами NEC и Panasonic;

ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий (Aperture Grill) (см. рисунок 8, г). Вместо точек с люминофорными элемента­ми трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. По этой техноло­гии производятся трубки Sony и Mitsubishi.

Рисунок 8 - Типы цветоделительных масок ЭЛТ: а – ЭЛТ с теневой маской; б – ЭЛТ с улучшенной теневой маской; в- ЭЛТ с щелевой маской; г – ЭЛТ с апертурой решеткой

ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.

Диагональ экрана монитора - расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах.

Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайши­ми отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения.

Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали.

Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мо­ниторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие.

Потребляемая мощность монитора указывается в его техниче­ских характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.

Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позво­ляет наблюдать на экране монитора только изображение, форми­руемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отражен­ных объектов. Существует несколько способов получения анти­бликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них - протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображе­ния низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализо­ван фирмами Hitachi и Samsung. Антистатическое покры­тие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества.

Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибу­том ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования пока­зали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рент­геновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электро­статические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.

По технологии изготовления защитные фильтры бывают: се­точные, пленочные и стеклянные.

Безопасность монитора для человека регламентируется стан­дартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Швед­ской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает опре­деленную гарантию противопожарной безопасности, обеспечива­ет электрическую безопасность и определяет параметры энерго­сбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, ста­ли жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбере­жению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжелых ме­таллов.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;
2. 
   Основные характеристики ЭЛТ мониторов.
3. 
   Подключение монитора на основе ЭЛТ;
4. 
   Установка режимов работы мониторов на основе ЭЛТ

Тема 5.2 Жидкокристаллические мониторы

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  принцип работы жидкокристаллических мониторов;
• 
  основные характеристики жидкокристаллических мониторов.

уметь:

• 
  подключать мониторы на основе ЖК;
• 
  устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.

Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.

Методические указания

ЖК-мониторы (LCD - Liquid Crystal Display) составляют ос­новную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном раз­мером 13-17". Первое свое применение жидкие кристаллы на­шли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают полу­чать все большее распространение LCD-мониторы для настоль­ных компьютеров.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, со­стоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между кото­рыми размещен слой жидкокристаллического вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторы­ми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации моле­кул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электриче­ства могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изме­нять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следова­тельно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменени­ем ориентации его молекул.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бо­роздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели распо­ложены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ори­ентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристалличе­ские панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные элект­ролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризую­щиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разно­видностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напря­жения на подложках поворачивают вектор электрической напря­женности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обес­печить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каж­дая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый све­тофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поля­ризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был за­метен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следую­щем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закру­чивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор -анализатор. Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закру­чивание молекул жидкокристаллического вещества, расположе­ны под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3- 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно си­ловым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плос­кости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоско­стью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непро­зрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, фор­мируется ПК.

Для вывода цветного изображения на экран выполняется под­светка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, про­пускающим один из трех основных цветов.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN - Twisted Nematic). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, свя­заны с низким быстродействием; зависимостью качества изобра­жения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значитель­ным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-монито­ров было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (Super-Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плос­кости поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (Dual Super-Twisted Nematic), позволило значи­тельно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется тех­нология двойного сканирования (DSS- Dual Scan Screens), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обнов­ление которых выполняется одновременно. Двойное сканирова­ние совместно с использованием более подвижных молекул по­зволило снизить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мо­ниторов, реализующих технологию TN) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Для получения лучших результатов с точки зрения стабильно­сти, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ра­нее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица (Passive Matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от осталь­ных, так что в результате каждый такой элемент может быть под­свечен индивидуально для создания изображения. Матрица назы­вается пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляюще­го напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой элект­рической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отобра­жается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилитель­ные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие вли­яние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быст­родействие. Активная матрица (active matrix) имеет следующие преимуще­ства по сравнению с пассивной матрицей:

• 
  высокая яркость;
• 
  угол обзора, достигающий 120-160°, в то время как у мони­торов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;
• 
  высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.

Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных ма­териалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, по­добные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Техно­логия TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мо­ниторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.

К основным характеристикам жидкокристаллических монито­ров относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и раз­мер его видимой области (растра) практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монито­ра может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию, обус­ловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном на­правлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения оста­нется прежней.

Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экра­на по горизонтали и вертикали.

Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.

Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получает­ся не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широ­кую черную рамку.

Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изоб­ражения на весь экран, что приводит к возникновению некото­рых искажений и ухудшению резкости.

Яркость - важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Ти­повая яркость ЖК-монитора 150 - 200 кд/м 2 . При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев эк­рана.

Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видео­сигнала от минимального до максимального. Приемлемая цвето­передача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная - при 350:1.

Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и состав­ляет 30 - 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо-ниторов.

Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограни­чена определенным количеством воспроизводимых на экране от­тенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мони­торов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана - 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel - PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными по­верхностями инертным газом, например аргоном или неоном. За­тем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрач­ные электроды, на которые подается высокочастотное напряже­ние. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.

Электролюминесцентные мониторы (Electric Luminiescent Displays - ELD) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Прин­цип действия электролюминесцентных мониторов основан на яв­лении испускании света при возникновении туннельного эффек­та в полупроводниковом p-n- переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Однако они уступают ЖК-мониторам по энер­гопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно вы­сокое напряжение - около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays - FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической техноло­гии. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обо­их методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а элек­тронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мо­ниторах, построенных по TFT-технологии. Управление этими клю­чами осуществляется специальной схемой, принцип действия ко­торой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.

Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode Displays - OLEDs), или LEP-мониторы {Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD-мониторы, но отличаются материалом, из которого изго­тавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полу­проводимости. При пропускании электрического тока такой мате­риал начинает светиться.

Основные преимущества технологии LEP по сравнению с рас­смотренными:

• 
  низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);
• 
  простота конструкции и технологии изготовления;
• 
  тонкий (около 2 мм) экран;
• 
  малая инерционность (менее 1 мкс).

Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже вы­брана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Принцип работы жидкокристаллических мониторов;
2. 
   Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;
3. 
   Подключение мониторов на основе ЖК;
4. 
   Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;
5. 
   Принцип работы плазменных дисплеев;
6. 
   Принцип работы электролюминесцентных мониторов;
7. 
   Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;
8. 
   Принцип работы органических светодиодных мониторов.

Тема 5.3 Проекционные аппараты

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

Проекционные аппараты. Оверхед- проекторы и ЖК панели. Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация. Принципиальные схемы TFT- проекторов, полисиликоновых проекторов, D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки. Принцип действия 3D- проекторов. Основные характеристики мультимедийных проекторов.

Методические указания

Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio - бросаю вперед) - оптико-механический прибор для проециро­вания на экран увеличенных изображений различных объектов.

Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изоб­ражения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной плен­ке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результа­те изображение может быть показано большой аудитории.

Современные проекционные аппараты служат для демонстра­ции прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диа­фильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а так­же тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты при­меняются для презентаций, в качестве технических средств обуче­ния. Поскольку в настоящее время весомая часть информации на­ходится в электронном виде, возникла необходимость проециро­вания на экран изображения с экрана монитора.

Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы:

универсальные проекторы (оверхед-проекторы) об­щего назначения; в качестве источника изображения в них ис­пользуется специальный внешний модулятор - ЖК-панель;

мультимедийные проекторы со встроенным моду­лятором.

На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, ис­точником которого может быть бытовая или полупрофессиональ­ная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами.

Оверхед-проектор (Over Head Projector - проектор, располо­женный над головой) - проекционный аппарат, в котором изоб­ражение от источника проецируется на экран при помощи на­клонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные.

Отражательные проекторы представляют собой ма­логабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика.

Просветные проекторы отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы уве­личена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схем. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее про­зрачные ЖК-панели.

ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавли­вают на прозрачную рабочую поверхность проектора как про­зрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, про­ходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекцион­ное зеркало.

По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения.

Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанель­ных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количе­ство воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-па­нели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280х 1024).

В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основан­ная на применении технологии DSTN; в более качественных па­нелях используется активный TFT-экран.

В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназна­ченные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекци­онной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний эк­ран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изоб­ражения на экран. В зависимости от конструкции модулятора про­екторы бывают следующих типов: TFT-проекторы; полисилико­новые проекторы и DMD/DLP-проекторы.

В зависимости от способа освещения модулятора мультимедий­ные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов.

В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная ак­тивная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT.

Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плос­копанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверх­ности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором.

Полисиликоновые мультимедийные проекторы также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюр­ных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц форми­рует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в ре­зультате чего формируется цветное изображение. Такая техноло­гия получила название полисиликоновой (p-Si). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тон­копленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем раз­мер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения.

Цветоделительная система полисиликонового проектора, со­стоящая из двух дихроичных (D u D 2) и одного обычного (Ni) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы по­дать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соот­ветствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропус­кает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесен­ной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала.

Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных (D 3 , D 4) и одного отражающего (N 2) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами.

Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое ка­чество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому поли­силиконовые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конфе­ренц-залы, кинотеатры.

ЖК-проекторы отражательного типа предназначены для рабо­ты в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.

В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК-проекторов отражательного типа является технология DMD/DLP, разработанная фирмой Texas Instruments.

В DMD/DLP-проекторах отражательного типа излучение ис­точника света модулируется изображением при отражении от мат­рицы. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхно­сти используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал, размер каждого из которых около 1 мкм. Каждое микрозеркало имеет возможность отражать падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель, что определяется уровнем поданного на него электрического сигнала. При попада­нии света в объектив образуется яркий пиксел экрана, а в поглоти­тель - темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD (Digital Micromirror Device - цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, - DLP (Digital Light Processing - цифровая обработка света).

Для получения цветного изображения используются проекто­ры двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей.

В одноматричных DMD/DLP-проекторах полный цветной кадр формируется в результате последовательного наложения трех бы­стро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Смена монохромных кадров на экране незаметна благодаря инерционности человеческого зрения. Мо­нохромные кадры образуются при последовательном освещении DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания светового потока от проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами. Управление микрозеркалами синхронизировано с поворотом светофильтра.

По сравнению с ЖК-технологиями технология DLP обладает следующими преимуществами: практически полным отсутствием зернистости изображения, высокой яркостью и равномерностью ее распределения. К недостаткам одноматричных DMD-проекторов следует отнести заметное мелькание кадров.

Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Проекционные аппараты;
2. 
   Оверхед- проекторы и ЖК панели;
3. 
   Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация;
4. 
   Принципиальные схемы TFT- проекторов;
5. 
   Принципиальные схемы полисиликоновых проекторов;
6. 
   Принципиальные схемы D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки;
7. 
   Принцип действия 3D- проекторов;
8. 
   Основные характеристики мультимедийных проекторов.

Практическая работа 6. Проекционные аппараты

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  назначение, типы, функции проекционных аппаратов;
• 
  назначение и принцип работы оверхед- проектора и ЖК панели;
• 
  назначение и принцип работы мультимедийного проектора.

уметь:

• 
  подключать проекционные аппараты;
• 
  настраивать проекционные аппараты;
• 
  работать с проекционными аппаратами.

Тема 5.4 Устройства формирования объемных изображений

Студент должен:

иметь представление:

• 
  об устройствах отображения информации

знать:

• 
  назначение, виды устройств формирования объемных изображений

Устройства формирования объемных изображений: назначение, принцип действия стереоскопа, способы селекции. VR-шлемы. 3D- очки. 3D мониторы. 3D- проекторы

Методические указания

Устройства формирования объемных (трехмерных) изображе­ний появились в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности. Одна­ко в настоящее время эти устройства интенсивно совершенству­ются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашне­го мультимедийного ПК, поскольку объемный характер изобра­жения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.

По своей конструкции такие устройства принципиально отли­чаются от традиционных мониторов, поскольку в их основе ле­жит способ формирования трехмерных изображений, основанный на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения.

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы)

Шлемы виртуальной реальности (VR-шлемы), называемые так­же кибершлемами, являются в настоящее время наиболее совер­шенными устройствами формирования трехмерных изображений. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза VR-шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсече­ние поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.

В VR-шлемах используются миниатюрные экраны, выполнен­ные на основе активных ЖК-матриц. Каждая из ЖК-матриц фор­мирует цветное изображение, которое, благодаря особой конст­рукции шлема, видит только один глаз. Помимо экранов VR-шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофо­ном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют в и з о р о м. Визор дает возможность ре­гулировать расстояние между матрицами по горизонтали, кото­рое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользо­вателя, называемому IPD (Inter Pupil Distance). Визоры некоторых моделей шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD, исключающей необходимость в индивидуальной настройке шлема.

Основным недостатком VR-шлема является недостаточно высо­кое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и малым рас­стоянием между глазом и визором, что делает зернистость ЖК-матриц заметной.

Важнейшей особенностью VR-шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО) (Virtual Orientation System - VOS), которая отслеживает движение голо­вы и в соответствии с ним корректирует изображение на экра­нах. В случае поворота головы в одну сторону панорамное изобра­жение «прокручивается» через ЖК-матрицы в противоположном направлении. В результате у пользователя возникает иллюзия ста­бильности наблюдаемой картины, ощущение реальности изобра­жения. В зависимости от принципа действия и типа используемого поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО. Магнитные СВО распространены наиболее широко. В них ис­пользуются миниатюрные магнитные датчики (катушки индук­тивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних непо­движных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков; датчик-приемник, расположенный на шлеме; системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их вза­имной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространствен­ные координаты приемника относительно передатчика. Результа­ты вычислений передаются в PC через стандартный последова­тельный интерфейс RS-232 с частотой 50 - 60 Гц.

В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются мало­габаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используются три передатчика и приемника, размещенные в шлеме. Системный блок посылает на передатчики электрический сигнал и регистрирует ультразвуковой сигнал. Измеряя временную задержку между по­сланным и принятым сигналом, а также зная скорость распрост­ранения звуковой волны (около 330 м/с), можно достаточно точ­но определить расстояние между передатчиком и приемником. Путем обработки результатов измерений расстояния между тремя парами датчиков рассчитывают положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.

Инерциальные СВО используются в VR-шлемах моделей, пред­назначенных в основном для профессионального применения. Свое название они получили благодаря использованию в них инерци-альных датчиков - гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы магнитных или ультразвуковых полей. С их по­мощью создается независимая инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.

В качестве входного сигнала для VR-шлема может использо­ваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB-сигнал видеоадаптера ПК. VR-шлемы с визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640 х 480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру ПК.

Помимо визора VR-шлем оборудован высококачественной сте­реофонической аудиосистемой. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компью­тера.

3 D -очки являются наиболее распространенными и доступными по цене устройствами формирования трехмерных изображений. Принцип их действия основан на использовании затворного ме­тода разделения элементов стереопары. ЗD-очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и могут подсоеди­няться к видеоадаптеру ПК при помощи гибкого провода длиной 2-3 м.

Принцип действия ЗD-очков заключается в том, что при по­следовательном отображении на мониторе левой и правой час­тей стереопары синхронно меняется прозрачность стекол оч­ков. В результате каждый глаз видит только свою часть стереопа­ры, что обеспечивает стереоэффект. Чтобы стекла ЗD-очков мог­ ли «терять прозрачность» по командам компьютера, их выпол­няют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использую­щей эффект поляризации. Поэтому 3D-очков иногда называют поляризационными. Поскольку прозрачность стекол 3D-очков изменяется синхронно со сменой изображения на экране вслед­ствие управления сигналами видеоадаптера, их называют ак­тивными.

Таким образом, термины «активные поляризационные очки», «3D-очки» - синонимы; они обозначают устройства, работаю­щие на одинаковом принципе.

Между ЗD-очками и шлемами виртуальной реальности есть принципиальные различия:

3D-очки изображения не создают, хотя также содержат ЖК-линзы, которые используются в качестве электронно-управляе­мого фильтра (затвора), поэтому качество формируемого изобра­жения определяется монитором;

3D-очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зави­симости от положения головы наблюдателя. В связи с этим при использовании ЗD-очков нет смысла перекрывать зону периферий­ного зрения, поэтому они выполняются в форме обычных очков. Подключение 3 D -очков к ПК производится в большинстве слу­чаев с помощью дополнительного устройства - контроллера, ко­торый формирует синхросигнал для 3D-очков, управляющий по­очередным затемнением стекол, и преобразует (при необходимо­сти) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера та­ким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.

В большинстве моделей 3D-очков контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появи­лось много видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для 3D-очков.

Современный рынок 3D-очков достаточно разнообразен. Пре­имущественно используются беспроводные модели, обеспечива­ющие связь с ПК с помощью инфракрасного передатчика, ана­логичного телевизионному пульту управления.

Основные функциональные узлы и принцип работы.

ТЕМА 3.3 Накопители на компакт – дисках

Существуют следующие носители на компакт-дисках (оптические):

¾ CD-ROM - устройство только для считывания информации

¾ CD-R – для считывания и однократной записи

¾ CD-RW – для считывания и многократной записи

¾ Магнитооптические накопители

Приводы: CD-R, CD-RW, CD-ROM, DVD-R, DVD-RW

Принцип действия всœех оптических накопителœей информации основан на лазерной технологии: луч лазера используется как для считывания так и для записи информации. Приводы CD-ROM.

Носители информации на диске CD-ROM является рельефная подложка. Запись информации представляет собой процесс формирование рельефа на подложке путем прожигания миниатюрных штрихов лазерным лучом. Считывание производится насчет регистрации отражения луча лазера. Сигнал от штриха 1, от поверхности без штриха 0.

Приводы CD-ROM

· Загрузочное устройство

· Оптико-механический блок

· Системы управления приводом и автономного регулирования

· Универсальный декодер

· Интерфейсный блок

Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется на поверхности диска. К нужной дорожке луч перемещается следующим образом: сперва двигатель по ком от встроенного микропроцессора перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом и нужной дорожке. Отраженный луч фокусируется линзой, отражается от зеркала, попадает на разделительную призму, и направляет луч на вторую фокусируемую линзу, далее луч попадает на фотодатчик, преобразует световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер, который и необходим для преобразования импульсов в понятную компьютеру цифровую информацию, представляет собой процессор.

Система автономного слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде импульсов поступает в систему автономного регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы с усилителя поступают в систему автономного регулирования: фокуса, системы автономного регулирования мощности излучаемого лазера, скорость вращения диска, радиальной подачи, мощность излучения лазера, линœейной скорости вращения диска.

Накопители DVD

DVD-диски конструктивно выполняется односторонними и двусторонними.

В отличие от CD в DVD дисках расстояние между дорожками записи меньше и уменьшены размеры штрихов записи. В результате чего увеличена емкость. Количество изображений хранимых в формате DVD соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, а качество звука не уступает студийному.

Накопители с однократной и многократной записью

Для однократной записи используются диски CD-R, представляющие собой диск, регистрационный слой которого выполнен из материала темнеющего при нагревании. Темные и светлые участки CD-R аналогичны штрихам и ровным поверхностям CD-ROM.

CD-RW- перезаписываемые диски, регистрирующий слой которого выполнен из органических соединœений, способных изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое под воздействием лазерного луча.

При нагревании лазерным лучом выше некоторой критической температуры, материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания. При нагревании до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное состояние (кристаллическое).

Лазерный луч Лазерный луч

Отражающий слой Регистрирующий слой

CD-ROM Защитный лаковый слой

Раздел 4. УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

В отличие от НМД оптический диск, имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от внутреннего диаметра к наружному. Но физическая дорожка может быть разбита на несколько логических. Если для НМД возможна запись на разные дорожки, то запись на оптические диски происходит последовательно по спирали.

Участок на оптическом СD-диске, на котором размещаются данные, называют Іпfоrтаtіоп Аrеа (информационным участком). Этот участок начинается с диаметра 44 мм, заканчивается за 2 ... 3 мм до края диска и содержит такие три зоны (по порядку их размещения от центра диска):

1) зону входного каталога (Lead-іn Zопе);
2) зону данных (Data Zопе), в которой размещаются данные, записанные на диск;
3) зону исходного каталога (Lead-out Zопе) с меткой конца диска.

В конце внешней дорожки и в начале внутренней дорожки размещается средняя зона (MiddleZопе), которая не содержит данные. Эту зону используют для того, чтобы луч лазера мог изменять фокусирование для считывания данных из внутренней дорожки.

Зона входного каталога в СD-дисках содержит содержание ТОС (Таblе оf Соntents), адреса записей, количество заголовков, суммарное время записывания, объем и название диска. Зона данных СD-диска имееет следующую структуру данных. Базовой единицей данных СD-диска есть кадр (frате), который содержит 24 кодированных байта, один байт управления и восемь байтов для корректировки ошибок. Фрейму предшествует 24 бит, любой из которых имеет фиксированное значение (шаблон) и три бита слияния (merge bits). Во время подведения лазера к фрейму именно по шаблону определяется начало фрейма; 98 кадров образовывают сектор, наименьшую адресную единицу данных СD-диска. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байтов и 882 байта корректировки ошибок и управления). Из 2352 байт пользовательская информация может занимать 2048 (в режиме «1») или 2336 байт (в режиме «2»). Такая организация записи данных на СD-дисках и использование алгоритмов корректировки ошибок позволяет обеспечить качественное считывание информации с вероятностью ошибки на один бит 10-10.

Обобщенная структура накопителя на оптических дисках

Упрощенная структура НОД приведена на рис. 3.
Для НОД применяются несколько способов записи: абляционный - путем прожигания отверстий в непрозрачной среде носителя; с помощью локального изменения коэффициента отражения среды; перевод запоминающей среды из кристаллической фазы в аморфную и наоборот; трансформирование магнитного состояния структуры; изменение цвета локальной области. Первые два способа используются при «не стираемой» записи, а остальные - для многократной перезаписи информации на НОД.

При записи луч полупроводникового лазерного диода, управляемого данными записи через коллиматор, зеркало и линзу объектива прожигает отверстие в информационном слое диска. Наличие отверстия соответствует записи «1». При считывании неуправляемый лазерный луч (получаемый из делителя луча) выходит на рабочую поверхность через другой делитель луча, зеркало и объектив.
В режиме чтения зеркало перемещается. Свет от лазера проходит через поляризационно-разделительную призму, попадает на поляризационный фильтр (при этом свет поляризуется в определенной плоскости) , а потом фокусируется на поверхности оптического диска. Если луч лазера попадает на плоскую поверхность (lands) диска СD-RОМ или DVD-RОМ, свет отражается почти целиком. Если же свет попадает у углубления (ріts), то большая часть света рассеивается. Отраженный свет через делитель луча попадает на фотодиод, сигнал с которого обрабатывается электронными схемами считывания. Точная установка луча на дорожке обеспечивается сервоблоком дорожки, фокусировка - сервоблоком фокусировки, а постоянное число оборотов - сервоблоком вращения диска (см.рис. 3).

По возможностям записывания дисков дисководы оптических дисков разделяют на дисководы с возможностью как считывания, так и записывание дисков (записывающие дисководы) и дисководы только для считывания, а по типам дисков - на дисководы СD и дисководы DVD.

Рисунок 4

Оптический дисковод состоит из таких основных функциональных узлов:

- загрузочного устройства;
- привода диска;
- оптического блока;
- привода дорожки;

- блока кодирования-декодирования данных;
- системы автоматического регулирования;
- аудиоблока;
- разъемов.

Загрузочное устройство дисководов бывает двух типов: контейнерный (caddy) и лоточный (tray). В дисководе первого типа загрузки в контейнерное устройство диск помещают в пластиковый контейнер и вставляют в дисковод (этот контейнер выполняет такие же функции, что и контейнер гибкого диска 3,5 дюйма). В дисководе второго типа диск помещают на лоток (рис. 3), который выдвигается после нажатия кнопки Еjесt. После повторного нажатия кнопки или легкого нажатия на лоток он всовывается в дисковод (pop-up-механизм).

На передней панели привода, кроме того, расположены: индикатор работы устройства (busy, лампочка), гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков), регулятор громкости звука (также для аудиоCD).
Предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject. В это отверстие необходимо ввести тонкий стержень на 2-3 см, тогда лоток выдвинется.

Оптический блок содержит оптическую систему дисковода, изображенную на рис. 4. Для считывания данных из дисков СD используют лазер с длиной волны 780 нм (в инфракрасном диапазоне), а для считывания из DVD-дисков - лазер с длиной волны 650 нм (красного цвета). Поэтому дисководы DVD, которые считывают из СD-дисков и DVD-дисков, обычно содержат два лазера с отдельными оптическими системами или общей оптической системой (с переключением на один или второй лазер).

Рисунок 5. Устройство оптического дисковода: 1 - лоток; 2 - привод дорожки; 3 - интерфейсна шина управления; 4 - оптическая система; 5 - привод дисковода; 6 - диск

Для записывания данных на диск используют отдельный записующий лазер, который работает в импульсном режиме с изменяемой мощностью (для «прожигания» диска, изменения фазового состояния из кристаллического на аморфный и для возвращения в кристаллическое состояние). Обычно записующий и считываемый лазеры имеют общую оптическую систему. Поверхность оптического диска перемещается относительно лазерной головки c постоянной линейной скоростью, а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Таким образом, чтение внутренних дорожек осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Сервомотор по команде от внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на дорожку. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия, серебра или золота на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку (пит), он рассеивается, и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические- яркое излучение преобразуется в “1”, слабое – в “0”. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы. Отметим, что сформированные лазерным лучом питы очень малы по размеру. Примерно 30-40 впадин соответствуют толщине человеческого волоса, а это примерно 50 мкм.

Привод дорожки по командами, которые поступают от встроенного микропроцессора, перемещает оптическую систему к нужной дорожке на диске для записывания или считывания. Во время записывания лазер выполняет нужную операцию («прожигание» или смену фазы) по командам блока кодирование-декодирование, а во время считывания отраженный от диска луч попадает на фотодетектор, сигналы из которого поступают в блок кодирования-декодирования и систему автоматической слежения.

Блок кодирования-декодирования представляет собой обработчик сигналов, записываемых на диск, или считываемых из диска. В его состав входят устройство кодирования, декодер, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления. Устройство кодирования подготавливает данные для записывания на диск, выполняя перекодировки символов соответственно кодированиям ЕFМ (для СD-дисков) или RLL (2,10) (для DVD-дисков) и добавляет в данные синхросигналы и служебную информацию. Декодер выделяет из цифрового потока данные, восстанавливая их первоначальный вид. Оперативное запаминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер руководит режимами исправления ошибок данных, записанных во всех поддерживаемых дисководом форматах.

Во время записывания или считывание данных из диска возможны нарушения в позиционировании луча лазера вследствие радиальных биений диска. Для того чтобы избежать потерь данных, в оптических дисководах применяют систему автоматического слежения с помощью управляющих сигналов. Для выделения этих сигналов существует несколько способов. Однако наиболее распространенный - это способ, при котором луч лазера после первой линзы (см. рис. 1.) поступает на дифракционные решетки, где расщепляется на три луча, один из которых используется для считывания данных, а два другие применяются системой слежения за дорожкой. Импульсные сигналы из фотодетектора поступают в усилитель системы автоматического регулирования, где отделяются сигналы ошибок слежения и осуществляется корректирование считывающего сигнала.

Аудиоблок оптический дисковод унаследовал от СD-плейеров. Он превращает аудиоданные из цифровой формы в аналоговую. После усиления эти данные передаются или на внешнее устройство, или на наушники.

Рядом с разъемом интерфейса с компьютером и разъемом электропитания оптические дисководы имеют также разъемы для подключения к звуковой карте или аудиоблоку материнской платы.

На передней панели привода, кроме того, расположены: индикатор работы устройства (busy, лампочка), гнездо для подключения головных телефонов или стереосистемы (для прослушивания аудио дисков), регулятор громкости звука (также для аудиоCD).
Предусмотрено также отверстие, с помощью которого можно извлечь компакт-диск даже в аварийной ситуации, например, если даже не срабатывает кнопка Eject. В это отверстие необходимо ввести какую-нибудь тонкую палочку примерно на 2-3 см, тогда лоток выдвинется.

Характеристики оптических дисков и дисководов

Оптический диск характеризуется своим типом (СD-диск или DVD-диск) и емкостью . Емкость диска определяют по его типу и размеру (диаметру). Выпускаются оптические диски диаметром 120 мм (4,7 дюйма) и 80 мм (3,1 дюйма).
СD-диски размером 120 мм имеют емкость 650 или 700 Мбайт (в зависимости от режима записывания), а диски размером 80 мм - емкость 185 Мбайт. Для записывания данных иногда используют оптические визитные карточки (орtісаlbusiness саrds) - диски СD-R прямоугольной формы размером 80 х 61 мм и емкостью 50 Мбайт.

Оптические дисководы имеют такие основные характеристики:

Совместимость;
- скорость передачи данных;
- среднее время доступа;
- емкость кэш-памяти;
- коэффициент ошибок;
- надежность;
- тип устройства;
- тип интерфейса;
- перечень поддерживаемых форматов;
- параметры аудиотракта.

Все дисководы оптических дисков имеют форм-фактор 5,25 дюйма и совместимы по размерами дисков, то есть могут считывать как 120-миллиметровые, так и 80-миллиметровые диски, а также оптические визитные карточки (для считывания дисков последних двух типов в лотке дисковода предусмотрено специальное углубление).

Совместимость разных типов дисководов означает возможность считывания и записывания других типов дисков.
Скорость передачи данных - это максимальная скорость, по которой выполняется обмен данных между дисководом и компьютером. Это важнейшая характеристика оптического дисковода, который почти всегда приводится вместе с названием модели, причем ее задают не количеством мегабайтов за секунду, как для других устройств внешней памяти, а коэффициентом увеличения относительно базовой скорости. Первые дисководы СО имели скорость передачи данных 150 кбайт/с, как и СD-плейери. Эта базовая скорость явным образом недостаточна для считывания, например, видеоданных. Поэтому скорости вращения дисководов и, соответственно, скорости передачи данных стали увеличиваться (сначала в два раза). Такие дисководы (со скоростью передачи данных 300 кбайт/с) стали называть дисководами 2х. В дальнейшем скорости дисководов еще большее повысились. Теперь дисководы имеют максимальную скорость передачи 54х (16,2 Мбайт/с) и выше (до 76х).

Для дисководов DVD вследствие большей плотности данных и высшей скорости вращения значение 1х соответствует скорости передачи данных 1,32 Мбайт/с, то есть дисковод DVD 1x приблизительно соответствет дисководу СD 9х. Максимальное значение для дисководов DVD теперь составляет 16х ли 21,13 Мбайт/с.

Приведенные цифры действительны для считывания данных. Для записывания данных максимальные скорости передачи данных ниже и теперь равняются 40х для записывания дисководов СD-R, 24х - для СD-RW и от 2х до 8х - для DVD. Обычно для дисководов СD-RW указывают в отдельности как скорость записывания, так и скорость считывания, а для записывающих дисководов DVD - скорость записывания DVD-дисков, скорость записывания СD-дисков, скорости считывания DVD-дисков и СD-дисков.

Для записывающих оптических дисков (R ли RW) обычно указывают максимально допустимую скорость их записывания или диапазон допустимых скоростей (например, 24х или 1х-24х).

Среднее время доступа - это время (в миллисекундах), нужен дисководу для пребывания на носителе нужных данных. Очевидно, что работа на внутренних участках диска требует меньшего времени доступа, чем считывание информации из внешних участков. Поэтому в паспорте дисковода приводится среднее время доступа, как среднее значение для выполнения нескольких считываний данных с разных (избранных случайно) участков диска. Среднее время доступа для дисководов СD-RОМ составляет 100 ... 200 мс, а для дисководов новых моделей DVD - 40 ... 250 мс.

Емкость кэш-памяти - это емкость оперативного запоминающего устройства оптического дисковода, используемого для увеличения скорости доступа к данных, записанных на носителе (буферная память). Если для управления дисководом использовать специальные программы-драйверы, то в кэш-память можно заранее записывать содержимое диска. Тогда обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит значительно быстрее. Емкость кэш-памяти современных устройств - от 64 до 2,048 Мбайт.

Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных. Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера , которая влияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Эта величина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер из накопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, к общему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степень заполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугой стороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать больше внимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывам изображения во время воспроизведения.

На пишущих приводах CD-ROM буферная память очень важна, так как она обеспечивает равномерность поступления информации на CD-R или CD-RW. Это позволяет более надёжно производить запись, так как нельзя допускать остановки записи дорожки, иначе может испортиться весь диск.

Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Еror Rate). Этот параметр отображает способность оптического дисковода корректировать ошибки записывания-считывания. Обычно значение коэффициента ошибок составляет 10-10...10-12. Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита во время его считывания. Если привод считывает данные из загрязненного или исцарапанного участка диска, он регистрирует группу ошибочных бит. Если ошибку не удается устранить за счет чрезмерности помехоустойчивого кода (применяемого во время записывания-считывания), то привод снижает скорость считывания данных с многоразовым его повторением. Если механизм корректирования ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден» (Sector not found). В случае устранения сбоя дисковод переключается на максимальную скорость считывания данных.

Надежность оптических дисководов, выраженная через МТВF (средняя наработка на отказ - MeanTimeBetweenFailure) , составляет 50...125 тыс. ч, что почти на порядок превышает срок морального старения устройства.

Диски, выполненные методом горячего штампования (СD-RОМ и DVD-RОМ), обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Диски DVD-RАМ можно перезаписывать до 100 000 раз.

По типу устройства дисководы оптических дисков, как и другие устройства внешней памяти, могут быть как внутренними, так и внешними.

Подключение дисководов CD-ROM. Первый способ подключения основан на том, что один канал интерфейса IDE может поддерживать два встроенных устройства. Накопитель CD-ROM подключают к плате ввода-вывода через интерфейс IDE вместе с жестким диском по принципу master/slave. Однако в этом случае снижается скорость обмена данными с жестким диском. Одним из способов решения этой проблемы является подключение устройств CD-ROM к различным каналам одного интерфейса EIDE или к двум различным котроллерам IDE. Если CD-ROM имеет SCSI интерфейс, то его соответственно подключают к SCSI контроллеру. Существует также возможность подключения дисководов CD-ROM через контроллер звуковой карты. Также не следует забывать, что современные материнские платы могут содержать встроенные контроллеры SCSI и IDE, что вообще исключает необходимость в дополнительной плате ввода-вывода для подключения дисководов CD-ROM.

Подключение аудиоканалов. Практически каждый дисковод CD-ROM обладает встроенным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), а также выходным разъемом для вывода стереофонических сигналов. Если на компакт-диске находится аудиоинформация, ЦАП преобразует ее в аналоговую форму и подает сигнал на разъем, предназначенный для наушников, а так же на выходные аудио-разъемы дисковода, с которых в свою очередь, сигнал поступает на усилитель и акустическую систему непосредственно или через звуковую карту. Преимущество активного выхода заключается в том, что аудиосигнал с CD-ROM дополнительно обрабатывается звуковой картой.
Важной характеристикой дисковода СО-RОМ есть перечень поддерживаемых им форматов записывания данных на компакт-диски. Записывать данные на оптические диски можно в разных форматах. Для записывания таких данных, как документы, программы используют форматы СD-ROM (ISO) и DVD-ROM (ISO), а также СО-DОМ (UDF) и DVD-RОМ (UDF).

Форматы СD-RОМ (1S0) и DVD-RОМ (IS0), иногда их называют форматами СD-RОМ и DVD-RОМ, определены в стандарте IS0 9660. В этом стандарте приведены три уровня формата. Формат уровня 1 (lеvеl 1) определяет имена записываемых файлов как имена файлов МS DOS, то есть имена файлов могут содержать до восьми символов по заданным трем символам расширения. Записываемые файлы должны занимать несколько следующих один за одним секторов (нефрагментовання запись). Формат уровня 2 (lеvеl 2) разрешает использовать длинные имена файлов, а формат уровня 3 (lеvеl 3) дополнительно допускает записывать файлы на нескольких участках диска (фрагментированная запись) в пакетном режиме. Для того чтобы можно было записывать длинные имена, определенные в операционной системе Windows, фирма Місrosofі дополнила формат ISO 9660 уровня 1 спецификацией Joliet. Разновидностями формата IS0 9660 являются форматы СD-RОМ (Вооt) и DVD-RОМ (Вооt), в которых записывается на диск (кроме содержания) специальный участок (в начале диска), что разрешает использовать оптический диск как загрузочный.

Если стандарт ISO 9660 предназначен для обеспечения совместимости между дисками СD-RОМ и DVD-RОМ, используемыми в разных компьютерных системах, то формат UDF (UniversalDiskFormatі - универсальный формат дисков) разработан для совместимости оптических дисков только для считывания (RОМ) и записываемых оптических дисков (R или RW) в разных операционных системах. Этот формат, так же, как и IS0 9660, разрешает использовать длинные имена файлов и записывать данные. Данные на оптический диск записывается небольшими порциями в режиме Расket Writing (для СD-дисків) или Іncremental Writing (для DVD-дисков).
Форматы Аиdіо СD и Аиdіо DVD используются для записывания музыки. Это два разных формата. Формат Аиdіо DVD обеспечивает более качественное записывание музыки.

Форматы Video СD (VCD) и VideoDVD используют для записывания фильмов. Это также два разных формата с разными дополнительными возможностями (например, относительно выбора языка озвучивание фильма). Формат VideoDVD обеспечивает блее качественное записывание фильмов. Качественное воспроизведение фильма на СD-дисках обеспечивает формат Super Vіdео СD. Для записывания фильмов в формате Vіdео DVD на СО-диски используют формат mini-DVD.

Приведенные форматы - наиболее распространенные, поскольку разрешают записывать на оптические диски как музыку и фильмы, так и текстовые данные, графические данные и программы. Эти форматы поддерживают большинство дисководов и программы записывания на оптические диски. Существуют также и другие форматы, рассчитанные большей частью на такие виды данных, которые используются намного реже, например Photo СD фирмы Коdak, записывание и воспроизведение высококачественных цифровых фотографий. И фотографии, и музыку можно записывать в форматах IS0 9660 или UDF как обычные графические или звуковые файлы.

Новым, перспективным форматом есть формат Мt. (Моunt) Rаіnіеr , известный также как формат ЕаsуWrіtе. Этот формат записывает данные на оптический диск так же, как и на гибкий. Используя этот формат, к оптическому диску можно обращаться (для считывания или записывания) из любой прикладной задачи без вызова специальных программ считывания-записывания на оптические диски.

Форматы СD-дисков называют иногда по цвету обложки книг, в которых эти форматы описаны. Так, самый первый формат СD - Аudio СD описан в «красной» книге. В «желтой» книге описывается формат СD-RОМ (IS0), в «оранжевой» - форматы СD-R и СD-RW, в «зеленой» - формат СD-I (теперь почти не используют), в «голубой» - Еnhanced СD и в «белой» - Video СD.