Файл: Tannenbaum.pdf

98 Глава 2. Организация компьютерных систем

Такие трудности при загрузке на диск четности могут быть препятствием вы-

сокой производительности. Эта проблема устраняется в RAID-массиве пятого уров-
ня, в котором биты четности распределяются равномерно по всем дискам и запи-
сываются по кругу, как показано на рис. 2.18,

 е.

 Однако в случае сбоя на диске

восстановить содержание утраченного диска достаточно сложно, хотя и возможно.

Компакт-диски

В последние годы помимо магнитных дисков стали доступны оптические диски.

Они обладают более высокой плотностью записи, чем обычные магнитные диски

1

.

Оптические диски изначально использовались для записи телевизионных про-
грамм, но позже они стали использоваться как средства хранения информации в
компьютерной технике. Из-за потенциально огромной емкости оптические диски

стали предметом многих исследований, и их усовершенствование происходило

довольно быстро.

Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips

для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под мар-

кой LaserVision, но нигде, кроме Японии, не пользовались популярностью.

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала CD (Compact Disc —

компакт-диск), который быстро вытеснил виниловые диски, использовавшиеся для

музыкальных записей.

Описание технических деталей компакт-диска было опубликовано в офици-

альном Международном Стандарте (IS 10149), который часто называют

 Красной

книгой

 (по цвету обложки). Международные Стандарты издаются Международ-

ной Организацией Стандартизации, которая представляет собой аналог таких на-

циональных групп стандартизации, как ANSI, DIN и т. и. У каждой такой группы
есть свой IS-номер (International Standard — Международный Стандарт). Между-
народный Стандарт технических характеристик диска был опубликован для того,
чтобы компакт-диски от разных музыкальных издателей и проигрыватели от раз-

ных производителей стали совместимыми. Все компакт-диски должны быть 120 мм

в диаметре и 1,2 мм в толщину, а диаметр отверстия в середине должен составлять

15 мм. Аудио-компакт-диски были первым средством хранения цифровой инфор-

мации, которое вышло на массовый рынок потребления. Предполагается, что они
будут использоваться на протяжении ста лет. Пожалуйста, сравните в 2080 году
работу самой последней разработки и первой партии компакт-дисков.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрас-

ного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном

стеклянном контрольном диске. По этому контрольному диску делается шаблон с
выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая
смола (поликарбонат), и таким образом получается компакт-диск с тем же набо-
ром отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой
алюминия, который в свою очередь покрывается защитным лаком. После этого
наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы в английском языке на-
зываются термином

 «впадина»

 (pit), а ровные пространства между впадинами

называются термином «площадка»- (land).

Это утверждение ошибочно. —

 Примеч. научи, ред.

Вспомогательная память 99

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфра-

красным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющиеся впадины и площад-
ки Лазер находится на той стороне диска, где слой смолы, поэюму впадины для

лазера оказываются выступами на ровной поверхности Так как впадины имеют
высоту в четверть длины волны света лазера, длина волны света, отраженного от
впадины, составляет половину длины волны света, отраженного от окружающей
выступ ровной поверхности В результате, если свет отражается от выступа, фото-
детектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки

Именно таким образом проигрыватель отличает впадину от площадки Хотя, каза-

лось бы, проще всего использовать впадину для записи 0, а площадку для записи 1,

более надежно использовать переход впадина/площадка или площадка/впадина

для 1 и его отсутствие для 0

Впадины и площадки записываются по спирали Запись начинается на некото-

ром расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм
диска Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм)

Если ее распрямить, ее длина составит 5,6 км Спираль изображена на рис 2 19

Винтовая канавка

Впадина

Площадка

Блок пользовательских

данных объемом 2 Кб

Рис. 2.19. Структура записи компакт-диска

Чтобы музыка звучала нормально, впадины и площадки должны сменяться с

постоянной линейной скоростью Следовательно, скорость вращения компакт-

диска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки

от центра диска к внешнему краю Когда головка находится на внутренней сторо-
не диска, скорость вращения составляет 530 оборотов в минуту, чтобы достичь

желаемой скорости 120 см/с Когда головка находится на внешней стороне диска,
скорость вращения падает до 200 оборотов в минуту, чтобы обеспечить такую же
линейную скорость Диск с постоянной линейной скоростью отличается от магнит-

ного диска, который работает с постоянной угловой скоростью, независимо от того,

где находится головка в настоящий момент Кроме того, скорость вращения ком-
пакт-диска (530 оборотов в минуту) очень сильно отличается от скорости враще-

ния магнитных дисков, которая составляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту

100

Глава 2, Организация компьютерных систем

В 1984 году Philips и Sony начали использовать компакт-диски для хранения

компьютерных данных. Они опубликовали

 Желтую книгу,

 в которой определили

точный стандарт того, что они назвали

 CD-ROM (Compact Disc - Read Only

Memory — компакт-диск — постоянное запоминающее устройство).

 Чтобы влить-

ся в широко развернувшийся к тому времени рынок аудио-компакт-дисков, ком-
пьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудио-диски,
механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же техно-

логии. Вследствие такого решения потребовались моторы, работающие с низкой
скоростью и способные менять скорость. Стоимость производства одного компакт-

диска составляла в среднем меньше 1 доллара.

В Желтой книге определено форматирование компьютерных данных. В ней

также описаны усовершенствованные приемы исправления ошибок, что является
существенным шагом, поскольку компьютерщики, в отличие от любителей музыки,
придают очень большое значение ошибкам в битах. Разметка компакт-диска состо-
ит в кодировании каждого байта 14-битным символом. Как мы видели выше, 14 би-

тов достаточно для того, чтобы закодировать кодом Хэмминга 8-битный байт, при
этом останется два лишних бита. На самом деле используется более мощная сис-

тема кодировки. Перевод из 16-битной в 8-битную систему для считывания ин-

формации производится аппаратным обеспечением с помощью поисковых таблиц.

На следующем уровне 42 последовательных символа формируют фрейм из

588 битов. Каждый фрейм содержит 192 бита данных (24 байта). Оставшиеся
396 битов используются для исправления ошибок и контроля. У аудио- и компью-
терных компакт-дисков эта система одинакова.

У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов группируются в

 сектор,

как показано на рис. 2.20. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байтов,
первые 12 из которых- O0FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFO0 (в шестнадцатеричной
системе), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Сле-
дующие 3 байта содержат номер сектора, который необходим, поскольку поиск на

компакт-диске, на котором данные записаны по спирали, гораздо сложнее, чем на
магнитном диске, где данные записаны на концентрических дорожках. Чтобы найти
определенный сектор, программное обеспечение подсчитывает, куда приблизитель-

но нужно направляться; туда помещается считывающая головка, а затем начина-
ется поиск преамбулы, чтобы установить, насколько верен был подсчет. Послед-
ний байт преамбулы определяет тип диска.

с и е н а

Символы по

14 битов каждый

42 символа формируют фрейм

Фреймы по 588 битов,

каждый из них

Преамбула

98 фреймов формируют 1 сектор

Данные

Коде

исправлением

ошибок

Сектор 1-го типа

(2352 байта)

Байты 16 2048

 288

Рис. 2.20.

 Схема расположения данных на компакт-диске

Вспомогательная память  1 0 1

Желтая книга определяет 2 типа дисков. Тип 1 использует расположение дан-

ных, показанное на рис 2 20, где преамбула составляет 16 байтов, данные — 2048

байтов, а код с исправлением ошибок — 228 байтов (код Рида—Соломона) Тип 2
объединяет данные и коды с исправлением ошибок в поле данных на 2336 байтов.
Такая схема применяется для приложений, которые не нуждаются в исправлении

ошибок (или, точнее, которые не могут выделить время для этого), например аудио
и видео Отметим, что для обеспечения высокой степени надежности используются

три схемы исправления ошибок в пределах символа, в пределах фрейма и в преде-
лах сектора Одиночные ошибки в битах исправляются на самом нижнем уровне,

пакеты ошибок — на уровне фреймов, а все остаточные ошибки — на уровне сек-

торов Для обеспечения такой надежности необходимо 98 фреймов по 588 битов

(7203 байта), чтобы поддерживать 2048 байтов полезной нагрузки Таким образом,

эффективность составляет всего 28%

Односкоростные устройства для чтения компакт-дисков считывают 75 секто-

ров/с, что обеспечивает скорость передачи данных 153 600 байт/с при диске пер-
вого типа

 и

 175 200 баит/с при диске второго типа Двухскоростные устройства

работают в два раза быстрее и т д , до самой высокой скорости Стандартный

аудио-компакт-диск располагает емкостью для 74 минут музыки, что соответ-
ствует 681 984 000 байтов Это число равно 650 Мбайт, так как 1 Мбайт=2

20

 байтов

(1 048 576 байт), а не 1 000 000 байтов

Отметим, что даже устройство для чтения компакт-дисков со скоростью, обо-

значаемой как 32х (4 915 200 байт/с), не сравнимо с быстрым магнитным диском
SCSI-2 (10 Мбайт/с), несмотря на то, что многие устройства для чтения компакт-

дисков используют интерфейс SCSI (кроме того, применяется интерфейс EIDE).

Когда вы понимаете, что время поиска составляет несколько сотен миллисекунд,
становится ясно, что устройства для чтения компакт-дисков по производитель-
ности сильно уступают магнитным дискам, хотя емкость компакт-дисков гораздо
выше

1

.

В 1986 году корпорация Philips опубликовала

 Зеленую книгу,

 добавив графи-

ку и возможность помещать аудио-, видео- и обычные данные в одном секторе, что

было необходимо для мультимедийных компакт-дисков

Последняя проблема, которую нужно было разрешить при разработке компакт-

дисков, — совместимость файловой системы Чтобы можно было использовать один

и тот же компакт-диск на разных компьютерах, необходимо было соглашение по
поводу файловой системы компакт-дисков Чтобы выпустить такое соглашение,
представители разных компьютерных компаний встретились на озере Тахо в Хай-
Сьерраз (the High Sierras) на границе Калифорнии и Невады и разработали фай-

ловую систему, которую они назвали

 High Sierra

 Позднее эта система преврати-

лась в Международный Стандарт (IS 9660) Существует три уровня этого стандарта

На первом уровне допустимы имена файлов до 8 символов, за именем файла мо-

жет следовать расширение до трех символов (соглашение для наименования фай-

лов в MS-DOS) Имена файлов могут содержать только прописные буквы, цифры
и символ подчеркивания Директории могут вкладываться одна в другую, причем

1

 Емкость компакт-дисков на два порядка ниже емкости современных магнитных дисков —

 Примеч

научн ред

1 0 2 Глава 2. Организация компьютерных систем

допускается не более 8 иерархических ступеней. Имена директорий могут не со-
держать расширения. На первом уровне требуется, чтобы все файлы были смеж-

ными, что не представляет особых трудностей в случае с носителем, на который

информация записывается только один раз. Любой компакт-диск, который со-

ответствует Международному Стандарту IS 9660 первого уровня, может быть
прочитан с использованием системы MS-DOS, компьютеров Apple, Unix и прак-
тически любого другого компьютера. Производители компакт-дисков считают это

свойство большим плюсом.

Второй уровень Международного Стандарта IS 9660 допускает имена файлов

до 32 символов, а на третьем уровне допускается несмежное расположение фай-
лов. Расширения Rock Ridge (названные так причудливо в честь города в фильме
Джина Уайлдера «Горящие седла») допускают очень длинные имена файлов (для

Unix), UID, GID и символические связи, но компакт-диски, не соответствующие

первому уровню, не будут читаться на всех компьютерах

Компакт-диски стали очень популярны для распространения компьютерных

игр, художественных фильмов, энциклопедий, атласов и различного рода справоч-
ников. В настоящее время на компакт-дисках выпускается большая часть коммер-
ческого программного обеспечения. Сочетание большой вместимости и низкой
цены делает компакт-диски подходящими для бесчисленного множества прило-
жений.

CD-R

Вначале оборудование, необходимое для изготовления контрольных компакт-дис-
ков (как аудио-, так и компьютерных), было очень дорогим Но, как это обычно
происходит в компьютерной промышленности, ничего не остается дорогим долгое
время. К середине 90-х годов записывающие устройства для компакт-дисков раз-
мером не больше проигрывателя стали обычными и общедоступными, их можно

было приобрести в любом магазине компьютерной техники. Эти устройства все
еще отличались от магнитных дисков, поскольку информацию, записанную однаж-
ды на компакт-диск, уже нельзя было стереть. Тем не менее они быстро нашли

сферу применения в качестве дополнительных носителей информации, а основ-
ными носителями продолжали служить жесткие диски. Кроме того, отдельные лица
и начинающие компании могли выпускать свои собственные компакт-диски не-
большими партиями или производить контрольные диски и отправлять их на круп-

ные коммерческие предприятия, занимающиеся изготовлением копий. Такие дис-
ки называются

 CD-R (CD-Recordable).

CD-R производится на основе поликарбонатных заготовок. Такие же заготов-

ки используются при производстве компакт-дисков Однако диски CD-R отлича-
ются от компакт-дисков тем, что CD-R содержат канавку шириной 0,6 мм, чтобы

направлять лазер при записи Канавка имеет синусоидальное отклонение 0,3 мм
на частоте ровно 22,05 кГц для обеспечения постоянной обратной связи, чтобы
можно было точно определить скорость вращения и в случае необходимости отре-
гулировать ее. CD-R выглядит как обычный диск, только он не серебристого, а зо-

лотистого цвета, так как для изготовления отражающего слоя вместо алюминия